고주파 지진이 원자력 발전소 설비의 동적거동에 미치는 영향

Effect of High-frequency Ground Motions on the Response of NPP Components: A State-of-the-art Review

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J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):285-294
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.285
박효상*, NguyenDuy-Duan**, 이태형
* Member, Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Konkuk University
** Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Konkuk University
***Corresponding Author, Member, Professor, Department of Civil Engineering, Konkuk University (Tel: +82-2-447-4093, Fax: +82-2-447-4093, E-mail: thlee@konkuk.ac.kr)
Received 2017 October 30; Revised 2017 November 01; Accepted 2017 November 13.

Abstract

원자력 발전소는 국내전력소비량에 약 30%를 공급하는 가장 중요한 전력원이다. 원자력 발전소의 구조 및 설비의 손상은 전력공급의 중단 뿐만 아니라 심각한 인명피해 및 환경 재해를 야기한다. 2017년 9월에 발생한 경주지진에서 기록된 지진파는 고주파 성분을 많이 포함한 것으로 밝혀졌고 우리나라와 비슷한 중약진 지진대인 미국 중동부지역에서 발생한 지진들도 고주파 성분이 많이 포함되어 있어, 앞으로 발생할 국내 지진은 고주파 성분이 많이 포함된 지진일 가능성이 높다. 따라서 고주파 지진에 의한 원자력 발전소 설비의 지진응답에 대한 충분한 평가와 포괄적인 이해가 필요하다. 본 논문에서는 고주파 성분이 많이 포함된 지진이 원자력 발전소 구조물 및 설비의 지진거동에 미치는 영향과 관련된 최신 연구동향을 제공한다. 문헌 분석 및 검토를 바탕으로 국내 원자력 발전소의 내진 설계 및 내진성능평가에 지진의 고주파 성분이 적절히 포함된 고주파지진 응답스펙트럼의 사용을 제안한다.

Trans Abstract

Nuclear power plant (NPP) is one of the most critical sources for supplying power to the population and industries. Damage of nuclear power plant components can lead to not only devastating environment disasters and casualties but also interrupting electricity supplies. South Korea, owning a major number of nuclear reactors, is located in the low-to-moderate seismic area with high-frequency ground motions. Therefore, it is necessary to have a sufficient assessment and comprehensive understanding on the seismic response of NPP components subjected to high-frequency motions. This paper presents a state-of-the-art review of high-frequency (HF) ground motions effects on the response of structural and equipment components in NPP structures. Moreover, based on the analysis of literatures, we give a recommendation on the use of response spectra of HF ground motions for the seismic design and response analyses of Korean NPP structures.

1. 서론

2011년 3월 11일 발생한 일본 동북부 지진과 쓰나미로 인해 사회기반시설에 막대한 피해가 발생하였으며 후쿠시마 다이이치(Fukushima Daiichi)에 위치한 4개의 원자력 발전소에서 설비가 손상되어 11기의 원전설비 가동을 즉시 중단하였다(TEPCO, 2012; IAEA, 2015). 원자력 발전소 폐쇄 후 냉각 시스템, 서프레션 쳄버(suppression chamber), 수조(wetwell), 압력용기와 같은 설비에서 발생한 결함 및 방사능 유출로 원자력 발전소의 내진 안정성에 대한 반향을 불러 일으켰다.

새로 건설된 원자력 발전소는 일반적으로 U.S. NRC Regulatory Guideline 1.60(이하 RG 1.60)의 스펙트럼 또는 수정된 버전의 스펙트럼을 기반으로 스펙트럼 형상이 비슷한 저주파 지진동을 고려하여 설계한다(USNRC, 1973, 2014). RG 1.60은 원자력 발전소가 위치한 지진구역에 따라 주어진 최대지반가속도(PGA)에 맞춰 조정할 수 있다. 이러한 스펙트럼 중 일부는 고주파 영역에서 강화되었지만, 미국 중⋅동부, 북유럽 및 한국과 같은 지역에서는 RG 1.60에서 제공하는 미국 서부의 스펙트럼 형상과 다른 주파수 성분을 갖는 지진의 영향을 받을 수 있다.

