● 제목 : Comparisons of performance and operation characteristics for closed- and open-loop passive containment cooling system design

● 저자 : 방정진 (중앙대학교), 정동욱 (중앙대학교), 김한곤 (한수원중앙연구원)

● 원문 : NET Volume 53, Issue 4, 2021,Pages 3517-2527

배경

후쿠시마 사고 후, 원자력 발전소 안전에 관한 중요도가 대두되면서 발전소 정전사고(Station Blackout)시에 원자력 발전소 안전성 증진을 위한 격납건물 피동냉각계통(Containment Passive Safety Sytem: PCCS)에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 피동냉각계통은 어떠한 외부전력 및 운전원 조치 없이 오로지 자연력을 활용하여 원자력발전소의 안전성을 향상시킨다는데 큰 장점이 있다.

본 논문은 국내 가동원전을 대상으로 PCCS 설계 개념를 제안하고 각 설계에 따른 열 제거 성능 및 작동특성을 분석하였다.

격납건물 피동냉각계통 설계 및 성능분석

그림 1은 격납건물 피동냉각계통(PCCS)의 형상을 보여준다. PCCS는 격납건물 내부에 열교환기(PCCX)와 격납건물 외부 보조빌딩 상부에 열침원인 냉각탱크(PCCT)가 설치되어있으며 물로 채워져 있다. 작동원리는 다음과 같다. 발전소 사고로 격납건물에 고온∙고압의 증기가 누설되면 PCCX내부의 상대적으로 차가운 냉각수가 격납건물 대기의 증기를 응축시켜 격납건물의 압력상승을 억제해준다. 이로 인해 PCCX 유체 온도가 상승(밀도 감소)하여 상부에 위치한 냉각탱크로 이동하게 된다. 이와 동시에 냉각탱크에서 냉각된 유체는 PCCX로 유입되면서 지속적으로 격납건물 압력상승을 억제한다. 이러한 유체의 이동현상을 자연순환(Natural circulation)이라 한다. 본 논문에서는 PCCX의 냉각수를 냉각탱크에서 냉각시키는 방법에 따라 크게 2가지 개념설계를 제시하였다.



1) 고온의 냉각수를 냉각탱크 냉각수와 직접 섞어 냉각하는 개방형 방식 (그림 2-가)


2) 냉각탱크 내부에 열교환기(PTHX)를 통해 냉각탱크 냉각수와 섞이지 않고 고온의 PCCX 유체를 냉각하는 폐쇄형 방식 (그림 2-나)

피동냉각계통은 펌프와 같이 유체를 강제로 밀어주는 힘이 없기 때문에 자연순환현상만으로 격납건물을 열을 제거할 수 있는 충분한 유동이 형성되는지 확인하는 것은 매우 중요하다. 이에 실제 가동원전(OPR-1000) 스케일에서 각 설계개념에 따른 열 제거 성능 및 작동특성 비교∙분석을 수행하였다. 분석은 다차원 격납건물 열∙수력 해석코드인 GOTHIC code를 활용하였다. 표 1은 분석결과를 바탕으로 개방형 및 폐쇄형 PCCS의 주요특성을 확인할 수 있다.
개방형의 경우, 직접접촉 냉각 방식을 활용으로 PCCX의 물을 효과적으로 냉각하여 PCCS의 열 제거 성능을 증진시킴과 동시에 단순한 설계방식으로 높은 효율성과 경제성을 가지는 장점이 있다. 하지만, 대기압 조건인 냉각탱크의 냉각수 온도가 100도에 가까워지면 자연순환 루프 내 비등이 발생할 수 있다. 비등으로 생성 된 증기의 밀도는 물에 비해 약 1000배 낮기 때문에 빠르게 상승하려는 반면 무거운 물은 반대로 역류하려는 현상이 발생하여 유동이 굉장히 떨리는 현상이 발생한다. 이를 유동불안정성(Flow instability)라 부른다. 유동불안정성은 부품에 진동을 유발하여 기기 건전성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 불규칙한 유동양상으로 정확한 열 제거 성능을 예측하기에 어려움이 따른다. 이에 유동불안정성을 최소화하기 위해 열교환기와 냉각탱크 사이의 거리를 증가시켜야 한다. 즉, 열교환기가 냉각탱크에 비해 상당히 낮은 위치에 설치하면 수두압으로 인해 자연순환 루프 내 유체의 끓는점이 상승하고 결과적으로 열교환기 내부에서의 폭발적인 비등현상을 완화 할 수 있다. 하지만, 열교환기의 설치 위치가 제한적이라는 단점은 여전히 존재한다.
폐쇄형의 경우, 개방형과 달리 초기 자연순환루프에 압력을 쉽게 조절할 수 있어 루프 내 비등을 발생없이 안정적이 유량을 확보할 수 있다. 이는 발전소 내 설치위치가 한정적이 조건에서도 적용이 가능한 장점이 있다. 또한, PCCX 파손으로 자연순환루프로 방사능 물질 누설되어도 설계 특성상 환경으로 방출되는 방사능 물질을 막을 수 있다. 반면, 격납건물의 열 제거를 위해 2 단계의 열 교환을 거치기 때문에 열 제거 성능이 개방형에 비해 낮은 단점이 있다. 격납건물 피동냉각계통의 주요설계요건 중 하나는 사고 발생 후, 72시간동안 운전원조치/능동계통/전원 없이 격납건물의 압력을 설계 값 이하로 유지하는 것 이다. 따라서, 상대적으로 열 제거 성능이 낮은 폐쇄형의 경우 위와 같은 설계요건을 만족하는지 추가적인 분석이 필요하다. 이에 사전연구[참조1]에서 폐쇄형 PCCS의 다양한 설계인자에 대해 민감도 분석을 수행하였으며, 그 결과 가동원전의 한정된 공간에서도 72 시간동안 격납건물의 압력이 설계값 이하로 유지되는 것을 확인하였다.

