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원자로 격납 건물

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목차

1. 개요

원자로 격납 건물은 원자력 발전소의 원자로와 관련된 주요 설비를 둘러싸는 구조물이다. 가압경수로형 원자력 발전소의 경우, 원자로, 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프 등이 격납 건물 내에 위치하며, 원자로 냉각재 계통을 구성한다. 격납 건물은 약 1.2m 두께의 철근콘크리트 벽체와 강철판으로 이루어져 있으며, 방사성 물질의 외부 누출을 방지하는 다중 방호벽 역할을 한다. 사고 발생 시 압력 상승을 완화하기 위한 살수 노즐, 수소 폭발 방지를 위한 수소결합기, 배기계통 등이 설치되어 있다. 격납 건물의 크기는 원자로의 정격출력에 비례하며, 내부에는 대형 기기 수리 및 교체를 위한 크레인이 설치되어 있다. 노심 용융과 같은 중대사고 발생 시, 격납 건물은 과압, 수소 폭발, 증기 폭발, 고압 용융물 분출, 배관 파손 등 다양한 요인으로 인해 건전성이 위협받을 수 있다. 대한민국 원전의 격납 건물은 중대사고 발생 시에도 일정 시간 동안 안전성을 유지하고, 핵분열 생성물 방출을 최소화하도록 설계되어 있다.

2. 구조

가압경수로형 원자력 발전소는 원자로, 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프 등으로 구성된 원자로냉각재계통(1차계통)과 증기발생기에서 생성된 증기로 터빈을 구동하는 2차계통으로 구성된다. 이들 계통은 방사성 물질 누출을 방지하기 위해 원자로 격납 건물 내에 설치된다.[1]

2. 1. 원자로 격납건물

원자로 격납건물은 약 1.2m 두께의 철근 콘크리트 벽체와 내부의 강철판으로 구성되어 방사성 물질의 외부 누설 및 누출을 막는 다중 방호벽이자 최후 방벽 기능을 수행한다. 원자로 격납건물은 설계 기준 사고 시 내부 압력 상승에도 안전성을 유지할 수 있도록 설계되어 있으며, 콘크리트 벽체 속에는 포스트텐셔닝(post tensioning) 공법에 따라 가로와 세로 방향으로 굵은 강철선(tendon)이 촘촘히 배치되어 건물의 인장 강도를 높인다.[1]

원자로 격납건물 내부 공기는 필터를 통해 대기로 배출할 수 있는 배기 계통이 설치되어 있으며, 격납 건물 상부에는 증기발생기 등 대형 기기 수리 및 교체를 위한 크레인이 설치되어 있다. 격납 건물의 크기는 원자로 정격 출력에 비례하여, 사고 발생 시 내부 원자로 냉각재계통에서 방출될 수 있는 에너지량에 따라 결정된다.

2. 1. 1. 내부 구조물

가압경수로형 원자력 발전소의 경우, 원자로 격납 건물 내부에는 원자로 압력용기, 증기발생기, 원자로냉각재펌프, 가압기 등 원자로냉각재계통(1차계통)의 주요 기기들이 설치되어 있다.[1] 이 계통 내부에는 경수(H2O)인 냉각수가 고온고압 상태로 순환하며 핵분열로 발생한 열에너지를 증기발생기로 운반한다.

원자로격납건물 내부에는 안전주입탱크가 설치되어 있어, 원자로냉각재계통의 배관 파단 등으로 냉각수가 상실될 경우 신속하게 냉각수를 보충한다. APR 1400형[1] 원자력 발전소에는 원자로 격납 건물 바닥에 환형의 대형수조(IRWST)가 설치되어 있어, 핵연료 교체 시 방사선 차폐용으로 사용하거나 원자로냉각재계통 냉각수 상실 시 보충수로 사용할 수 있는 냉각수가 보관되어 있다. APR 1400형 이외의 구형 원자력발전소에는 같은 용도의 냉각수를 격납건물 외부에 별도로 설치된 재장전수 저장수조에 보관한다.

원자로 격납 건물의 천장에는 사고 발생 시 고온의 증기 누출로 내부 압력이 상승할 경우, 저온의 물을 분사하여 수증기를 응축시켜 압력 상승을 완화하는 격납건물 살수 노즐이 설계되어 있다. 또한 건물 내부에는 핵연료가 용융될 경우 수소 기체 발생 및 축적으로 인한 폭발을 방지하기 위해 수소결합기가 설치되어 있다.