원자력 발전소의 주구조는 지진에 견고하게 견딜 수 있도록 설계되었다. 그러나 주구조에 부착된 설비는 일반적으로 저주파 및 고주파 진동을 포함하는 지진동에 민감한 것으로 나타났다. 고주파 지진동 하에서 다음과 같은 설비의 손상 모드가 보고되었다(EPRI, 2007c):

  • 부착상태의 변화

  • 접촉면의 떨림현상

  • 전기신호의 변화

  • 전력계통 단절

  • 기계적 연결부 느슨해짐

  • 기계적 연결 부교합

  • 반복되는 변형률의 효과(예, 납땜부 파괴)

  • 고정용 와이어의 부적절한 연결

  • 기계적 고정장치에 의한 연결부 부정교합

한국은 중⋅약진 지역으로 알려져 있지만, 최근 연구에 따르면 국내에서 발생가능한 지진의 규모는 약 6.5에 이를 수 있다고 보고한다(Chiu and Kim, 2004; Seo et al., 2010). 또한 일부 연구에서는 한국에서 발생한 지진이 10~30 Hz의 고주파 성분을 많이 포함하고 있다고 보고하였다(Choi et al., 2002; Joe and Cho, 2003; KAERI, 2003; Seo et al., 2003). 따라서 국내의 고주파 지진동을 고려한 원자력 발전소의 구조물, 설비 및 장치(이하 SSCs)의 지진응답에 관한 충분한 검토와 평가가 이루어져야 한다.

2. 고주파 지진의 정의

일반적으로 지진동의 주파수 성분은 설계를 위한 지진 응답 스펙트럼에서 구분한다. 1~10 Hz범위의 주파수 성분은 저주파로, 10 Hz보다 높은 주파수는 고주파로 분류된다(EPRI, 2017). 한편, 미국전력연구소(이하 EPRI) 보고서에(EPRI, 2007a) 의하면 가속도 스펙트럼의 고주파수 성분은 RG 1.60의 스펙트럼을 초과하는 것으로 정의된다. 즉, 초과된 10 Hz 이상의 주파수가 고주파 영역임을 의미한다. Fig. 1은 RG 1.60의 설계스펙트럼과 미국 중⋅동부지역의 응답스펙트럼을 비교한 것이다. 일반적인 미국 중⋅동부의 스펙트럼이 10~60 Hz의 고주파 영역에서 더 큰 스펙트럼가속도 값을 갖는 것으로 나타났다.

Fig. 1

Comparison of RG 1.60 Design Spectral Shape and Typical Central and Eastern US Site Specific GMRS

스웨덴과 같은 북유럽의 경우, 10 Hz를 초과하는 고주파수 대역이 지배적인 지진동에도 대응할 수 있도록 고려하고 있다(Rydell, 2014). Fig. 2는 RG 1.60 (PGA 0.15g)와 스웨덴의 10-5설계스펙트럼(PGA 0.11g, 5% 감쇠)을 보여준다. 스웨덴의 설계 스펙트럼은 약 10~25 Hz 고주파 영역에서 비교적 크고, 저주파 영역에서 낮은 가속도 스펙트럼을 나타낸다.

Fig. 2

Comparison of RG 1.60 and Swedish 10-5 Design Spectrum for NPPs

최근 국내의 연구결과에 의해 암반지역에서 측정한 지진동이 10~30Hz의 고주파 성분을 많이 포함하고 있다는 것이 확인되었다. Choi et al. (2002)은 국내에서 발생한 규모 3.0~5.0 크기의 지진기록 270개를 분석하여 Fig. 3과 같이 정리하였다. Fig. 3은 국내 규모 3.0~5.0 크기의 270개 지진기록에 대한 가속도 응답스펙트럼이며, 10~30 Hz의 고주파수 대역에서 높은 스펙트럼 가속도를 값을 갖는다.

