[논문]가압중수로 증기발생기의 경년열화 관리를 위한 안전성 평가 시스템 개발

신소은; 이정훈; 박동규; 정종엽

doi:10.14248/jkosse.2014.10.1.049

가압중수로 증기발생기의 경년열화 관리를 위한 안전성 평가 시스템 개발
Development of a Safety Assessment System on Aging Management in Existing CANDU Steam Generators 원문보기

시스템엔지니어링학술지 = Journal of the Korean Society of Systems Engineering, v.10 no.1, 2014년, pp.49 - 56

신소은 ((주)미래와도전) , 이정훈 ((주)미래와도전) , 박동규 ((주)미래와도전) , 정종엽 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Since steam generator (SG) tubes are located in the boundary between the primary and secondary systems of nuclear power plant (NPP), the SG is one of the most important components in the aspects of the safety of NPP. The magnetite ($Fe_30_4$) deposition, so-called fouling, is generally known as a major aging mechanism of CANDU SGs, and this aging mechanism makes the heat transfer efficiency between the primary and secondary systems of NPP reduced. Therefore, the development of SG safety assessment system which can evaluate the effect of the SG aging degradation mechanism should be needed for safety of NPP. In this study, through the suggestion of the guideline for SG safety assessment, it is possible to strengthen the basic of establishing the effective SG aging management technique. The SG safety assessment is carried out by CATHENA(Canadian Algorithm for THErmalhydraulic Network Analysis). It is possible to determine the integrity of SGs by identifying the main safety parameters which can be changed by the aging degradation of CANDU SGs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 월성1호기를 기준으로 하여 가압 중수로 증기발생기 전열관의 파울링 계수 등 노후 인자를 예측하고 그에 따른 안전성을 평가할 수 있는 체계를 수립하였다. 본 논문을 통해 제시된 증기발생기 안전성 평가 시스템에서는 노후 인자에 대한 예측을 기존 문헌을 바탕으로 수행하였으나, 향후 노후화 원인이 되는 인자와의 상관성을 좀더 명확히 규명하여 예측 방법을 보완·개선한다면 동 시스템이 효율적인 경년열화 완화 및 증기발생기 관리 기술 개발을 도출하는데 기여할 것으로 예상된다.
그러나 전술한 바대로 증기발생기의 경우 교체된 바 없고 2003년 세정한 것이 전부이기 때문에, 세정 이후 노후화가 진행된 현 증기발생기의 안전성 및 향후 더 노후화될 증기발생기의 안전성을 예측하고 평가할 필요성이 있다. 이에 본 연구에서는 월성1호기 증기발생기 사례를 바탕으로 가압중수로 노후 증기발생기 안전성 평가 시스템을 개발하고 이를 통해 증기 발생기 세정 또는 교체시기 예측 등 효율적인 가압 중수로 증기발생기 수명 관리 방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

2.4 가압중수로 안전해석 코드를 이용한 증기발생기 안전성 검증

증기발생기 노후화가 노심 안전성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 캐나다 가압중수로 안전해석코드인 CATHENA를 이용하여 안전해석을 수행한다. 노후노심에 대한 CATHENA 계산시, 노후화가 진행되기 전인 초기노심 대비 변경되는 증기발생기 입력부분은 주로 증기발생기의 저온관부 영역이다.

이론/모형

노후화 된 증기발생기에 따른 원전의 안전성 평가를 위해서는 가압중수로 안전해석코드인 CATHENA(Canadian Algorithm for THErmal hydraulic Network Analysis)를 수행하게 되는데, 위에서 예측한 증기발생기 노후화 정도를 판단하는 주요 인자들을 활용하여 입력 자료를 구성한다.