  • '''증기발생기'''


원자로에서 가열된 원자로 냉각재가 증기발생기 내의 전열관 속을 흐르는 동안, 상대적으로 온도가 낮은 2차계통 냉각재는 전열관 벽을 통해 열에너지를 전달받는다. 가압경수로의 증기발생기 전열관은 지름 2cm 이하의 U자관(U-tube)들을 뒤집어 놓은 형태로 설치되며, 한쪽 끝에서 공급된 원자로 냉각재가 반대쪽에서 모여 다시 원자로로 공급되도록 설계됐다. 1,000MWe급 OPR 1000 발전소는 증기발생기 1기당 약 8,500여 개, 1,400MWe급의 APR 1400 발전소는 약 13,000여 개가 설치된다.

  • '''원자로 냉각재펌프'''


원자로 노심에서 핵분열에 의해 발생한 열에너지가 증기 발생기로 전달되도록 원자로 냉각재를 강제로 순환시키는 역할을 한다. 또한 원자로 기동 시, 차가운 원자로 냉각재를 정상운전 온도까지 가열하는 역할도 한다. 원자로 냉각재펌프는 증기발생기와 원자로를 연결하는 배관의 중간에 상대적으로 낮은 온도의 냉각재가 흐르는 저온관 부근에 설치된다.

  • '''가압기'''


가압경수로의 원자로 냉각재계통은 300°C 이상의 고온에서도 냉각재인 물이 끓지 않도록 150기압 이상의 고압 상태를 유지해야 한다. 가압기는 원자로냉각재계통의 압력을 유지하고 조절한다. 정상운전 시, 가압기 내부는 절반 정도가 냉각재로 채워지고, 상부는 증기 상태로 운전되는 포화상태를 유지한다.

3. 격납 건물 파손 사고

노심 용융과 같은 중대사고 발생 시, 격납건물 건전성이 위협받을 수 있다.

3. 1. 격납건물 건전성 위협 요인

노심이 녹는 중대사고가 발생하여 노심용융물을 적절히 냉각시키지 못하면, 노심용융물 때문에 원자로 용기가 파손된다. 원자로 용기가 파손되어 노심 용융물이 격납건물로 방출되면 다양한 원인으로 격납건물의 건전성이 위협받는다.

격납건물 건전성을 위협하는 주요 요인은 다음과 같다.

  • 격납건물 내 기체 압력이 상승하여 격납건물이 과압으로 파손될 수 있다. 냉각재인 물이 기화하여 생성된 증기는 격납건물 내부 압력을 높인다. 또한, 노심 용융물과 격납건물 하부 콘크리트가 반응하여 발생하는 혼합 기체도 격납건물 압력을 상승시킨다.
  • 격납건물 내로 방출된 수소가 연소하거나 수소 폭발로 인해 파손될 수 있다.
  • 격납건물 내의 냉각수와 노심 용융물이 반응하여 증기 폭발 현상이 발생할 수 있는데, 이때 발생한 동압으로 격납건물이 손상될 수 있다.
  • 고압용융물 분출에 의한 격납건물 직접가열로 파손될 수 있다. 원자로 용기 파손으로 노심용융물은 원자로공동으로 고압 분출된 후, 격납건물 상부로 이동하여 격납건물 내 대기와 구조물에 열을 전달한다. 이때 격납건물 내 대기 중에 방출된 냉각수가 증발하면서 대기 중 열을 제거하지만, 증발로 대기 중 증기량이 증가하고 금속 용융물의 산화 반응을 촉진시켜 격납건물 대기 압력을 가중시킬 수 있다.
  • 격납건물 내부와 외부로 연결된 배관 파손, 또는 중대사고로 인한 증기발생기 파단 사고 등의 격납건물 우회사고가 있다. 이 경우 원자로 용기에서 발생된 핵분열 생성물이 외부 대기로 직접 방출된다.


대한민국 원전의 격납건물은 중대사고 시 격납건물 하중이 노심손상 후 24시간 동안 미국기계학회 기술기준(ASME)의 계수하중 범위를 초과하지 않도록 설계되어 있다. 24시간 이후에도 핵분열 생성물 방출을 최소화하도록 기밀방벽 역할을 수행한다.

3. 2. 대한민국 원전 격납건물 설계 특징

대한민국 원전의 격납건물은 노심이 녹는 중대사고 시 격납건물 하중이 노심 손상 후 24시간 동안 미국기계학회 기술기준(ASME)의 계수하중 범위를 초과하지 않도록 설계되어 있다. 24시간 이후에도 핵분열 생성물 방출을 최소화하도록 기밀 방벽 역할을 수행하도록 되어 있다.[1]

참조

[1] 문서 APR 1400은 advanced power reactor 1400MWe의 약어로, 제3세대 신형경수로이며, 우리나라의 신고리 3호 및 4호기를 비롯한 이후의 모든 신규원자력발전소와 UAE에 건설 중인 Baraka 원전의 원자로로 선정되어 있다.
[2] 문서 유체공학에서 정지 또는 유동 중인 물이 지닌 압력을 물의 높이로 나타낸 것을 말한다.


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