Fig. 3

Mean Ground Response Spectra for Earthquake Magnitude 3.0-5.0 in Korea

3. 고주파 지진동이 원전 구조물 응답에 미치는 영향

원자력 발전소의 주구조(예: 원자력 발전소 격납 건물)는 자연 재해 또는 인위적 요인에 인한 방사능 유출 위험으로부터 보호해야 할 가장 중요한 시설이다. 원자력 발전소의 주구조는 엄격한 설계기준을 따르지만, 서로 다른 지진 시나리오에서 구조물의 응답에 대한 보다 폭넓은 이해가 필요하다. 많은 연구에서 저주파 및 고주파 지진동에 대한 주구조의 지진응답을 연구했다(Bernero et al., 1988; Whorton, 1988; Huang et al., 2008; Ghiocel et al., 2010; Khan et al., 2013; Kim and Moreschi, 2013; Rangelow et al., 2013; Kubo et al., 2014; Jung et al., 2015; Lee et al., 2015; Radford et al., 2015; Sayed et al., 2015; Hur et al., 2017). 본 절에서는 지진동의 고주파 성분이 원자력 발전소 구조 및 설비에 미치는 영향을 고려한 문헌에 초점을 두었다.

Bhan and Dunbar(1989)는 원자력 발전소의 구조 및 설비에 대한 고주파 지진동의 영향을 조사하기 위해 미국 동부와 서부의 서로 다른 6개의 지진을 선정하였다. 변위 연성도, 응력, 에너지 흡수 및 소산 등 구조 손상 지수 측정치로부터 고주파 지진동이 낮은 고유 진동수를 갖는 구조물에 미치는 영향은 낮은 것으로 나타났다. 또한 미국 동부 지진에 의한 관측결과에 따르면 고주파 지진동은 구조에 손상을 주지 않는 것으로 나타났다.

Choi et al. (2003)은 고주파 가속도 스펙트럼이 층응답스펙트럼(이하 FRS)에 미치는 영향을 평가하기 위해 격납구조물의 동적해석을 수행하였다. RG 1.60의 설계응답스펙트럼과 고주파 등재해스펙트럼(이하 UHS)을 적용하여 FRS를 비교하였다. 입력된 두 스펙트럼은 격납구조 상부에서 유사한 FRS를 보이지만, 10 Hz 이상의 주파수 대역에서 구조물 내부 상단에서는 큰 차이를 보였다.

Elkhoraibi et al. (2016)은 고주파수 대역이 포함된 지진에 대한 구조물 전체 및 국부 응답의 종합적 연구를 수행하였고, 고주파 지진동은 구조적 요소에 손상을 주지 않는 것으로 나타났다. 전형적인 구조물의 응답스펙트럼은 10 Hz 이상의 고주파대역에서 설계 응답스펙트럼을 초과하였다. 하지만, 시설물의 주요 구조부재에서 대부분의 요구성능은 설계기준의 저주파 대역 내에 위치하였다. 또한, 일부 부재위치에서 더 큰 지진력이 관찰되었지만 원자력 발전소 설계 범위에 속하였다. 지반-구조물 상호작용을 고려하여 고주파 지진동과 PGA 0.3g 로 조정한 RG 1.60에 대한 국부응답(예: 면외 슬래브 및 벽면 응력)을 비교하였다. 이 연구의 결과에 의하면, 고주파 지진동에 의한 슬래브 및 벽면에 더 큰 요구성능이 작용하였지만, 이러한 요소들은 모두 내진설계 범위를 초과하지 않았다.

EPRI는 고주파 지진동에 의한 원자력 발전소 설비의 영향을 조사한 보고서를 발표했다(EPRI, 2007a, 2007b). 원자력 발전소 SSCs에 대한 분석 및 경험적 구조응답에 대한 연구를 수행하였다. 이 보고서에 정의된 고주파 스펙트럼 가속도는 10 Hz 이상의 주파수에서 RG 1.60 스펙트럼 기준을 초과하였다. 하지만 고주파 지진에 의한 원자력 발전소 SSCs의 손상은 없는 것으로 나타났다. 이 같은 결과는 고유진동수가 낮은 주구조는 일반적으로 고주파 지진동에 큰 영향을 받지 않는 것에 기인한다. 높은 고유 진동수를 갖는 구조물은 변위와 부재력의 요구성능이 매우 작다. 경험적 연구에서도 작은 규모의 근거리 지진이 포함하는 고주파 성분에 의한 구조물의 영향이 없는 점을 지적했다.