표 1. 격납건물 피동냉각계통 타입에 따른 장∙단점 분석

개방형 격납건물 피동냉각계통 (Open-loop PCCS)

장점 ㆍ 폐쇄형에 비해 열 제거 성능이 월등하게 뛰어나 요구되는 열교환기(PCCX) 면적을 최소화 할 수 있음
ㆍ 냉각탱크에 별도의 열교환기(PTHX)가 필요하지 않고 PCCX의 열교환기 면적을 최소화할 수 있어 경제적임
단점 ㆍ피동냉각계통 내 비등발생으로 유동의 불안정성 (Flow instability)가 발생함
ㆍ유동의 불안정성 최소화를 위해 열교환기의 설치위치가 한정적임
  - 열교환기와 냉각탱크 사이의 충분한 거리필요. 즉, 열교환기를 격납건물 하단부에 설치해야 함

폐쇄형 격납건물 피동냉각계통 (Closed-loop PCCS)

장점 ㆍ 유동의 불안정성이 발생하지 않고 안정적이 유량이 확보됨
ㆍ PCCX 열교환기의 설치 위치를 매우 유연하게 선정할 수 있음.
ㆍ PCCX 열교환기 파단이 발생하여도 방사능물질의 누설을 방지할 수 있음
단점 ㆍ두 번의 열 교환 과정(격납건물→PCCX→PTHX→냉각탱크)이 필요하여 개방형에 비해 열 제거 성능이 낮음
ㆍ초기 설치 비용 및 유지∙보수가 개방형에 비해 많이 요구 됨
결론

본 연구에서는 피동냉각계통인 PCCS 의 개방형과 폐쇄형 두 가지 설계개념에 대한 열제거 성능 및 작동특성을 분석하였다. 개방형 PCCS의 경우, 열제거 성능이 높아 격납건물의 압력을 효과적으로 낮출 수 있으며 설계가 비교적 단순하여 경제성이 높은 장점이 있다. 하지만 비등으로 인한 유동불안정성이 발생하며 이를 최소화 하기위해 열교환기의 설치 위치가 제한 될 수 있는 단점을 가진다. 페쇄형 PCCS의 경우, 설계특성상 안정적이 유량을 형성할 수 있으며 발전소 내부에 열교환기 설치위치에 대한 자유도가 높은 장점이 있다. 하지만, 개방형에 비해 열제거 성능이 낮으며 초기 설계 및 유지∙보수 비용이 높은 단점이 있다.
해당 분석결과는 발전소의 특성과 목적에 맞게 적절한 PCCS 형상을 선정하는데 기반자료로 활용 될 수 있다. 더 나아가, 가동원전을 대상으로 분석하였지만 해당 분석방법과 결과는 소형모듈원전(SMR)에도 PCCS 장치를 도입한다면 격납건물 및 냉각수 체적 최적화를 위해 활용할 수 있을 것이다.




  • · 참조문헌
      1. Bang, J., Hwang, J. H., Kim, H. G., & Jerng, D. W., Parametric analyses for the design of a closed-loop passive containment cooling system.
        Nuclear Engineering and Technology, 53(4), 1134-1145, 2020