원자력 사고 무인대응 체계 - kepic.org controller) battery comm. module telemetry gps/...

September 5, 2017

최 영 수

원자력 ICT 연구부

로봇기기진단연구실

원자력(사고) 무인대응 체계

2017 KEPIC - Week

2

3

1 배경/개요

고려사항

기술내용

4 결론

배경

고속도로 교통사고 원인 : 졸음, 과속, 주시태만, 운전자 기타요인 등

차간거리인식, 자율주행기술 등 첨단기술을 보조수단으로 활용하여 안전 강화할 수 있음

보조안전 강화 수단

(참고: 데이터뉴스(2016.5.10)) 2

배경

UAV는 최근 일반산업분야에서 각광받고 있는 기술임

UAV의 적용에는 장점과 한계가 존재함

원자력적용을 위해서는 많은 요소들이 고려되어야 함

(성능, 안전성, 신뢰성, …)

inspection agriculture arm

Search & rescue monitoring cargo

3

배경

Packbot(미 iRobot) Quince(일 치바공대) Warrior (미 iRobot) T-Hawk (미Honeywell)

실내 정보수집 오염수 수위/선량 측정 오염분진 제거 격납건물 상공 정보수집

수증기로 시야확보불가, 장애물 극복불가, 폭발위험으로 철수

계단하강 실패, 고장으로 작업자 회수

작업자 진입을 위해 오염분진제거 작업에 투입되었으나, 방사선량 저감작

업 실패

실내 정보수집 불가, 바람에 의해 격납건물과

충돌

센싱능력 - 비가시환경 적용 한계 - 신속한 3차원 공간정보 계측 한계

운동능력 - 붕괴지역 극복 한계 - 고 중량물 정교한 취급 한계 - 낮은 에너지효율로 장시간 동작 한계

신뢰성 - 극한환경 사용 한계

후쿠시마 사고 초기대응 로봇 (‘11.4.17~ ) : 적용로봇 기술의 한계

4

(필요성) 원자력 사고상황에서 작업자의 현장조치 제한시 비상대응방안 필요

- 안전설비의 비정상 동작/고장시 현장 상황파악 및 긴급조치 필요

- 사고시 피해 최소화를 위한 사고 완화/수습을 위해 신속하고 효과적인 대응 필요

(문제점) 비상작업자 사고대응 한계

- 비상 작업자 고방사선으로 초기대응 실패 (후쿠시마 원전 1호기 수소폭발전)

- 사고대응 무인 장비/조직/훈련 준비부족으로 사고 상황파악 및 수습에 실패

(방안) 원자력사고 무인대응 기술개발 및 훈련/적용성 실증시험을 통해

현장 사용 가능한 수준의 무인대응 체계 구축

5

연구개요 : 원자력사고 무인대응

기술 개요 : 원자력사고 무인대응기술

원자력사고 무인대응 기술

- 비상상황시

사람의 접근이 어려운 환경에서

무인으로 사고현장 정보를 수집하고

비상대응 설비를 조작/수리하여

사고확산 방지 및 조기수습, 완화함으로써

원자력안전을 강화함

사고현장

Initiating Event

Component

Failure Human

Failure Recovery

Failure

Remote Response

다중고장

설계기준 초과사고

다중고장

재해,테러,SBO등

<심층방호의 강화>

원격대응

원격제어

6

체계 개요 : 원자력사고 무인대응 체계

사람의 접근이 어려운 원자력사고현장에서 무인대응할 수 있는 기술을 적용하고자 함

사용자 협력체계 구축을 통한 현장적용 가능수준의 방사능방재 무인대응 체계구축

원자력사고 무인대응 체계

KAERI

원격탐지기술

무인이동기술

시험/훈련/체계구축

기술 지원

방사선 비상대책본부

국제협력

-NIST미), IEC/TC45 -Group-Intra(프), RTC(러), KHG(독), CRASAR(미), IRS(일)

연구원내 협력

-KAERI방재팀

국내 협력

-원안위/KINS -한수원 -국민안전처

기술융합

-표준연/GIST -무인장비보유기관

적용훈련

7

후쿠시마 원전 #1, #2 배기구 후드 (tepco, 2016)

(UAV in Fukushima) 드론 적용예

8

For inspection(MATRICE600)

드론 적용예 (UAV in KAERI)

RadMap • GPS, GM 센서 데이터 수집 • 방사선 선량 맵 생성

Smartphone • 원격 방사선 정보 모니터링

RadMap (Radiation Map)

Gamma radiation dose

Legend

Trajectory

RadMap

드론탑재형 공중이동 방사선 분포 맵 (RADMAP )

공중이동 방사선 센싱 개념

• 소형 GM 방사선 센서를 드론에 탑재하여 방사선량 측정

• 측정범위 : 10 uSv~100 Sv

• 스마트폰을 통해 방사선량 모니터링

9

원자력(사고) 무인대응 구성 개념

원자력시설 적용 무인이동 실내/실외 모니터링 구조 개념

UGV UAV

Nuclear environment

(mission) user HMI

Environmental condition -Radiation -Temperature -Humidity -gas, chemical -wind

-Maintenance -Inspection -Accident response -Recovery -decommissioning

Performance requirement Safety requirement Reliability requirement Test requirement

