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요약문

SUMMARY

Contents

목차

제1장 연구개발과제의 개요 24

제2장 국내외 기술개발 현황 30

제1절 국내 기술개발 현황 30

제2절 국외 기술개발 현황 31

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 36

제1절 실증로 및 다목적로 인허가관련 법규 개발 36

제2절 소듐냉각고속로 일반안전요건 개발 60

제3절 주요 상세안전요건 초안 개발 109

1. 원자로시설의 안전등급과 등급별 규격에 관한 규정 109

2. 원자로시설의 가동중 검사에 관한 규정 125

3. 소듐-물 반응 압력방출계통 설계에 관한 기준 136

4. 외부사건에 의한 장기 전원공급 상실에 대한 안전요건 수립 139

제4절 규제지침 체계 수립 및 초안 개발 143

1. 사건분류, 허용기준 및 대표사건에 관한 규제지침 143

제5절 주요 안전현안 검토 195

1. 심층방어이행 평가방법론 개발 195

2. 반응도계수 특성 및 소듐공동에 따른 안전현안 검토 227

3. SFR 방사선원항 안전현안 검토 256

4. SFR 소듐화재 안전현안 검토 283

5. 노심재임계 현상 특성 평가 314

6. 소듐화재 에어로졸 안전현안 검토 324

7. 핵설계 전산코드 불확실도 평가방법론 검토 350

8. 핵연료집합체 유동막힘 현상 평가 391

9. 기술검증시험 타당성 평가방법론 개발 423

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 456

제1절 연구개발 목표 달성도 456

제2절 관련 분야 기여도 467

1. 경제·산업적 측면 467

2. 사회적 측면 467

3. 기술적 측면 467

제5장 연구개발결과의 활용계획 470

제1절 활용계획 470

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 474

제7장 참고문헌 478

표목차

표 1-1. 원자력진흥위원회 SFR 추진 일정 변경사항 25

표 3.1-1. 특정설계승인제도 및 표준설계인가제도 준용 비교 37

표 3.1-2. 원자력안전위원회 기술전문위원회 제3호 안건 내용 발췌 38

표 3.1-3. 표준설계승인제도 도입을 위한 원자력안전법(안) 39

표 3.1-4. 표준설계승인제도 도입을 위한 원자력안전법 시행령(안) 42

표 3.1-5. 표준설계승인제도 도입을 위한 원자력안전법 시행규칙(안) 48

표 3.1-6. 발전용과 연구용 원자로 시설의 주요 안전심사지침 내용 차이점 51

표 3.1-7. 미국의 원자로별 인허가 절차 52

표 3.1-8. 국내 원자력법 상의 차이점 53

표 3.1-9. 고시 제2012-71호의 원자로 종류 및 용량 구분 54

표 3.2-1. SDC, GDC 및 개발중인 일반안전요건의 비교 과정 69

표 3.2-2. SFR 일반규제요건 구성항목 및 체계 초안 82

표 3.2-3. SSR-2/1을 반영한 SFR 일반규제요건 구성항목 및 체계 수정안 83

표 3.2-4. SDC 및 GDC를 반영한 SFR 일반규제요건 구성항목 및 체계 수정안 84

표 3.3-1. 기존 원자력안전위원회 고시 적용성 평가... 111

표 3.3-2. PRISM 및 CRBR의 원자로시설 안전등급 분류 113

표 3.3-3. 소듐냉각고속로를 위한 원자로 시설의 안전등급 및 등급별 규격에 관한 규정... 114

표 3.3-4. 안전등급 분류 체계와 Code and Standards 120

표 3.3-5. 소듐냉각고속로를 위한 원자로 시설의 안전등급 및 등급별 규격에 관한 규정... 121

표 3.3-6. 기존 원자력안전위원회 고시 적용성 평가(가동중 검사에 관한 규정) 128

표 3.3-7. 소듐냉각고속로를 위한 원자로 시설의 가동중 검사에 관한 규정의 개정안 129

표 3.3-8. 소듐-물 반응 압력방출계통 설계에 관한 기준 초안 138

표 3.3-9. GIF SDC 140

표 3.3-10. ANS SFR GDC 140

표 3.3-11. 외부사건에 의한 장기전원공급상실사고에 관한 기준 초안 141

