KR100827567B1 - 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심냉각 감시방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소의 원자로수위지시계통을 이용하지 않는 발전소의 노심 냉각 감시방법에 관한 것으로, 특히, 비상 사고시 노심 냉각 감시방법으로 사용하기 위한 지침서 개발을 위한 발전소의 원자로수위지시계통을 이용하지 않는 발전소의 노심 냉각 감시방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 노심 냉각 감시에 따른 감시 기준을 개발하는 단계로서 부적절한 노심 냉각 상태를 초래하는 사고 시나리오의 전개를 확률론적 안전성 분석의 사고수목(Event Tree)을 근거로 선정하였으며, 사고전개에 따른 최적 계통 거동은 컴퓨터 코드인 MARS(RELAP 5) 코드를 채택하는 것을 특징으로 한다.

또한, 비상운전절차서의 노심 출구열전대 온도에 근거한 노심 냉각 상태수목 및 관련 절차서에 적용할 수 있는 노심 냉각 감시 기준을 설정하였다. 비상운전절차서의 노심 출구열전대 온도에 의한 노심 냉각 상태수목 및 관련 기능회복절차는 원자로 수위지시계통(RVLIS: Reactor Vessel Level Indication System)에 의한 노심 냉각 감시 및 조치를 대체할 수 있는 방법으로, 운전전략의 적절성 분석을 통해 개발한 것을 특징으로 한다. 더욱이, 운전원 편의성을 고려하여 개발한 것으로 사고의 초기단계인 사고 인지시간 단축, 사고 진단시간 단축에 기여하는 것을 특징으로 한다.

그리고 노심 감시 기준을 설정함으로써 발전소의 비상운전시 노심 감시를 효율적으로 수행하여 안전성/운전성을 향상시킬 수 있다.

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Description

원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법{CORE MONITORING METHODOLOGY FOR NUCLEAR POWER PLANT WITHOUT REACTOR VESSEL LEVEL INDICATION SYSTEM}

도 1은 본 발명의 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명은 발전소의 원자로수위지시계통을 이용하지 않는 발전소의 노심 냉각 감시방법에 관한 것으로, 특히, 비상 사고시 노심 냉각 감시방법으로 사용하기 위한 지침서 개발을 위한 발전소의 원자로수위지시계통을 이용하지 않는 발전소의 노심 냉각 감시방법에 관한 것이다.

일반적으로, RVLIS(원자로수위지시계통: Reactor Vessel Level Indication System)의 역할은 직접적인 노심 수위의 감시를 통하여 냉각재 재고량을 확인하고 노심 출구열전대 온도와 연계하여 노심의 냉각상태를 판정하며, 또한 원자로용기 상부의 기포발생 또는 노심 내 비응축성가스의 존재에 따른 노심수위 감시도 수행한다.

이때, 노심 냉각 상태 감시를 위한 RVLIS를 추가 설치하기 위해서는, 기술적 어려움과 많은 비용을 초래한다.

이러한 문제점은 원자로수위지시계통을 이용하지 않는 노심 감시 기준을 설정하고 이에 대한 운전대응지침서를 개발함으로써 이러한 취약성을 보완한다.

종래의 노심온도 압력에 대한 감시 방법으로는 도면에는 도시하지 않았지만 노심 수위지시계통이라는 설비가 추가되어야 할 뿐만 아니라, 운전원의 노심 감시 편리성에 중점을 둔 비상운전지침서(Emergency Procedure Guideline)가 아니므로 발전소 운전원의 편의성과 경제성을 고려하여, 노심 수위지시계통을 이용하지 않는 노심 냉각 감시방법의 개발이 시급한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 원자력발전소에서 비상사고시 발전소 원자로 노심 냉각감시를 위해 방법을 개발하고, 이 노심 감시 방법을 통해 발전소의 안정성/운전성을 향상시킴과 더불어 발전소 원자로 수위지시계통을 설치하지 않고서도 원활히 운전할 수 있게 한 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비상운전절차서에 사용되는 기준으로서 노심 출구열전대 온도에 근거한 노심 냉각 감시 및 노심 냉각 기능회복절차의 감시 기준을 최적 계통 거동 분석결과를 근거로 설정하였다.

