I. 제목
신월성1,2 수소제어 및 가동원전의 사고관리현안 평가기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
정부의 "원자력발전소 중대사고정책 (2001.8)"은 국내에 건설될 신규 원전과 가동중인 원전의 중대사고 대처능력을 확보하여 안전성을 증대시키는 데에 그 목적이 있다. 이를 위해 원전의 안전목표에 합당한 성능목표를 설정하고 신규 원전의 중대사고 대처능력 및 가동 중 원전의 중대사고관리전략의 적합성을 평가할 수 있는 규제기술을 개발하는 것이 필요하다.
따라서 본 과제에서는 첫째로 신월성1,2호기의 운영허가에 대비하여 주요 심사항목이 될 수 있는 격납건물 수소제어능력에 대하여 MELCOR-GASFLOW 연계에 의한 상세평가를 수행하고 이와 병행하여 OECD-ThAI 실험 평가에 의한 수소 최적 분석을 위한 방법론을 개발하고자 하였다. 둘째로 가동 중인 울진1,2호기와 월성1-4호기의 중대사고관리계획에 대한 심사를 대비하여, 이전 단계의 연구에서 개발한 울진1,2호기 MELCOR 코드 입력을 이용하여 현안으로 제기될 수 있는 중대사고관리 진입조건 및 고압사고관리전략에 대해 상세분석하고 중수로 중대사고관리전략을 평가할 수 있는 ISAAC 코드평가체계를 구축하고자 하였다. 셋째로 격납건물 성능 평가 및 사고관리를 고려한 보건목표 평가기술을 개발하기 위해 과거 가동 중 원전의 PSA 및 사고시 배기전략과 관련된 방사선원항 평가와 주민피폭 평가 등에 대한 현안들을 고려하여 격납건물 압력하중과 취약도곡선을 분석하고 중대사고정책의 보건목표를 평가하기 위한 방법론을 개발하고자 하였다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
연구개발 내용은 첫째 신월성1,2호기 수소제어능력 평가기술 개발, 둘째 원전별 사고관리전략 평가기술 개발, 셋째 사고관리를 고려한 보건목표 평가기술 개발로 분류된다. 각 항목별 상세 연구내용은 아래와 같다.
1. 신월성1,2호기 수소제어능력 평가기술 개발
1.1 중대사고 분석 및 MELCOR 코드 입력 개발
1.2 격납건물 수소제어능력 평가
1.3 MELCOR 코드를 이용한 ThAI 실험분석
2. 원전별 사고관리전략 평가기술 개발
2.1 울진1,2호기 사고관리 진입조건 평가
2.2 울진1,2호기 고압사고관리전략 평가
2.3 ISAAC 코드를 이용한 중수로 사고관리전략 평가
3. 사고관리를 고려한 보건목표 평가기술 개발
3.1 주요 중대사고 현상 분석방법 구축
3.2 격납건물 취약도 곡선 선정 및 평가
3.3 원전의 보건목표 적용기술 개발
3.4 격납건물 내 요오드 거동 평가
IV. 연구개발결과
1.1 MELCOR 코드 입력 개발
신월성1,2호기 수소제어능력 평가를 위하여 노심과 원자로냉각재계통, 격납건물로 구성된 MELCOR 입력을 작성하였다.
신월성1,2호기의 경우 설계기준사고시의 수소제어분석결과 수소연소를 방지하기 위해서는 피동촉매형수소재결합기(PAR)와 같은 제어설비가 필요함을 확인하였다.
또한 안전기술원의 MELCOR 코드 계산에 의한 물, 수증기, 수소의 질량 및 에너지 방출률을 원자력연구원의 GASFLOW 코드에 입력하여 기체혼합과 화염가속 및 연소폭발천이(DDT) 지수를 계산하는 통합 상세분석을 수행하였다. 분석결과 원자로용기 파손 이후 원자로공동에서 연소 폭발천이로 인한 격납건물 건전성 위협이 있으나 구름의 형상으로 보아 폭발의 가능성은 낮으며 그 밖의 격실에서는 화염가속 및 연소폭발천이 가능성이 낮은 것으로 나타났다. 이러한 MELCOR-GASFLOW 연계해석으로부터 얻은 수소구름의 형상 등의 정보는 현재까지 MELCOR와 같은 집중해석코드의 분석결과로 얻을 수 없었던 것으로서 중대사고시 분석결과를 보완하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
OECD-ThAI HM-2 실험결과를 분석한 결과 MELCOR 코드는 대기혼합을 과도하게 예측함으로써 수소농도의 성층화 및 증기 주입으로 인한 성층화 침식현상을 잘 모의하지 못하는 것으로 나타나 MELCOR 코드를 원전 해석에 적용하는 경우 축방향 셀 분할 추가 필요성이 제기되었다. 또한 HR 실험 모의를 통해 집중해석코드들의 격납건물 수소제어분석 방법론의 비보수성을 정성적으로 확인함에 따라 원전 수소분석 시 MELCOR 코드의 PAR 모델링 방법을 개선할 필요가 있다.
