2.1.3 심층방어 원리(2) [원자력기사]

2.1.3 심층방어 원리 (2) -다단계 방호의 수단

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앞에서 다단계 방호의 목표를 살펴 보았다.

그렇다면 이번에는 다단계 방호의 각 단계의 목표를 달성하기 위한 수단을 살펴 보자.

다단계 방호는 앞 단계가 그 기능 수행에 실패하면, 다음 단계가 연속하여 방호기능을 수행하는 개념임을 이야기 하였다.

그렇다면, 연속하여 방호기능을 수행하기 위하여 그림 1의 각 다단계 방호 핵심수단을 살펴보자.

그림 1. 심층방어 목표와 핵심수단

■ 1단계

이상작동 및 고장을 방지하기 위해서는 보수적으로 설계하고, 발전소를 보수적으로 운영함으로써 심각한 사고가 일어날 가능성을 최소화 한다.

■ 2단계

원자력발전소는 정상운전문제 발생시 조기에 탐지하고 최대한 신속하게 대응하기 위하여 제어 및 보호계통 및 감시설비를 다양하게 구비하고 있다.

▷  제어계통

원자력발전소가 정상 출력운전중일 경우에는 제어계통에 의해 제어봉, 가압기와 증기발생기 수위, 압력등이 대부분 자동으로 제어되고 있다. 

주요 제어계통은 다음과 같다

1) 원자로출력제어계통(RRS, Reactor Regulating System) : 원자로의 출력을 자동으로 조절하여 효율적인 운영이 가능하도록 하는 제어계통

2) 가압기압력제어계통(PPCS, Pressurizer Pressure Control System) : 가압기의 압력을 제어하는 계통

3) 가압기수위제어계통(PLCS, Pressurizer Level Control System) : 가압기의 수위를 제어하는 계통

4) 주급수 제어계통(FWCS, Feedwater Control System) : 원자로의 열을 증기로 발생시키는 증기발생기의 효율적인 수위조절을 위한 제어계통

5) 증기우회제어계통(SBCS, Steam Bypass Control System) : 증기발생기에서 발생된 잉여증기를 우회시켜 발전기의 출력을 조절하기 위한 제어계통

6) 원자로출력급감발계통(RPCS, Reactor Power Cutback System) : 과도현상 발생시 제어봉 그룹을 노심으로 급격히 낙하시켜 원자로 출력을 급감소 시키는 계통

▷  보호계통

그리고 발전소에 이상 발생시 또는 고장이 발생할 시 원자로 보호계통(Reactor Protection System)이 원자로 안전제한치를 초과하지 않도록 원자로를 신속하게 정지시키고 정지상태로 유지시킨다.

원자로보호계통은 원자로의 중성자속, 가압기 압력, 증기발생기 수위 및 압력을 감시하다가 이들이 정해진 설정치를 벗어날 경우에 원자로를 정지시킨다.

그리고 신속한 조치를 수행할 수 있도록 문제 발생를 조기에 탐지하기 위한 다양한 감시 설비가 있다.

■ 3단계

만약 원자력발전소에 사고가 발생하더라도 중대사고로 확대되지 않고 설계기준사고 이내로 유지하기 위해 공학적안전설비 및 사고대응능력이 필요하다. 따라서 이 단계의 핵심 수단은 공학적안전설비 및 사고대응능력이다. 

공학적 안전설비(ESF, Engineered Safety Feature)는 원자로냉각재 상실사고를 비롯한 가상의 설계기준사고가 발생한 경우, 노심의 냉각 능력을 확보하고 원자로냉각재계통에서 방출되는 방사성 물질의 방호하여 환경으로 누출되는 방사선 준위를 규제요건 이하로 유지하기 위한 설비 또는 계통이다.

▷ 공학적안전설비의 역할

공학적 안전설비는 방사성 물질의 외부로 누출되지 않도록 다음의 역할을 한다.

- 핵연료피복재 보호

- 격납용기 방사성물질 제거

- 냉각재 재고량 확보

- 격납용기 건전성 확보

- 핵증기공급계통 냉각

- 주제어실 건전성 확보

▷ 공학적안전설비의 주요계통

이러한 역할을 하는 공학적 안전설비에는 매우 다양한 설비들이 있으며, 다음과 같은 주요 설비들이 있다.