EPRI(2017)는 RG 1.60 응답스펙트럼에 따라 설계된 원자력 발전소에 대해 미국 중⋅동부 및 기타 지역에서 고주파 지진동 영향을 평가했다. 분석 결과로부터, 고주파 지진동은 전체 구조물의 요구성능을 증가시키지 않는다고 결론지었다. 또한 고주파 지진동은 RG 1.60에 따라 설계된 경우 슬래브 및 벽에 대한 면외 구조의 요구성능을 증가시키지 않았다.

Ghiocel et al. (2010)은 미국 동부의 암반지대 위치한 원자력 발전소 구조물의 고주파 지진동 대역을 포함하는 지진 응답에 관한 사례 연구를 수행하였다. 유한요소해석결과 표준 원자력 발전소 내진설계는 고주파 지진동에 대해 안전하다는 것을 입증하였다.

Moreschi et al. (2012)은 미국 중⋅동부에서 고주파 지진동을 고려한 원자력 발전소 구조물의 동적응답을 수행하기 위한 3-D 유한요소모델을 개발하여 구조부재 및 장비의 내진성능을 평가하기 위해 FRS를 관찰하였다. 유한요소해석으로 구조물 전체의 응답이 중요하지 않았음을 보여주었지만, 고주파 지진동에 의해 슬래브 및 벽의 면외방향으로 국부적인 진동이 발생할 가능성이 있다고 보고하였다.

Pan et al. (2013)은 고주파 지진동이 원자력 발전소 안전과 관련된 국부적인 내진 응답에 미치는 영향을 조사했고, 구조물 내의 다양한 위치에서 스펙트럼 가속도를 확인하였다. 원자력발전소 구조물을 이상화된 다자유도 시스템으로 모델링하여 해석하였고, 그 결과 일차 및 이차 계통 사이에 동적 결합이 고주파 지진동에 매우 민감하다는 것을 밝혔다. 또한, 전형적인 원자력 발전소의 사례연구를 통해 동적결합 효과의 중요성을 확인하였다.

Reed et al. (1991)EPRI (1993)는 고주파 지진동에 의한 원자력 발전소 설비의 잠재적인 손상에 관해 연구하였다. 고주파 지진동에 의한 손상은 저주파 지진동에 의한 손상보다 현격히 적은 것을 확인하였고, 고주파 대역의 설계응답 스펙트럼을 저감시키는 간단한 방법을 개발하였다.

4. 고주파 지진동이 원전 설비 응답에 미치는 영향

원자력 발전소 운용엔 전기, 전자, 기계부품 등의 다양한 설비가 필요하고, 지진과 같은 극한 하중에 대한 설비의 안전성 확보는 매우 중요하다. 원자력 발전소의 다양한 설비들은 주구조의 각기 다른 위치에 부착되어 운용되므로, 일반적으로 각 위치에서의 응답스펙트럼을 활용하여 평가한다. 또한 설비의 고주파진동 민감도로 인해, 안전요건 확인을 위한 고주파 대역에서의 내진성능평가가 필요하다. Table 1은 원자력 발전소구조의 일반적인 설비 구성 요소를 나타낸다.

List of Typical Equipment Components in NPPs (KAERI, 2003)

EPRI(2007a; 2007b)에서는 고주파 지진에 의한 원자력 발전소 구조와 설비에 손상이 관찰되지 않았더라도, 잠재적 민감도 성분을 식별하고 상관관계를 확인하는 프로그램을 제안하였다. EPRI(2007c)는 후속연구로, 고주파 지진에 민감한 구성요소와 고주파 지진이 설계 응답 스펙트럼을 초과할 경우 평가해야 하는 구성요소의 분류 기준을 제공하기 위한 연구를 수행하였다. 또한, 고주파 지진에 민감한 안전관련 구성 요소의 선정 방법을 제안하였다. 아래 표기한 내용은 잠재적으로 고주파 지진에 민감한 것으로 판단되는 원자력 발전소의 구성 요소이다.