감압전략에 대한 민감도 분석 결과, 진입시점 및 감압율에 따라 압력용기 파손시점 등 사고 진행에 상당한 차이를 보였으나, 모든 경우에 압력용기 파손 시 압력은 상당히 낮은 것으로 나타나 고압노심 용융물방출 현상으로 인한 격납건물 건전성 위협은 확률이 낮은 것으로 확인되었다. 압력용기 파손 시점의 경우, 진입시점 지연에 따른 영향은 크지 않은 반면에, 감압율에 따라서는 상당한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 즉 POSRV 1개만을 개방한 경우에는 3개의 POSRV를 개방하는 기존 전략에 비해 압력용기 파손이 약 3시간 정도 지연되는 것으로 나타나, 전원 복구에 이점이 있는 것으로 평가된다.
기존의 사고관리 진입조건은 사고 시나리오를 고려하지 않고 노심출구온도에만 의존하고 있으나, RCS 압력에 따라 노심손상상태의 거동이 다르게 나타나므로 효과적인 중대사고 관리를 위해서는 진입조건의 재평가가 필요하다. 또한, 고압 사고시 감압전략의 진입조건인 감압 설정치는 감압율을 함께 고려해서 재평가 되어야 하며, 적절한 감압율에 대한 평가를 통해서 사고의 진행을 완화함으로써 운전원으로 하여금 안전기능의 회복 가능시간이 충분히 증가될 수 있도록 기존 전략의 개선을 고려할 필요가 있다. 이런 측면에서 본 연구에서 얻어진 최적 감압율의 적용은 가동중 원전에 효과적인 중대사고 관리전략이 될 수 있다.
월성2-4호기 중대사고 관리지침서에 대한 심사에 대비하여 ISAAC 코드와 분석 방법론을 확보하여 발전소정전사고(SBO)와 LOCA 해석에 적용하였다. 참고문헌과의 비교를 통해 각종 변수값의 경향이 잘 일치함을 확인하였다. SBO시 수소거동 분석결과, 격납건물 내 몇몇 격실에서 사고 후기의 대기조성이 FA와 DDT를 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 이 가능성은 살수율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타나 사고관리전략의 검토에 참고할 필요가 있다. 한편 월성1호기 중대사고시 가연성기체제어계통의 설치에 대비하여 중수로 격납건물용 MELCOR 코드 입력을 개발하여 설계의 적합성 검토에 사용할 예정이다.
3.1 주요 중대사고현상 분석방법 구축
보건목표에 상응하는 원전 성능목표를 설정 시 격납건물 손상여부를 평가하는 데 활용하기 위해 노심용융물-콘크리트 상호작용(MCCI)과 핵연료-냉각재 상호작용(FCI) 등의 중대사고현상에 의한 격납건물 압력하중 평가방법을 구축하였다. MELCOR 코드를 사용하여 OECD/SSWICS 실험을 분석하고 실험을 가장 잘 모사할 수 있는 열전달 변수의 조합을 선정하여 고리1호기의 격납건물 장기건전성을 분석하였다. 분석결과 노심용융물이 노심용융물-콘크리트 침식의 문턱값(1,750K) 이하로 냉각되어 MCCI가 멈추고 격납건물 장기건전성을 위협하지 않는 것으로 나타났다. 또한 OECD-SERENA 프로그램에 참여하여 MC3D 코드를 이용하여 입력변수가 증기폭발 압력하중에 미치는 영향에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
격납건물 손상을 결정하는 방법론에 대한 평가 결과, 현재까지 사용되고 있는 NUREG-1150 방법론은 압력상승이 느린 경우에 대해 전문가 판단을 이용하여 취약도 곡선을 구하는 방법으로서 파손밀도함수에 공학적인 의미를 부여하기 어려운 것으로 나타났다. 반면 NUREG/CR-6433에서는 타당한 확률밀도함수를 사용하는 체계적 방법을 적용하고 있는 것으로 평가되었다. 따라서 NUREG-1150의 방법론을 적용한 것으로 보이는 영광5,6호기 2단계 PSA에 제시된 취약도 곡선은 향후 수정이 필요한 것으로 평가되며, 격납건물 압력상승이 급격한 경우의 파손형태에 대한 방법론은 향후 개발되어야 한다.
중대사고 분석도구인 MELCOR와 MAAP코드로 OPR-1000 원전에서 조기 및 암사망을 발생시킬 수 있는 두 가지 유형의 조기 대량방출군 대표사고경위에 대한 소외방출방사선원항을 분석하였으며, MACCS2 코드를 활용하여 중대사고시의 주민에 대한 조건부 조기사망확률을 평가하였다. 평가 결과, 조기격납건물상실 중대사고 시나리오의 경우 휘발성 핵종의 방출량에 있어 두 코드간 큰 차이가 있어 조기사망확률도 주민보호조치 유형에 따라 10~100배 수준의 차이를 보여주고 있다. 반면 증기 발생기 세관파단방출군 대표사고는 휘발성 핵종 소외방출량에 있어 상대적으로 적은 차이를 보이고 있으며 조기사망확률도 주민보호조치 유형에 따라 1~40배 수준의 차이를 나타내고 있다. 계산된 조건부 조기 및 암 사망 확률에 각각의 사건발생 빈도를 고려하는 경우 소외 주민이 받는 절대적인 리스크의 양을 평가할 수 있으므로 직접적으로 보건목표와 비교할 수 있는 값을 얻을 수 있다. 이러한 분석방법은 중대사고정책 보건목표로 설정된 사망확률과의 비교를 통해 국내 원전의 성능목표를 설정하는 방법론으로 활용되고 있다.