그리고 상기 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법을 개발하는 과정에서 부적절한 노심 냉각 상태를 초래하는 사고의 전개는 확률론적 안전성 분석의 사고수목(Event Tree)을 근거로 선정하였으며, 사고전개에 따른 최적 계통거동은 컴퓨터코드인 MARS(RELAP 5) 코드를 채택하는 것을 특징으로 한다.

또한, 비상운전절차서의 노심 출구열전대 온도에 근거한 노심 냉각 상태수목 및 관련 절차서에 적용할 수 있는 감시 기준을 설정하였다. 비상운전절차서의 노심 출구열전대 온도에 의한 노심 냉각 상태수목 및 관련 기능회복절차는 RVLIS에 의한 노심 냉각 감시 및 조치를 대체할 수 있는 감시 기준으로, 운전전략의 적절성 분석을 통해 개발한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법을 첨부도면을 참조하여 일 실시 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법은 도 1에 도시된 바와 같이 발전소의 비상사고시 노심 냉각 감시 기준에 대한 지침서 개발시 상기 지침서가 원자로수위지시계통을 사용하지 않는 발전소의 노심 냉각 감시 기준 및 운전절차서 적용 에 관한 내용을 포함하며, 사고시 원전의 노심 냉각 감시에 의한 상태수목 선정 단계(S100); 발전소 계통 모델링 단계(S200); 최적코드 분석 단계(S300); 사고 시나리오 결정 단계(S400); 노심 냉각 감시 기준 결정 단계(S500); 노심 냉각 감시 기준 적용시 운전전략의 적절성 평가 단계(S600); 및 발전소 적용 단계(S700)로 이루어진다.

상기 사고시 원전의 노심 냉각 감시에 의한 상태수목 선정 단계(S100)는 비상운전지침서에서 사고시 원전의 노심 냉각의 감시를 위한 상태수목을 선정하는 단계로, 사고시 운전원은 상태수목에 제시된 주요 안전변수의 지속적인 감시를 통하여 필수 안전기능의 확보 여부를 판정하며, 필수 안전기능이 저하될 경우 우선적으로 노심(CORE) 필수안전기능의 회복을 위한 기능회복조치를 취하여야 한다.

여기서, 저하된 노심 냉각 상태는 부품 고장 또는 다중사고 등 설계 기준사고를 초과하는 사고의 경우 노심의 과열이 진행되는 과정에서 발생하며 이 상태에서 적절한 운전원의 조치가 취하여지지 않을 경우 노심의 상태는 부적절한 노심 냉각 상태로 악화된다. 부적절한 노심 냉각 상태는 노심의 심각한 손상이 발생하기 직전의 상태로써 운전원의 즉각적인 조치가 이루어 지지 않을 경우 노심의 심각한 손상을 유발하게 된다.

상기 발전소 계통 모델링 단계(S200)는 1차 계통의 원자로 냉각재 루프의 비대칭 현상 모의를 위해 1차측 루프를 루프 1, 루프 2, 루프 3과 같이 3개로 모델링 하는 단계로, 상기 각각의 루프는 도면에는 도시하지 않았지만 고온관, 증기발생기의 전열관, 펌프 흡입관, 원자로 냉각재 펌프 및 저온관으로 구성된다. 그리고 가압기와 밀림관은 루프 2와 연결되어 있으며, 원자로 용기, 증기발생기, 루프, 가압기 및 밀림관 등을 구비한다.

상기 최적코드 분석 단계(S300)는 전산기 코드를 사용하는 단계로서 MARS(RELAP 5) 코드를 사용하여 평가하였으며 가압경수로의 최적 열 수력 계통분석을 위하여 개발된 코드로서, RVLIS(Reactor Vessel Level Indication System) 대체방안 개발을 위한 사고해석은 노심의 수위 변화 및 노심 출구온도의 변화 및 기타 원자로계통에서 측정되는 주요 계통변수가 분석의 주안점이므로 사고해석에는 1차원 모듈이 사용되었다.