  • Electro-mechanical relays (e.g., control relays, time delay relays, protective relays)

  • Electro-mechanical contactors (e.g., Motor Control Center (MCC) starters)

  • Circuit breakers (e.g. molded case and power breakers - low and medium voltage)

  • Auxiliary contacts (e.g., for Molded Case Circuit Breakers (MCCBs), fused disconnects, contactors/starters)

  • Control switches (e.g., bench-board, panel, operator switches)

  • Transfer switches (e.g., low and medium voltage switches with instrumentation)

  • Process switches and sensors (e.g., pressure/diff. pressure, temperature, level, limit/position, and flow)

  • Potentiometers Digital/solid-state devices (mounting and connections only)

EPRI(2014)는 원자력 발전소 설비의 동적능력을 확인하기 위해 20~40 Hz의 고주파 지진을 사용하여 153개 기기에 대한 진동대 실험을 수행하였다. 실험에 포함된 기기는 제어 및 보호 계전기(control and protective relays), 제어 및 시동 전동기(contactors and motor starters), 몰드차단기(molded case circuit breakers), 제어 스위치(control switches), 프로세스 스위치 및 송신기(process switches and transmitters), 중⋅저압 차단기(low and medium voltage circuit breakers), 전위차계 및 근접 스위치(potentiometers and proximity switches) 등이다. 실험결과, 대부분의 기기는 고주파 지진에 큰 영향이 없었지만, 중∙저압 회로 차단기, 몇몇의 보호 계전기, 특정 접촉기 및 시동기 등은 고주파 지진에 의한 잠재적 민감도를 고려할 필요가 있었다. 본 실험 결과는 Richards et al. (2015)에서도 확인할 수 있다.

최근 EPRI(2017)은 원자력 발전소가 암반에 위치한 경우 고주파 지진에 의해서 구조나 설비의 요구성능이 증가하지 않지만, 암반이 아닌 토질층에 위치한 경우엔 요구성능이 증가한다고 지적하였다. 설계에 있어 설비의 다중지지를 고려할 경우 내진설비소요의 감소 효과를 볼 수 있다.

Ghiocel et al. (2010)의 연구에서는, 특정위치의 저주파 및 중주파 지진에 의한 응답스펙트럼은 설계값보다 작지만, 고주파 지진을 고려하면 설계값보다 클 수 있다고 보고하여, 고주파 지진에 민감한 설비 및 기기에 영향을 줄 수 있음을 지적했다.

KAERI(2003)는 국내 원자력 발전소에 대한 등해도 스펙트럼을 제안하고, Fig. 4와 같이 확률론적 지진안전성평가 및 내진여유도평가에서 사용된 스펙트럼을 비교하였다. FRS를 통해 고주파 지진에 의한 영향이 크다는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 이러한 영향은 원자력 발전소 설비의 확률론적 지진안전성평가와 내진여유도평가에 고려하는 것이 바람직하다. 이러한 부분은 특히 기능 상실에 대한 내진성능평가에서 반드시 검토되어야 한다. Fig. 5는 원자력 발전소의 FRS 증폭 사례를 보여준다.

Fig. 4

Comparison of Design Spectrum in RG 1.60 and Developed Uniform Hazard and Site Specific Response Spectra

Fig. 5

Comparison of Design Spectrum in RG 1.60 and Developed Uniform Hazard and Site Specific Response Spectra

Rydell(2014)는 고주파 성분이 지배적인 지진 발생이 예상되는 스웨덴에 위치한 원자력 발전소의 구조 및 설비의 지진응답에 관해 연구했다. 강관 시스템의 응답에서 강관 지지부 간극의 영향과, 콘크리트 수조 응답에서 유체-구조 상호작용의 영향을 고주파 지진을 고려하여 평가하였다. 수치 해석 결과 고주파 지진은 구조물에 손상을 주지 않는 것으로 나타났지만, 구조물에 부착된 비구조 요소에는 무시할 수 없는 수준의 영향이 있는 것으로 나타났다. 또한 유체-구조 상호작용을 고려한 동적 응답은 낮은 진폭과 짧은 지속 시간 특성을 갖는 고주파 지진도 중요하다는 것을 보여 준다.