원전의 사고 시에 요오드는 리스크 평가에 매우 중요한 핵종으로 정확한 거동평가가 필요하다. 현재 안전기술원이 사용하고 있는 MELCOR 코드에서는 격납건물 내의 요오드가 모두 CSI 형태의 에어로졸로 구성되어 있다는 가정을 사용하고 있으나 실험에 의하면 수용액 중에서의 반응에 의해 분자요오드나 유기요오드 등 기체요오드가 다량 존재하는 것이 관측되었다. 또한 MELCOR 코드는 대기 중의 유기요오드에 관련된 화학식을 매뉴얼에 일부 기술하고 있을 뿐 iodine pool chemistry 모델에 수용액에서의 유기요오드 생성과 소멸모델이 누락되었다. 그러나 유기요오드의 반응이 대부분 물속에서 일어나므로 본 연구에서는 유기요오드의 반응이 모두 수용액 중에서 일어나는 것으로 변경하여 유기요오드의 반응식을 MELCOR 코드에 추가하였다. 개선된 iodine pool chemistry 모델을 이용하여 BIP 실험 중 P11T1 실험을 모의하고, 모의결과와 실험 시 요오드 종의 변화를 비교하여 일부 반응속도를 조절한 후 OECD-BIP 및 Phebus FPT-1 실험결과와 비교하였다. 실험해석 결과는 전반적으로 실험을 잘 모의하는 것으로 나타났으나 일부 종은 농도를 매우 낮게 모의하거나 농도변화가 급격하게 일어났는데, 이는 반응속도의 차이에서 발생되는 것으로 볼 수 있어서 반응속도에 대한 자료수집이 향후 과제로 남아 있다. 개발된 MELCOR 유기요오드 모델은 분자요오드의 거동모델과 결합되어 기체요오드의 모의가 가능하게 됨으로써 방사선원항 분석에 참고자료로 활용될 수 있으며, 추후 국제적인 연구 성과 등을 반영하여 모델 개발이 완료되면 사고로 인한 조기사망 리스크 계산 등에 활용될 수 있다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구결과 중 신월성1,2호기 수소제어능력 평가기술 개발에 의한 MELCOR 입력과, 살수 및 PAR 작동을 반영한 설계기준사고 시 및 GASFLOW와의 통합평가에 의한 중대사고 시 수소제어능력 평가결과는 신월성1,2호기 등 OPR-1000 노형 신규 원전의 운영허가 심사에 적기에 활용되고 있다. 또한 OECD-ThAI 실험을 벤치마킹하여 MELCOR 코드의 수소농도 성층화나 PAR 모의의 제한점을 확인한 점은 원전의 수소거동 평가방법을 개선하는 데에 활용될 것이다.
원전별 사고관리전략 평가기술 개발결과로서 원자로냉각재계통 압력을 고려하여 중대사고관리절차로 진입하는 것과 감압률을 조정함으로써 노심용융과 원자로용기 파손시점을 지연시킬 수 있음을 보인 연구결과가 현장에 적용된다면 가동 중 원전의 중대사고 대처능력 향상에 기여할 것으로 기대된다. 또한 ISAAC 코드를 이용한 월성2-4호기 분석방법론과 격납건물 및 수소거동 예비계산 결과는 중수로 중대사고 관리계획 심사 시 전략의 타당성 평가에 활용할 수 있다. 월성 격납건물 MELCOR 입력은 월성1호기 가연성기체제어계통 설계의 적합성 심사에 활용할 예정이다.
사고관리를 고려한 보건목표 평가기술 개발연구를 통해 구축한 방사선원항 및 조기·암 사망 평가방법론은 국내 고유의 격납건물 성능목표를 설정하는데 이미 활용되고 있다. OECD-BIP 실험자료로 벤치마킹하여 개발한 MELCOR 코드의 유기요오드 모델은 아직 초기단계이나 기체요오드의 거동을 좀더 합리적으로 평가할 수 있게 된 점에서 유용하다. 이 모델을 더욱 개선하여 소외 보건 영향평가를 수행할 수 있을 것이며, 유기요오드의 거동에 대한 지식은 국내 고유의 사고해석용 방사선 원항 개발에 활용할 수 있을 것이다. 또한 구축된 증기폭발 및 노심용융물-콘크리트상호작용으로 인한 격납건물하중 분석방법론과 선정된 격납건물 취약도 곡선은 중대사고시 원전 안전성 심사에 활용될 수 있다.