1) 비상노심냉각계통

비상노심냉각계통은 공학적안전설비의 가장 핵심이 되는 계통이다. 노심을 냉각하기 위하여 안전주입계통으로 차가운 붕산수를 뜨거운 원자로에 주입한다. 이로써 핵연료의 변형을 방지하고, 피복재와 냉각재의 반응을 제한하며, 노심냉각과 미임계를 유지할 수 있다. 비상노심냉각계통은 안전주입계통뿐 아니라, 안전주입탱크, 잔열제거계통 등이 있다. 잔열제거(정지냉각)계통은 원자로정지후 붕괴열 제거하는 기능을 한다.

2) 격납(원자로)용기 냉각설비계통

- 원자로건물 살수계통 : 원자로의 냉각수가 원자로 건물로 누출되는 냉각재상실사고가 발생하면, 원자로건물의 온도와 압력이 급격히 증가한다. 따라서 원자로건물 살수계통이 작동하면 차가운 살수로 인하여 원자로건물의 온도와 압력이 감소한다.

-원자로건물 냉각계통 : 원자로의 냉각수가 원자로 건물로 누출되는 냉각재상실사고가 발생하면, 원자로건물의 온도와 압력이 급격히 증가한다. 따라서 원자로건물 냉각팬이 작동하여 공기를 순환시키고 원자로건물의 온도와 압력을 감소시킨다.

3) 격납(원자로)건물 격리계통

원자로의 냉각수가 원자로 건물로 누출되면 방사성물질 또한 원자로건물로 누출된다. 따라서 원자로건물 격리계통이 원자로건물 외부로 나가는 경로를 차단하여 방사성물질이 원자로건물 외부로 누출되는것을 방지한다.

4) 보조급수계통 

증기발생기에 급수를 공급하는 주급수계통이 고장날 경우, 보조급수계통이 증기발생기에 급수를 공급하여 증기발생기의 수위를 조절한다.

공학적안전설비의 더 자세한 내용은 원자력계통공학 4.3.1절~4.3.3절에서 다루기로 한다.

■ 4단계

핵연료가 손상되는 심각한 사고가 발생하더라도 방사선물질이 격납건물 외부로 누출되지 않도록 격납건물의 안전성이 강화되어야 하며, 중대사고를 완화할 수 있도록 안전설비를 확충해야 한다.

■ 5단계

중대사고가 발생하면, 피해를 최소화 하기 위하여 방사선비상 및 주민대피 조치를 수행한다.

예제 1 (2003년 원자력기사 기출)

공학적 안전설비(ESF)는 발전소에서 분류되는 사고중 상태-4(Condition-4)에 해당하는 설계기준사고(DBA)에서도 고유 설계 기능을 발휘할 수 있어야 하는데, 설계기준사고시 공학적 안전설비의 기능이 아닌 것은?

① 연료 피복재 보호

② 격납용기 건전성 확보

③ 소내 외 전원 확보

④ 주제어실 건전성 확보

정답) ③ 

① 안전주입계통은 원자로에 차가운 붕산수를 주입하여 뜨거운 원자로를 냉각하여 핵연료 피복재를 보호하는 기능을 한다.

② 원자로건물 살수계통으로 원자로건물의 압력제어를 통하여 원자로건물 건전성을 확보한다.

③ 소내외 전원은 안전계통이 적절히 작동할 수 있도록 도와주는 보조계통이다. 따라서 공학적 안전설비와 큰 관련이 없다.

④ 공학적안전설비를 이용하여 주제어실 방사성 준위를 제한치 이내로 유지하여 거주성을 확보한다.

예제 2 (2004년 원자력기사 기출)

원전의 공학적 안전설비와 가장 거리가 먼 것은?

① 화학 및 체적제어계통

② 비상노심냉각계통

③ 격납용기

④ 잔열제거(정지냉각)계통

정답) ① 

 공학적안전설비에는 비상노심냉각계통, 격납용기(원자로용기), 잔열제거(정지냉각)계통 등이 있으며, 그외에도 보조급수계통, 원자로건물 살수계통, 수소제어계통, 격납건물 격리계통 등이 있다.

예제 3 (2016년 원자력기사 기출)

가압경수로형 원자력발전소에 설치된 안전주입계통의 기능이라 볼 수 없는 것은?