표 3.4-1. 발생빈도에 따른 국내·외 사건분류 146

표 3.4-2. 국내·외 사건분류의 예상운전과도에 대한 허용기준 148

표 3.4-3. ASME B&PV Code, Sec. III 운전상태의 정의와 사건의 예 149

표 3.4-4. 10CFR20, 10CFR50 App. I 및 10CFR100의 10% 선량한도의 비교 152

표 3.4-5. 국내·외 사건분류의 가상사고에 대한 허용기준 153

표 3.4-6. 국내·외 문헌의 가상사고 발생빈도별 허용기준 비교 162

표 3.4-7. SFR 발생빈도에 따른 국내 사건범주의 분류 및 정의 167

표 3.4-8. SFR 발생빈도에 따른 국내 사건범주별 허용기준 167

표 3.4-9. 사건유형에 따른 국내·외 사건분류 사례 168

표 3.4-10. 통합한 사건유형에 따른 국내·외 사건분류 사례 171

표 3.4-11. 경수로 및 소듐냉각고속로 사건유형에 따른 국내·외 사건분류 사례 종합 173

표 3.4-12. 경수로 대표사건의 SFR 적용성 평가 176

표 3.4-13. 소듐냉각고속로 고유 대표사건의 비교평가 및 PGSFR 적용성 평가 181

표 3.4-14. 소듐냉각고속로에 대한 사건분류, 허용기준 및 대표사건에 관한 지침 초안 188

표 3.5.1-1. OPT 개발을 위한 KALIMER 안전기능 정의 200

표 3.5.1-2. KALIMER OPT – 심층방어 1단계 : 반응도 제어(1/2) 204

표 3.5.1-3. KALIMER OPT – 심층방어 1단계 : 반응도 제어(2/2) 205

표 3.5.1-4. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 반응도 제어(1/2) 206

표 3.5.1-5. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 반응도 제어(2/2) 207

표 3.5.1-6. KALIMER OPT – 심층방어 3단계 : 반응도 제어 208

표 3.5.1-7. KALIMER OPT – 심층방어 4단계 : 반응도 제어 209

표 3.5.1-8. KALIMER OPT – 심층방어 1단계 : 노심 열제거(1/2) 210

표 3.5.1-9. KALIMER OPT – 심층방어 1단계 : 노심 열제거(2/2) 211

표 3.5.1-10. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 노심 열제거(1/3) 212

표 3.5.1-11. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 노심 열제거(2/3) 213

표 3.5.1-12. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 노심 열제거(3/3) 214

표 3.5.1-13. KALIMER OPT – 심층방어 3단계 : 노심 열제거 215

표 3.5.1-14. KALIMER OPT – 심층방어 4단계 : 노심 열제거 216

표 3.5.1-15. KALIMER OPT – 심층방어 1단계 : 격납건물 건전성 217

표 3.5.1-16. KALIMER OPT – 심층방어 2단계 : 격납건물 건전성 218

표 3.5.1-17. KALIMER OPT – 심층방어 3단계 : 격납건물 건전성 219

표 3.5.1-18. KALIMER OPT – 심층방어 4단계 : 격납건물 건전성 220

표 3.5.1-19. 반응도 제어 OPT 1단계 안전요건 적용결과(1/2) 221

표 3.5.1-20. 반응도 제어 OPT 1단계 안전요건 적용결과(2/2) 222

표 3.5.1-21. 반응도 제어 OPT 2단계 안전요건 적용결과(1/2) 223

표 3.5.1-22. 반응도 제어 OPT 2단계 안전요건 적용결과(2/2) 224

표 3.5.1-23. 반응도 제어 OPT 3단계 안전요건 적용결과 225

표 3.5.1-24. 반응도 제어 OPT 4단계 안전요건 적용결과 226

표 3.5.2-1. 스펙트럼 유형에 따른 도플러 계수 228

표 3.5.2-2. 반경방향 및 축방향 팽창에 의한 중성자 균형 변화 232

표 3.5.2-3. 노심 크기에 따른 반응도 계수 234

