아연주입으로 인한 1차계통 수화학에 미치는 영향으로써 정상운전 시 원자로냉각재의 용존산소 농도에 대한 영향, 사고후 수소농도에 미치는 영향, 비상노심냉각계통 재순환 집수조 성능 및 pH에 미치는 영향 등에 대한 평가를 수행하였으며, 또한 아연주입 운 전 시의 수질 점검항목 및 점검주기에 대해서도 기술하였다.
3.3.1 용존산소 농도에 미치는 영향
아연주입장치는 화학 및 체적제어계통의 체적제어탱크 후단에 설치될 예정이다. 대 기압 탱크로 설계되는 아연주입장치의 아연주입탱크는 순수공급계통에서 탈염수를 공 급받아 초산아연(zinc acetate)을 용해시키고, 용해된 초산아연이 원자로냉각재계통으로 공급될 때까지 보관하는 기능을 담당한다.
한빛 제3발전소 아연주입탱크가 공기와 접촉하여 용존산소로 포화되고(상온에서 8 ppm O2), 보수적으로 두 대의 아연주입 펌프 모두가 최대 유량으로 운전된다고 가 정할 시(즉 0.5 gal/hr), 아연주입 운전에 의해 시간당 15 mg의 용존산소가 원자로냉각 재로 유입된다. 즉, 한빛 제3발전소의 원자로냉각재 질량이 1.97E+05 kg(FSAR 표 11.1-1)임을 감안하면 시간당 용존산소 농도가 0.08 ppb 증가하는 효과가 발생한다. 하 지만 1차계통에는 용존산소의 농도 상승을 억제하기 위한 수단으로 화학 및 체적제어 계통의 체적제어탱크 기상부에 수소를 가압하여 원자로냉각재 중의 용존수소 농도를 25∼50 cc/kg 범위로 유지하고 있다. 이 경우 1차계통으로 유입된 용존산소는 용존수 소와의 반응에 의해 효과적으로 제거되기 때문에 아연주입 운전으로 인한 실질적인 용존산소 농도 증가효과는 없을 것으로 평가된다.(아연주입으로 인해 증가되는 용존 산소를 제거하기 위해 소모되는 용존수소는 시간당 0.0001 cc/kg 이므로 용존수소 소모량에도 거의 영향이 없다.)
3.3.2 사고후 수소농도에 미치는 영향
금속 아연은 산(Acid)과 반응하여 수소를 생산할 수 있는데, 원자로건물 대기 중의 수소기체 농도가 과도하게 증가하는 경우 원자로건물의 폭발 위험성이 증가되므로 원자로건물 내의 금속 아연의 양에 대해서는 엄격한 관리를 필요로 한다.
원자로냉각재 아연주입에 의한 아연은 중성의 아연 원자(금속)의 형태가 아닌 수용 액 또는 1차계통 산화물 내의 +2가 형태로 존재하므로 산과의 반응에 의한 수소를 생 산하지 않는다. 즉, 아연주입으로 인해 원자로건물 내 사고후 수소기체의 생성, 축적에 영향이 없다.
냉각재상실사고 전 냉각재 아연농도 (ppb)
냉각재상실사고 발생 후 재순환집수조 아연농도 (M)
5 7.77 × 10-9
10 1.55 × 10-8
20 3.11 × 10-8
40 6.22 × 10-8
50 7.77 × 10-8
100 1.55 × 10-7
3.3.3 비상노심냉각계통 재순환집수조 성능에 미치는 영향
원자로건물 재순환집수조는 냉각재상실사고시 장기적인 안전주입 및 살수의 수원으로 활용하기 위해 원자로건물 하부에 설치되어 있는 설비로서, 파단면을 통한 고에너지 제트에 의해 발생하는 이물질은 재순환집수조 여과기에 모여서 여과기를 통한 유동의 흐름을 방해하고, 이로 인해 비상노심냉각계통 및 원자로건물 살수계통의 성능을 저하 시킬 수 있다.
보수적으로 한빛 제3발전소 원자로냉각재의 아연농도가 20 ppb라고 가정한 경우, 냉각재상실사고시 원자로냉각재계통에서 방출된 아연이 재순환집수조로 유입되었을 때의 아연 농도는 3.11×10-8 M로 계산된다. 이 값은 미국원자력규제위원회의 후원으로 수행된 LANL(Los Alamos National Laboratories) 실험 결과에 의하여 재순환집수조 여과기에서 현저한 수두 손실을 발생시키는 것으로 나타난 금속염 농도인 10-4 M 보다 약 3,200배 정도 작기 때문에 한빛 제3발전소의 경우 아연주입에 의한 재순환집수조 성능 저하 가능성은 매우 낮은 것으로 평가된다. 표 3-3에는 원자로냉각재계통 아연농 도에 따른 재순환집수조 아연농도 계산결과를 나타냈다.
