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● 제목 : Conceptual design of dynamic emergency operating procedural system for NPPs: Integration of dynamic task management and safety monitoring

● 저자 : 울산과학기술원(UNIST) 원자력공학과 (제1저자 강정성, 교신저자 이승준) Jung Sung Kang, Seung Jun Lee

배경
  • □ 원자력발전소 주제어실 운전원은 인간-기계 인터페이스를 통해 원전 정보를 수집하고 운전절차서를 따라 다양한 상황에 대응하며 원전을 안전하게 운전한다. 하지만 비상 운전 상황에서는 다수 경보의 동시 발생과 원전 상태의 급격한 변화로 인해 운전원의 업무부하가 커지며 이로 인해 인적 오류 발생 가능성이 높아지게 되는데, 이는 원전 안전 확보에 있어 오래전부터 중요한 과제로 지적되어 왔다.
  • □ 원전 비상 운전 상황에서 운전원은 비상운전절차서(Emergency Operating Procedure: EOP)를 기반으로 사고에 대응하고 있으며 기존 아날로그 계측제어시스템 기반 원전에서는 종이기반의 절차서를 이용하고 있다. APR1400과 같은 디지털 주제어실이 있는 원전에서는 컴퓨터를 이용한 전산화절차서를 도입하였으며 이는 기존 종이 절차서의 포맷을 기반으로 운전원의 운전을 지원하기 위한 기능들도 포함하고 있다. 소프트웨어인 전산화절차서의 특성을 이용한다면 원전 상태가 급변하는 환경에서 절차를 동적으로 재구성하거나 절차 수행 상태를 실시간으로 추적하고 운전원을 보조하는 기능들도 구현하여 운전원의 인적실수 발생 가능성을 더 낮추는 것이 가능하다.
  • □ 본 논문에서는 기존 정적인 포멧의 절차서를 개선하기 위해 실시간 원전 상태에 기반하여 필요한 작업만 선별적으로 제공하고 안전 감시 기능을 통합한 동적 비상운전절차 시스템인 Emergency Guidance Intelligent System(EGIS)을 제안하였다.
연구내용 1.EGIS 시스템 구성
  • □ 동적 비상운전절차서 시스템인 EGIS는 다음과 같은 세 가지 핵심 기능 요소로 구성된다. (1) Task Block Browser는 기능-계층적 직무 그룹화 프레임워크(Functional-Hierarchical task grouping Framework, FHF)를 기반으로 현재 플랜트 상태에 필요한 작업만 실시간으로 제공하여 운전원의 인지 부하를 줄여준다. (2) CSF Score Evaluator는 퍼지 논리를 활용해 원전 핵심 안전 기능(Critical Safety Function, CSF)의 상태를 0–100 사이의 연속 점수로 평가하여 안전 변수의 점진적 악화를 조기에 감지할 수 있도록 한다. (3) Plant Status Monitor는 다층 흐름 모델링(Multilevel Flow Modeling, MFM) 기반으로 계통 상태와 이상의 파급 영향을 직관적으로 시각화 한다.
  • □ 이들 세 요소의 정보는 색상 구분과 계층적 정보 구조를 적용한 통합 인터페이스에 제공되어, 운전원이 중요한 정보를 즉각 인식하면서도 필요한 상세 정보에 쉽게 접근할 수 있도록 설계되었다.(그림 1)
    그림 1. EGIS 통합 인터페이스 개요
2.기능-계층적 작업 그룹화 프레임워크
  • □ 직무 그룹화 프레임워크를 개발하기 위해 비상운전절차서를 체계적으로 분석하였으며, 절차 직무들을 공통 작업(Common Tasks), 시나리오별 작업(Scenario-Specific Tasks), 상태별 작업(Status-Specific Tasks)의 세 유형으로 분류하였다.
  • □ 이를 바탕으로 밸브·펌프·유량 점검과 같은 컴포넌트 수준 작업 블록을 상위의 계통 수준 블록(예: 안전주입 운전 및 정지)으로, 다시 최상위의 CSF 수준 목표(예: 노심 냉각, 원자로냉각재계통(Reactor Coolant System, RCS) 재고량 유지)로 계층적으로 연결하였다.
