2.1.2 설계원리(다중성, 다양성, 독립성 등)[원자력기사]

2.1.2 설계원리(다중성, 다양성, 독립성 등)

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원자력발전소의 안전목표를 만족하고 발전소의 안전을 확보하기 위해 설비나 기기, 계통에는 다중성, 독립성, 다양성의 원칙이 적용되고 있다.

이들 원칙은 원자력발전소에서 사고가 발생하더라도 그 피해를 최소화 하기 위한 것이다.

이러한 설계원리에는 다중성, 다양성, 독립성이 가장 대표적이다.

그런데 원자력기사 출제기준을 보면, 설계원리(다중성, 다양성, 독립성 "등") 이라고 기술되어 있다. 

대표적으로 사용되는 다중성, 다양성, 독립성 이외에도 다른 설계 원리가 더 있다는 뜻이므로, 이에 대해 하나씩 살펴보기로 하자.

■ 다중성  

다중성은 어느 한 계열이 기능을 상실했을때 나머지 계열이 본래의 설계 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 두계열 이상으로 구성되는것을 말한다.

이에따라 원자력발전소의 안전 관련계통에는 같은 용량의 펌프가 여러대 설치된다.

만약 한 펌프(설비)가 제대로 작동하지 못하더라도 다른 펌프(설비)에 의해 발전소 안전성을 유지하기 위해 같은 설비를 2개 설치하는 것이다. 

■ 다양성

보조급수펌프는 각 증기발생기별로 모터구동 보조급수펌프 1개와 터빈구동 보조급수펌프 1개가 설치된다.

발전소에 전원이 상실되면, 모터구동 보조급수펌프는 전원을 상실되어 증기발생기에 보조급수를 공급할 수 없지만, 터빈구동 보조급수펌프가 기동되어 전기가 없더라도 증기발생기에 보조급수를 안정적으로 공급할 수 있다. 

이처럼 다양성은 다른 설비를 2개 설치 하는 것이다.

그리고 다양성은 각각의 변수를 감시하기 위하여 둘 이상의 서로 다른 측정기기를 사용하도록 설계되는것을 말하기도 한다.

■ 독립성

독립성은 한계열의 사고가 다른 곙려에 영향을 미치지 않도록 물리적 및 전기적으로 상호 분리되어 독립성을 유지하는 것을 말한다.

예를들어, 만약 발전소에 동일한 기능을 하는 펌프 4대가 설치되어 있으면, 2대는 A계열로부터 전원을 공급받고 2대는 B계열로 부터 각각 나누어 전원을 공급받는 방식이다. 

따라서 A계열 전원 설비에 고장이 발생하여 전원이 공급되지 않더라도, A계열과 관계없이 B 계열에서 전원을 공급받는 펌프는 정상적으로 운전할 수 있다.

이로써 발전소 설비가 다른기계의 동작 여부와 관계없이 각각 독립적으로 작동할 수 있도록 하는 원칙이다. 

■ 고장시 안전

고장시 안전(Fail to Safe 또는 Fail-Safe)의 사전적 의미는 "안전장치가 되어 있는" 그리고 "시스템에 고장이 생기거나 조작을 잘못하였을 경우에 치명적인 결과에 이르지 않도록 방지하는 일" 이라는 뜻이다.

기계(밸브 등)이 고장이나 오작동이 발생하였을때, 다시 안전한 상태로 되돌아 갈 수 있게 조치되어 있는것을 말한다.

예를 들어, 전기로 구동되는 밸브에 전원이 갑자기 상실되었을때, 발전소가 안전할 수 있도록 각 밸브들은 Fail to Close(고장시 닫힘), Fail to Open(고장시 열림) 및 Fail As is(고장시 현상태 유지) 하도록 설계되어 있다.

■ 운전중 상시 점검

원자력발전소의 출력 운전중에도 안전성 기능 확인을 위해 항상 시험 또는 교정이 가능하도록 설계된다.

■ 연동기능

오동작에 의한 사고를 방지하기 위해 정해진 조건이 만족되지 않으면 동작하지 못하도록 연동기능(Interlock) 되어 있다.

예제1 (2008년 원자력기사 필기 기출)

다음에서 원자로보호 및 안전계통의 설계 원칙이 아닌 것은?

