초록 ▼

핵심기술
소형모듈원전의 피동 안전 시스템을 개발함으로써 원전의 안전성을 대폭 향상시킨다.
최종목표
□ 소형모듈원전의 상용화를 위한 피동안전 현안해결 원천 기술 검토 및 합의점 도출
ㅇ 현재 국내에서 고려되고 있는 소형모듈원전 네 종류인 경수로형, 고온가스로형, 소듐냉각로형, 납(-비스무스)냉각로형에 대해서 각각 피동안전 평가요건 및 안전현안 해결 기술 검토
ㅇ 피동 안전 달성은 100% 별도 외부 전력원의 도움과 인위적 작동이 없는 상태에서도 노심의 붕괴열을 24시간 이상 제거할 수 있는 계통으로 보며 이

핵심기술
소형모듈원전의 피동 안전 시스템을 개발함으로써 원전의 안전성을 대폭 향상시킨다.
최종목표
□ 소형모듈원전의 상용화를 위한 피동안전 현안해결 원천 기술 검토 및 합의점 도출
ㅇ 현재 국내에서 고려되고 있는 소형모듈원전 네 종류인 경수로형, 고온가스로형, 소듐냉각로형, 납(-비스무스)냉각로형에 대해서 각각 피동안전 평가요건 및 안전현안 해결 기술 검토
ㅇ 피동 안전 달성은 100% 별도 외부 전력원의 도움과 인위적 작동이 없는 상태에서도 노심의 붕괴열을 24시간 이상 제거할 수 있는 계통으로 보며 이에 대한 안전현안 해결 기술의 원천기술을 네 종류의 소형모듈원전 각각에 대해서 노형별 검증 계산
ㅇ 네 종류의 소형모듈원전 각각에 대한 안전 현안 도출
ㅇ 네 종류의 소형모듈원전 각각에 대한 현재 세계 산업의 인프라 현황 및 안전 현안 잠재해결 능력 파악
ㅇ 네 종류의 소형모듈원전 각각에 대한 안전 현안 및 추가 개발되어야 할 안전현안 해결 기술에 대한 산학연 합의점 도출
□ 경수로형 소형모듈원전에 적합한 피동설계개념 제시 및 피동안전기술 개발
ㅇ 대용량 경수로와 경수로형 소형모듈원전에 지금까지 제시된 피동안전 개념 조사 및 기초검증 계산 수행
ㅇ SMART의 용량을 100MWe에서 50MWe로 감소시켜 소형화하면서, 안전성을 향상시키고 모듈화 개념을 달성할 수 있는 피동안전 기술 개념 개발 및 정성적 평가
ㅇ 모듈화 개념을 달성할 수 있는 50MWe의 출력을 기준으로 현재에 제시된 피동안전 개념 적용성 검토 및 고유 피동안전기술 개념 개발
ㅇ 적용 가능성이 있는 최적 피동안전기술 및 구현하기 위한 피동안전 계통에 대한 안전현안 파악
ㅇ 산업체와 규제기관 각각이 소형모듈원전의 피동안전성을 평가할 수 있는 기술에 대한 선투자를 직접 하기 어렵기 때문에 대학의 특성을 활용하여 다른 참여기관들의 도움과 함께 피동안전 기술에 관련된 안전 현안을 도출하고 피동안전현안 해결 기술 개발을 하고자 함
ㅇ 사고시의 운전원 반응 시간을 기술 달성 척도로 설정하여, 현재의 SMART 및 APR1400 수준의 피동안전성(30분 내외)에서 경수로형 소형모듈원전에서는 이를 대폭적으로 개선(최소 24시간 이상)할 수 있는 피동안전 기술 개발이 최종목표임
개발내용 및 결과
본 과제의 최종 결과로 가압경수로형 소형모듈원전 안전시스템 디자인을 제안 하고 국제 공동 협력 기술로 세 가지 기술을 도출 하였으며 소형모듈원전의 피동안전 현안을 네 가지 도출 하였다.