표 3.5.2-4. 해석 대상노심의 특성 239

표 3.5.2-5. PRISM 반응도계수의 불확실도 242

표 3.5.2-6. 다양한 SFR의 반응도 궤환효과 243

표 3.5.3-1. Cs 기화량 계산 예 266

표 3.5.3-2. PRISM 부지적합성 평가시의 선량기준 278

표 3.5.3-3. PRISM 설계시의 제한사고 278

표 3.5.3-4. PRISM 설계기준사고 방사선핵종 방출률 279

표 3.5.4-1. 러시아 BN-600의 소듐 누출건수와 화재발생건수 283

표 3.5.4-2. 산소농도에 따른 풀형화재의 발화온도 285

표 3.5.4-3. 세계 소듐냉각고속로의 소듐 누설 일지 289

표 3.5.4-4. BN-600에서의 소듐누설회수 296

표 3.5.6-1. 주요 소듐화합물의 물리적 특성 325

표 3.5.6-2. 소듐액적의 연소 특성 326

표 3.5.6-3. 액적낙하 실험 자료 327

표 3.5.6-4. 고온 - 고농도 에어로졸 테스트 결과 328

표 3.5.6-5. 수산화나트륨의 액적 확산 시간 334

표 3.5.6-6. CO₂ 확산시간 335

표 3.5.6-7. 다양한 실험에서 측정된 일차 입자직경 337

표 3.5.6-8. 소듐화재시 방출되는 방사성핵종 340

표 3.5.6-9. HAARM-3 코드의 민감도 분석에 사용된 기본변수와 변수범위 344

표 3.5.6-10. 일차민감도 계산 결과 346

표 3.5.7-1. 경수로 노심핵설계 전산코드의 검증 351

표 3.5.7-2. 경수로 노심핵설계 전산코드 검증을 위해 사용되는 변수 및 테스트 352

표 3.5.7-3. SFR 노심핵설계 전산코드 검증을 위한 접근방식 354

표 3.5.7-4. SFR 핵특성 인자의 현재 불확실도 및 목표 불확실도 355

표 3.5.7-5. 4S 원자로의 주요 설계조건 356

표 3.5.7-6. 4S 핵설계 코드체계 검증에 사용된 실험장치 359

표 3.5.7-7. FCA XXIII 실험 및 해석을 통해서 얻은 4S 핵설계 전산코드의 불확실도 361

표 3.5.7-8. Joyo MK-I 노심의 제원 364

표 3.5.7-10. Monju 저출력 노물리실험 측정 불확실도 366

표 3.5.7-9. Joyo 저출력 노물리실험 불확실도에 고려된 불확실도 인자 367

표 3.5.7-11. Joyo MK-1 등온온도계수 계산결과 370

표 3.5.7-12. 1994년 11월 측정자료 373

표 3.5.7-13. 2010년 6월 측정자료 373

표 3.5.7-14. 제어봉의 위치변화 376

표 3.5.7-15. Core1994 등온온도계수의 실험결과 377

표 3.5.7-16. Core2010 등온온도계수의 실험결과 377

표 3.5.7-17. Monju 등온온도계수의 실험 불확실도에 고려된 불확실도 인자 378

표 3.5.7-18. Monju 등온온도계수 측정 불확실도 378

표 3.5.7-19. Core1994의 유효증배계수 계산결과 380

표 3.5.7-20. Core2010의 유효증배계수 계산결과 380

표 3.5.7-21. 도플러 상수와 열팽창 계수의 계산결과 380

표 3.5.7-22. Core1994 등온온도계수의 계산결과 381

표 3.5.7-23. Core2010 등온온도계수의 계산결과 381

표 3.5.7-24. Core1994 등온온도계수 계산결과 요약 384

표 3.5.7-25. Core2010 등온온도계수 계산결과 요약 385

표 3.5.8-1. KALIMER-600 금속 연료봉 및 집합체의 제원 393

표 3.5.8-2. CEFR 집합체 유동막힘 해석결과 400

표 3.5.8-3. COBRA 코드 개발 현황 413

표 3.5.8-4. MATRA-LMR 코드 개발 과정 413

표 3.5.8-5. MATRA-LMR/FB 코드의 지배방정식에 사용된 가정 414

표 3.5.8-6. 코드 평가 Test Matrix 415

표 3.5.9-1. 원자력 산업계의 연구와 ASME V&V 20-2009의 비교 429

표 3.5.9-2. Rohsenow 식의 온도 불확실도 전파 계산 441

표 3.5.9-3. ISPRA 실험의 주요 재원 448

표 3.5.9-4. 가정된 측정 불확실도 449

