A Study on the Effect of Integrated Leakage Rate Testing of Containment Vessel due to the Type A Testing Time

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(1)한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월 pp. 1 󰡈 6. 격납건물 ILRT 본시험시간이 시험에 미치는 영향에 관한 연구 김창수† ․ 문용식*. A Study on the Effect of Integrated Leakage Rate Testing of Containment Vessel due to the Type A Testing Time †. *. Chang-Soo Kim and Yong-Sig Moon. (Received 8 August 2012, Revised 5 October 2012, Accepted 11 November 2012). ABSTRACT The containment Integrated Leakage Rate Testing(ILRT) of nuclear power plants in Korea is performed in accordance with NSSC(Nuclear Safety and Security Commission) code 2012-16 and ANSI/ANS 56.8-1994. Nuclear power plants in Korea and the United States are to apply same test criteria, ANSI/ANS 56.8-1994, except type A testing time. NPPs in Korea apply 24 hours according to NSSC code 2012-16, but NPPs in United States apply 8 hours according to 10CFR50 App. J for type A test. So, there are many difficulties in order to perform ILRT in Korea. In this study, I review the impact on the ILRT results and the effect of ILRT due to type A testing time. The future, we will continue study to enhance the test reliability and improve these problems. Key Words : Integrated leakage rate testing(종합누설률시험), Type A test(본시험), Verification test(확인시험). 기호설명 1La＝The maximum allowable type A test leakage rate at Pa L1h＝1 hour leakage rate L2h＝2 hour leakage rate Lam＝Leakage rate for type A test Lo＝Superimposed leakage rate Lc＝Leakage rate for verification test. 로 구성되어 있으며, 설계기준사고시 원자로 노심으 로부터 방출될 수 있는 방사성 물질을 수용하도록 견 고하게 설계되어 있다. 격납건물에 대한 종합누설률시험(ILRT; Integrated Leakage Rate Test)은 격납건물의 누설건전성을 확인 하기 위하여 격납건물 내부를 설계기준사고시 압력 으로 가압하여 격납건물을 통한 외부로의 방사성물 질 누출이 허용치 이내임을 입증하여 공공의 안전을 도모하고 격납건물의 기밀성을 확인하는 시험으로 1). 1. 서 론 원자력발전소 격납건물은 콘크리트 차폐건물, 금 속재 라이너 플레이트 및 구조물을 통과하는 관통부 † 회원, (한국수력원자력 중앙연구원) E-mail : [email protected] TEL : (042)870-5031 FAX : (042)870-5649 * 한국수력원자력 중앙연구원. 본시험(Type A Test)이라 한다 . ILRT 시험은 수행시기에 따라 원전 건설 완료 후 초기 핵연료장전 이전에 실시하는 가동전시험과 원 전 가동중에 일정한 주기로 실시하는 가동중시험으 로 구분한다. 가동전시험의 경우는 시간과 비용을 줄 이기 위하여 원전의 설계수명 중 가동전에 한번 실시 하는 격납건물 구조물건전성 시험과 병행한다. 국내원전 ILRT시험은 원자력안전위원회 고시 201216호와 ANSI/ANS 56.8-1994 요건에 따라 수행하며,.

