Introduction

가압 경수로는 방사성 물질의 대기방출을 차단하기 위하여 핵연료 피복관, 원자로 압력용기 및 격납건물의 다중보호개념을 적용한다. 원자로 계통에서 냉각수 누출 발생시 이를 조기에 감지하여 원자로를 안전상태로 운전할 수 있는 시간적 여유가 많을 수록 안전성 향상에 유리하다. 지금까지 원전 안전성 연구는 배관파단사고(LOCA : Loss of Coolant Accident) 발생 이후 비상 노심 냉각수의 공급과 이에 따른 노심 온도의 허용 한계 이하 유지 여부가 주요 대상이었다. 그러나, 원자로 계통의 냉각수 누출은 배관의 파단 보다는 배관의 미세균열에 의한 냉각수 누출이 더 빈번하게 발생하였다.⁽¹⁾ Fig. 1은 증기발생기 하부에 부착된 1/2 inch 배수관 차단 밸브 용접부의 미세균열에 의한 냉각수 소량누설 발생 사례이다.⁽¹⁾ 종래의 1 gpm급 누설감지시스템으로 이러한 소량 누설 발생 부위를 최종 확인 하는데 약 50 여 시간이 소요되었다. 그 이유는 냉각수 소량누설에 의한 격납건물 공기 습도 증가량, 방사선량 증가량과 Sump 누적 수위 증가량이 너무 미미하여 누설감지로 인식하기 매우 어려웠기 때문이다.

Fig. 1  
Small and unidentified leak event (example)

미세균열 부위에 작용하는 외력의 크기가 커서 소성변형 범위에 있으면, 미세균열이 급격하게 배관 파단으로 성장하고, 탄성한계 이내에 있으면, 미세균열은 성장 속도가 매우 더디거나 정체되어 성장하지 않는다. 원전의 소량 누설을 조기에 감지하여 운전원에게 충분한 안전조치 시간을 부여할 수 있는지 여부는 원전 안전성 확보 측면에서 중요하며 특히 무엇보다 감지 속도가 원전 안전성 확보에 영향이 매우 큰 중요한 인자이다. 원전 냉각수 소량 누출은 대용량 체적 단위 계측 보다는 국부적으로 직접 계측하는 방식이 보다 감지 속도가 빠르며, 운전원에게 대처시간을 충분히 부여할 수 있어서 원전 안전성을 확장시킬 수 있는 유일한 누설감지 핵심기술이다.^(1,2)

본 논문의 소량 미확인 누설감지시스템 기술은 Fig. 2와 같은 누설 증기 혼합유체를 포집하는 Loop를 구성하고 빠른 반응속도를 갖는 습도 센서와 방사선 베타선 센서 및 물 센서 등의 다중 센서를 적용하여 누설감지신호의 신뢰성을 증가시켜 초 단위 실시간으로 감지하는 각 각의 단위 기술을 융합한 복합시스템 기술이다.⁽³⁾

Fig. 2  
Real time leak detection system

누설감지 시스템의 원전 적용을 위해서 원전 기기 환경시험 기준의 시험을 공인시험 기관인 ICR에서 Q-Class와 동일한 환경시험 조건과 시험방법으로 각 각의 시험을 수행하였다. 차폐체 기준으로 온도습도 측정 모듈과 방사선 측정 모듈로 나누어 동일하게 전자파 시험, 내방사선 시험, 온도습도 환경 시험 그리고 내진 시험을 순차적으로 수행하였다.

Fig. 8은 온도습도 측정 모듈의 내방사선 시험 모습이다. 차폐체 모듈 내부에는 계측센서 및 신호중계기(Transmitter)가 배치되어 실제 원전의 10 mSv/hr 방사선 환경에서 40년 동안의 누적 방사선량 조건 3.5 kGy 기준에 대한 시험이다. 원전 60년 수명 누적 방사선량 5.1 kGy 까지 내방사선 시험을 수행하였다. 방사선 측정 모듈도 동일하게 시험을 수행하였다. 시험은 포집 Loop 유동조건에서 실제 신호를 비방사선 구역에 별도로 설치한 비교용 측정 센서값과의 차이 여부로 차폐체 내장 센서의 방사선 누적 조사량에 따른 신호 변화 여부를 비교하였다.

