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격납건물

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NRC의 가압수형 원자로 격납건물 도면
2011년 3월 16일 후쿠시마 제1 원자력 발전소의 3호기(오른쪽)와 4호기(왼쪽). 원자로 3기가 과열되어 노심 용융을 일으켜 방사성 물질이 격납 구조물 밖으로 누출되었다.[1]

격납건물(영어: Containment building)은 핵반응로를 둘러싸는 강철, 콘크리트 또는 납으로 강화된 구조물이다. 어떠한 비상 상황에서도 방사성 증기 또는 기체가 최대 275 to 550 kPa (40 to 80 psi)의 압력으로 누출되는 것을 막도록 설계되었다. 격납건물은 방사성 물질 방출에 대한 네 번째이자 마지막 방벽(핵반응로의 심층 방어 전략의 일부)이며, 첫 번째는 연료 세라믹 자체, 두 번째는 금속 연료 피복관, 세 번째는 원자로 압력용기 및 냉각제 시스템이다.[2]

미국의 각 원자력 발전소는 최종 안전 분석 보고서(FSAR)에 "설계 기준 사고"로 명시된 특정 조건에 견딜 수 있도록 설계되었다. FSAR은 일반적으로 원자력 발전소 근처의 공공 도서관에서 대중이 열람할 수 있다.

격납건물 자체는 일반적으로 원자로를 둘러싸는 밀폐된 강철 구조물이며, 외부 대기로부터 일반적으로 밀폐된다. 강철은 독립형이거나 콘크리트 미사일 방호벽에 부착된다. 미국에서는 격납건물 및 미사일 방호벽의 설계 및 두께는 연방 규정(10 CFR 50.55a)에 의해 규정되며, 만재된 여객기의 충격에도 파열되지 않을 만큼 충분히 강해야 한다.[3]

격납건물은 가장 심각한 핵반응로 사고에서 중요한 역할을 하지만, 단기적으로(대규모 파열 사고의 경우) 증기를 격납하거나 응축하도록만 설계되었으며, 장기적인 열 제거는 다른 시스템에 의해 제공되어야 한다. 스리마일섬 원자력 발전소 사고에서 격납 압력 경계는 유지되었지만, 냉각이 불충분하여 사고 발생 후 얼마 지나지 않아 과압을 방지하기 위해 운전자가 의도적으로 격납건물에서 방사성 기체를 방출했다.[4] 이는 추가적인 고장과 함께 사고 동안 최대 1,300만 퀴리의 방사성 기체가 대기로 방출되게 했다.[5]

후쿠시마 제1 원자력 발전소는 1971년부터 안전하게 운영되었지만, 설계 기준을 훨씬 초과하는 지진과 쓰나미로 인해 교류 전원, 비상 발전기 및 배터리가 고장 나 모든 안전 시스템이 무력화되었다. 이러한 시스템은 원자로가 정지된 후에도 연료를 냉각 상태로 유지하는 데 필요했다. 이로 인해 연료봉의 부분적 또는 완전한 노심 용융이 발생하고, 연료 저장 수조 및 건물이 손상되며, 방사성 잔해가 주변 지역, 공기 및 바다로 방출되었고, 사용 후 연료 수조 및 격납건물에 냉각수를 공급하기 위해 소방차 및 콘크리트 펌프를 임시방편으로 사용해야 했다. 사고 동안 1~3호기 격납건물 내부의 압력은 설계 한도를 초과하여 상승했으며, 방사성 기체를 배출하여 압력을 줄이려는 시도에도 불구하고 격납건물이 파열되었다. 격납건물에서 누출된 수소가 공기와 섞여 1, 3, 4호기에서 폭발이 발생하여 원자로 안정화 시도를 더욱 복잡하게 만들었다.

종류

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제한적인 사고에서 증기 외부 압력이 주요 힘인 경우 격납건물은 구형 설계를 지향하는 반면, 구조물의 무게가 주요 힘인 경우 캔형 설계를 지향한다. 현대적인 설계는 이 둘의 조합을 지향한다.

원자력 발전소의 격납 시스템은 크기, 모양, 사용된 재료 및 억제 시스템에 따라 구별된다. 사용되는 격납 방식은 원자로 유형, 원자로 세대 및 특정 발전소 요구 사항에 따라 결정된다.