(2) 2. 김창수 ․ 문용식. 본시험 적용시간은 원안위고시를 근거로 24시간 적 용하고 있다. 하지만, 미국원전은 미연방법 10CFR50 App. J에 따라 Option A 또는 B를 선택적으로 적용 할 수 있다. Option A는 ANSI/ANS 56.8-1987 및 본 시험 24시간 요건을 적용하고, Option B는 ANSI/ANS 56.8-1994 및 본시험 8시간(가동전 시험은 24시간) 요 건을 적용토록 요구하고 있다. 이에 따라 대부분의 미 국원전이 성능기반 ILRT 프로그램인 Option B를 적 용하여 ILRT 시험을 수행하고 있다. Fig. 1은 격납건물 ILRT 시험구성도로서 가압장치, 압력 ․ 습도 ․ 온도 계측기, 데이터 수집장치 및 분석 장치를 보여주고 있다. Table 1은 ILRT시험에 사용되는 가압설비, 공기건. 조기 및 계측장비의 소요수량을 보여주고 있다. OPR1000형 원전을 기준으로 무급유식공기압축기는 1,600 cfm 용량 6대, 10,000cfm 용량의 공기건조기 1대, 절 대압력계 2대, 건구온도계 24대, 이슬점온도계 6대, 2) 유량계 1대가 필요하다 . Table 2는 ANSI/ANS 56.8의 1987년판과 1994년판 의 주요 항목을 비교한 것이다. 1994년판은 1987년판 에 비하여 곡률조건 및 데이터 산포도 제한조건을 반 영한 본시험 종결조건이 추가되었고, 본시험의 데이 터 수량을 증가시켰다. 또한, 확인시험에서는 데이터 취득수량을 증가시키고 최종 1시간 또는 4개의 데이 터가 허용기준 이내여야 합격기준을 충족하도록 시 험요건을 강화시켰다.. 2. 격납건물 ILRT 시험방법 2.1 대기 안정(Atmosphere Stabilization) 시험압력으로 가압이 완료된 후 본시험을 시작하기 이전에 격납건물 내부의 공기질량이 안정 되었다는 것이 입증되어야 한다. 격납건물 내부의 대기 안정은 최소 4시간 이상을 5분 간격으로 데이터를 수집하여 야 한다. 식 (1)은 대기안정화 단계의 합격기준으로 L1h와 L2h 차이값의 절대치가 0.25La이내이고, L1h 가 0보다 크고 1La 보다 작아야 한다. |L1h－L2h|＜0.25La&0＜L1h＜1La Fig. 1 Test equipment configuration for ILRT. (1). Equipment name. Quantity. Remarks. Oil free compressor. 6. 1,600 cfm. Air dryer. 1. 10,000 cfm. 여기서, L1h는 최근 1시간 질량데이터를 사용하여 최소자승 기울기와 절편으로부터 도출한 누설률 추 정치이고, L2h는 최근 2시간 질량데이터를 사용하여 최소자승 기울기와 절편으로부터 도출한 누설률 추 정치이다.. Mass flow type sonic nozzle. 2.2 누설률 측정 격납건물 ILRT 시험은 격납건물 내부공기를 이상 기체로 가정한 후 온도, 압력 및 수증기압을 측정하여. Table 1 Test equipment and instrumentation for ILRT. Pressure gauge. 2. Dry-bulb temperature. 24. Dew point temperature. 6. Flow meter. 1. Table 2 Comparison of 1987 and 1994 edition for ANSI/ANS 56.8 Items. 1987 edition. Type A Termination limit test Data · Min. 20 sets Verification test. N/A. · Min. 10 sets · Last data(1) should be within the acceptance criteria. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3. 1994 edition · Curvature & data scatter limit · Min. 30 sets · Min. 15 sets · Last hour data(4) should be within the acceptance criteria.