Seo et al. (2003)는 고주파 지진이 원자력 발전소 구성 요소의 지진취약도에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. Newmark-Hall 지반 스펙트럼에 의한 고신뢰도 저 파괴확률(HCLPF)과 국내의 UHS에 의한 HCLPF 값을 비교하였는데, 일반적인 원자력 발전소 구조물 및 설비에 대한 HCLPF 값은 국내의 UHS에 대해 증가하는 것으로 나타났다. 다시 말하면, 고주파지진을 고려했을 때 설비의 파괴확률이 감소하는 것이다. 그러나 계전기와 같이 고주파 지진에 민감한 요소에 대해선 보다 상세한 영향평가가 필요하다고 제안하였다.

EPRI(2015)은 원자력 발전소의 설비에 대한 요구성능 중간값을 추정하기 위한 취약도 방법과 고주파지진 민감도 분석 수행방법을 제시하였다. 고주파지진 민감도 분석은 평가할 기기 범위, 설비의 요구성능 추정방법, 요구성능-소요성능 비율의 평가 절차가 포함되어 있다. 제안된 지침은 저주파 및 고주파 지진을 모두 지진 취약도 계산에 적용할 수 있다.

ASCE 4-98(2000)은 설비 및 구성요소가 고주파 지진동에 민감한 경우, 33 Hz 이상의 주파수 대역에서 스펙트럼 값의 증폭이 발생하는 고주파 지진에 취약한 미국 중⋅동부지역에 대해 부지고유 스펙트럼을 사용하도록 규정한다. IEEE(2013)는 고주파 지진에 의한 지진응답스펙트럼이 기존 33 HZ로 차단된 주파수 이상의 고주파수 대역을 포함하고 있을 가능성을 보고하였다.

앞서 언급한 문헌에서 원자력 발전소 구조 및 설비의 고주파 지진에 대한 응답 영향을 검토하였다. 대부분의 문헌은 원자력 발전소 구조 부재는 고주파 지진에 영향을 받지 않는 반면, 설비 및 장치는 고주파 지진에 일반적으로 민감하다는 것을 보여주고 있다. 따라서 원자력 발전소 운용의 안전을 보장하기 위한 구조물, 설비 및 장치의 통합된 내진성능평가가 필요하다.

5. 국내 지진 응답 스펙트럼과 원자력 발전소 내진설계 제안

국내 지진계측이 시작된 1978년 이후 관측된 지진 기록 중 2000년대 이후 울진 지진(2004, 규모 5.2), 오대산 지진(2007, 규모 4.5) 등 중규모 이상 지진의 발생빈도가 높아지고 있다. 특히 2016년 9월 경북 경주 남남서 8 km 떨어진 지역에서 발생한 리히터규모 5.8, 모멘트규모 5.5, 진원 깊이 12 km의 경주지진은 계측 이래 가장 큰 규모의 지진이다.

경주지진에 의한 피해는 지진규모에 비해 작았다. 대부분 저층 및 비내진건물의 비구조적 피해가 주를 이루었다. 하지만 진앙지와 인접했던 월성 원자력발전소(29 km) 부지 지진계측값이 0.12 g으로 나타나 운전기준지진(OBE) 기준을 초과하여 원전 1~4호기 모두 일시적으로 가동 중단 되었다. 안전정지지진(SSE) 기준인 0.2 g 지반가속도엔 미치지 못했으므로 원전구조물의 영향은 없는 것으로 판단되어 재가동되었다. 이후 국내 지진특성을 고려한 원전연구 필요성이 증대되었다. Table 2는 경주지진 진앙에 인접한 3개 관측소 정보이다.

Three Observatories Near Gyeongju Earthquake Epicenter

경주 지진의 경우 4~10초의 계측 범위에서 대부분의 지반거동이 발생하고 그 이후엔 급격히 소멸되는 특징을 보이며, 5 Hz 이상의 주파수영역에 대부분의 에너지가 집중되어 있다. 따라서 경주지진에 피해는 고유주기가 1초 이하인 단주기 구조물과 강성이 크고 국부적 진동이 발생하기 쉬운 비구조요소에서 주로 발생될 것으로 추정되며, 실제 피해사례가 유사한 양상을 보였다(Lee et al., 2016).