Fig. 8  
High gamma ray(co-60) radiation testing

이와 별도로 9.8∼10 kGy 방사선 조사량 수명 시험을 추가 수행하였다. 이는 10 mSv/hr 방사선 환경에서 최소 약 114년 누적 방사선량에 해당한다.

Fig. 9는 전자파 시험 챔버 내부의 모습이다. 전자파 시험은 전자파 적합성 시험인 EMC (Electro Magnetic Compatibility) 시험을 대상으로 하였다. 크게 2종류로 전도 내성 시험인 CS (Conductive Susceptibility) 시험과 방사방출 (또는 복사방출) 시험인 RE (Radiated Emission) 시험을 수행하였다. CS 시험은 9 kHz∼30 MHz 범위에서 수행하였다. 전자파 시험은 포집 Loop 유동조건에서 실제 신호를 저장 비교하며 수행되었다.

Fig. 9  
Electro Magnetic testing chamber

Fig. 10은 적용된 내환경 시험 온도습도 조건이다. Fig. 11은 온도/습도 내환경 시험 챔버 내부의 모습이다. 온도/습도 내환경 시험은 전용 시험챔버에서 수행하였다. 시험챔버의 내부 온도 및 습도는 원전 기기 적용 시험 조건과 동일하게 온도 습도 조건을 적용하였다. 시험결과는 온도습도 변화조건에서 계측된 측정값 변화량이 허용범위 이내에 있는지 여부로 판별한다. 이를 위하여 측정용 공기순환 Loop를 구성하여 외부 순환 공기를 Loop에 주입하여 챔버 내부에 위치한 온도/습도/유량 계측기를 경유하여 대기로 방출하게 하였다. 온도/습도/유량 계측 센서는 동일 Loop 상에 직렬로 위치하며 측정용 공기 Loop는 Open Loop 형이다. 챔버 내부에 위치한 시험용 계측기 측정값과 챔버 밖에 위치한 비교용 측정기의 측정값의 차이를 비교하여 센서의 건전성 여부를 판별하는 방법으로 수행되었다. 신호 건전성 판별에 적용된 기준은 Eq. (1)과 같다.

여기서,

R_i: Reference Sensor
C_i=3σ_i*1.2, (unit : %)

Uncertainty(1*σ(standarddeviation))
3σ_F=2.4%, for Flowmeter
3σ_T=3.0%, for T/C
3σ_H=3.0%, for Humidity

Uncertainty Requirement of Sensor
σ_T=1.0%
σ_H=1.0%

Fig. 10  
Environmental test conditions

Fig. 11  
Environmental testing chamber

각 센서의 평균값 기준 99% 데이터를 포괄하는 범위인 3*Sigma 범위의 120%를 허용범위로 설정하였다. 100∼120 %의 추가 여유 범위는 3*Sigma의 99%를 벗어나는 1% Data의 비선형 random fluctuation의 크기를 고려하여 설정하였다.

Fig. 12는 내진 시험 모습이다. 내진 시험 기준은 실제 기기가 위치할 것으로 예상되는 보조건물의 해당 고도를 기준으로 지진응답도를 평가하였다. 운전기준 지진 (OBE : Operating Basis Earthquake) 시험 5회 안전정지 지진(SSE : Safety Shutdown Earthquake) 시험 1회, 조건 진동시험 2회와 기준평가 진동시험으로 OBE 조건 및 SSE 조건 시험 전후에 각각 1회 씩이 추가하여 수행하였다.

Fig.12 
Vibration testing for OBE and SSE conditions

온도 습도 환경 시험, 전자파 시험, 내방사선 시험 및 내진동 시험 결과는 각 각 기준 성능을 만족하였다.

원전 정상운전 냉각수 온도와 압력 조건의 원자로 배관계통 누설 모의 실험장치에서 소량 미확인 누설 검증 시험을 수행하였다. Fig. 13은 70기압 포화 증기를 1 mm 직경의 파단모의 노즐을 통해 배관과 보온재 사이로 방출하여 0.23 gpm의 냉각수 누설을 감지하는 성능검증 시험(예)의 사진이다.