① 냉각재 상실사고시 노심 냉각을 위해 냉각재계통에 붕산수를 공급

② 냉각재 상실사고시 원자로건물(혹은 원자로 격납건물) 과압을 방지

③ 냉각재 상실사고 후 장기 노심냉각 수단을 제공

④ 충분한 정지여유도를 제공

정답) ② 

본 문제는 안전주입계통의 기능을 물어보고 있어 원자력 계통공학 과목에 포함되어야 할 문제 같아 보이지만, 2016년 원자로운전과 안전 과목에서 출제된 문제이다. 

① 안전주입은 원자로에 누설이 발생하여 원자로 압력이 낮아지면 자동으로 기동하여 붕산수를 주입한다. 따라서 원자로에 차가운 붕산수를 주입하여 뜨거운 원자로를 냉각하는 기능을 한다.

② 안전주입은 원자로에 붕산수를 주입하기때문에 원자로건물과는 관계 없다.

③ 원자로에 누설이 발생하는것이 냉각재 상실사고 이다. 따라서 원자로에 차가운 붕산수를 주입하여 뜨거운 원자로를 냉각하는 기능을 한다.

④ 안전주입은 원원자에 붕산수를 주입하므로, 붕산이 중성자를 흡수하여 충분한 정지여유도를 제공할 수 있다.

예제 4 (2017년 원자력기사 기출)

가압경수로형 원자력발전소는 설계기준사고시 핵분열 생성물의 외부 누출을 억제하고 종사자와 공중의 안전을 목표로 공학적 안전설비가 설치되어 있다. 다음 중 공학적안전설비의 기능이 아닌 것은?

① 주제어실 거주성 확보

② 방사성폐기물 건전성 확보

③ 원자로건물 건전성 확보

④ 원자로냉각재의 재고량 확보

정답) ② 

공학적안전설비는 과도사건이 중대사고로 커지지 않도록 하는 역할을 한다. 

① 공학적안전설비를 이용하여 주제어실 방사성 준위를 제한치 이내로 유지하여 거주성을 확보한다.

② 공학적안전설비는 원자로 및 원자로건물과 관련이 있으며공학적안전설비는 과도사건이 중대사고로 커지지 않도록 하는 역할을 한다.  따라서 방사성폐기물과는 큰 관련이 없다.

③ 원자로건물 살수계통으로 원자로건물의 압력제어를 통하여 원자로건물 건전성을 확보한다.

④ 안전주입계통을 이용하여 붕산수를 주입하고 원자로냉각재의 재고량을 확보한다.

예제 5 (2019년 원자력기사 기출)

원자력발전소 사고 시 원자로와 유출 가능성이 있는 방사능으로부터 공중을 보호하기 위한 공학적 안전설비의 기능으로 알맞은 것은?

① 핵연료 피복재의 용융을 방지한다.

② 원자로 격납용기 내의 대기를 최대 온도 및 압력으로 유지한다.

③ 핵분열생성물 중 방사성요오드 농도를 저감한다.

④ 비정이 짧은 방사성 핵종이 원활하게 외부로 방출되도록 한다.

정답) ① 

공학적 안전설비의 목적은 발전소 사고시 방사능이 외부로 누설되지 않도록 하는 것이다. 이 점을 유의해서 보기를 검토해 보면 된다.

① 원자로에 차가운 물의 주입함으로써 핵연료 피복재를 냉각시켜 핵연료 피복재의 용융을 반드시 방지해야 한다. 핵연료 피복재가 파손되지 않으면, 방사능 물질이 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.

② 발전소 사고시 건물의 건전성을 확보하기 위하여 격납건물의 대기는 설계압력과 온도 이하로 유지해야 한다.

③ 발전소 사고로 원자로건물의 압력이 증가하면, 원자로건물에 살수한다. 살수에 의하여 원자로 건물에 압력이 감소하고, 수용성 방사성 요오도가 수용상태로 원자로건물 내부에 저장된다. 따라서 방사성요오드 농도를 저감하지는 않는다. 물론, 수용성 방사성 요오드가 물에 녹음으로 농도가 저감되는 효과는 있겠지만, 주요 기능은 아니다.

④ 심층방어 원리에 의해 어떠한 방사성 핵종이라도 발전소 외부로 방출되면 안된다.