Physical condition -Stair/slope/ladders -concrete shield(comm.) -door -valve …

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UAV 장점

(86’) Cement

Cement

Grating

Grating

Personal Hatch

stairs

Narrow passage Non-planar region

Robot path

원자력시설의 물리적 기하학적 조건 : 복잡, 다양 - 비평탄, 그레이팅 바닥표면, 협소통로, 계단, 사다리, 문

- 지상로봇이 지나가기 어려운 지역을 쉽게 통과할 수 있음

11

무인공중이동체 T-Hawk (원격제어) (From 4/10, 2011)

UAV 한계 : 적용예(후쿠시마 원전)

한계 : 실내 정보 수집 힘듬

강풍에 의한 격납건물과의 충돌

Ref. : Hajime ASAMA, IROS2012

12

로봇 기능 구성

로컬부와 원격부는 통신으로 연결됨

13

Mobility Manipulation (end effector)

Remote control

Data communicatio

n

Sensing Man-machine interface

Local part Remote part

로봇시스템

Power Power Data

communication

Local control

UAV 구성

쿼드콥터 (Quadcopter)

motor

motor

motor

motor

ESC (Electronic

Speed Control)

ESC

ESC

ESC

FC (Flight

controller)

battery

Comm. module

telemetry GPS/

Compass

sensor

actuator

camera

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고려사항 : 성능

지상 및 공중 이동로봇의 협업

design

1st version

• 사고시 지상 및 공중의 협업 로봇을 이용하여 광범위한 현장 상황정보를 신속하게 취득함

• 시스템 특징

- 고속 지상이동 로봇 : max. 60 km/h

- 동작시간 : >5hr

payload [kg] 160

battery[V, Ah] 12, 50

Op. time [h] > 5

Steering speed 0.83 sec/

stroke

Throttle open time (0~100%)

0.25 sec

brake op. time(0~100%)

0.35 sec

climbing degree [deg]

33

2nd version

15

고려사항 : 성능

드론 유선 전력전송 모듈 • 300 Watt 급 전력전송 모듈

• 시험 : 드론 작동 시간 (10분 -> 1시간)

converter: 300 W Drone operation time test

device voltage (V) Source 12

DC-AC converter 12->220 AC-DC converter 220->393 DC-DC converter 393-17

drone 17

• Spec. of wired power supply system

16

고려사항 : 성능

위치인식 및 자율주행 기술 • 레이저 거리측정센서 (Velodyne Lidar) 를 이용한 형상측정 기술개발

• SLAM (로봇위치인식 및 맵생성) 알고리즘을 이용한 자율주행 알고리즘 개발

<자율주행 개념시험 단계> <자율주행 알고리즘 개발단계>

차량에 센서탑재

도로맵 작성 시험

로봇에 센서탑재

자율주행 알고리즘 구현/시험 17

고려사항 : 안전성

보호 케이지 • 구조물과 충돌로 인한 구조물 및 로봇의 손상 보호

보호케이지 설계/제작

support

Upper protector

Lower protector

충돌시험

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고려사항 : 신뢰성

Device name

photo Test

configuration Test facility graph

Dose limit

Motor >2,000Gy

ESC 750Gy

Processor 290Gy

Telemetry 280Gy

Battery >920Gy

방사선 조사시험 (드론 전자부품) • 드론 전자부품 5개 모듈에 대한 취약성 시험 (누적선량)

• 방사선환경에서의 구성품에 대한 수명 평가 (endurance time)

19

고려사항 : 시험

원자력사고 무인대응 시험시설/환경 구축/성능시험 • 지상이동이동플랫폼 이동시험을 위한 그레이팅 시험시설 구축(실제 시설과 유사한 형태)

• 지상/공중 이동플랫폼 주행시험, 무인운전 지게차를 이용한 잔해제거 시험 (바닥표면, 경사지, 계단등)

시험시설 구축 이동성 확보를 위한 잔해제거 시험

지상플랫폼 계단등판시험

ATV 무인화장치 주행시험

드론 공중이동 시험

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시험시설 구축

고려사항 : 시험

원격 지상이동플랫폼 통신 시험 • 원격통제실 구축 및 지상이동플랫폼 통신시험 (통신거리)

• 카메라 영상전송 시험 및 제어신호 통신시험 (bandwidth, 통신주기)

원격 통제 차량 외부 안테나 설치

원격통제 차량 내부 제어실

카메라 고화질 전송시 (시간지연 1~1.5초)

카메라 저화질 전송시 (시간지연 수 ms 이내)

영상 전송 거리: 2km Delay: 0 sec.

330m

424 Mhz, 실내에서 원격제어 실험 21

결 론

일반산업환경에서 첨단기술을 보조로 이용하여 사고를 줄이는 노력이 진행중임

원자력(사고) 무인대응기술의 적용을 위해서는 원자력시설의 복잡, 다양한 환경

조건을 고려하여야 함

원자력시설에서 로봇이 임무를 수행하기 위해서는 성능뿐만 아니라

안전성, 신뢰성, 시험 등의 사항들을 고려하여야 함

첨단기술과 실제 적용성을 고려한 원자력(사고) 무인대응체계 구축을 통해

원자력안전을 더욱 강화하고자 함

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