상기 사고 시나리오 결정 단계(S400)는 상기 최적코드 분석 단계(S300)에서의 최적코드에 의한 확률론적 안전성 분석을 통하여 생산된 사고수목을 근거로 노심 냉각을 저해하는 사고전개를 선정하고, 사고시 원자로계통의 거동 특성에 따라 사고유형을 분류하여 사고 시나리오를 결정하는 단계이다.
여기서, 노심 냉각 기능의 저하는 원자로계통의 배관 파단 또는 압력방출밸브의 고착개방으로 인한 원자로냉각재 재고량의 상실 및 원자로 재고량 복구 기능의 상실에 의한 노심 수위의 감소에 기인하게 된다.

이러한 노심 냉각 기능의 저하를 초래하는 사고는 설계기준 초과사고 들로서, 노심 냉각의 저하 여부가 다양한 초기사상, 운전원 조치 및 계통의 작동 여부 등 사고의 전개에 따라 결정된다.

따라서, 확률론적 안전성 분석을 통하여 생산된 사고수목(Event tree)을 근거로 노심 냉각을 저해하는 사고전개를 선정하였으며, 사고시 원자로계통의 거동 특성에 따라 사고유형을 분류하였다. 노심의 손상을 유발하는 내부 기인 사고 중 14건의 사고전개가 대상사고로 선정되었다. 내부 기인 사고 중 0.5% 이상의 노심 용융빈도를 유발하는 사고전개를 대상사고로 선정하였으며, 이로써 심각한 노심 손상을 유발하는 내부 기인 사고의 95% 이상을 포괄토록 하였다.

여기서, 내부 기인 사고 중 원자로정지기능 상실사고는 필수안전기능 '노심임 계도'에 의하여 우선 감시, 회복 조치되므로 대상사고에서 제외하였으며, 외부 기인 사고는 비상운전절차의 영역 밖에 있으므로 제외하였다.

노심 냉각 상태는 원자로냉각재 재고량이 초기 재고량의 30% 이하로 감소되어 노심의 수위가 감소하면서 저하되기 시작한다. 이때 대부분의 원자로냉각재는 노심에 수직 층류 형태로 존재한다. 파단부를 통한 냉각재 재고량의 상실에 따라 노심의 수위는 감소하며, 노심은 노심이 완전히 노출되기 전까지는 비등냉각 (Boil-off Cooling)에 의하여 냉각된다. 이 상태에서 원자로계통의 압력은 노심 붕괴열, 파단부 및 증기발생기를 통한 질량 및 열제거량에 의하여 결정되며, 특히 증기발생기 2차측 재고량은 노심 냉각 기능회복절차와 연계되어 있다. 따라서, 저하된 노심 냉각 상태에서의 원자로계통의 열수력적 조건은 계통의 압력 및 증기발생기 2차측 열제거 능력에 의하여 특성화된다.

이에 따라, 계통 압력 조건을 가압기 압력방출밸브 압력, 저압 안전주입 압력을 기준으로 고, 중, 저 3단계로, 2차측 재고량 조건은 30% 광역 수위를 기준으로 정상, 저 2단계로 구분하였으며, 저하된 노심 냉각 상태에서의 원자로계통 조건에 따라 선정된 사고전개를 4개의 유형으로 분류하였다.

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상기 노심 냉각 감시 기준 설정 단계(S500)는 노심 냉각 감시 기준에 관한 사항으로서, 상태수목의 노심출구온도에 근거한 기존 비상운전절차서 상태수목을 활용한 노심감시 기준을 최적해석을 통해 설정하였다. 그리고 이 노심 냉각 감시 기준 적용시 운전전략의 적절성 평가 단계(S600)에서 설명한 사고 전개에 대하여 원자로계통의 최적 거동을 분석하였다. 원자로계통의 거동분석은 초기사상 및 사고의 전개에 따른 원자로냉각재 재고량을 지배변수로 사용하였다.

