중수로는 노심의 형태가 경수로와는 완전히 달라 노심에서의 사고 진행은 경수로와는 사뭇 다르다. 그러나 중대사고 진행 과정 중의 현상 하나 하나는 노형에 상관없이 중대사 고 현상이 발현될 수 있는 조건이 허용되면 동일한 과정이 반복된다.
따라서 3장에 정리되어 있는 노심 건전성 상실과 관련해서는 노심가열, 피복재 산화 및 용융, 하부헤드(중수로에서는 칼란드리아)로의 용융물 재배치, 주변 구조물로의 열손실 등은 유사한 현상으로 중수로에도 동일하게 적용될 수 있다. 다만 경수로에서의 냉각수 유로 봉 쇄 및 이로 인한 용융물 풀 형성은 중수로에서는 적용하기 어려우며, 대신 축 방향으로 12 개의 연료다발로 구성된 수평연료봉을 그룹화하여 하부의 빈 공간 (suspended debris bed)으로 재배치시키도록 모의하고 있다. 중수로에서의 주변 구조물로의 열손실은 노출된 380개의 수평연료봉으로부터 복사열로 연료봉을 감싸고 있는 칼란드리아 벽면으로 전달되 며, 이 열은 칼란드리아가 잠겨있는 원자로격실 (reactor vault)의 차폐수를 통해 흡수된 다. 중수로에서의 재임계는 초기 농축도가 낮아 현재 고려하고 있지 않으며, 칼란드리아로 의 재충수는 후쿠시마 사고이후 사고관리 차원에서 외부 유로를 확보하고 있다.
경수로의 하부헤드 건전성 모델도 중수로의 칼란드리아에서 유사하게 적용된다. 다만 반구 형태의 경수로 하부헤드와 실린더 형태의 중수로 칼란드리아는 그 형상의 차이로 인 해 경수로에서 사용하는 다양한 상관식의 직접 적용은 한계를 가지지만, 경수로와 유사한 칼란드리아 파손 모드 및 모델을 적용하고 있다. 고압 용융물 방출 (HPME) 관련해서는 중 수로의 경우 칼란드리아와 원자로건물과의 압력 차이가 거의 없어 HPME는 고려하고 있지 않다.
운전원 조치는 경수로에서 적용하는 기본 전략을 대부분 적용하여 수행되며, 특히 후쿠 시마 사고 이후 일차계통, 이차계통, 칼란드리아, 그리고 원자로격실에 냉각수를 주입하기 위한 외부유로 및 수원을 준비하여 중대사고로의 발전을 예방하고 있다.
일차계통 경계 건전성 관련하여 중수로에서는 자연순환에 의한 경계 파손은 중요하게 다루고 있지 않다. 주된 이유로는 380개의 수평연료관이 복잡하게 연계되어 노심에서 생성
된 고온의 증기가 헤더를 거쳐 증기발생기로의 자연순환 유로 형성이 어려우며, 또한 고 온 수증기의 에너지도 일차계통 압력이 경수로에 비하여 낮기 (운전압력 10MPa) 때문이다.
초기 사건으로 인한 RCS 경계 파손은 경수로와 동일하게 다룬다. 중수로에서는 이에 추가하여 칼란드리아 내부에 놓여있는 수평연료관이 손상되어 냉각수가 칼란드리아로 방출 되어 감속재와 섞이는 in-core LOCA라는 초기사건이 정의된다. 이 경우 칼란드리아 압력 이 상승하여 칼란드리아 방출밸브가 파손되고 감속재가 원자로건물로 방출되며, 중수로에서 는 이 사건도 초기사건으로 분석하고 있다.
