[논문]고리1호기 해체시 전계통 화학제염 운전개념

이두호; 권혁철; 김덕기

doi:10.7733/jnfcwt.2016.14.3.289

고리1호기 해체시 전계통 화학제염 운전개념
Full System Chemical Decontamination Concept for Kori Unit 1 Decommissioning 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.14 no.3, 2016년, pp.289 - 295

이두호 (한수원중앙연구원) , 권혁철 (한수원중앙연구원) , 김덕기 (한수원중앙연구원)

초록
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국내 최초로 건설된 가압경수로형 발전소인 고리1호기는 1978년 4월 첫 상업운전을 개시하였고, 2017년 6월 18일 영구정지 될 계획이다. 고리1호기에서는 사용후핵연료가 사용후핵연료저장조로 모두 이송된 이후, 계통 표면의 선량율을 감소시키기 위한 목적으로 전계통 제염을 실시할 계획이다. 이 논문에서는 해외 원전의 계통제염 사례분석을 통해 국내 최초로 시행될 예정인 고리1호기의 계통제염 운전개념을 기술하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Kori Unit 1, the first PWR (Pressurized Water Reactor) plant in Korea, began its commercial operation in 1978 and will permanently shut down on June 18, 2017. After moving the spent fuels to SFP (Spent Fuel Pool) system, Kori Unit 1 will perform a full system chemical decontamination to reduce radiation levels inside the various plant systems. This paper will describe the operation concept of the full system chemical decontamination for Kori Unit 1 based on experiences overseas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상용원전의 해체를 위한 계통제염이 시행된 해외원전 사례분석을 통해 도출한 고리1호기 계통제염 운전개념을 정리하였다. 고리1호기는 원자로압력용기와 증기발생기, 가압기를 포함한 전계통 제염을 시행한다는 가정 하에 원자로냉각재펌프를 활용하는 방안을 우선 고려할 계획이다.
본 논문에서는 해외 원전의 계통제염 사례분석을 통해 국내에서 최초로 시행될 예정인 고리1호기의 계통제염 운전개념을 발전소 운전의 관점에서 도출하고자 하였다.
앞선 해외사례에서 살펴보았듯이 Maine Yankee 발전소의 경우처럼 제염사가 공급하는 펌프를 이용하는 방안보다는 Connecticut Yankee 발전소나 Jose Cabrera 발전소의 경우처럼 발전소 잔열제거펌프나 원자로냉각재펌프를 활용하는 방안이 선호된다. 이는 제염사가 공급하는 펌프로는 순환유량 제공에 한계가 있어서 단일유로 구성에 의한 제염운전이 사실상 불가능하기 때문이며, 따라서 고리1호기에서도 발전소 펌프를 활용할 수 없는 경우에만 차선책으로 고려 가능한 대안으로 설정하였다. 그러므로 고리1호기 제염운전 시에는 원자로냉각재펌프나 잔열제거펌프를 활용하는 방안을 순환유량 제공방안으로 고려하였다.

가설 설정

본 논문에서는 대용량설비의 제염유로 포함 시의 문제점에도 불구하고[3], 원자로압력용기 절단시의 용이성 확보 등을 고려하여 우선적으로 원자로압력용기와 증기발생기, 가압기 등을 포함한 원자로냉각재계통 전체와 화학 및 체적제어계통, 잔열제거계통이 제염 대상계통에 포함되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

이는 제염사가 공급하는 펌프로는 순환유량 제공에 한계가 있어서 단일유로 구성에 의한 제염운전이 사실상 불가능하기 때문이며, 따라서 고리1호기에서도 발전소 펌프를 활용할 수 없는 경우에만 차선책으로 고려 가능한 대안으로 설정하였다. 그러므로 고리1호기 제염운전 시에는 원자로냉각재펌프나 잔열제거펌프를 활용하는 방안을 순환유량 제공방안으로 고려하였다.