상부 플레넘이 노출된 후부터 노심의 수위는 감소되기 시작하여 원자로계통의 재고량이 약 30~40%가 되면 노심의 노출이 일어남을 알 수 있다. 즉, 노심 냉각을 저해하는 사고는 매우 서서히 진행되므로 원자로계통의 거동은 초기사상 및 사고의 전개와는 무관하게 원자로냉각재 재고량 감소에 따른 원자로계통의 배수특성에 의하여 지배됨을 알 수 있다.

원자로심의 붕괴 열은 원자로계통의 배수 특성에 따라 원자로냉각재 재고량이 약 30~40% 이하로 감소되어 노심이 노출되기 전까지는 파단부 및 증기발생기를 통한 열 제거에 의하여 노심의 냉각은 유지됨을 알 수 있다. 노심의 냉각은 증기발생기 2차측의 냉각능력이 유지될 경우 파단부를 통한 에너지 제거 외에도 원자로계통의 배수 특성에 따른 증기발생기를 통한 2상유동 자연대류 냉각, 역류응축 냉각 그리고 고온관이 완전히 노출된 후에는 노심 비등냉각에 의하여 유지된다.

증기발생기의 열제거 능력이 저하된 경우에는 대부분의 노심 붕괴열은 가압기를 통한 파단부 에너지 유출에 의하여 제거된다. 그러나 지속적인 파단부를 통한 냉각재 유출 및 냉각재 복구 기능의 상실에 따라 원자로냉각재 재고량이 약 30~40% 이하로 감소되면서 노심의 노출이 발생하게 되면, 노심이 가열되기 시작하며 노심 출구온도가 상승하는 것을 알 수 있다.

상기의 분석결과로부터, 노심 출구온도가 노심 냉각의 상태를 나타내는 주요변수임을 입증하였으며, 이는 노심 출구열전대 온도에 근거한 기존 비상운전절차서의 노심 냉각 상태수목에 대한 기술적 타당성 및 근거로 제공될 수 있다.

상기 노심 냉각 감시 기준 적용시 운전전략의 적절성 평가 단계(S600)는 노심 냉각 감시 기준에 적용할 때 운전전략의 적절성 평가에 관한 단계로, 비상운전지침서는 노심의 냉각상태를 감시한 후 노심 냉각이 저하될 경우 운전원으로 하여금 노심 냉각 기능회복절차를 수행하여 노심 냉각 기능을 회복하도록 기준으로 한다. 비상운전절차서의 RVLIS가 없는 발전소의 냉각감시 대한 감시 기준을 적용할 경우 운전전략의 적절성 여부를 결정한다.

그리고 상기 노심 냉각 감시 기준 적용시 운전전략의 적절성 평가 단계(S600)에서 논의한 노심 출구온도에 의한 상태수목의 타당성뿐만 아니라 이에 근거한 운전전략의 적절성 분석이 수행된다. 이를 위하여, 저하된 노심 냉각 상태의 가장 제한적인 상태인 부적절한 노심 냉각 상태에서의 노심 냉각 기능회복절차의 적절성을 최적해석결과로 분석하였다. 부적절한 노심 냉각 상태감시 기준은 노심 출구온도가 649℃ 이상으로 과열될 경우 적용하며, 이때 운전원은 관련 기능복구절차에 제시된 절차를 수행하여야 한다.

이들 운전원 조치의 유효성 검증을 위하여 각 사고유형을 대표하는 사고전개에 대하여 운전원 조치에 대한 사고해석 시나리오를 구성하였다. 사고해석 시나리오는 사고의 전개에 따른 원자로계통의 압력조건 및 관련 계통의 가동성에 여부에 따라 구축되었고 사고해석 시나리오에 대한 최적 해석을 수행하였으며, 사고해석 시 운전원의 가동 조치는 노심 출구온도가 649℃ 이상으로 과열될 경우 개시되도록 한다.