표 3-3. 원자로냉각재 아연농도에 따른 재순환집수조 아연농도 계산결과
특히 냉각재상실사고시 원자로냉각재와 재장전수탱크의 붕산수가 재순환집수조에서
재순환집수조 냉각재 온도는 출력운전 시의 원자로냉각재 온도에 비해 낮기 때문에 아연의 용해도가 증가하여 아연이 침전될 가능성이 낮으므로 아연주입에 의해 재순환 집수조의 성능이 저하될 가능성은 매우 낮다.
3.3.4 비상노심냉각계통 재순환집수조 pH에 미치는 영향
냉각재상실사고 후 재순환집수조에 유입되는 붕산수와 삼인산나트륨(TSP; Tri-Sodium Phosphate)은 재순환집수조의 pH에 영향을 주는 주요 인자이며, 재순환집수조의 pH가 7.0∼8.5 범위를 유지하도록 거의 같은 몰 비가 유지된다. 정상운전 중 원자로냉각재로 주입되어 있던 아연을 포함하여 산화막 층으로 유입되었던 아연 역시 냉각재로 재용해 되어 나온다고 가정하여 재순환집수조에서의 아연 농도를 보수적으로 40 ppb로 설정한 경우에도, 냉각재상실사고 후 한빛 제3발전소 재순환집수조에서의 아연 농도는 6.22×10-8 M로 계산된다. 이때, 붕산과 삼인산나트륨의 몰 농도는 아연의 몰 농도보다 106배 이상 크기 때문에 재순환집수조에서 아연 이온이 pH에 미치는 영향은 무시할 정도이며, 따라서 격납건물 살수계통의 핵분열생성물 제거능에 미치는 영향은 없다.
3.3.5 아연주입 운전 중의 수화학 점검항목 및 점검주기
한빛 제3발전소 원자로냉각재에 아연을 주입하는 경우 아연의 농도와 기타 항목에 대한 감시 및 조절이 필요하다. 표 3-4에는 한빛 제3발전소 아연주입 운전 적용시의 수질 점검항목과 점검주기를 나타내었다.(아연주입 관련인자만 표기). 만약 아연주입이 수행되는 동안 아연의 농도가 제한값을 초과하는 경우에는 아연주입율을 낮추거나, 필요시 아연주입 운전을 잠시 중단하는 조치를 취할 예정이다. 또한 아연주입 운전에 의해 냉각재를 매개로 한 크러드의 이동이 급격히 증가하는 것을 억제하기 위하여 냉 각재 중의 니켈 농도도 감시할 예정인데, 만약 니켈의 농도가 6 ppb를 초과하는 경우 에는 연료공급사와 협의하여 AOA(또는, CIPS) 발생 위험도의 실질적인 증가 여부를 진단하고, 필요한 경우 아연주입 운전을 잠시 중단하는 조치를 취할 예정이다.
변수 분석 주기 제한값 비고
아연 1회/주2) ≤20 ppb 최초 목표 운전농도는 5 ppb 실리카1) 1회/주 ≤1 ppm 연료 크러드 침적 최소화 니켈1) 1회/주2) ≤6 ppb3) AOA/CIPS 위험 진단 변수
철1) 1회/주2) N/A 경향 분석
방사성 부식생성물1)
(58Co, 60Co, 65Zn 등) 1회/주 N/A 경향 분석
표 3-4. 한빛 제3발전소 아연주입 시의 원자로냉각재 점검항목 및 점검주기
1) 아연주입 전후 분석값 비교평가를 위하여 아연주입 전부터 시료채취 및 분석을 수행한다.(아연주입 최초 주입주기)
2) 최소 점검 주기는 1회/주이며, 최초 아연주입 또는 과도상태 시에는 아연이 안정화 되고 목표 농도로 조절될 때까지 2∼3회/주 분석한다.
3) 6 ppb 초과시 연료공급사에 통보하고 a) 출력분포 측정을 통해 CIPS로 인한 축방향출력편차(ASI)가 3 % 이상인지 확인하고 b) 연료공급사와 협의하여 아연 주입 일시중지 여부를 결정한다.
3.4 1차계통 안전성 평가 종합
아연주입 운전에 따른 1차계통 기기 및 재료, 방사선 및 수화학 설계에 미치는 영향 에 대한 평가결과 1차계통 산화막의 안정화를 통해 계통 선량율을 낮추고, 구조재료의 부식을 억제할 수 있다.
발전소의 방사능 운영에 미치는 영향에 있어서도 생성된 방사화 부식생성물인 Co-58, Co-60의 비방사능 값은 총비방사능 값 미만이므로 운전 제한조건에도 영향이 없다.
수화학 영향 평가에서도 보수적으로 아연주입량을 0.5 gal/hr으로 주입하더라도 아연 주입에 따른 용존산소는 체적제어탱크에 가압된 수소와의 반응으로 충분히 제거될 수 있으며 수용액 형태인 아연은 산과의 반응에서도 수소를 생성하지 않으며 비상노심냉