표 3.5.9-5. 10,000 반복 계산 결과 정리 451

표 4-1. 단계평가 목표 및 달성도 461

그림목차

그림 1-1. 미래 원자력시스템 개발 장기 추진계획 24

그림 3.1-2. 사전안전성 기본개념 55

그림 3.2-1. SFR 일반안전요건 개발 전략도 60

그림 3.3-1. PRISM의 IHTS 계통 유로 137

그림 3.3-2. KAERI의 SWRPRS 계통 개념도 138

그림 3.5.1-1. OPT 표준구조 196

그림 3.5.1-2. KALIMER OPT 반응도제어 예 203

그림 3.5.2-1. 다양한 고속로의 중성자 스펙트럼 비교 228

그림 3.5.2-2. 제어봉 구동축의 축방향 위치 변화 233

그림 3.5.3-2. FAUNA 실험장치에서의 농도변화 259

그림 3.5.3-3. NaOx 부유질량 260

그림 3.5.3-4. NaI 부유질량 260

그림 3.5.3-5. 소듐기화량에 따른 핵분열생성물의 기화량 263

그림 3.5.3-6. NALA II 실험장치 구조 267

그림 3.5.3-7. 표의 데이터 1~6번에 대한 최적근사 268

그림 3.5.3-8. 평형분배계수 실험장치 270

그림 3.5.3-9. 이론적 및 실험적 요오드 평형분배계수의 비교 272

그림 3.5.3-10. 평형기화실험 장치 개요 273

그림 3.5.3-11. Na상부의 Nal분압 275

그림 3.5.4-1. 소듐 연소과정에 대한 화학적 기구 286

그림 3.5.4-2. 소듐 분사액적의 연소모델 288

그림 3.5.4-3. 구소련 실험로 BR-5의 원자로냉각재계통도 290

그림 3.5.4-4. 영국의 실험로 DFR의 원자로냉각재계통도 291

그림 3.5.4-5. 영국의 실험로 DFR의 증기발생기 전열관 구조 291

그림 3.5.4-6. 영국의 실험로 DFR의 1차 냉각재계통 NaK 누출부위 292

그림 3.5.4-7. 영국의 실험로 DFR 1차 냉각계통의 NaK 누설부위 상세도 292

그림 3.5.4-8. 프랑스 원형로 Phenix의 중간열교환기에서 발생한 소듐누출부위 294

그림 3.5.4-9. 프랑스의 실증로 Super-Phenix의 노외핵연료 저장조에서 발생한... 294

그림 3.5.4-10. BN-350의 증기발생기와 전열관의 물 누설부위 296

그림 3.5.4-11. 능동형 음향 감지법 개념도 299

그림 3.5.4-12. Catch Pan Fire Suppression Deck System 300

그림 3.5.4-13. Mitigated MEFS Leak double pipe system 301

그림 3.5.4-14. SGB에 설치된 HVAC 301

그림 3.5.5-1. 큐리점 전자석을 이용한 SASS의 기본 구조 316

그림 3.5.5-2. 액상 독물질 주입계통 317

그림 3.5.5-3. ASTRID의 SASS 개념 317

그림 3.5.5-4. ASTRID CFV 노심의 축방향 단면도 319

그림 3.5.5-5. 용융핵연료 방출을 강화한 핵연료집합체 개념 321

그림 3.5.5-6. FAIDUS 개념 321

그림 3.5.5-7. JSFR의 개량형 FAIDUS 321

그림 3.5.5-8. CAPRA 노심 321

그림 3.5.6-1. 단일액적실험 장치 325

그림 3.5.6-2. 노즐로부터 2.5cm에서 수집한 불안정한 소듐액적 326

그림 3.5.6-3. 노즐로부터 4.5cm에서 수집한 불안정한 소듐액적 326

그림 3.5.6-4. 공기중의 소듐액적 연소특성 327

그림 3.5.6-5. 위치 14.74m에서 연소로 소모된 소듐질량분율 327

그림 3.5.6-6. 고온-고농도 에어로졸 실험장치 328

그림 3.5.6-7. Test 8 : HTCA 희석챔버, 초기 에어로졸 크기 329

그림 3.5.6-8. Test 7 : 고온-고농도 희석챔버, 초기 에어로졸 크기 329

그림 3.5.6-9. 고온-고농도 에어로졸 농도 거동 329

그림 3.5.6-10. 탄산나트륨과 중탄산나트륨 사이의 평형 332

그림 3.5.6-11. 소듐농도와 상대습도에 따른 수산화나트륨 용액 액적의 크기 333

그림 3.5.6-12. 소듐농도와 상대습도에 따른 탄산나트륨 액적의 크기 333