분석결과, 안전주입계통의 재기동 조치가 가장 효과적인 노심 냉각 기능회복 조치로 평가되었으며, 증기발생기 2차측의 방출 및 저압안전주입 조치는 2차측의 재고량이 확보되어 있을 경우 매우 적절한 조치로 평가되었다. 원자로냉각재펌프 재기동 조치는 노심 냉각 상태를 단기적으로 회복시키므로 운전원의 추가적인 조치 시간을 확보할 수 있다는 점에서는 바람직하나, 원자로냉각재 재고량의 복구를 위한 추가적인 조치가 수반되지 않을 경우 노심의 손상이 초래되므로 안전주입의 복구 조치가 반드시 요구됨을 알 수 있다. 가압기 압력방출밸브 개방을 통한 원자로계통 감압 및 안전주입 조치는 증기발생기 2차측의 열제거 능력 상실과 같이 노심 냉각이 가압기 압력방출밸브를 통하여 이루어지는 사고전개의 경우 매우 유효한 조치이나, 중형 냉각재상실사고의 경우에는 가압기 압력방출밸브를 통한 추가적인 원자로냉각재상실에 의하여 노심 냉각의 회복에는 비효과적인 조치임을 알 수 있다.

더욱이, 상기 노심 냉각 감시 기준 적용시 운전전략의 적절성 평가 단계(S600)에서 결과에서 만족하면 후술할 발전소 적용 단계(S700)로 이동하고 만족하지 않으면 최적 코드 분석단계(S300)로 백업하게 되고 재차 전산 코드를 분석하고 결정하게 된다.

상기 발전소 적용 단계(S700)는 노심 냉각 감시 기준을 발전소 적용하는 단계로서, 상기와 같이 노심출구온도에 의하여 지시되는 부적절한 노심 냉각 상태에서의 노심 냉각기능 회복을 위한 다양한 운전원 조치의 적절성을 최적 계통 거동 분석을 통하여 분석하였다. 비상운전절차서의 노심 출구열전대 과냉각도에 의한 노심 냉각 상태수목 및 관련 기능회복절차는 RVLIS가 없는 발전소에서 노심 냉각 감시 기준으로서 적합하다고 결정되고 발전소에 적용한다.

이와 같은 본 발명의 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법은 원자력발전소에서 비상사고시 발전소 원자로수위지시계통을 설치하지 않고서도 원활히 노심 냉각을 감시하는 감시 기준을 설정하고, 원자로수위지시계통을 설치하지 않은 발전소에 대한 노심 냉각 감시 및 대응 방법을 개발하기 위한 절차를 제공하여, 발전소 안전성/운전성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법은 운전원 편의성을 고려하여 개발한 것으로 사고의 초기단계인 사고 인지시간을 단축시키고, 사고 진단의 정확성을 향상시켜 사고 상황에 대한 초기대응을 효율적으로 대처하기 위한 지침서의 초기 대응체계를 구체화함과 더불어 체계화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1) 발전소의 사고시 노심출구 열전대 온도에 따라 상태수목(Event tree)을 설정하는 단계;

2) 상기 상태수목을 설정한 후 열 수력 계통의 분석시 전산기 코드를 사용하여 사고를 분석하는 단계;

3) 상기 전산기 코드에 의한 안전성에 따라 사고수목에 의한 노심 냉각을 저해하는 사고전개를 선정한 후 사고시 사고유형을 분류하여 사고 시나리오를 결정하는 단계;

4) 상기 노심출구 열전대의 과냉각도에 근거한 상태수목의 노심 출구온도에 따라 사고 시나리오를 해석하여 노심냉각 감시 기준을 설정하는 단계; 및

5) 상기 노심냉각 감시 기준에 따라 발전소 운전전략의 적절성을 평가하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법.

제 1항에 있어서, 2) 단계 수행 전에,

1차 계통의 원자로 냉각재 루프의 비대칭 현상 모의를 위해 1차측 루프를 루포 1, 루프 2, 루프 3과 같이 3개로 모델링 하는 발전소 계통 모델링 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자로 수위지시계통을 이용하지 않는 원자력발전소의 노심 냉각 감시방법.

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