Fig. 13  
Leak detection test (70 bar steam, 0.23 gpm)

Fig. 14는 누설감지시스템의 성능시험 결과이다. 누설감지 시스템의 민감도를 나타내는 성능지표중에서 가장 중요한 최소 누설량 감지 성능 한계를 실증 시험한 결과이다. 누설감지 시스템의 최소 누설 유량 감지 성능은 기술개발 성능 목표인 0.5 gpm보다 훨씬 작은 0.0068 gpm 누설까지 감지함을 원전 누설 모의 실증 실험으로 입증하였다. 최소 누설 유량 감지성능 시험에서 계측된 습도 신호의 주기적 스파이크 신호는 Loop로 포집된 누설 습분공기의 높은 상대습도 증가가 누설 감지 대표 신호로 감지되었음을 의미한다. 각 포집 Loop 별 상대습도 신호가 명확하게 구분된다. 70 기압 포화 수증기 저압 조건과 배관 단면상에서 Top 부분의 누설 모의 증기 방출 노즐과 반대의 위치인 Bottom 배치 포집 Loop로 측정하는 최악의 감지 조건에서 시험하였다. 0.0068 gpm 유량값은 실험 Loop의 유량계 계측오차 범위에 근접하는 최소값이다. 더 작은 유량 Span을 갖는 유량계를 적용하면 더 작은 최소 유량 계측이 가능하다. 감지 가능한 최소 누설 유량이 작을수록 누설감지 시스템이 매우 민감함을 의미한다. 최소 누설 유량 성능검증 시험은 4개 포집 Loop중 가장 누설 감지가 어려운 각도에 배치된 Bottom-Loop를 기준으로 평가하였으므로 이 보다 파단 부위 쪽에 더 가까이 위치한 포집 Loop의 감지 시간은 더 빠르고 신호의 선명성이 더 좋다. 반대로, 파단 노즐로부터 습공기 포집기가 멀리 있을수록, 파단 노즐과 반대의 배관 단면상의 배치 각을 갖을수록, 누설감지가 어렵다.

Fig. 14  
Leak detection performance test result (Humidity signal of the minimum leak flowrate of 0.0068gpm)

종래의 1 gpm급 누설감지 시스템으로 소량 냉각수 누설을 감지할 경우 격납건물 습도 변화량 미미함 및 Sump 수위 변화량 미미함에 따른 50 시간급 감지시간 지연 문제를 해결할 수 있는 실시간 소량 누설감지 시스템 기술을 개발하였다. 원전의 고온 조건의 배관 소량 누설을 모의하는 소량 누설감지 성능검증 시험 결과 최소 누설 유량 0.007 gpm 까지 실시간으로 누설을 감지함을 확인하였다. 이는 매우 작은 소량누설을 초 단위 실시간으로 감지함을 의미하여 매우 민감한 누설감지 시스템의 구현이 가능함을 의미한다. 원전의 고방사선과 고온 배관의 특성을 고려하여 센서를 고방사선으로부터 보호하는 납 차폐체와 SUS316 미세 분말을 고온에서 소결한 다공성 누설 포집기를 개발하여 1/4인치 SUS316 포집 Loop형의 누설감지 시스템을 구성하였다. 개발 시스템을 원전에 적용하기 위하여 원전 적용 조건의 공인기관 환경시험을 수행하여 60년 원전 수명 기준으로 내방사선 성능을 입증하였다.

본 누설감지 시스템을 적용하면 종래 1gpm급 확인 누설감지 시스템보다 훨씬 빠르게 소량 누설을 초 단위급 실시간으로 감지하여 단축된 감지시간 만큼 원전 운전원에게 더 장시간의 대처시간을 제공할 수 있다. 이는 누설의 미감지에 의한 운전원의 판단 착오와 제어계통 오조작을 방지하고 소량누설 발생시 이를 조기감지하여 원전을 안전하게 정지 또는 고온대기 상태로 운전함으로써 원전의 실질적 안전성 향상에 기여할 수는 기술적 기반을 제공하는 것이다.

또한, 본 기술을 파단전 누출(LBB: Leak Before Break) 설계개념 적용 부위의 실시간 감시 기술로 적용하며 원자로 계통의 미세균열 부위를 통한 소량누설의 조기감지가 가능하므로 미세균열이 더 크게 성장하기 전에 발견하여 안전하게 대처하거나 보수할 수 있다.

이와 같이 기술의 활용성과 종래 기술과의 차별성과 혁신성 측면에서 본 기술은 원전 안전성 향상에 실질적 기여가 가능한 핵심기술이다.