01. 원자력 발전소 내진검증?

[자료출처]
KINS/RR-608 '지진시간이력으로부터 내진시험 응답스펙트럼을 도출하기 위한 변환기법에 관한 연구' 한국원자력안전기술원

개요

원자로시설 등의 기술기준에 관한 규칙 제13조에 의하면, 안전에 중요한 구조물 계통 및 기기는 지진 등을 포함한 예상가능한 자연현상의 영향에 의하여 그 안전기능이 손상되지 아니하도록 설계되어야 한다. 이에 원자력발전소는 설계 단계에서부터 지진에 대한 영향이 평가되고 이에 대한 내진성능이 유지됨을 보여야 한다. 이를 위하여 국내에서는 미국 원자력발전소 내진검증 요건인 Regulatory 1.100을 준용하여 사용하고 있으며, 내진성이 요구되는 기계 및 전기기기에 대해서는 해당 요건에서 언급하고 있는 IEEE 344요건을 내진검증 실무요건으로 사용하고 있다. 또한, 내진범주의 분류에 대하여 기술하고 있는 Regulatory 1.29에서는 안전관련 설비의 경우와 더불어 손상이 발생되는 경우에 안전관련 설비에 영향을 주는 비안전설비도 내진범주로 분류하고 있다. 여기서, 안전관련 설비는 내진검증 요건을 만족하기 위하여 지진발생 중 및 그 이후에도 설비의 건전성이 유지되는 동시에 고유의 안전기능이 손상되지 않아야 하는 반면, 손상이 발생되는 경우에 안전관련 설비에 영향을 주는 비안전설비는 지진발생 중 및 그 이후에 설비의 건전성만 유지되어도 된다.

 

원자력발전소 내진검증을 위한 지진동

원자력발전소 내진검증을 위한 지진동은 과거에 발생된 지진동 데이터를 이용하는 방법 혹은 인공 지진동을 이용하는 방법으로 정의될 수 있다. 이 중 과거 지진발생이력의 경우, 데이터가 만족할 만큼 충분하지 않고, 데이터가 존재하더라도 정량적으로 지진동의 크기를 정의할 수 없는 경우가 대부분이기 때문에 현실적으로 국내에서는 미국 원자력규제위원회(US NRC)에서 Regulatory Guide 1.60을 통하여 제시한 설계응답스펙트럼이 이용되고 있다.

하지만, 설계응답스펙트럼은 지진동에 대한 관심 고유진동수별 최대 응답의 조합이기 때문에 설계응답스펙트럼을 지진의 동적해석이나 시험에 곧바로 사용할 수는 없다.

즉, 동적해석이나 시험의 입력값으로 사용할 수 있는 시간이력이 필요하다. 

 

원자력발전소 내진검증 방법

내진범주로 분류된 기기는 지진에 대한 건선성 혹은 성능이 유지됨을 보이기 위하여 내진검증을 거쳐야 한다. 내진검증은 해석에 의한 방법, 시험에 의한 방법, 해석과 시험을 조합한 방법 혹은 경험자료를 이용하는 방법 등을 통하여 수행될 수 있다. 해석에 의한 방법은 해석이 가능한 비교적 간단한 기기에 대하여 적용하며 주로 유사정적해석방법(Equivalent Static Analysis)과 동적해석방법(Dynamic Analysis)이 사용된다.

유사정적해석방법(Equivalent Static Analysis)

유사정정해석방법은 1차  고유진동수가 관심주파수 상한값(주로 33Hz)보다 큰 강체나 보(Beam) 기둥(Column) 등과 같은 간단한 구조의 기기에 적용한다. 유사정적해석방법에서는 해당 기기가 위치하는 층의 응답스펙트럼(층응답스펙트럼, FRS: Floor Response Spectrum) 중 가속도의 최대값을 해당 기기의 무게 중심에 적용하여 지진에 의한 작용력을 산출한다. 이 때, 주파수별 기기의 증폭효과를 고려하기 위하여 보수적으로 1.5를 가속도 층응답스펙트럼 최대값과 해당 기기의 질량의 곱에 적용한다. 따라서, 유사정적해석방법을 이용하는 경우에는 응답스펙트럼으로부터 지진시간이력을 도출할 필요가 없다.

동적해석방법(Dynamic Analysis)

동적해석방법은 1차 고유진동수가 관심주파수의 상한값(주로 33Hz)보다 작은 비강체(non-rigid system)에 적용한다. 동적해석방법에서는 해당 기기가 위치하는 층의 층응답스펙트럼에 상응하는 지진시간이력을 도출하고 도출된 시간이력을 해당 기기의 해석모델에 입력값으로 사용하여 기기의 응답 및 응력을 구하는 방법이다.

시험에 의한 방법은 해석 모델을 구현하기 힘든 복잡한 기기나 지진 중 및 이후에도 그 기능의 유지가 요구되는 안전관련 기기에 대하여 적용한다. 시험에 의한 방법은 실제 모델이나 유사성이 검증된 대표모델을 직접 진동시험대에 올려 가진을 하며 기기의 기능과 건전성 유지여부를 판단하는 검증방법이다. 이 경우, 진동시험대에 적용되는 입력으로 시간이력이 필요한데, 해당 시간이력은 해당 기기가 위치하는 층의 층응답스펙트럼을 포괄해야 한다. 따라서, 동적해석 방법이나 시험에 의한 방법을 이용하는 경우에는 응답스펙트럼으로부터 지진시간이력을 도출할 필요가 있다.

 

 

02. 기기의 내진검증(Seismic Qualification, SQ)이란?