경주지진과 같이 공학적 의미(중규모 이상의 지진으로 비교적 많은 관측소에서 일정 크기 이상의 지진파가 계측됨)를 갖는 계기지진이 부족한 국내 실정을 고려하여, 국내 지반특성이 반영된 인공지진파를 활용하였다. “도시기반 인프라 네트워크의 지진 취약도 함수 개발 (2015)”에서는 Park et al. (2009a; 2009b)에서 제시한 국내 지반특성이 고려된 설계응답스펙트럼을 활용하여 Eurocode 8에 기초한 475년 재현주기를 갖는 지진파로, 4개의 지반조건(SB, SC, SD, SE)을 고려한 인공지진파를 작성하였다. 국내 지반조건을 고려하여 작성된 인공지진파 또한 고주파수 영역을 많이 포함하고 있다. 하지만 각 지반조건별 지진파의 에너지 분포와 크기는 비슷한 양상을 보여 다양한 응답특성을 갖지는 못할 것으로 판단된다. Fig. 6은 2016년 발생한 경주지진 및 작성된 인공지진의 가속도 시간이력과 푸리에변환(FFT)으로 (a) 경주지진 시간이력, (b) 경주지진 FFT, (c) 국내 인공지진 시간이력, (d) 국내 인공지진 FFT 이다.

Fig. 6

Ground Accelerations of Gyeongju Earthquake and Artificial Earthquake

국내 대부분의 원자력 발전소는 RG 1.60에서 제안하는 표준응답스펙트럼에 따라 설계되었다. 일반적으로 국내에서 기록된 지진동은 단단한 암반조건의 고주파 지진동 특성을 갖는다(Seo et al., 2003; EPRI, 2017). Fig. 7은 국내 지진동 응답스펙트럼과 미국 RG 1.60 응답스펙트럼의 비교를 보여준다. 3개의 다른 관측소에서 측정된 지진동의 응답스펙트럼은 15∼35 Hz의 주파수 범위에서 감소하는 것으로 나타났고, 울산관측소(USN)에서 기록된 지진동의 최대 응답스펙트럼 가속도 값은 RG 1.60의 최대스펙트럼 가속도값의 200% 크기로 나타났다. 한편, 인공지진동에 의한 응답스펙트럼은 RG 1.60의 응답스펙트럼 범위에 있는 것으로 나타났다. 국내 지진동은 저주파수 영역에서 상당히 낮은 스펙트럼 가속도 값을 갖는 특징을 보인다.

Fig. 7

Comparison of Response Spectrum of the RG 1.60, the 2016 Gyeongju Earthquake Motions, and Artificial Motions of Korea

IAEA SSG-99(2010)에서는 높은 고주파 성분과 짧은 지속 시간, 높은 최대 가속도를 갖는 중-약진 규모의 지진이 근거리 에서 발생할 가능성이 높다고 제시했다. 하지만 이러한 특징을 갖는 지진의 최대지반 가속도를 사용하여 표준응답스펙트럼을 조정하면, 비현실적인 응답스펙트럼이 작성될 수 있음을 지적하고, 여러 유형의 지진특성을 적절히 반영한 설계를 위해 다중 응답스펙트럼의 사용을 제안하였다.

또한, Kim et al. (2016)은 면진된 원자력 발전소 격납구조물의 경주 지진에 의한 응답이 설계 응답 스펙트럼에 대응되는 인공지진에 의한 응답보다 현저히 낮다고 결론지었다. 그러나 경주지진에 대한 설비 및 기기의 응답에 관한 연구는 아직 수행되지 않았으므로 설계안전성의 검토가 필요하다.

6. 결론

본 연구에서는 원자력 발전소 구조 및 설비, 기기에 대한 고주파 지진동의 응답영향을 종합적으로 검토했다. 문헌 분석을 토대로 도출된 결론은 다음과 같다.

  • (1) 고주파 지진은 일반적으로 원자력 발전소의 주구조물에 손상을 주지 않는 것으로 나타났다.