성능/효과

증기발생기 노후화를 판단할 수 있는 인자들 중 하나인 전열관 내경은 경년열화가 진행될수록 마그네타이트 침적에 의해 줄어들 것이며, 이는 마그네타이트의 발생원인인 피더관의 두께 감소와 직접적인 연관이 있을 것이다. 2.1절에서 언급했듯이 월성1호기의 피더관 두께는 약 10년 동안 시간에 따라 선형적으로 감소하였으므로 증기발생기 전열관 내경 또한 선형적으로 감소한다고 볼 수 있다. 다만, 마그네타이트 용해도와 관련된 온도 및 산성도 등의 인자들이 피더관에서의 마그네타이트 용해와 증기발생기 전열관에서의 마그네타이트 침적에 영향을 주기 때문에(Han-sub Chung, 2010), 이들 인자를 고려하여 전열관 내경 예측을 보완할 수 있다.
2.2절에서는 선행 연구 결과를 바탕으로, 피더관 감육이 증기발생기 파울링의 직접적인 원인이며, 그 두께가 EFPY에 따라 선형적으로 감소하였음을 확인하였다. 따라서, 증기발생기 노후화 인자들 또한 EFPY에 따라 선형적으로 변화할 가능성이 있다.
CATHENA 계산 결과 원자로입구모관온도가 사전에 설정한 원자로입구모관온도값이 되면 계산이 완료된 것으로, 계산 결과에서 유량 및 출력 변수 등의 변수들을 점검하여 안전성을 판단하게 된다. 시간경과에 따라 증기발생기 노후화에 대한 안전해석을 수행하기 위해서는 앞서 2.
전술한대로 열전달계수는 파울링 계수의 역수이므로 이는 파울링 계수를 반영하는 값으로도 이해할 수 있다. 결론적으로, 교정인자는 열전달능력에 대한 통합적인 변수로 작용하여 원자로입구모관온도값을 보정하도록 한다.
본 연구에서 제시하는 노후 증기발생기 안전성 평가 시스템을 통해 증기발생기 노후화를 예측하고 안전성을 미리 평가한다면, 적절한 검사 주기를 설정하고 개선 조치 수행 시점을 예측 할 수 있어 효율적으로 노후 증기발생기를 관리할 수 있다. 그림 4는 앞서 기술한 모든 내용을 함축하는 증기발생기 안전성 평가 수행 절차로서, 그림 3의 증기발생기 안전성 검사 및 평가를 보완할 수 있어 SGMP 수행의 효율성을 제고할 수 있다.
안전해석코드의 계산 결과에서 유량 및 출력 변수 등 증기발생기의 열성능과 관련된 변수를 점검하여 안전성을 확인할 수 있다. 이를 통해 증기발생기 노후화에 따른 적절한 관리를 수행 할 수 있다.
파울링 계수 뿐 아니라 이들 노후화 인자의 영향으로 변할 수 있는 원자로입구모관온도 또한 약 20년간의 장기간 추이를 분석한 결과, EFPY에 따라 일정하게 상승하는 추세를 보였다. 즉, EFPY에 따라 파울링 계수 및 원자로입구모관온도가 각각 일정하게 증가하므로, 원자로입구모관온도 증가율과 파울링 계수와의 관계식을 일차방정식으로 나타낼 수 있다. PSR보고서 (2003)에서 제시한 원자로입구모관온도 증가율과 전열관 파울링 계수와의 관계식은 다음과 같다.
파울링 속도는 이 파울링 계수를 EFPY로 나눈 값이다. 즉, 파울링 계수가 커질수록 열전달 효율이 낮아진다고 볼 수 있으며, 표 1을 통해 월성1호기의 경우, 파울링 속도가 일정하므로 EFPY가 증가할수록 파울링 계수가 일정하게 증가한다는 것을 확인 할 수 있다.
파울링 계수 뿐 아니라 이들 노후화 인자의 영향으로 변할 수 있는 원자로입구모관온도 또한 약 20년간의 장기간 추이를 분석한 결과, EFPY에 따라 일정하게 상승하는 추세를 보였다. 즉, EFPY에 따라 파울링 계수 및 원자로입구모관온도가 각각 일정하게 증가하므로, 원자로입구모관온도 증가율과 파울링 계수와의 관계식을 일차방정식으로 나타낼 수 있다.