(3) 격납건물 ILRT 본시험시간이 시험에 미치는 영향에 관한 연구. 누설률을 계산한다. 적용되는 시험방법으로는 절대법 과 기준용기법이 있으나, 일반적으로 절대법을 적용 하며, 누설률은 ANSI/ANS 56.8-1994의 질량점 분석 기술(mass point analysis)을 이용하여 계산한다. 질량점 분석기술은 이상기체법칙을 이용하여 각 시 점에서의 격납건물 내부 건공기질량을 계산하는데 사 용하며, 공기질량의 변화율은 공기질량점에 대한 회 귀분석(최소자승 적합도)을 사용하여 계산한다. 공기 질량 변화율은 회귀선의 기울기를 절편으로 나누고 “-2400”을 곱하여 누설률을 1일당 백분율(%/24 hours) 단위로 변환한다. 누설률의 UCL (Upper Confidence Limit) 값은 회귀이론에 근거하여 계산하며 실제 격납 건물 누설률이 보고된 UCL 값을 초과할 가능성을 5% 로 설정한 경우의 상한값이다. 각 시점( ti )에서, 격납건물 내부의 총 건공기질량 ( W i )은 식 (2)에 따라 이상기체법칙을 적용하여 계 산한다. V  P i  P vi   Wi      R  Ti  k. . . (2). P vj V fj.    P vi  Ti    , Tj  j      . . 여기서, M은 온도센서의 갯수, V fj 는 j번째 센서의 체적분율, Tj 는 i번째 측정시점에서 j번째 센서의 절 대온도, P vj 는 i번째 측정시점에서 j번째 센서가 나타 내는 부분 절대 수증기압, k는 수증기압 측정용 센서 의 수량이다. 데이터 포인트에 대한 선형 최소자승적합도는 다음 식 (3)에 의해 구한다.  W i  Ati  B. (3). 1일당 백분율(%/day) 단위의 누설률 추정값은 회 귀선의 기울기와 절편을 이용하여 계산하며 식(4)와 같다.. 3. 95% UCL은 실제 격납건물 누설률이 보고된 UCL 값을 초과할 가능성을 5%로 설정한 경우의 상한값으 로 다음의 근사식 (5)가 사용된다. (5). UCL  L am  t SAB . 여기서, SA 는 최소자승식의 기울기에 대한 표준편 3). 차 추정값이고, t 는 95% 임계값이다 .. 2.3 본시험 합격기준 본시험은 대기안정화 요건을 만족한 후 시험데이터 가 충분히 신뢰성이 있다고 판단되면 시작한다. 본시 험 시작을 선언하여 본시험 시점이 정해진 이후에는 그 시점을 변경할 수 없으므로 신중하게 본시험을 시 작하여야 한다. 본시험 데이터는 15분 간격으로 수집하여야 하며, 합격기준은 95% UCL값, 보수후 기준 LLRT Penalty 값 및 누설교정값을 합한 누설률이 0.75La 이내여야 한다. 여기에서, 보수후 기준 LLRT penalty값은 시험 대상에 대해 보수가 수행된 후 보수 이전보다 감소된 누설률을 의미한다. 2.4 확인시험 확인시험은 본시험에 사용된 측정설비의 정확성을 증명하기 위하여 본시험 종료 후에 실시한다. 격납건 물이 원래 갖고 있는 누설량에 일정량의 임의누설량 을 인위적으로 부과한 후 확인시험 누설률을 측정하 며, 이를 위하여 일정한 누설 값을 갖는 정밀한 오리 피스형 유량계를 이용한다. 따라서, 확인시험시 측정누설률은 격납건물이 본래 갖고 있는 누설률과 확인시험에서 부여한 임의 누설 률이 더해진 값이 된다. 합격기준은 식 (6)과 같이 마 지막 1시간의 확인시험 측정누설률(Lc)이 임의누설률 (Lo)과 본시험 측정누설률(Lam)을 합한 값의 ±0.25La 이내여야 한다. (L0＋Lam－0.25La) ≤ Lc ≤ (L0＋Lam＋0.25La). (6). (4). 여기서, Lo는 확인시험을 위하여 임의로 부여한 누 설률로서 일반적으로 1 La에 해당하는 누설률을 부여 하며, Lam은 본시험에서 측정한 누설률이다. 이때, Lc. 여기서, A는 최소 자승식의 기울기(lbm/h)이고, B는 최소 자승식의 절편(lbm)이다.. 값은 현재 격납건물의 누설률과 임의누설률로 계산되 지만, 상 ․ 하한값의 허용범위에는 본시험 측정누설률 (Lam)과 임의누설률로 계산되므로, 현재 격납건물의. L am   AB. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월.

(4) 4. 김창수 ․ 문용식. 누설률과 본시험 측정누설률 값의 차이가 작을수록 Lc값이 합격기준 허용범위의 중간에 위치하게 된다. 본시험 측정누설률은 시험기간 동안의 누설률을 평 균하여 계산하며, 시험초기에는 대기 불안정 등으로 인해 누설률이 크게 나타나지만 시간이 경과할수록 누설률이 작아지게 된다. 따라서 본시험 적용시간이 길어질수록 누설률은 작아지게 된다. 이때, 동일한 시 점에 본시험을 착수하였다고 가정하면, 본시험 24시 간을 적용하는 경우가 8시간 적용하는 경우보다 본시 험 측정누설률은 작게 되나, 확인시험시 격납건물의 측정누설률과 본시험 측정누설률의 차이는 더 커지게. Table 3 Comparison of testing time of ILRT in Korea and USA (unit : hours) Test Phase. Time Korea. USA. Stabilization (Min. required time). 12(4). 12(4). Type A test (Min. required time). 29(24). 9(8). Verification test (Min. required time). 