억제 시스템은 안전 분석에 매우 중요하며 격납건물의 크기에 크게 영향을 미친다. 억제는 주요 파열로 인해 냉각 시스템에서 방출된 증기를 응축시키는 것을 의미한다. 붕괴열은 빨리 사라지지 않으므로 장기적인 억제 방법이 있어야 하지만, 이는 단순히 격납건물 표면에서 주변 공기와의 열 교환일 수도 있다. 여러 일반적인 설계가 있지만, 안전 분석 목적상 격납건물은 "대형 건식", "아음속", 또는 "얼음 응축기"로 분류된다.

가압수형 원자로

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가압수형 원자로의 경우, 격납건물은 증기 발생기와 가압기를 포함하며, 전체 원자로 건물이다. 그 주위의 미사일 방호벽은 일반적으로 높은 원통형 또는 돔형 건물이다. PWR 격납건물은 일반적으로 크다(BWR보다 최대 7배). 이는 누설 설계 기준 사고 중 격납 전략이 냉각재 상실 사고로 인해 발생하는 증기/공기 혼합물이 팽창할 수 있는 충분한 부피를 제공하여 격납건물에 도달하는 궁극적인 압력(누설 구동력)을 제한하는 것을 포함하기 때문이다.

지멘스, 웨스팅하우스, 컴버션 엔지니어링을 포함한 초기 설계는 주로 철근 콘크리트로 지어진 캔과 같은 형태를 가졌다. 콘크리트가 인장 강도에 비해 압축 강도가 매우 좋기 때문에, 격납건물의 매우 무거운 상단 부분이 큰 하향력을 가하여 격납 압력이 갑자기 상승할 경우 일부 인장 응력을 방지하므로 이는 건축 재료에 대한 논리적인 설계이다. 원자로 설계가 발전함에 따라 PWR에 대한 많은 거의 구형 격납 설계도 건설되었다. 사용된 재료에 따라 구는 단순히 큰 압력을 포함하는 데 가장 좋은 구조이기 때문에 이는 가장 명백하게 논리적인 설계이다. 대부분의 현재 PWR 설계는 원통형 하부와 반구형 상부의 두 가지 조합을 포함한다.

현대적인 설계는 또한 강철 격납 구조를 사용하는 쪽으로 더 많이 이동했다. 어떤 경우에는 강철이 콘크리트 내부를 보강하는 데 사용되어 격납건물이 고압 상태가 되는 가상의 경우에 두 재료의 강도에 기여한다. 또 다른 새로운 설계는 강철 및 콘크리트 격납건물을 모두 요구하는데, 이는 현재 독일의 PWR 설계에서 수십 년 동안 사용되어 왔으며, 특히 AP1000 및 유럽형 가압수형 원자로는 둘 다 사용하려고 계획하고 있다. 이는 외부 콘크리트로 미사일 보호 기능을 제공하고 내부 강철 구조물로 가압 능력을 제공한다. AP1000은 주요 사고 발생 시 강철 구조물 위로 공기를 이동시켜 격납건물을 냉각하는 데 도움이 되도록(마치 냉각탑이 작동하는 방식과 유사하게) 강철 구조물을 둘러싸는 콘크리트 구조물 바닥에 환기구를 계획했다.

러시아의 VVER-1000 설계는 그 자체로 PWR이기 때문에 격납건물에 관해서는 다른 현대 PWR과 거의 동일하다. 그러나 VVER-440 유형은 상대적으로 낮은 설계 압력을 가진 이른바 버블 응축기 형태의 훨씬 더 취약한 격납건물을 가지고 있다.

경수로 흑연감속로

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경수로 흑연감속로는 소련에서만 건설되었다. 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 설계는 2차 격납건물과 유사한 구조를 사용했지만, 원자로 상판이 보호 구조물의 일부였다. 1986년 체르노빌 사고 당시 상판은 예측 한도를 초과하는 압력을 받아 들려 올라갔다.

비등수형 원자로

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일반적인 BWR 마크 I 격납건물의 단면 스케치

비등수형 원자로에서 격납 전략은 다르다. BWR의 격납건물은 원자로와 관련 냉각 장비가 위치한 드라이웰과 습식웰로 구성된다. 드라이웰은 PWR 격납건물보다 훨씬 작고 더 큰 역할을 한다. 이론적인 누설 설계 기준 사고 동안, 원자로 냉각수가 드라이웰에서 증기로 플래싱되어 빠르게 가압된다. 드라이웰의 통기 파이프 또는 튜브는 습식웰(토러스 또는 억제 풀이라고도 함)에 유지되는 수위 아래로 증기를 직접 보내 증기를 응축시켜 궁극적으로 도달하는 압력을 제한한다. 드라이웰과 습식웰은 모두 2차 격납 건물에 둘러싸여 있으며, 정상 작동 및 재장전 작업 중에는 약간 아음속 또는 음압으로 유지된다.