① 다중성(Redundancy)

② 다양성(Diversity)

③ 명확성(definiteness)

④ 독립성(Independancy)

정답 ③

원자력발전소의 안전목표를 만족하고 발전소의 안전을 확보하기 위해 원자로보호 및 안전계통의 주요 설계원칙은 다중성, 다양성, 독립성 등이 있다.

예제2 (2009년 원자력기사 필기 기출)

원전보호 및 안전계통의 설계원칙에 대한 설명중 틀린 것은?

① 다양성 : 다양한 기능 달성을 위해 서로 다른 작동원리를 갖는 2개 이상의 계통을 구비한다.

② 다중성 : 동일 기능을 달성하기 위해 꼭 필요한 수량보다 여유를 두어 기기를 구비한다.

③ 물리적 분리 : 동일 기능을 수행하는 기기나 계통들은 서로 물리적으로 분히하여 배치한다.

④ Fail to Safe :  본래의 기능 상실시 안전한 방향으로 작동되도록 한다.

정답 ①

① 다양성은 동일한 기능 달성을 위해 서로 다른 작동원리(예, 터빈구동 보조급수, 모터구동보조급수)를 갖는 2개 이상의 계통을 구비한다. 한 기기가 다양한 기능을 달성할 필요는 없다.

③ 물리적 분리는 독립성을 말한다. 만약 동일한 기능을 하는 동일한 4대의 펌프가 있다면, 2대의 펌프씩 물리적으로 분리된 전원을 공급받는다.

예제3 (2011년 원자력기사 필기 기출)

국내 가압경수로형 원전의 보조급수펌프는 전기로 동작하는 펌프와 증기로 동작하는 펌프를 함께 설치하고 있다. 이는 다음중 어떤 설계원리를 적용한 것인가?

① 다중성(Redundancy)

② 다양성(Diversity)

③ 독립성(Independancy)

④ 고장시 안전(Fail to Safe)

정답 ②

문제에서 원자력발전소 보조급수펌프는 "전기로 동작하는" 그리고 "증기로 동작하는" 두개의 설비를 설명하였다. 따라서 다른 두개의 설비를 설치하였으므로, 정답은 다양성이다. 

예제4 (2013년 원자력기사 필기 기출)

비상 노심냉각계통(ECCS)의 안전주입계통은 A,B 계열로 구성되어 있다. 안전주입 계통의 A계열과 B계열은 모선이 서로 다른 전원으로 수전 받는데 이와 관련한 안전설비 설계요건은?

① 다중성(Redundancy)

② 독립성(Independancy)

③ 다양성(Diversity)

④ 고장시 안전(Fail to Safe)

정답 ②

원자력발전소에서 전원을 A, B 계열로 구성하는 이유는 독립성 때문이다. A 계열 전원 설비가 고장이 나더라도 B 계열을 통해 전원을 공급아 설비를 정상적으로 운전할 수 있다.

예제5 (2014년 원자력기사 필기 기출)

원전 안전관련계통에는 통상 같은 용량의 펌프가 여러 대 설치된다. 이는 다음중 어떤 설계개념 적용인가?

① 고장시 안전(Fail to Safe)

② 다중성(Redundancy)

③ 독립성(Independancy)

④ 다양성(Diversity)

정답 ②

문제에서는 "같은" 용량의 펌프를 설명하고 있으므로, 정답은 다중성이다.

예제6 (2015년 원자력기사 필기 기출)

다음 설명에 해당되는 원전의 설계 원칙은?

원전에 전력공급이 중단되는 사고가 발생할 겨우를 대비하여 모터구동 펌프와 터빈의 힘으로 돌아가는 터빈구동 펌프를 함께 마련해야 한다.

① 다중성

② 독립성

③ 다양성

④ 연계성

정답 ③

문제에서 "모터구동" 그리고 "터빈구동" 두개의 설비를 설명하였다. 따라서 다른 두개의 설비를 설치하였으므로, 정답은 다양성이다. 

예제7 (2019년 원자력기사 실기 기출)

공학적 안전설비의 신뢰성 측면에서 설계개념 5가지를 기술하시오

정답

1) 다중성

2) 다양성

3) 독립성

4) 고장시 안전

5) 운전중 상시점검

6) 연동장치