통합피동안전계통(Integrated Passive Safety System: IPSS)이 적용된 소형모듈원전은 아래의 그림 1과 같이 중대사고의 완화 및 전원상실을 동반하는 대상사고(SBO+)의 대처를 가능하게하고 있으며, 아래와 같은 해결책을 제시하였다.
- 효과적인 중대사고 완화 전략 적용,
- 높은 피동 구동력과 신뢰도를 갖춘 대처 전략 적용
- 단기간 내에 실현을 가능케 하는 높은 적용가능성 제공
통합피동안전계통은 원자력 발전소 격납건물 외부에 비안전 등급의 냉각수 탱크를 원자로 대비 일정 높이 이상의 상부에 설치하여 냉각수를 피동적으로 주입하고 순환시킴으로써 아래와 같은 다양한 안전기능을 피동적으로 수행가능 하다.
- 공동침수(Cavity Flooding)
- 용융노심노내보존(In-Vessel Retention),
- 격납건물여과배기(Containment Filtered Venting),
- 잔열제거(Residual Heat Removal),
- 안전주입(Safety Injection)
- 격납건물냉각(Containment Cooling)
통합피동안전계통(IPSS)이 적용된 소형모듈원전의 개념 설계도 그림 2에 도시 했으며 통합피동안전시스템의 concept은 크게 다섯 가지로 나뉘며 다음과 같다.
- 피동잔열제거계통(Passive Residual Heat Removal System)
- 피동안전주입계통(Passive Safety Injection System)
- 피동격납용기냉각계통(Passive Containment Cooling System)
- 피동용융노심노내보조계통(Passive In-Vessel Retention System)
- 여과식배기계통(Filtered Venting System)
통합피동안전시스템은 격납건물 외부와 내부에 각각 하나의 큰 물탱크 (Integrated Passive Safety Tank)와 파이프, 벨브, 스프레이, 열교환기
로만 이루어진다. 즉, 전원공급이 없는 상황에서도 작동이 가능 한 시스템이다.
통합피동안전계통이 적용된 소형모듈원전의 적용성 검증을 위해서 세계의 주요 노형을 비교해본 결과 가장 많이 개발이 진행된 원전은 지난 7월에 표준설계 인가를 받은 한국원자력연구원의 SMART이다. SMART가 개발이 가장 많이 진행된 만큼 경수로형 소형모듈 원전의 피동안전계통설계를 적용하고 검증하기 쉬우므로 기본 원전으로 선택하였다.
SMART는 세계적으로 가장 설계가 많이 진행되고 실현가능성이 높은 경수로형 소형모듈원전이지만 피동안전계통이 다른 여타 소형모듈원전에 비해 미흡한게 사실이었다.
따라서 기존의 능동안전설비를 유지하고 피동안전설비를 추가하여 피동안전성이 강화된 하이브리드 안전 계통이 적용된(Hybrid Safety System) SMART를 제안 하였다. 개념 설계도는 그림 3에 도시하였다.
사고시 운전원 조치 여유 시간으로 현제 실제 가동중 원전 중에 세계 최고 수준은 미국 AP1000으로 72시간이다. 현제 연구개발 전 SMART의 수준은 노심손상 시간(core damage time)을 기준으로 30분이상이지만 피동잔열제거계통이 작동불가능 하게 되면 운전원 조치 여유시간은 예상보다 크게 줄어들 것이다. 그러나 통합피동안전계통이 적용된 SMART의 경우에는 피동안전주입계통이 통합피동안전탱크(integrated passive safety tank)에서 24시간 이상 공급할 수 있게 디자인 되어 있으므로 운전원 조치가 없어도 24시간 이상 노심손상(core damage)를 막을 수 있다. 그리고 피동잔열제거계통(passive residual heat removal system)까지 작동하게 되면 운전원 조치 여유시간은 이보다 더 길어질 것으로 예상 된다.
국제 공동협력 기술 목표 기술도출 개수는 3가지이다. 우리나라는 아직까지 가압경수로형을 제외한 다른 노형의 경우에 설계 기술이나 검증기술이 많이 부족하고 이들을 독자적으로 여타 선행국가를 단시간에 따라잡기에는 많은 인력과 재원이 필요할 것이 필요하므로 기술도입과 공동협력으로 기술개발을 시도하는 것이 단기간에 소형모듈원전 기술력을 향상시킬 수 있는 방법이 될 것이다. 앞서 3장 2절에서 도출한 세 가지는 다음과 같다.