후속연구

가압중수로 증기발생기 전열관이 노후화 되는 주요 원인을 규명하는 것은 향후 증기발생기 전열관의 노후화 특성 예측의 신뢰성을 제고하고 노후화 방지 방안을 수립하기 위해 반드시 필요하다.
가압중수로 증기발생기의 노후화가 지속되면 원자로입구모관온도를 상승시키고 출력을 저하시키는 결과를 초래하므로 증기발생기 및 원전의 성능과 관련된 운전변수를 확인하여 증기발생기 노후화 정도에 따른 이들 변수의 변화를 규명해야 한다. 동 관계가 규명되면, 원전 운전이력에 따라 증기발생기의 노후화 정도를 판단할 수 있는 주요 인자들에 대한 변화를 역으로도 예측 가능할 것이다.
원전의 주요 부품에 대한 교체 및 설비개선은 경제성 및 안전성을 동시에 고려하여 수행되게 되는데, 월성1호기의 경우에는 2009년 압력관 및 피더관 교체가 수행된 바가 있다. 그러나 전술한 바대로 증기발생기의 경우 교체된 바 없고 2003년 세정한 것이 전부이기 때문에, 세정 이후 노후화가 진행된 현 증기발생기의 안전성 및 향후 더 노후화될 증기발생기의 안전성을 예측하고 평가할 필요성이 있다. 이에 본 연구에서는 월성1호기 증기발생기 사례를 바탕으로 가압중수로 노후 증기발생기 안전성 평가 시스템을 개발하고 이를 통해 증기 발생기 세정 또는 교체시기 예측 등 효율적인 가압 중수로 증기발생기 수명 관리 방안을 제시하고자 한다.
가압중수로 증기발생기의 노후화가 지속되면 원자로입구모관온도를 상승시키고 출력을 저하시키는 결과를 초래하므로 증기발생기 및 원전의 성능과 관련된 운전변수를 확인하여 증기발생기 노후화 정도에 따른 이들 변수의 변화를 규명해야 한다. 동 관계가 규명되면, 원전 운전이력에 따라 증기발생기의 노후화 정도를 판단할 수 있는 주요 인자들에 대한 변화를 역으로도 예측 가능할 것이다. 즉, 노후화 된 증기발생기가 원전의 안전성에 어떠한 영향을 미치는지 평가하여 안전성 측면에서 증기발생기 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
본 논문을 통해 제시된 증기발생기 안전성 평가 시스템에서는 노후 인자에 대한 예측을 기존 문헌을 바탕으로 수행하였으나, 향후 노후화 원인이 되는 인자와의 상관성을 좀더 명확히 규명하여 예측 방법을 보완·개선한다면 동 시스템이 효율적인 경년열화 완화 및 증기발생기 관리 기술 개발을 도출하는데 기여할 것으로 예상된다. 또한, 장기적인 측면에서 경년열화를 방지하기 위한 사전 유지보수에 소요되는 비용은 심각한 경년열화 발생에 따른 증기발생기 복원에 소요되는 비용에 비해 상당히 낮을 것이므로 열화 현상 및 추이를 파악하여 효율적으로 검사 및 정비계획을 수립한다면 경제적인 효과를 기대할 수도 있을 것이다.
만약 운전년수에 따른 증기발생기 전열관의 파울링 정도를 예측할 수 있다면, 증기발생기 전열관 검사 범위 및 빈도, 세정 주기를 적절하게 설정하여 비용 및 안전성 측면에서 효율적으로 증기발생기를 관리할 수 있을 것이다. 즉, 그림 4의 중수로 노후 증기발생기 안전성 평가 가이드라인에 따라 증기발생기 파울링 정도를 판단할 수 있는 지표인 파울링 계수와 전열관 내경 및 조도를 시간경과에 따라 예측하고, 이를 주기적인 전열관 검사를 통해 나온 실측값과 운전조건에 따른 변화 양상을 가지고 지속적으로 보완해 나간다면, 안전해석코드를 통해 시간에 따른 건전성을 평가할 수 있어 증기발생기 노후화에 시기적절하게 대응할 수 있다.
본 논문을 통해 제시된 증기발생기 안전성 평가 시스템에서는 노후 인자에 대한 예측을 기존 문헌을 바탕으로 수행하였으나, 향후 노후화 원인이 되는 인자와의 상관성을 좀더 명확히 규명하여 예측 방법을 보완·개선한다면 동 시스템이 효율적인 경년열화 완화 및 증기발생기 관리 기술 개발을 도출하는데 기여할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CATHENA를 통한 증기발생기 안전성 평가시스템을 활용하기 위한 조건은 무엇인가?	∙ CATHENA 입력에서 노후화에 따라 변화하는 증기발생기 입력변수를 정확하게 예측하여야 함 ∙ CATHENA 코드 내에서 가압중수로 증기발생기의 노후화를 판단하는 지표는 마그네타이트 침적으로 인한 전열관 내경 감소이므로, 설비개선으로 전열관 내부가 세정된 증기발생기는 노후화가 진행되지 않은 증기발생기로 판단함 ∙ 노후 증기발생기가 주 평가 대상으로, 증기발생기 노후화의 원인과 결과로 변화할 수 있는 변수들을 함께 고려하여 평가에 반영해야함 ∙ 평가시스템의 신뢰성을 제고하기 위해서는 장기간의 발전소 운전자료가 필요함
	원전의 증기발생기(Steam Generator, SG) 전열관이 안전성 측면에서 살펴보야 할 가장 중요한 기기요소라 말할 수 있는 까닭은?	원자력발전소(이하 원전)의 증기발생기(Steam Generator, SG) 전열관은 원전의 일차측 및 이차측 경계에 위치하고 있기 때문에 원전의 안전성 측면에서 살펴보아야 할 가장 중요한 기기요소 중 하나라 할 수 있다. 이로 인해, 전열관을 포함한 증기 발생기 노후화에 따른 원전의 안전성 평가는 매우 중요하며, 지난 십 수 연간 많은 연구가 수행되어왔다.
	가압중수로 증기발생기 전열관에서 노후화의 주요원인은 무엇인가?	가압중수로 증기발생기 전열관에서 가장 발생가능성이 큰 노후 메커니즘은 전술한 바대로 파울링이며, 이것이 노후화의 주요 원인이 된다. 출구 피더관의 감육에 의해 생성된 마그네타이트가 증기발생기 전열관에 침전되면서 파울링이 발생한다.