성능/효과

2에는 Connecticut Yankee 발전소와 Jose Cabrera 발전소의 계통제염 운전시의 금속 및 핵종 제거량과 이를 토대로 계산한 비방사능(mCi/g) 농도를 보여주고 있다. 먼저 Connecticut Yankee 발전소의 사례를 보면 제염운전 첫 주기의 비방사능 값이 두 번째 제염운전 주기의 비방사능 값에 비해 높다는 점을 확인할 수 있다. 이는 제염운전 초반에는 주로 산화막이 제거되고, 이후 주기에는 모재 금속의 제거에 의한 제염이 이루어졌던 것으로 판단할 수 있다.
먼저, 고리1호기의 원자로냉각재펌프(∼89,000 gpm)가 제염운전에 활용되면 모든 제염 대상유로에 충분한 유량과 난류를 제공할 수 있는 장점을 지니므로 원자로압력용기와 증기발생기까지 제염 대상유로에 포함시켜도 제염제의 불충분한 혼합으로 인한 제염효과 저하의 문제는 발생치 않을 것으로 예상된다.
제염 대상계통이 선정되면 다음으로 결정해야 하는 요소는 제염제와 계통수의 순환유량 제공방안이다. 앞선 해외사례에서 살펴보았듯이 Maine Yankee 발전소의 경우처럼 제염사가 공급하는 펌프를 이용하는 방안보다는 Connecticut Yankee 발전소나 Jose Cabrera 발전소의 경우처럼 발전소 잔열제거펌프나 원자로냉각재펌프를 활용하는 방안이 선호된다. 이는 제염사가 공급하는 펌프로는 순환유량 제공에 한계가 있어서 단일유로 구성에 의한 제염운전이 사실상 불가능하기 때문이며, 따라서 고리1호기에서도 발전소 펌프를 활용할 수 없는 경우에만 차선책으로 고려 가능한 대안으로 설정하였다.
반면, 제염운전시 잔열제거펌프를 순환유량 제공에 활용되는 경우의 원자로냉각재계통 주요배관과 증기발생기에서의 유속과 레이놀즈수를 Table 2에 나타내었다. 표에서처럼 원자로냉각재계통 주요배관에서의 유속은 비록 느리지만 배관내 난류의 형성으로 인해 제염약품 혼합은 원활하여 배관 표면의 제염효과 측면에서는 별다른 문제가 없을 것으로 평가되었다. 하지만 증기발생기로 향하는 유로에는 불충분한 유량이 제공되므로 증기발생기에서의 유속이 약 0.
해외사례 분석을 통해 제염운전 시의 발전소 설비 활용여부에 따라 매우 다양한 양상으로 계통제염 운전이 수행될 수 있음을 확인하였다. 이러한 해외사례 분석결과를 토대로 고리1호기의 계통제염 운전개념을 도출하면 다음과 같다.