  • (2) 원자력 발전소를 구성하는 슬래브 및 벽체의 1차 모드는 면외모멘트 방향으로 발생하며 10 - 60 Hz의 고주파수 대역을 갖는다. 내진 요구성능 또한 저주파 지진(예: RG 1.60)과 비교할 때 고주파 지진에 의해 더 크다. 하지만 더 큰 고주파 지진 소요에도 설계시 사용되는 철근보강비율에 따라 슬래브 및 벽체 설계는 적절한 여유도를 가지고 있다.

  • (3) 원자력 발전소 구조 및 설비의 동적 결합은 작은 질량 간섭 등에도 고주파 대역에서 매우 민감할 수 있으므로 반드시 고려해야 한다.

  • (4) 고주파 지진에 의한 영향은 원자력 발전소 구조 및 설비의 확률론적 지진안전성평가 및 내진여유도평가에 반드시 고려되어야 하며, 기능 손상의 관점에서 내진성능평가가 수행되어야 한다.

  • (5) 고주파 지진에 매우 민감한 기기(저전압 및 중전압 회로 차단기, 개폐기, 보호 중계기, 특정 접촉기 및 시동기를 포함)의 진동대 실험을 통해 원자력 발전소 설비 및 기기의 기능적 손상 가능성이 관찰되었다.

  • (6) 국내 원자력 발전소 설계는 다양한 유형의 지진 데이터를 적절히 반영하기 위해 다중 응답 스펙트럼이 사용되어야 한다. 또한, 경주 지진 및 국내 지진에 대한 원자력 발전소 설비의 응답을 분석하고 안전 설계의 확인이 필요하다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE) 산하 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다 (No. 20171510101860).

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Article information Continued

Fig. 1

Comparison of RG 1.60 Design Spectral Shape and Typical Central and Eastern US Site Specific GMRS

Fig. 2

Comparison of RG 1.60 and Swedish 10-5 Design Spectrum for NPPs

Fig. 3

Mean Ground Response Spectra for Earthquake Magnitude 3.0-5.0 in Korea

Table 1

List of Typical Equipment Components in NPPs (KAERI, 2003)

Generic group Generic subgroup Primary function
Electric Equipment Moments - Panels
- Racks
- Cabinets
M
M
M
Electrical Instrument and Devices - Transducers including Integral Signal Conditioners
- Computer Systems
- Communication Systems
E
E
E
Electrical Power Devices - Switch Gear
- Transformers
- Inverters
- Emergency Diesel Generators
- DC Power Limiters (e.g., Batteries)
- Control Cabinets
E
E
E
E, M
E
E
Valves - Large Power Operated Valves Air or Electric
- Relief Valves
- Check Valves
- Instrumentation Valves
M
M
M
M
Pumps and Drives - Main Coolant Pumps
- Medium and Large Pumps and Compressors
- Safety Related Pumps
M
M
M
Heat Removal Systems - Heat Exchangers
- Emergency Pump Drive Systems
- Large Cooling Fans, Motors and Generators
M
M
E, M
Air Conditioning Systems - Air Ducting Devices
- Air Conditioning and Filtering Devices
M
M
System Support Facilities - Cable Trays
- Fuel Storage Racks
M
M
Miscellaneous Components - Snubbers
- Fuel Rod Assemblies
- Control Rod Drive Mechanism
- Reactor Internal Devices
M
M
M
M

* Note: E - Electrical and Electronic, M – Mechanical

Fig. 4

Comparison of Design Spectrum in RG 1.60 and Developed Uniform Hazard and Site Specific Response Spectra

Fig. 5

Comparison of Design Spectrum in RG 1.60 and Developed Uniform Hazard and Site Specific Response Spectra

Table 2

Three Observatories Near Gyeongju Earthquake Epicenter

Station Latitude (°) Longitude (°) Distance (km) Acceleration sensor Recorder Ground Classification
MKL 35.7322 129.2420 5.86 ES-T Q330 SB
DKJ 35.7024 129.1232 22.15 ES-T Q730
USN 35.9468 129.1089 8.23 CMG-5T Q33HRS SC

Fig. 6

Ground Accelerations of Gyeongju Earthquake and Artificial Earthquake

Fig. 7

Comparison of Response Spectrum of the RG 1.60, the 2016 Gyeongju Earthquake Motions, and Artificial Motions of Korea