참고문헌 (10)

KINS(Korea Institute of Nuclear Safety), Study on assessment of the integrity of steam generator in Wolsong 1, in KINS/RR-766, 2010 (in Korean).
Georg Kraemer, Dr. Christoph Stiepani, Steam generator cleanliness management-Inner diameter SG tube cleaning with the SIVABLAST process, 4th international CANDU in-service-inspection workshop NDT in CANADA 2012 conference, 2012.
D.H. Lister, J. Slade, and N. Arbeau, The accelerated corrosion of CANDU outlet feeders-observations, possible mechanisms and potential remedies, CNS proceedings of the 1997 CNA/CNS annual conference on powering Canada's future, 1997.
Han-sub Chung, A review of CANDU feeder wall thinning, Nuclear Engineering and Technology Vol.42 No.5, 2010.

원문보기 상세보기
KINS, Investigation of aging elements effected on safety margin and DB system for CANDU reactors, KINS/RR-386, 2006 (in Korean).
KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute), Development of realistic safety analysis technology for CANDU reactors, 2009 (in Korean).
PSR (Periodic Safety Review) of the Wolsong unit 1, 2003 (in Korean).
CATHENA MOD-3.5d/Rev 2 GENHTP Input Reference, 153-112020-UM-002, 2005.
KINS, Development of periodic safety review guidelines, KINS/RR-139, 2002 (in Korean).
R.L. Tappin, J. Nickerson, P. Spekkens C., Maruska, CANDU steam generator life management, Nuclear Engineering and Design, 197 (2000)213-223, 2000.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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