후속연구

이 표에서 알 수 있듯이 제염제 주입설비는 공통적으로 별도 제작이 필요한 사항이라는 점을 알 수 있다. 고리1호기 역시 CVCS 충전계통에 설치된 화학약품 주입탱크의 용량이 5 갤런에 불과하다는 점을 감안한다면 제염제 주입설비는 별도 제작이 필요할 것으로 판단된다.
고리1호기는 원자로가 영구정지되고, 사용후핵연료를 원자로압력용기에서 사용후핵연료저장조로 이송한 이후 원자로냉각재계통에 대해 화학적 제염법을 활용한 계통제염을 우선 실시할 계획이다. 계통제염은 발전소 단위설비를 운전하여 원자로냉각재계통의 오염 산화막과 기저금속 일부를 화학약품으로 제거하는 운전방식으로서, 계통제염의 성공적인 수행을 위해서는 최적의 화학공정을 선정하는 것 못지않게 계통제염 운전전략을 수립하는 것 역시 중요한 요소로 작용한다.
가압기의 온도가 증가되면 유기산의 분해에 의해 제염제가 과다 소모되는 부작용이 예상되며, 무엇보다도 가압기 분무량을 연속적으로 제공하지 못해 가압기가 제염유로에서 배제되는 결과를 가져온다. 따라서 가압기 상부에 기포를 형성시키는 방안보다는 가압기 기상부 공간에 질소를 공급하여 원자로냉각재계통을 가압시키는 방안을 고려할 예정이며, 여기에 소요되는 질소의 공급량 및 공급 방법에 대해서는 보다 상세한 엔지니어링 평가를 수행할 계획이다.
원자로냉각재펌프의 운전을 위해서는 일정 수준 이상 압력을 가해줄 필요가 있을 것으로 보이며, 이를 위해 가압기 기상부 공간에 질소를 충전할 예정이다. 또한 원자로냉각 재펌프 Seal 열화를 최소화하기 위한 별도의 순수 공급도 필요할 것으로 판단된다. 한수원중앙연구원에서는 가압기 기상부 공간에 대한 질소 공급량과 공급방법, 원자로냉각재펌프 Seal 보호를 위한 순수 공급량과 공급방법에 대한 구체적인 방안을 2016년까지 확정하고, 2017년부터는 이에 대한 상세설계를 수행할 예정이다.
이상 살펴보았듯이, 원자로압력용기와 증기발생기를 포함한 전계통 제염을 위해서는 원자로냉각재펌프의 운전이 필수적인 요소이며, 잔열제거펌프만을 운전하는 경우에는 원자로압력용기 또는 증기발생기를 제염유로에서 배제하는 방안을 고려할 필요가 있을 것으로 보인다. 향후에는 원자로 냉각재펌프 운전시의 압력 및 온도 제어방안을 수립할 예정이며, 고리1호기 현장상황에 따라 원자로냉각재펌프 운전이 불가한 경우를 대비하여 잔열제거펌프 운전 시의 제염유로와 온도 제어방안도 함께 수립할 예정이다.
따라서 스페인의 Jose Cabrera 발전소의 경우처럼 밀봉수 주입배관을 별도 설치하여 순수를 밀봉수 주입용으로 활용하는 것이 필요하다. 일단, MnO2 등이 주로 생성되는 산화공정 시에만 순수를 주입한다고 가정하면 고리1호기의 경우 48,000~72,000 갤런의 순수가 밀봉수로 소요될 것으로 계산되며, 이 경우 고리1호기의 85,000 갤런 용량의 PMWST(Primary Makeup Water Storage Tank)를 순수 공급용 탱크로 활용하면 될 것으로 판단된다.
참고로, 고리1호기 잔열제거펌프가 제공할 수 있는 유량은 최대 2,000 gpm 수준이다. 향후 고리1호기 O/H시 발전소 현장실사를 통해 계통제염장치가 설치될 배관 위치와 설치 지점을 확정할 예정이다.
이상 살펴보았듯이, 원자로압력용기와 증기발생기를 포함한 전계통 제염을 위해서는 원자로냉각재펌프의 운전이 필수적인 요소이며, 잔열제거펌프만을 운전하는 경우에는 원자로압력용기 또는 증기발생기를 제염유로에서 배제하는 방안을 고려할 필요가 있을 것으로 보인다. 향후에는 원자로 냉각재펌프 운전시의 압력 및 온도 제어방안을 수립할 예정이며, 고리1호기 현장상황에 따라 원자로냉각재펌프 운전이 불가한 경우를 대비하여 잔열제거펌프 운전 시의 제염유로와 온도 제어방안도 함께 수립할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상용원전 해체를 위한 계통제염에는 어떤 공정이 있는가?	발전소 구조재료 표면의 산화막 층을 효과적으로 제거하기 위해서는 산화제와 환원제를 순차적으로 적용하는 것이 필요하다. 현재까지 상용원전의 해체제염에 활용된 제염방법은 크게 두 가지로 구분되는데, 하나는 AREVA사가 개발한 CORD(Chemical Oxidation Reduction Decontamination) 공정이고, 다른 하나는 EPRI가 개발한 DfD(Decontamination for Decommissioning) 공정이다.
	고리1호기는 어떻게 해체되는가?	고리1호기는 원자로가 영구정지되고, 사용후핵연료를 원자로압력용기에서 사용후핵연료저장조로 이송한 이후 원자로냉각재계통에 대해 화학적 제염법을 활용한 계통제염을 우선 실시할 계획이다. 계통제염은 발전소 단위설비를 운전하여 원자로냉각재계통의 오염 산화막과 기저금속 일부를 화학약품으로 제거하는 운전방식으로서, 계통제염의 성공적인 수행을 위해서는 최적의 화학공정을 선정하는 것 못지않게 계통제염 운전전략을 수립하는 것 역시 중요한 요소로 작용한다.
	고리1호기는 어떤 원자력발전소인가?	고리1호기는 국내에 건설된 첫 번째 가압경수로형(PWR: Pressurized Water Reactor) 상용원전으로서, 1977년 6월 19일 첫 임계에 도달하였고, 1978년 4월 29일 첫 상업운전을 개시하였다. 2007년 6월 18일을 기준으로 30년의 설계 수명이 만료되었으나, 2007년 12월 11일 10년 연장운전에 대한 운영허가를 재취득하여 2014년 말 기준 누적 발전량 45.4억 kWh를 기록하는 운영성과를 거두었다. 10년 계속운전에 대한 운영허가 재신청을 준비 중이던 2015년 6월 16일, 2차 계속운전에 대한 운영허가 변경을 신청하지 않기로 최종 결정함에 따라 고리1호기는 공식적인 해체 준비작업에 착수하게 되었다.

참고문헌 (4)

T.A. Beaman and J.L. Smee, Evaluation of the Decontamination of the Reactor Coolant Systems at Maine Yankee and Connecticut Yankee, EPRI Report, 23-71, TR-112092 (1999).
R. McGrath, Jose Cabrera Nuclear Power Plant Full System Chemical Decontamination Experience Report, EPRI Report, 21-43, TR-1019230 (2009).
G.Y. Park and C.L. Kim, "Chemical Decontamination Design for NPP Decommissioning and Considerations on its Methodology", Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology, 13(3), 187-199 (2015).

원문보기 상세보기
D.H. Lee, "Analysis of Basic Requirements for Kori-1 Full System Decontamination", KHNPCRI Report, 26-38, 2015-50003339-0488TC (2015).

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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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