16(4). 5(4). Total. 57. 26. 되는 경향이 있다. 따라서, 본시험 적용시간이 24시간 인 경우가 8시간인 경우보다 확인시험의 합격기준을 만족시키기가 어렵게 되는 경향이 있다.. 3. 국내원전 ILRT 수행현황 국내원전의 ILRT 본시험은 후속단계인 확인시험 요건을 충족시키기 위하여 본시험 최소 요구시간인 24시간을 초과하여 수행되는 것으로 확인되었다. 이 것은 본시험의 합격기준에 만족한 후에도 후속단계 인 확인시험을 용이하게 수행하기 위하여 본시험을 추가로 수행하기 때문인 것으로 확인되었다. 본시험 적용시간이 증가할수록 실제누설로 인한 영 향이 아닌 낮의 효과(diurnal effect) 및 격납건물 온도 효과(temp. effect) 등의 물리적 현상이 시험데이터에 4) 영향을 미치고 있기 때문인 것으로 알려져 있다 . 확인시험이 지연되는 경우는 대부분 확인시험 합격 기준에 불만족하여 시험시간을 연장하여 수행하고 있기 때문이다. 이러한 사례는 격납건물의 허용누설 률이 0.1wt%/day인 원전에서 주로 발생하고 있으며, 0.2wt%/day 이상인 원전은 확인시험에서 지연되는 사 례가 거의 발생하지 않고 있다. 격납건물 허용누설률이 확인시험에 영향을 미치는 원인은 확인시험 합격기준의 허용범위가 허용누설률 의 ±0.25배 이므로 허용누설률이 클수록 확인시험 합 격기준의 허용범위도 증가하기 때문이다. Table 3은 ILRT 시험단계별로 국내원전과 미국원 전에서 소요되는 시간을 분석한 것이다. 국내원전의 경우 본시험 24시간 적용요건으로 인하여 본시험과 확인시험에 시간이 많이 소요되고 있으며, 대다수의 원전에서 확인시험이 지연되는 것으로 파악되었다.. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3. Fig. 2 Leakage rate trend for containment atmosphere stabilization. 3.1 대기 안정(Atmosphere Stabilization) 국내원전과 미국원전에 적용하는 대기안정화 요건 은 동일하므로 대기안정에 소요되는 시간은 비슷한 것으로 확인되었으며, 가압완료 후 5~6시간 이내에 대기안정 요건을 만족하고 있다. 하지만, 본시험 데이 터를 양호하게 얻기 위하여 추가적인 대기안정 시간 을 갖고 있으며 평균 12시간 동안 수행하고 있다. Fig. 2는 국내원전에서 수행한 대기안정화 단계의 측정누설률 변화추이를 보여주고 있다. 가압완료 후 대기안정화 단계를 시작하여 5시간 30분만에 요건을 만족하였으나, 대기를 추가적으로 안정시키기 위하여 총 8시간 동안 수행되었다. 3.2 본시험(Type A Test) 대부분의 국내원전이 본시험 최소 요구시간인 24 시간에 허용기준을 만족하고 있으나, 후속단계인 확 인시험을 용이하게 수행하기 위하여 본시험을 연장 하여 수행하고 있다. 이것은 본시험 시간을 8시간 적 용하는 원전에 비하여 확인시험의 합격기준을 충족.

(5) 격납건물 ILRT 본시험시간이 시험에 미치는 영향에 관한 연구. Fig. 3 Leakage rate trend for type A test. Fig. 4 Leakage rate trend for verification test. 하기 어렵기 때문이다. Fig. 3은 ILRT 본시험단계에서 측정한 누설률의 추 이를 나타내는 것이다. 본시험에서 초기에 계산되는 누설률은 실제 격납건물 누설률보다 크게 나타나며 시간이 경과할수록 누설률이 감소하여 안정화되는 추 이를 보인다. 여기에서 본시험은 시험시작 이후 24시 간이 소요되었다. 95% UCL 누설률은 0.591La로서 원 안위고시 요건인 0.75La 이내로 만족하였다.. 3.3 확인시험(Verification Test) 국내원전의 확인시험은 본시험 24시간 및 ANSI/ANS 56.8-1994 요건의 혼용으로 인하여 합격기준을 만족 시키기가 어려워 평균 16시간이 소요되고 있다. 특히, 격납건물의 허용누설률이 0.1wt%/day인 원전에서 확 인시험 지연사례가 자주 발생하고 있다. Fig. 4는 확인시험 단계에서 측정한 누설률 변화추 이를 보여주고 있다. 확인시험은 4시간이 소요되었으 며, 마지막 1시간의 확인시험 측정누설률이 허용범위 이내로 합격기준을 만족하였다.. 5. 4.1 본시험의 물리적 원인 본시험에서 실제 격납건물에 누설이 발생한 것은 아니지만, 낮의 효과(diurnal effect) 또는 격납건물 온 도효과(temp. effect) 등의 물리적 현상이 측정누설률 에 많은 영향을 미칠 수 있다. 낮의 효과 또는 격납건 물 온도효과로 인하여 실제 격납건물에 누설이 없지 만 누설이 있는 것처럼 나타날 수 있다. 