실험적 노하우에 시뮬레이션을 더하다: SMR 규제 검증의 새로운 지평을 향한 도전

1. 귀사와 기고자분에 대한 소개 부탁드립니다. 

안녕하세요. 비즈㈜ (BEES) 기술연구소에서 기술전문위원으로 재직 중인 유봉 수석연구원입니다. 저희 비즈는 초소형원자로 (MR, microreactor) 설계/개발, 소형원자로 (SMR, Small Modular Reactor) 및 대형원자력발전소의 안전 현안에 대한 R&D 및 자문을 수행하는 전문 기업입니다. 현재 가동 중인 원전의 안전 규제 기술 개발은 물론, 차세대 에너지원으로 주목받는 SMR 및 초소형원자로의 신규 규제 체계 구축과 구조물·계통·기기의 안전 등급 평가를 위한 기술적 기반을 다지는 데 주력하고 있습니다.

참조: https://bees.re.kr/en/

2. 맡고 있는 역할 또는 업무는 어떤 것입니까? 

원자력 안전 규제 대응을 위한 기술 자문과 연구 개발을 수행/자문하고 있습니다. 특히 초소형 원자로 및 SMR의 설계가 최신 안전 기준을 충족하는지 검토하고, 지진, 고온,고압과 같은 극한 환경에서의 기구적 거동을 분석합니다. 최근에는 실험 데이터와 이론적 계산을 바탕으로 면진 시스템의 효과성을 입증하는 연구를 진행해 왔으며, 이를 규제 가이드라인에 반영하기 위한 기술적 근거를 마련하는 업무를 맡고 있습니다.

3. 최근 업무상의 이슈 사항을 구체적으로 소개해 주실 수 있을까요? 

'초소형 원자로의 면진 시스템에 따른 지진 응답 분석' 연구를 들 수 있습니다. 원전의 소형화에 따라 지진 하중에 대한 민감도가 높아지는데, 고정 기초와 2D/3D 면진 시스템 각각의 가속도 저감 효과를 정밀하게 분석했습니다. 
기존의 2D 면진 시스템은 수평 방향의 지진 하중 저감에는 효과적이지만, 수직 지진 응답 제어에는 한계가 있었습니다. 특히 초소형 원전은 격전지나 오지 등 열악한 지반 환경에도 설치될 수 있어야 하므로, 수평과 수직 하중을 동시에 제어하는 기술이 필수적입니다.
저희 비즈는 작년 연구를 통해 납-고무 베어링(LRB)과 디스크 스프링을 결합한 3D 면진 모델을 제안했고, 0.3g 수준의 지진 조건에서 수평 뿐만 아니라 수직 가속도 피크치를 유의미하게 낮출 수 있음을 확인했습니다. 하지만 이를 실제 현장에 적용하기 위해서는 넘어야 할 기술적 이슈들이 남아 있습니다.

첫째는 '설계 하중의 확장성'입니다. 현재 20톤급으로 설계된 시형 3D 면진 장치를 실제 SMR 규모인 200톤급 이상으로 확장할 수 있는 유연한 설계안을 확보해야 합니다. 둘째는 '신뢰성 검증'입니다. 시뮬레이션으로 확인된 감쇠 효과를 실제 진동대 시험(Shaking Table Test)을 통해 입증하고, 지반-구조물 상호작용(SSI) 모델링을 통해 실제 지반 조건에서의 안전성을 규제 기관이 납득할 수 있는 수준으로 증명해야 합니다.

현재는 이러한 실험적 결과들을 Ansys를 활용한 고도화된 수치 해석 모델로 전환하여, 설계 최적화와 확률론적 취약도 분석(Fragility Analysis)까지 수행하는 단계로 나아가고자 합니다. 이 과정이 성공적으로 마무리된다면, 초소형 원자로의 경제성과 안전성을 동시에 확보하는 중요한 기술적 이정표가 될 것입니다."

[그림 1]

[그림 2]

[그림 3] Seismic Responses subjected to DBE=0.3g

[그림 4] Relative Displacements in 3D Isolation system subjected to DBE=0.3g

4. CAE 해석 설루션(Ansys) 도입의 배경과 이점은 무엇인가요? 

그동안 저희는 원자로 기계구조 및 열유체 분야에 대한 실험과 이론적 분석을 통해 연구를 진행해 왔으나, 원전 안전 규제 분야가 고도화됨에 따라 '가상 검증(Virtual Verification)'의 중요성이 커지고 있습니다. 이에 따라 세계적으로 공신력 있는 CAE 해석에 대한 도입을 추진하게 되었습니다. 도입 후 기대하는 가장 큰 효과는 '실험의 한계 극복'입니다. 원자력 설비는 실제 크기의 실험이 어렵거나 비용이 막대하게 발생하는데, Ansys를 활용하면 고난도 물리 현상을 정밀하게 모사할 수 있습니다. 또한, 규제 기관에 제출할 데이터의 객관성을 확보하고, 다양한 변수 조건(What-if scenario)을 단시간에 검토함으로써 자문 업무의 정확도와 속도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대합니다.

5. 태성에스엔이의 기술 지원에 대한 의견 부탁드립니다.

비즈에게 태성에스엔이는 단순한 소프트웨어 공급사를 넘어, 전문적인 기술 파트너입니다. 저희가 다루는 원전 규제 기술은 매우 특수한 분야임에도 불구하고, 담당 엔지니어분들의 깊이 있는 이해도와 신속한 피드백 덕분에 난도 높은 해석 모델을 성공적으로 구축할 수 있을 것으로 기대합니다. 

6. 마지막 한마디

원전 안전은 타협할 수 없는 가치입니다. 비즈는 앞으로도 Ansys의 강력한 시뮬레이션 성능을 바탕으로, SMR과 초소형 원자로가 전 세계적으로 안전하게 뿌리내릴 수 있도록 규제 기술의 표준을 만들어가겠습니다. 이 여정에 든든한 기술 조력자로 함께해 주는 태성에스엔이와의 협력을 기대합니다.