  • □ 각 블록의 수행 조건도 별도로 모듈화되어 상위 목표와 연결되므로, 실시간 플랜트 상태에 따라 필요한 블록만 자동으로 선별·제공하도록 하였다.(그림 2)
    그림 2. 기능-계층적 작업 그룹화 프레임워크 구성 절차
3.CSF 점수 평가기와 MFM 기반 플랜트 상태 모니터
  • □ 기존 안전변수표시계통(Safety Parameter Display System, SPDS)은 CSF 상태를 이산적으로만 표시하여 점진적 악화 추세를 조기에 파악하기 어려운 한계가 있었다. EGIS의 CSF Score Evaluator는 이러한 한계를 보완하기 위해 퍼지 논리를 적용하여 각 CSF를 0–100 범위의 연속 점수로 제공하며, 안전 임계값에 대응하는 시각적 구분을 함께 표시함으로써 운전원이 문제 상황을 조기에 인지 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
  • □ Plant Status Monitor는 MFM 기법을 활용하여, 최상위 목표인 6개 CSF(Subcriticality, Core Cooling, Heat Sink, RCS Integrity, Containment Integrity, RCS Inventory)로부터 계통 기능, 그리고 개별 기기의 질량·에너지 흐름 역할(source, transport, storage, sink)에 이르기까지 하향식으로 연결된 기능 모델을 구축하여 운전원이 보다 쉽게 CSF를 파악할 수 있도록 하였다.
  • □ 이러한 모델은 현재 상태를 단순히 표시하는 것을 넘어, 이상 상황이 상위 안전 목표에 어떻게 전파되는지를 추론적으로 제시함으로써 운전원이 현상 이면의 원인과 파급을 이해하도록 지원한다.(그림 3)
    그림 3. CNS MFM 모델을 이용한 시스템 상태 모니터 예시
4. Compact Nuclear Simulator 기반 검증 실험
  • □ EGIS의 검증을 위해 한국원자력연구원이 개발한 Compact Nuclear Simulator(CNS) 를 이용하여 냉각재상실사고(LOCA) 시나리오에 대한 실험이 수행되었다. 학생 피험자를 대상으로 종이 기반 절차서(PBP) 그룹과 EGIS 그룹의 작업 수행 시간 및 인적 오류를 비교하였다.
  • □ 평균 수행 시간은 PBP 환경의 24분 8초에서 EGIS 환경의 12분 30초로 약 48% 단축되었으며, 통계적 유의성 또한 확인되었다(Tukey 검정 p=0.0017, Cohen's d=2.15).
  • □ 인적 오류 측면에서는 PBP 그룹에서 총 8건(전체 오류율 3.175%)이 관찰된 반면, EGIS 조건에서는 관찰 가능한 인적 오류가 확인되지 않았다. 이는 EGIS가 제공하는 선별된 작업 목록과 실시간 Task Status Window 알림이 학생 수준 운전원의 과업 누락을 효과적으로 방지하였음을 시사한다.
결론
  • □ 본 연구는 디지털 주제어실 환경에서 기존 정적 비상운전절차서의 한계를 극복하기 위해, 실시간 필요 작업 제공·연속적 CSF 평가·계통 상태 및 파급 영향 시각화를 통합한 동적 비상운전절차 시스템 EGIS를 제안하였다.
  • □ LOCA 시나리오 기반 검증 결과 작업 수행 시간 약 48% 단축과 관찰 가능한 인적 오류의 감소라는 성과를 확인하였으며, 이는 동적 작업 제공과 직관적 인터페이스가 운전원의 의사결정 속도와 정확성 향상에 기여할 수 있음을 뒷받침한다.
  • □ 본 연구는 파일럿 수준의 검증에 한정되므로, 향후 다양한 사고 시나리오로 검증 범위를 확장하고 실무적 요구사항을 반영한 기능 보완을 거쳐 시스템을 지속적으로 고도화해 나가는 것이 필요하다.