성명: 이효직
직책: 선임연구원
소속: 한국원자력연구원

사용한 NI 제품명: NI LabVIEW 8 (한글판), Sound and Vibration Toolkit 3.1, PXI 8196, PXI 4462, PXI 4461

요약

가속도계는 고방사선 구역에서 사용 후 핵연료 처리를 위한 공정장치의 상태진단 및 모니터링을 위한 센서로 사용되는 것 중 하나이다. 사용된 핵연료는 고방사성 물질이므로 근접한 구역에서 사용되는 가속도계의 방사선영향 특성을 파악할 필요가 있다. 본 시스템은 가속도계의 방사선 누적선량에 따른 특성 변화를 관찰하고, 손상분기점을 찾아내기 위해 개발되었다. 고방사선 구역에 놓여진 가속도계의 신호를 고방사선 구역 밖에 설치한 계측 시스템에서 원격으로 제어하여 가속도계를 가진하고, 센서신호를 수집, 처리하여 누적선량에 따른 특성변화를 관찰할 수 있도록 하였다.

개발 배경

한국원자력연구원에서는 사용 후 핵연료의 방사능, 열, 폐기물의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 선진공정 시스템을 개발하였고, 이를 실증하기 위한 공정시설을 건설하였다. 공정장치가 놓여있는 시설 내부는 고방사선 구역이므로 장치의 모든 운전 및 유지보수는 원격으로 이루어진다. 따라서 일련공정 중 하나의 공정장치가 고장나게 되면 복구하는 데 많은 시간이 소요된다. 따라서 고장 전에 공정장치의 운전상태를 모니터링 할 수 있는 이상진단 시스템이 필요하며, 이러한 이상진단 시스템에서 사용하는 대표적 센서가 가속도계이다. 이상진단 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 가속도계의 방사선영향 평가로부터 얻어진 누적 선량에 따른 특성변화 자료가 필요하다.

국내에서 가속도계의 방사선영향 평가를 위한 시스템 구축 사례가 없어서 독창적으로 빠른 시간 안에 구축하여 테스트를 해야만 했다. 이를 위해서는 고준위 방사선조사시험을 수행해야 하는데, 고준위 조사시설은 시설은 우리나라에서 유일하게 정읍 방사선과학연구소에 위치하고 있다. 어떤 대상물의 방사선 영향평가는 외부와 완전히 차폐된 시설에서 방사선원(방사선을 방출하는 동위원소)을 이용하여 조사(Irradiation)시켜 이루어지게 되는데, 조사 중에는 사람이 시설 내부로 접근할 수 없으며, 방사선원이 차폐된 후 접근 가능하다. 기존의 방법으로 누적선량에 따른 영향을 살펴보기 위해서는 주기적으로 대상물을 조사시설 밖으로 꺼내와 계측시스템과 연결하여 신호를 분석해야 하는데, 이러한 방법은 방사선원을 차폐하는 절차 때문에 시간적으로 매우 비효율적이다. 따라서 원격으로 시설 밖에서 대상물의 특성변화를 관찰하고, 데이터를 수집할 필요가 있었다.

본론

하드웨어

그림 1. 가속도계 온라인 방사선영향평가 하드웨어 시스템 구성

가속도계의 신호는 데이터 수집 및 분석 시스템으로 입력되며, 본 실험에서는 NI PXI 시스템(PXI 8196 및 PXI 4462)을 이용하였다. 가속도계의 온라인 데이터 취득을 위한 프로그램 환경은 LabVIEW 8 (한글판) 및 Sound and Vibration Toolkit 3.1을 이용하여 구현하였다.

그림 2는 가속도계의 온라인 데이터 취득 및 신호처리 프로그램의 프런트패널과 블록다이어그램을 보여주고 있다. 프런트패널의 좌측상단은 입, 출력 채널을 설정하는 컨트롤이다. 출력채널은 함수파형을 발생할 수 있는 채널을 의미하며 PXI 4461 다이나믹 신호 분석기경우 입력 2채널, 출력 2채널을 갖고 있다. 본 실험에서는 외장형 함수발생기를 따로 사용하지 않았고, PXI 4461의 출력 채널을 함수발생기 대신 사용하였다. 고속으로 데이터를 저장하므로 Scan Rate와 FIFO에서 가져올 샘플 개수를 조정할 수 있도록 하였다. 함수형태, 진폭, 주파수 리스트를 결정할 수 있도록 하였다.

그림 2. 가속도계 온라인 방사선영향평가용 프로그램 프런트패널 및 블록다이어그램

소프트웨어

본 프로그램에서는 웨이브폼을 각 주파수별로 별도 파일에 저장한다. 또한 모든 주파수 리스트에 대해 입력 진폭(함수 발생기 진폭) 대 출력진폭(가속도계 진폭)을 한 파일에 기록하도록 되어있다. 또한 실시간으로 신호처리를 하여 주파수 영역에서 FFT, 파워 스펙트럼, 파워 스펙트럴 분석을 그래프를 통해 볼 수 있도록 하였고, 시간 영역에서 가속도계 웨이브폼 그래프를 볼 수 있도록 하였다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

NI 하드웨어와 소프트웨어로 위 계측시스템을 구축하는 데에는 대략 2주 정도가 소요되었다. 여기서는 가속도계의 방사선 영향평가 시스템만을 소개하였지만, 다른 부품들의 방사선 영향평가 시스템도 거의 동일한 NI 제품으로 손쉽게 솔루션을 구축할 수 있었으며, 타 사의 여러 제품을 혼용하지 않아도 된다는 측면에서 호환성 및 비용 절감 효과를 크게 볼 수 있었다. 촉박했던 프로젝트 일정 속에서 빠른 결과를 얻을 수 있었던 이유는 4개월이란 긴 방사선조사 실험기간에 비해 비교적 짧은 시스템 솔루션 구축 시간 때문이었다.

솔루션의 이점을 정리하면 다음과 같다.

● 타 브랜드의 진동 어플리케이션 솔루션이 비싸서 비교적 저렴하고 확장성이 좋은 동적신호분석모듈(PXI 4461, 4462) 및 Sound and Vibration Toolkit를 채택
● LabVIEW와 같이 빠른 프로그램 개발 환경을 제공
● 이해하기 쉬운 GUI 환경 구축으로 다른 사람에게 프로그램 사용법 전수가 용이

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