일반적인 격납 설계는 마크 I, 마크 II, 마크 III라는 이름으로 불린다. 마크 I은 가장 오래된 것으로, 물을 포함하는 강철 토러스인 습식웰 위에 거꾸로 된 전구 모양의 드라이웰이 특징이다. 마크 II는 후기 BWR-4 및 BWR-5 원자로에 사용되었다. 이는 드라이웰이 콘크리트 슬래브 위에 잘린 원뿔을 형성하는 "오버-언더" 구성이라고 불린다. 그 아래에는 시트 금속이 아닌 콘크리트로 만들어진 원통형 억제 챔버가 있다. 둘 다 약간의 음압으로 유지되는 상층 위에 경량 강철 또는 콘크리트 "2차 격납건물"을 사용하므로 공기가 여과될 수 있다. 최상층은 넓은 개방 공간으로, 두 개의 긴 벽 사이에 오버헤드 크레인이 매달려 있어 지상에서 무거운 연료 통을 이동하고, 원자로 및 원자로 우물에서 하드웨어를 제거/교체하는 데 사용된다. 원자로 우물은 침수될 수 있으며, 연료봉 위에 일반적으로 놓이는 원자로 하드웨어를 저장하고 연료를 저장하기 위한 게이트로 분리된 수조 양쪽에 걸쳐 있다. 재장전 플랫폼에는 "가축 슈트"를 통해 노심 영역으로 연료봉 조립체를 정밀하게 들어 올리고 내리는 데 사용되는 특수 망원경식 마스트가 있다.[6] 마크 III는 PWR처럼 콘크리트 돔을 사용하며, 사용된 연료봉을 다른 층에 저장하기 위한 별도의 건물을 가지고 있다. 세 가지 유형 모두 과도기 동안 원자로 시스템에서 방출된 증기를 소멸시키기 위해 억제 풀의 큰 수체를 사용한다.

마크 I 격납건물은 후쿠시마 제1 원자력 발전소에서 사고에 연루된 원자로에 사용되었다. 이 발전소는 두 가지 설계 기준 초과 사건, 즉 강력한 지진으로 원자로 배관 및 구조물이 손상되었을 수 있으며, 15미터 쓰나미로 연료 탱크, 발전기 및 배선이 파괴되어 백업 발전기가 고장 나고 배터리 구동 펌프도 결국 고장 나면서 복합적인 피해를 입었다. 불충분한 냉각과 물이 끓어 넘쳐 손실된 물을 복원하는 데 필요한 펌프의 고장으로 연료봉의 부분적 또는 완전한 노심 용융이 발생하여 연료봉이 완전히 물에 잠기지 않았다. 이로 인해 상당한 양의 방사성 물질이 공기와 바다로 방출되었고 수소 폭발이 발생했다. 얇은 2차 격납건물은 수소 폭발에 견디도록 설계되지 않아 지붕과 벽이 파손되거나 파괴되었고, 크레인과 재장전 플랫폼을 포함한 재장전층의 모든 장비가 파괴되었다. 3호기는 특히 엄청난 폭발을 겪어 300m가 넘는 잔해 기둥을 생성했으며, 이로 인해 최상층의 북쪽 끝이 붕괴되고 서쪽 벽의 콘크리트 기둥이 휘어진 것이 공중 사진에서 볼 수 있다. 수소를 배기 스택으로 배출하기 위한 개량된 강화된 환기 시스템이 장착되었지만, 전원이 없으면 효과가 없었을 수 있다. 후쿠시마 사고 전에도 마크 I 격납건물은 정전 시 고장 날 가능성이 더 높다는 비판을 받아왔다.[7][8]

멀리서 보면 BWR 설계는 PWR 설계와 매우 다르게 보인다. 이는 일반적으로 2차 격납건물에 사각형 건물이 사용되기 때문이다. 또한 터빈과 원자로를 통한 루프가 하나뿐이고 터빈을 통과하는 증기도 방사성을 띠기 때문에 터빈 건물도 상당히 차폐되어야 한다. 이로 인해 비슷한 구조의 두 건물이 생기는데, 더 높은 건물은 원자로를 수용하고 긴 건물은 터빈 홀과 지지 구조물을 수용한다.

CANDU 발전소

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캐나다에서 발명된 중수 우라늄 설계를 따서 명명된 CANDU 발전소는 다른 발전소 설계보다 더 다양한 격납 설계 및 억제 시스템을 사용한다. 노심 설계의 특성상 동일한 출력 등급의 격납건물 크기는 일반적으로 일반적인 PWR보다 크지만, 많은 혁신으로 이 요구 사항이 줄어들었다.