이러한 경우 는 본시험 적용시간이 큰 경우에 발생할 수 있으며, 격납건물의 실제 누설률과 측정누설률 간의 차이가 크게 발생하여, 확인시험에 부정적인 영향을 미친다. 4.2 본시험 적용시간 Fig. 5 (a)는 본시험을 24시간 적용한 경우로서,확 인시험시 임의누설률은 0.1wt%/day, 본시험 24시간 측정누설률(Lam)은 0.069wt%/day를 적용한 것이다. 이 경우에 확인시험 측정누설률(Lc)이 허용범위의 하한 치에 근접하게 되어 합격기준을 충족하기 어려워진 다. Fig. 5 (b)는 본시험을 8시간 적용한 경우로서, 확 인시험시 임의누설률은 0.1wt%/day, 본시험 8시간 측 정누설률(Lam)은 0.044wt%/day를 적용하여 확인시험 측정누설률이 허용범위의 중간에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 동일한 시험조건에서 본시험시간을 8시 간 적용한 경우가 본시험을 24시간 적용하는 경우보 다 확인시험 측정누설률이 허용범위의 중간에 위치 하여 확인시험이 안정적으로 수행되는 것을 알 수 있. (a) When applied 24 hours Leakage Rate. 4. ILRT 시험에 영향을 미치는 인자 ILRT시험에 영향을 미치는 인자는 다양하다. 가압 공기의 품질, 본시험 중에 발생하는 물리적인 원인, 본시험 적용시간, 허용누설률 등이 ILRT 시험에 영향 을 미치는 주요인자로 고려할 수 있다.. (b) When applied 8 hours Leakage Rate Fig. 5 Comparison of the influence on the verification test due to changes in testing time of type A test. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월.

(6) 6. 김창수 ․ 문용식. 다. 따라서, 본시험 적용시간이 길어질수록 확인시험 의 합격기준을 충족시키기 어렵게 되는 경향이 있다.. 4.3 격납건물 허용누설률 격납건물의 허용누설률은 0.1wt%/day인 경우가 허 용누설률이 0.2wt%/day인 것과 비교하여 본시험 및 확인시험 합격기준의 범위가 작아지게 되어 합격기 준을 만족시키기 어렵게 된다. 본시험의 허용누설률 은 0.75La이므로 허용누설률이 클수록 합격기준도 커 지게 되며, 확인시험에서는 합격범위가 허용누설률의 ±0.25La 이내이므로 허용 누설률이 커지면 합격범위 도 비례적으로 커지게 된다. 따라서, 격납건물의 누설 률 허용치가 클수록 본시험과 확인시험의 합격기준 을 만족시키기 쉽게 된다.. 5. 결 론 본 논문은 격납건물 ILRT시험에 영향을 미치는 인 자를 검토하였으며, 특히 국내원전에서 확인시험이 자주 지연되는 원인을 규명하기 위하여 본시험 적용 시간이 시험에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 그 주요 내용은 다음과 같다. 1) 본시험 적용시간이 클수록, 확인시험 시 격납건 물의 실제 누설률과 본시험 측정누설률 간의 차이는 크게 되어 확인시험 합격기준을 만족시키기 어려워 진다.. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3. 2) 국내원전 ILRT 확인시험이 지연되는 경우는 대 부분이 본시험 24시간 요건과 ANSI/ANS 56.8-1994의 요건을 혼용하여 발생하고 있다. 3) 격납건물의 허용누설률이 커질수록 본시험 및 확인시험의 허용기준이 비례적으로 증가하여 합격기 준을 용이하게 만족하고 있다.. 후 기 본 연구는 한국수력원자력 중앙연구원에서 수행하 고 있는 “격납건물 ILRT 프로세스 개선” 연구과제의 일환으로 수행 중인 연구과제로서, 격납건물 ILRT 시 험의 신뢰도를 제고하기 위한 기술을 개발하고 있습 니다.. 참고문헌 1. KHNP, 2007.02, “Containment Vessel Integrated Leakage Rate Testing(Ⅱ)”, pp.4-5 2. KHNP, “Test Procedure of Integrated Leakage Rate Testing of Containment Vessel” 3. American Nuclear Society, ANSI/ANS56.8-1994 “Containment System Leakage Testing Requirements” 4. James Glover, 1999, “ILRT Measurement Concerns, Test Termination and Test Restart Criterion”.

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