중대사고 진행 관점에서 중수로의 특성은 다음과 같다: 1) 경수로에 비해 내재적 냉각 수가 많아 사고진행이 느리다. 2) 내재적 냉각수는 상대적으로 수증기를 형성하여 원자로건 물 압력이 경수로에 비해 빨리 증가한다. 여기에 중수로의 원자로건물 설계 압력이 낮아 원자로건물의 건전성이 경수로에 비해 취약하다. 3) 중수로는 경수로와 달리 원자로건물 상 단에 다우징탱크를 갖추고 있어 피동적으로 살수를 제공하지만, 일회용이어서 단기적인 압 력제어에 활용되며, 장기적으로는 지역공기냉각기가 있지만 전원상실사고 시에는 사용할 수 없다. 즉, 원자로건물 압력 상승에 취약하다. 4) 노심의 지르코늄 량이 경수로의 약 2배 정 도 많다.
제4장 향후 연구를 위한 제언
일차계통 방호와 관련하여 원자로용기와 냉각재계통의 건전성을 위협하는 주요 현상을 표 4.0-1의 PIRT 형태로 정리하면서, 규명된 일차계통 내 중대사고 주요현상을 대상으로 지식수준과 중요도를 평가하였다. 지식수준 항목은 상, 중, 하로 구분하여 “상”은 이해가 잘 되어있어 추가 연구가 급하지 않은 경우, “하”는 현상에 대해 전반적으로 지식이 부족 한 경우로 앞으로 연구가 필요한 경우, “중”은 그 중간으로 정의하였다. 다만 국내와 국외 의 지식수준이 차이가 있을 수 있으므로, 여기서는 국외의 수준을 기준으로 구분하였다. 중 요도도 동일하게 상, 중, 하로 하였고, 사고대응과의 밀접성을 기준으로 정의하였다. 즉,
“상”은 특정 현상이 사고 대응과 아주 밀접하게 연관되어 있다는 의미이고, “하”는 그 현상 에 대한 이해의 정도가 사고 대응과는 크게 관련이 없다는 의미이다. 일부 현상에 대해서 는 전문 위원들 사이에 지식수준과 중요도에 대해 의견이 갈리기도 해서, 이 경우는 투표 를 통하거나 약간 보수적으로 의견을 조율하였다.
본 보고서를 통해 정리한 결과로부터 향후 연구를 위한 항목을 고른다면, 지식수준이 높지 않으면서 중요도는 높은 현상에 우선 순위를 둘 수 있다. 표 4.0-1에는 원자로 손상 과 일차계통 경계손상의 원인으로 주요 현상을 정리하였고, 각 현상에 대해 지식수준과 중 요도롤 기술하였다. 중요도가 “상”으로 채택된 현상의 대부분은 원자로심의 건전성 상실과 관련된 현상보다는 하부반구에서의 용융물 냉각가능성과 연계되어 있다. 이는 원자로용기 하부반구의 건전성 유지가 사고관리와 밀접하게 연관되어 있기 때문으로 분석된다. 하부반 구의 건전성을 유지하기 위해서는 하부반구에서의 모든 현상에 대한 연구, 즉 용융물 냉각 가능성, 하부반구 가열 및 용발, 그리고 하부반구 파손 모드 등에 대한 연구가 필요하지만, 하부반구로 재배치된 용융물의 냉각에 관련된 현상이 규명된다면 다른 현상들은 큰 상관없 이 자연스럽게 용기의 건전성을 유지할 수 있게 된다. 따라서 우선적인 연구 항목으로 원 자로용기 하부반구에서의 용융물 냉각가능성이 제1안으로 언급되었다. 최근 유럽에서는 IVMR(In-vessel Melt retention)이라는 제목으로 용융물의 냉각가능성에 대한 실험/해석 프로젝트를 수행하고 있어, 상호 협력 및 자료 공유의 차원에서 추진할 수 있는 연구 항목 으로 판단된다.