많은 다중 유닛 CANDU 발전소는 물 분무 장치가 장착된 진공 건물을 활용한다. 현장의 모든 개별 CANDU 유닛은 격납건물의 일부인 대형 압력 방출 덕트를 통해 이 진공 건물에 연결된다. 진공 건물은 가정된 파열로부터 증기를 빠르게 흡입하고 응축시켜 원자로 건물 압력을 아음속 조건으로 되돌린다. 이는 환경으로의 핵분열 생성물 방출 가능성을 최소화한다.[9]

또한, 두 유닛의 격납건물이 연결되어 대규모 사고 발생 시 더 큰 격납 부피를 허용하는 이중 격납건물과 유사한 설계도 있었다. 이는 이중 유닛과 억제 풀이 구현된 인도의 IPHWR 설계에 의해 개척되었다.

그러나 가장 최근의 CANDU 설계는 각 유닛에 단일 재래식 건식 격납건물을 요구한다.[10]

설계 및 시험 요구 사항

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미국 원자력 규제 위원회의 격납건물 내부 구역 이미지

미국에서는 미국연방규정집 10편 50조 부록 A, 일반 설계 기준(GDC 54-57) 또는 기타 설계 기준이 격납건물 벽을 관통하는 라인 격리에 대한 기본 설계 기준을 제공한다. 증기 라인과 같은 격납건물을 관통하는 각 대형 파이프에는 부록 A에서 허용하는 대로 구성된 격리 밸브가 일반적으로 2개 있다.[11] 작은 라인의 경우 하나는 내부에, 다른 하나는 외부에 있다. 크고 고압 라인의 경우 안전 밸브 공간 및 유지 보수 고려 사항으로 인해 설계자는 라인이 격납건물을 나가는 지점 근처에 격리 밸브를 설치한다. 원자로 냉각재를 운반하는 고압 배관에 누출이 발생하면 이러한 밸브가 빠르게 닫혀 방사성 물질이 격납건물을 탈출하는 것을 방지한다. 격납건물을 관통하는 예비 시스템 라인의 밸브는 일반적으로 닫혀 있다. 격납 격리 밸브는 고에너지 라인 파열(예: 주증기 또는 급수 라인) 시 경험하는 격납 고압과 같은 다양한 다른 신호에도 닫힐 수 있다. 격납건물은 증기/결과 압력을 포함하는 역할을 하지만, 가압수형 원자로에서 이러한 파열과 관련된 방사능 영향은 일반적으로 없다.

정상 작동 중 격납건물은 기밀 상태이며 접근은 해상 스타일 에어록을 통해서만 가능하다. 높은 공기 온도와 노심의 방사선은 발전소가 완전 가동 중일 때 사람이 격납건물 내부에서 머무를 수 있는 시간을 분 단위로 제한한다. NRC 규정에서 "설계 기준 사고"라고 불리는 최악의 비상 상황 발생 시, 격납건물은 밀폐되어 노심 용융을 격납하도록 설계되었다. 노심 용융을 방지하기 위해 중복 시스템이 설치되지만, 정책상 노심 용융이 발생한다고 가정하며 따라서 격납건물이 필요하다. 설계 목적상 원자로 용기의 배관이 파열되어 "LOCA"(냉각재 상실 사고)가 발생하여 원자로 용기의 물이 격납건물 내부의 대기로 방출되어 증기로 플래시된다고 가정한다. 격납건물 내부에서 발생하는 압력 증가는 압력에 견디도록 설계되었으며, 격납 스프레이("소수 스프레이")를 작동시켜 증기를 응축시키고 압력을 줄인다. 파열이 발생한 직후 긴급정지("중성자 트립")가 시작된다. 안전 시스템은 격리 밸브를 닫아 기밀 격납건물로의 비필수 라인을 차단한다. 비상 노심 냉각 시스템은 연료를 냉각하고 녹는 것을 방지하기 위해 빠르게 작동된다. 정확한 사건 순서는 원자로 설계에 따라 달라진다.[12][13]