1) 소듐냉각고속로형의 피동설계 기술, 소듐화재방호 기술
2) 경수로형 소형모듈원전을 제외한 나머지 노형의 설계 전산코드 개발
3) 경수로형 소형모듈원전의 Internal CRDM 개발
이와 같은 기술의 도입 방법으로는 국제공동연구에 참여하는 것이 가장 수월한 방법으로 여겨지며, 국제협력을 통해 해외에서 개발된 기술을 도입하되 국내 대학교와 연구소 및 중소기업을 주축으로 기술 검증을 수행하고, 검증된 기술을 국내 산업체에서 설계에 반영하는 산학연 협력체계 구축이 바람직하다. 기술 검증은 실험과 전산코드 분야로 구분하여 수행되도록 하며, 기수행된 국제공동연구 결과를 최대한 활용하도록 하고, 기본 설계 및 상세 설계 단계를 대비하여 표준화를 이루는 방향으로 기술 개발을 진행하는 것이 바람직하다.
피동안전 현안 도출을 위해 본 보고서의 제 4장 2절에서 소형모듈원전 일반 인허가 현안, 소형모듈원전 설계의 정책, 인허가 및 핵심기술 현안, 소형모듈원전의 각 노형별 안전현안 및 인허가 문제점, 피동안전계통의 기술적 달성의 이슈를 살펴보고 분석하였다.
자료 수집과 분석 방법 및 자문은 US NRC의 Samuel Lee의 자문과 세미나 그리고 SMR문서, PBNC2012 SMR session의 참석, 2012 춘계 KNS 중소형원전 추진현황 및 쟁점 workshop 개최, 미국 Nuscale사의 Jason D. Pottorf의 자문과 세미나, ANS의 SMR generic licensing issue리포트 등을 통해서 수행 하였다. 3장 2절 의 내용이 워낙 방대하여 많은 부분을 부록으로 첨부하였으며 전문가의 자문내용 원문, 학회의 리포트원문, workshop의 상세한 내용, 전문가 세미나자료 원문도 부록으로 첨부 하였다.
도출된 피동안전 현안으로는 1) 비안전계통 규제조치 2) 피동계통 고장 정의 3) 안전정지 요건 4) MCR 거주성 (Control Room Habitability)이며 이는 정량적 목표치인 3가지보다 많이 달성 하였다. 상세한 내용은 3장 2절의 피동안전시스템의 현안에 기술하였다.
통합피동안전 계통이 SMART에 적용된다고 하면 기존의 SMART 능동 안전계통(active safety system)인 안전주입계통 (safety injection system), 격납건물냉각계통(containment spray system), 정지냉각계통 (shutdown cooling system)을 모두 대체 가능하다. 현재 SMART 안전계통의 밸브와 펌프 수와 통합피동안전계통이 적용된 SMART의 안전계통 밸브와 펌프 수를 아래의 표로 비교해 보았다. 단, 파이프 배관의 길이는 아직 상세설계가 이루어지지 않았으므로 정확한 비교는 하지 않았다.
위의 표에서 알 수 있다시피 기존의 SMART 안전계통의 밸브와 펌프의 총 개수는 약80개 이며 통합피동안전계통이 적용된 SMART 안전계통의 밸브와 펌프의 총 개수는 24개 이다. 상세한 설계가 이루어지지 않았으므로 정확한 수치를 통한 비교는 어렵지만 이 결과만 보면 적어도 밸브와 펌프의수를 70%가량 감소시킬 수 있을 것이다. 보수적으로 생각해도 과제의 정량적 목표치인 20%이상은 충분히 달성 하리라 본다.
