기관특화기술

목표

• 한수원 특화 고주파 초음파 기반 비파괴 검사시스템 개발

  • 원전 구조물 내 수조와 같은 밀폐 구조물의 내부 결함을 정밀하게 검출할 수 있는 고주파 초음파 트랜스듀서 및 영상 시스템 개발

  • 고주파 초음파를 이용해 mm 단위 이하의 미세 결함을 영상화하고 향후 벽면 부착형 로봇에 탑재하여 자동화된 검사 기술로 확장 가능

• 발전소 특화 로봇 센싱 및 위치 인식 핵심 기술 개발

  • 원자력 발전소 내부 환경에서 다양한 센서 조합을 갖는 계측 시스템이 제공하는 정보를 바탕으로 주변 환경에 대한 지도를 생성하는 매핑 기술개발

  • 생성된 지도를 기반으로, 원자력 발전소 내부 환경에 특화된 로봇의 위치를 파악하는 측위 기술개발

• 원전 로봇의 내방사선 및 내열 기능 설계 및 비상 상황 대응 기술개발

  • 방사선 차폐: 방사선 시뮬레이션을 통해 효과적인 차폐가 가능한 재료를 탐색하고, 로봇 구조 설계에 반영함

  • 열 관리: 열원(방사선 에너지, 대류 및 복사열, 로봇 자체 열 발생) 을 설정하여 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반 열 해석 시뮬레이션을 수행함. 이를 통해 방사선 차폐와 열 분산을 종합적으로 고려하여 비상 대응 상황에서 로봇의 생존성과 효율성을 극대화할 최적 구조를 도출함

  • 비상 대응 로봇 운용: ROS1 혹은 ROS2 기반의 비상대응용 로봇 시뮬레이터를 개발하고, 원전 내 방사선 검출 및 로봇 운용 방안을 제안함

연구개발의 필요성

• 한수원 특화 고주파 초음파 기반 비파괴 검사시스템 개발

  • 원전 안전성 및 수명주기 관리 측면에서 비파괴 방식의 구조물 정밀 진단 기술은 필수임

  • 기존 저주파 초음파 기술은 곡면 내부 구조물의 미세 결함 검출에 한계가 있음

  • 고주파 트랜스듀서 및 영상 기술은 수 mm 이하 결함 검출 가능성과 실시간 시각화에 강점을 지님

  • 관련 기술은 타 산업 분야로의 확장 가능성도 높아 기술 영속성과 활용성 측면에서 전략적 가치가 큼

• 발전소 특화 로봇 센싱 및 위치 인식 핵심 기술 개발

  • 위치 파악은 이동 로봇의 자율 운용에 있어 가장 기본이자 핵심이 되는 기술로서 광역항법 위성시스템(GNSS/GPS) 사용이 불가능한 실내 환경에서는 주변 환경에 대한 상대 위치 정보를 바탕으로 자신의 위치를 추정하는 대체 항법 기술의 활용이 요구됨

  • 주변 사물에 대한 관측 정보를 바탕으로 하는 실내 공간에서의 위치 추정은 주변 환경에 대한 지도의 존재를 전제로 하므로 위치 추정과 지도 작성을 동시에 수행하는 동시적 측위 및 매핑(SLAM) 기법의 활용이 효과적임

  • 카메라와 라이다는 SLAM을 위해 가장 널리 사용되는 센서 조합으로 카메라는 물체 인식을 위한 다양한 의미론적 정보를 제공하는 반면 라이다는 조도 조건 변화에 강인하고 방위각과 깊이 정보를 모두 제공하는 장점이 있어 효과적인 상호 보완이 가능함

  • 발전소 내에서는 비상 상황에서 수증기 누출 등에 따른 시계 제약이 발생할 수 있으며 이러한 상황에서 라이다가 카메라에 비해 상대적으로 강인한 인식 성능을 제공하는 것으로 알려져 있으나 이 역시 한계를 가지므로 보다 근본적인 대안에 대한 검토가 필요할 수 있음