원자로심 건전성 상실과 관련된 여러 현상들은 표에서 보듯이 노심가열(피복재 산화) 외에는 하부반구에서의 현상보다 전반적인 지식수준은 낮다. 특히 노심이 손상되고 용융되 어 재배치되면서 형성될 수 있는 용융물 풀 형성과 하부반구로의 재배치를 다루는 노심손 상 후기거동은 가장 불확실성이 높은 분야이다. 이는 MAAP-MELCOR crosswalk 보고서 에서 보듯이 대표적인 두 코드의 해석 결과가 큰 차이를 보이는 근본적인 원인이기도 하 다. 그러나 이러한 현상을 잘 알고 취할 수 있는 사고관리 조치가 사고 대응에 얼마나 효 과적인지는 결국 하부반구에서의 용융물 냉각가능성으로 결정되기 때문에 중요도 관점에서
“중”으로 평가받은 것으로 나타났다.
일차계통 경계 손상 관련해서는 고온고압에 기인한 증기발생기 세관 파손이 지식수준 에서 “중”, 중요도에서 “상”으로 평가되었다. 파손 여부에 대한 불확실성이 높을 뿐 아니 라, 증기발생기 세관이 파단되면 노심에서 방출된 핵분열생성물이 원자로건물을 우회하여 대기로 직접 방출되기 때문이다. 따라서 제2안으로 증기발생기 세관파손 관련하여 일차계 통 내부에서의 자연순환, 2차 측 열수력 조건 및 세관의 물성치, 그리고 핵분열생성물 방출 과 관련된 연구의 필요성이 언급되었다.
이외에도 사고 진행을 확인할 수 있는 척도 개발의 필요성이 제기되었다. 이는 적절한 사고관리 전략 수행을 위해 필요한 연구로, 현재 계측기를 이용하여 사고 상황을 파악하는 연구와 연관 지어 추진 여부를 검토할 필요성이 언급되었다. 또한 기존 원전의 급속감압능 력 검토도 필요한 연구 내용으로 제시되었다.
표 4.0-1 일차계통 중대사고 현안 PIRT
제5장 결 론
일차계통 방호 관점에서의 중대사고 주요 현상을 관련 전문가의 도움을 받아 PIRT 형 식으로 정리하였다. 크게 원자로용기와 그 외 일차계통 경계에서의 손상으로 구분하고, 각 각에서 세부 손상단계를 정의하여 주요 현상과 지식수준 및 중요도, 현안 및 중요성, 사고 관리방안, 규제관점에서의 중요성, 그리고 노내 손상 거동이 원자로건물과 핵분열생성물 거 동에 미치는 현상 순서로 내용을 표 4.0-1로 정리하였다. 이 표는 일차계통에서의 중대사 고 진행과정에 따른 주요 현상을 노심, 하부반구, 그리고 일차계통 경계에 따라 정리함으로 써, 일목요연하게 사고현상과 그에 관련된 여러 관점을 제공해준다.
추후 필요한 연구 항목 선정을 위해 평가 항목 중에 지식수준 및 중요도를 추가하였고, 특히 중요도는 사고대응과의 밀접한 정도를 기준으로 상, 중, 하로 구분하였다. 국내 전문 가들 사이의 논의와 투표를 통해 가장 시급한 연구 분야로 원자로용기 하부반구에서의 용 융물 냉각 가능성이 도출되었다. 이 현상은 원자로용기 하부반구의 건전성과 가장 밀접하게 연관되어 있지만 그 중요성에 비하여 지식수준이 낮기 때문이다. 이외에도 일차계통 내에서 의 고온고압 수증기로 인해 발생할 수 있는 증기발생기 세관파손이 중요하게 평가되었고, 이는 노심에서 발생된 핵분열생성물이 세관의 파손부위를 통해 이차계통을 거쳐 원자로건 물 외부로 직접 방출되기 때문이다.
본 보고서는 일차계통의 건전성 상실 관점에서 중요하게 드러나는 주요 현상을 중심으 로 작성되었다. 따라서 “중대사고 현상규명 및 대처체계 구축 로드맵 작성”이라는 제목을 만족하기 위해서는 보고서에 언급된 주요 현상에 대한 정확한 지식수준과 중요도에 대한 전문가들의 공감이 필요하며, 이를 바탕으로 국내외 연구 현황 및 협력 방안을 고려한 좀 더 구체적인 연구 내용과 수행 일정 등이 제안되고 보완되어야 한다.