[논문]기술현황분석 - 원전 격납건물 Containment Liner Plate 공법

박지홍; 김우성

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박지홍 (재료연구소 산업기술지원본부 원자력공인검사단) , 김우성 (재료연구소 산업기술지원본부 원자력공인검사단)

원자력발전소의 구조건전성 및 안전성을 확보하는데 있어서 격납건물의 중요한 목적은 방사성물질의 유출을 방지하는 최후의 보루 역할을 한다는 것이다. 또한 원전의 격납건물 선설에 있어서 고려해야 될 가장 중요한 인자는 안전성과 경제성이다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 최근 국내에서 첨단 CLP(Containment Liner Plate) 공법이 개발되어 신월성 원전 2호기에 적용되었다. 이 공법은 기존의 CLP 2단 모듈화 공법에서 한 단계 발전한 CLP 3단 모듈화 공법으로 건설기간 단축, 비용 절감 및 구조건전성을 확보하는 계기가 되었다. 그리고 이러한 공법을 바탕으로 국내건설 뿐만 아니라 원전 수출에 커다란 기여를 하게 되었다. 이 글에서는 국내 원자력발전소 CLP 설치에 있어서, 기존의 방법과 새로운 공법에 대한 비교/분석, 공정, 장/단점 등을 연구, 조사해 보았다.

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문제 정의

또한원전의 격납건물 건설에 있어서 고려해야 될 가장 중요한 인자는 안전성과 경제성이다. 이러한 목표를 달성하기 위해 최근에 신월성 원전 2호기 현장에서 성공적으로 시행된 첨단 CLP 3단모듈화 공법에 대하여 소개하였다. 이러한 CLP 3단 모듈인양 공법은 새롭게 건설되는 원전에는 모두 적용할 예정이어서 건설기간 단축, 비용 절감 및 구조건전성을 확보하는데 커다란 기여를 할 것으로 전망된다.

제안 방법

3개의 plate ring을 인양하기 위해서는 우선적으로 인양장비 개선이 해결되어야 하였다. 3단 모듈로 구성된 plate ring의 최대 인양중량과 인양장비 등의 능력 이 검토, 분석되었다. 3-4-5단을 3단 모듈로 구성하였을 경우 총 중량이 196 ton으로 계산되 었고 작업반경은 52m가 필요한 것으로 분석되었다.
이를 CLP 3단 모듈 인양에 적용할 경우, 러그(lug) 부착부에서 응력 값이 자재의 항복강도를 초과하는 부분이 발생되고, 러그 부착부 변형이 편심하중으로 작용하여 CLP의 변형이 발생하게 된다. 따라서 CLP 3단 모듈 인양에 적합한 인양 와이어 및 러그의 개선과 CLP 인양 시 수평을 유지하기 위한 Multi Device 적용이 필요하였다. 이는 와이어 (wire) 간의 간섭을 최소화하기 위해 반드시 해결되어야 하는 사항이었다.

이론/모형

인양러그수량 및 인양각(lifting angle) 등의 설계 변경은 CLP 변형을 방지하는 중요한 변수(parameter) 였다. 또한 기존의 2 단 모듈 인양용 와이 어 (Hfting wire)의 가닥수와 길이는 3단 모듈 인양 공법에서 재구성되 었고, 집중하중 분산을 위해 Multi Device가 적용되었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 신월성원전 2호기에 CLP 3단 모듈화 인양 기법은 성공적으로 수행될 수 있었다.

성능/효과

또한 이로 인하여 용접품질이 향상되어 원자력발전소의 구조건전성을 높이는 계기가 되었다. 기존의 공법과 대비하여 실제, 고소 용접량은 54%의 감소 효과를 얻게 되었다. 경제적 비용으로는 건설기간 단축 등으로 인해 1호기 당 약 $10, 000, 0。。의 비용절감을 얻게 된 것으로 관련업계는 분석하고 있다.
또한 기존의 2단 모듈 공법 설치에는 CLP 5, 6단 인양 완료 후 작업 발판을 해체하여야만 수직철근을 시공할 수 있는데 반해, CLP 3단 모듈 설치 후에는 작업발판 해체 없이 수직철근을 시공할 수 있다. 따라서 기존의 CLP 2단모듈공법에 비해, 원자로 격납건물외벽 콘크리트타설 대비 CLP 3단 모듈공법은 외벽 콘크리트 타설 기간을 24일 단축시킬 수 있다. 그리고 CLP 인양 횟수를 상당히 줄여, 전체 CLP 건설 기간을 충분히 단축시키고 있다.
따라서 CLP의 각 부분에 접합되는 수많은 Plate 및 Sleeve 등과 같은 기기에 대한 편심하중, 응력 및 변형과 같은 기계적인 역학구도가 면밀히 연구되었다. 또한 안전한 설치를 위한 새로운 설치 장비의 개발이 필요하였고, 컴퓨터 시뮬레이션으로 CLP 인양 시 기후조건과 인양 속도 및 설치순서 등이 최적화되었다. 이러한 과정을 통해 인양러그(lifting lug) 접합부에 응력이 집중되는 현상을 방지하게 되었다.
이를 위해 인양러그(lifting lug)의 형상을 r자형으로 변경할 필요가 있었다. 러그(lug)의 중심을 이동시켜 기존 러그 (lug)-e] 편심에 의한부가모멘트를 해소시켰고, 러그(lug)의 구멍 직경 (hole diameter)을 조정하고 연단거리를 늘여서 Shackle의 핀에 의한 지압 및 전단 저항능력이 향상되었다. 또한 러그(lug)의 두께를 20mm로 조정하여 러그 (lug)의 하부 접합 포인트를늘려 응력의 국부 집중 현상이 방지되었다.
또한 기존의 2 단 모듈 인양용 와이 어 (Hfting wire)의 가닥수와 길이는 3단 모듈 인양 공법에서 재구성되 었고, 집중하중 분산을 위해 Multi Device가 적용되었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 신월성원전 2호기에 CLP 3단 모듈화 인양 기법은 성공적으로 수행될 수 있었다. 특히 3장에서는 새로운 공법의 중요한 인자인 3단 모듈 CLP 설치방법, 인양능력, 변형방지를 위한 설계 등을 살펴보기로 한다.
인양용 와이어 (lifting wire)의 개선된 수량및 러그의 형상에 대한 항복강도 대비 적용 응력값에 대한 결과는 표 3에 요약되어 있다. 표 3에 의하면 CLP 6, 7, 8단을 모듈화 할 경우에는 발생하는 하중의 응력비가 Q87로 나타나 기존의 방법을 적용하더라도 만족함을 알 수 있었으나 (lifting wire) 모델 해석 ⑸ CLP 3, 4, 5단의 경우는 CLP에서 가장큰 하중을 나타나는 것으로 조사되었으며, 이때 발생하는 하중의 응력비가 1 을 초과하는 값으로 나타나 기존의 방법에 대하여 개선이 필요함을 알 수 있었다. 따라서 이를 만족시키기 위해 인양 각을 62.

후속연구

이러한 CLP 3단 모듈인양 공법은 새롭게 건설되는 원전에는 모두 적용할 예정이어서 건설기간 단축, 비용 절감 및 구조건전성을 확보하는데 커다란 기여를 할 것으로 전망된다. 이를 바탕으로 4단 이상의 모듈화 공법이 연구 개발되고 있으며, 이러한 개발이 원전 수출확대 및 국내 원전건설에 커다란도움이 될 것으로 기대된다.

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