  • 원자력 발전소 내부와같이 복잡한 환경에서 자율 운용이 가능한 로봇 시스템 개발을 위해서는 다양한 센서 조합을 갖는 계측 시스템이 제공하는 정보를 바탕으로 주변 환경에 대한 지도를 생성하는 기술과 생성된 지도와 이동 과정에서의 계측치를 비교하여 로봇의 위치를 파악하는 기술이 우선 확보되어야 함

• 원전 로봇의 내방사선 및 내열 기능 설계 및 비상 상황 대응 기술개발

  • 방사선 및 열 환경에서의 로봇 설계의 한계

    • 원자력 발전소와 iSMR(Small Modular Reactor) 내부와 같은 고방사선 및 고온 환경에서 작동 가능한 로봇의 설계는 현재 기술적으로 미흡함

    • 기존 상용 로봇은 전자장치와 기계 부품이 방사선으로 손상되거나, 열 축적으로 인해 정상 작동이 어려운 상황임. 로봇 설계는 방사선 차폐와 열 관리 기술을 통합적으로 고려해야 하지만, 이를 지원하는 최적화된 설계 방법론이 부족함

  • 운용 방안의 부재

    • 방사선과 고온 환경에서의 로봇 운용을 위한 구체적인 방안이 제시되지 않았음

    • 비상 상황에서 로봇이 어떻게 대응해야 하는지, 방사선 노출을 최소화하며 임무를 수행할 최적 경로와 동작 계획 등이 연구되지 않음

    • ROS 기반 시뮬레이션 및 환경별 대응 알고리즘 등 구체적 운용 기술이
      부족하여 로봇 활용도가 제한적임

  • 기존 기술의 실용성 부족

    • 납, 텅스텐 등 기존 방사선 차폐 소재는 높은 밀도와 무게로 인해 로봇의 기동성을 제한함

    • 새로운 복합 소재와 설계 기술이 개발 중이나, 실제 로봇에 적용된 사례는 드묾

    • 방사선 차폐와 열 관리의 상호 작용을 시뮬레이션 기반으로 검증할 필요성이 존재함

기대효과

• 한수원 특화 고주파 초음파 기반 비파괴 검사 시스템을 통해 원전 내부 시설물의 미세 결함을 사전에 정밀 진단하여 원전 설비의 신뢰성 및 운영 안전성 제고 

• 발전소 특화 로봇 센싱 및 위치 인식 기술 개발을 통해 열악한 환경에서도 로봇의 정확한 위치 추정 및 효율적 이동 경로 설정 가능 

• 내방사선 및 내열 기능이 탑재된 로봇을 활용하여 방사능 누출 및 고온 등 비상 상황에서도 안정적이고 신속한 초동 대응 작업 가능 

• 로봇을 활용한 정밀 안전 진단 및 시설 유지보수로 원전 설비의 수명 연장 및 유지보수 비용 절감 효과 기대 

현장 적용 및 실증 효과 

• 실제 원전 환경을 모사한 시험 환경에서 고주파 초음파 센서의 비파괴 검사 성능 및 결함 탐지 정확도를 실증하여 현장 적용 가능성을 확보 

• 로봇 센싱 기술과 IMU 및 LiDAR 등 다양한 센서를 결합하여 실시간 위치추정 및 시설 내부 맵핑 성능을 실증함으로써, 현장에서의 정확한 작업 수행 가능성 입증  

• 방사능 환경 및 고온 환경에서 로봇 시스템의 내구성 및 운용 성능을 실증하여 극한 상황에서도 안정적 운용 능력 확보 

• 실제 원전 현장의 비상 상황 대응 시나리오를 기반으로 한 시뮬레이션 및 현장 실험을 통해 비상 대응 로봇의 대응 능력을 입증하고 실제 시설 운영에 즉각적으로 활용 가능한 기술적 기반 마련