미국의 격납건물은 10 CFR Part 50, Appendix J에 따라 격납 및 격납 격리 조항에 대한 의무적인 테스트를 받는다. 격납 통합 누설률 테스트(Type "A" 테스트 또는 CILRT)는 15년마다 수행된다. 국소 누설률 테스트(Type B 또는 Type C 테스트 또는 LLRT)는 사고 시 발생할 수 있는 누설을 식별하고 누설 경로를 찾아 수정하기 위해 훨씬 더 자주 수행된다. LLRT는 격납 격리 밸브, 해치 및 격납건물을 관통하는 기타 부속품에 대해 수행된다. 원자력 발전소는 각 정지 후 원자로를 재시작하기 전에 격납 무결성을 증명해야 한다. 이 요구 사항은 만족스러운 국소 또는 통합 테스트 결과(또는 ILRT가 수행될 때 이 둘의 조합)로 충족될 수 있다.[14]

1988년에 샌디아 국립 연구소는 제트 전투기를 775 km/h (482 mph)의 속도로 큰 콘크리트 블록에 충돌시키는 테스트를 수행했다.[15][16] 비행기는 콘크리트에 64-밀리미터-deep (2.5 in) 깊이의 긁힌 자국만 남겼다. 이 블록은 격납건물 미사일 방호벽처럼 건설되지 않았고 이 실험은 원자력 발전소 격납 구조물의 강도를 시연하도록 설계되지 않았지만, 결과는 지표적이라고 간주되었다. EPRI(전력 연구소)의 후속 연구에서는 상업용 항공기가 위험을 초래하지 않는다고 결론 내렸다.[17]

터키 포인트 원자력 발전소는 1992년 허리케인 앤드루의 직격탄을 맞았다. 터키 포인트는 두 개의 화석연료 유닛과 두 개의 원자력 유닛을 가지고 있다. 9천만 달러 이상의 피해가 발생했으며, 주로 물탱크와 현장의 화석연료 유닛 중 하나의 굴뚝에 피해가 있었지만 격납건물은 손상되지 않았다.[18][19]

같이 보기

[편집]

각주

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  1. ↑ Fackler, Martin (2011년 6월 1일). “Report Finds Japan Underestimated Tsunami Danger”. 《New York Times》.
  2. ↑ Nuclear Plant Security Systems, PDH Course E182
  3. ↑ “§ 50.150 Aircraft impact assessment”.
  4. ↑ U.S. Nuclear Regulatory Commission Fact Sheet on the Accident at Three Mile Island. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html.
  5. ↑ Report of The President's Commission on the Accident at Three Mile Island. http://www.threemileisland.org/downloads/188.pdf. 보관됨 2011-04-09 - 웨이백 머신.
  6. ↑ All Things Nuclear: Possible Source of Leaks at Spent Fuel Pools at Fukushima
  7. ↑ Yang, Jia Lynn (2011년 3월 14일). “Nuclear experts weigh in on GE containment system”. 《Washington Post》. 2011년 3월 18일에 확인함.
  8. ↑ Carbone, Nick (2011년 3월 16일). “Fukushima Reactor Flaws Were Predicted – 35 Years Ago”. 《Time》.
  9. ↑ Nuclear Tourist (see next reference)
  10. ↑ Candu containment safety. 보관됨 2007-09-29 - 웨이백 머신.
  11. ↑ “Flowserve Corporation – Edward” (PDF). 2006년 3월 18일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2005년 7월 7일에 확인함.
  12. ↑ Sequence of events, ABWR reactor design: “15A Plant Nuclear Safety Operational Analysis (NSOA)” (PDF) (PDF), 《Preliminary Safety Analysis Report: LUNGMEN UNITS 1 & 2》 (No Nukes Asia Forum), 37–38쪽, 2005년 10월 30일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서, 2006년 2월 8일에 확인함
  13. ↑ Sequence of events, CANDU reactor design: Snell, V. G. (2009년 11월 17일), “Lecture 9 – Accident Analysis” (PDF) (PDF), 《UN 0803 – Nuclear Reactor Safety Design》 (Canada: University Network of Excellence in Nuclear Engineering), 23–28쪽, 2013년 1월 22일에 확인함.
  14. ↑ Leakage
  15. ↑ “World Environment News – NRC assessing US nuclear plants' airstrike risk”. 《Planet Ark》. 2011년 5월 24일. 2011년 5월 24일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2023년 5월 9일에 확인함.
  16. ↑ “Sandia National Labs: News Room: Resources: Video Gallery”. 2019년 12월 7일. 2019년 12월 7일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2023년 5월 9일에 확인함.
  17. ↑ “Analysis of Nuclear Power Plants Shows Aircraft Crash Would Not Breach Structures Housing Reactor Fuel” (보도 자료). Nuclear Energy Institute. 2002년 12월 23일. 2017년 1월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. NEI Analysis shows Aircraft won't breach
  18. ↑ NRC Turkey Point 1
  19. ↑ NRC Turkey Point 2

외부 링크

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