통합피동안전계통이 적용된 SMART 디자인은 하나의 통합피동안전탱크(IPST)를 통해 모든 안전계통을 확보 할 수 있으므로 정량적 목표의 다섯 번째 항목에 해당하는 피동안전켸통 모듈화 달성도를 100%달성 가능 하다. 이 경우 역시 앞서 말한 대로 정지냉각계통은 능동계통으로 유지한다고 하더라도 모듈화를 50% 이상 달성할 수 있다고 본다.
기술개발 배경
본 과제에서는 네 가지 종류 즉, 가압경수로형, 고온가스냉각로형, 소듐 냉각고속로형, 납냉각고속로형 원전에 대하여 안전현안, 인허가 현안, 세계 주요 원자력 발전 경험 보유 국가의 현재 기술 개발 정도를 자문과 워크숍 개최, 문헌 조사등 산학연 연계를 통해 살펴보고 분석해 보았다.
그 결과 네 가지 노형중 가압경수로형 소형모듈 원전이 지금까지 가장 많이 검증된 기술을 보유하고 있고 국내외에서 가장 많은 회사와 연구소가 설계 완료를 위해 노력 하고 있으며 사업화가 가장 빠른 시일 내에 실현가능하다고 본다.
그러나 가압경수로형은 다른 세 가지 노형에 비해 피동안전성이 근본적으로 부족 할 수 있다. 고온가스냉각로형은 기본적으로 출력밀도가 다른 노형에 비해 낮다. 그렇기 때문에 전도, 복사와 같은 열전달 방식을 사용하는 능동 안전 계통을 사용하지 않고도 대부분의 잔열 제거가 가능하다. 소듐냉각고속로형과 납냉각고속로형과 같은 액제금속로형은 물보다 열전도도가 높고 끓는점이 높은 냉각제를 쓰기 때문에 대부분의 잔열제거가 자연순환 만으로도 쉽게 제거 가능하다. 그러나 물을 냉각제로 쓰는 가압경수로형은 물의 상변화 때문에 부피당 에너지수용력이 감소할 수 있으므로 지속적으로 노심에 물을 보충해 줘야한다. 고온 고압 상태의 노심에 물을 지속적으로 보충하는 것이 피동적으로 쉽지 않기 때문에 가압경수로형은 피동안전성을 쉽게 확보하기가 어렵다.
따라서 가압경수로형 소형모듈원전의 피동안전시스템 디자인을 하기로 했고 능동안전시스템을 완전히 배제하고 피동안전설비로만 이루어진 통합피동안전계통 소형모듈원전을 제안 하였다.
핵심개발 기술의 의의
개발 대상 기술․제품의 중요성
o (소형화, 모듈화) 모듈 설치와 다양한 시장진출로 경제성 유리
- 공장제작 후 현존하는 운송시스템으로 이동 가능하며, 수요 증가에 따라 모듈 추가 설치로 초기 투자비 경감 및 건설공기 단축 가능
- 모듈 증설로 다양한 규모의 전력(에너지) 수요에 대응, 노후화력 대체, 원격지역의 자원개발, 해저/심해용 무산소 동력원 등으로 활용가능
o (시장성) 중소규모 전력망 국가 진입 및 기존 노후 발전소 대체 가능
- 원전도입 예정 개도국 54개 국가 중 20개국은 자국 내 그리드용량 사정으로 소형원전만 도입 가능
- 미국 TVA 등 Utility들은 노후 화력발전소의 전력원을 소형모듈원전으로 대체하는 방안 고려 중
o (완전 피동 안전성) 전력공급 없이 자연의 힘으로 냉각 가능
- 안전성 극대화로 수요지 인근 설치가 가능하여 전력, 공정열, 지역난방, 담수화, 선박추진, 자원개발 등 다양한 에너지원으로 활용가능
- 하지만 현재까지 피동안전성에 대한 평가나 안전현안 해결 기술은 대부분 대형 (700MWe 이상) 경수로 기준으로 마련되어 있기 때문에 다양한 개념의 소형모듈원자로들의 피동안정성을 검증하는 기술 수준이 아직 미흡
- 따라서 소형모듈원전의 피동안전성에 대한 적합한 안전현안 등이 확립되지 않는다면 소형모듈원전 개발 일정에 차질 예상