그림 3.5.6-13. FAUNA 실험장치에서의 농도변화 337

그림 3.5.6-14. 산화나트륨 에어로졸의 농도감소(2000 W/m2 가열) 337

그림 3.5.6-15. 소듐화재 에어로졸의 탄산나트륨으로의 반응거동 338

그림 3.5.6-16. 용융소듐내의 NAI 몰분율에 따른 반응도계수 340

그림 3.5.7-1. 4S 원자로의 구조 357

그림 3.5.7-2. 4S의 반사체 개념 357

그림 3.5.7-3. 유효증배계수 생산체계 358

그림 3.5.7-4. 반응도계수 생산체계 358

그림 3.5.7-5. Joyo MK-I 노심 363

그림 3.5.7-6. 등온온도계수 측정과 관련된 원자로 냉각계통의 계략도... 370

그림 3.5.7-7. 측정시 관측되는 냉각재 온도 및 유량 변화 371

그림 3.5.7-8. Core2010에서 시간에 따른 계측기 계수율 및 CCR1 위치의 추이 372

그림 3.5.7-9. 온도 변화에 의한 제어봉 구동축 변화를 평가하기 위한 개략도 375

그림 3.5.7-10. 시간변화에 따른 Core2010에서 CCR1 위치변화 376

그림 3.5.7-11. 등온온도계수에 대한 핵종별 민감도 계수 383

그림 3.5.7-12. 핵자료에 의한 불확실도 383

그림 3.5.7-13. 등온온도계수에 대한 C/E값 (a) JENDL-3.3 (b) JENDL-4.0 384

그림 3.5.7-14. 노심온도 변화시 반응도 변화에 대한 C-E 값의 변화 386

그림 3.5.8-1. 구동 핵연료봉 393

그림 3.5.8-2. KALIMER-600 핵연료 집합체 393

그림 3.5.8-3. 피복재 용융의 시작 398

그림 3.5.8-4. 액상 핵연료의 축·반경방향 전파 398

그림 3.5.8-5. 스틸 마개의 형성 398

그림 3.5.8-6. 핵연료 펠렛의 붕괴 399

그림 3.5.8-7. 액상 스틸 내 핵연료 파편의 이동 399

그림 3.5.8-8. 핵연료 풀의 형성 399

그림 3.5.8-9. 구조물의 녹아내림 399

그림 3.5.8-10. TIB에 의한 출력 변화 399

그림 3.5.8-11. 소듐의 체적비와 온도 403

그림 3.5.8-12. 피복재의 온도 403

그림 3.5.8-13. 유효노심 상·하부의 피복재 체적비 403

그림 3.5.8-14. 핵연료 파편의 체적비 403

그림 3.5.8-15. 유효노심의 높이에 따른 핵연료 분포 403

그림 3.5.8-16. 유효노심의 상부와 하부에 위치하는 덕트 벽의 온도 403

그림 3.5.8-17. TIB 발생 후 16.5초에서의 집합체 단면적 404

그림 3.5.8-18. 용융물이 방출되는 시점(TIB 발생 후 16.6초)에서의 집합체 단면적 404

그림 3.5.8-19. 용융물 재배치 형상과 소듐 속도 분포 404

그림 3.5.8-20. 액체금속로 집합체 출구의 상세 설계 406

그림 3.5.8-21. 액체금속로 입구 모듈 407

그림 3.5.8-22. KALIMER의 사건분류 411

그림 3.5.8-23. 6개의 중앙 채널 유동막힘 시에 집합체 내부 온도 분포 417

그림 3.5.8-24. 집합체 유동막힘 감시계통 419

그림 3.5.9-1. CSAU 업무 흐름도 424

그림 3.5.9-2. 검증방법 1 도식: 공칭 실험 조건에서 비교 434

그림 3.5.9-3. 검증방법 2 도식: 추정된 실험 조건에서 비교 434

그림 3.5.9-4. 검증방법 1과 검증방법 2의 비교점 비교 438

그림 3.5.9-5. Reflood PCT의 비대칭적 분포 440

그림 3.5.9-6. 각 벽면온도 표준편차에 따른 τ의 분포 441

그림 3.5.9-7. 검증결과 해석 방법 도시 444

그림 3.5.9-8. ISPRA 실험 장치 448

그림 3.5.9-9. ISPRA 실험 계산을 위한 TRACE 노드 체계 450

그림 3.5.9-10. 10,000회 반복 계산에 대한 압력 강하 분포(초록색은 정규분포를 의미함) 451

그림 3.5.9-11. 각 모델에 대한 검증 불확실도를 그래프로 표시 452

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