원자력발전소 고에너지 배관 파단 시 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 평가(RBM) 방법{Realistic Bounding Methodology of Mass/Energy Release for the Subcompartment Pressure/Temperature on High Energy Pipe Break at Nuclear Power Plant}

본 발명은 해외 기술로 설계된 국내 원자력발전소에서 고에너지 배관 파단 시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량을 계산하고자 할 경우에, RELAP5 전산코드를 사용하여 최적으로 계산된 분석 결과에 적절한 보수성을 제공함으로써, 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적인지 않은 평가 방법을 사용하여 격실의 압력/온도를 분석할 수 있고, 보수적이어야 하는 인허가 요건을 충족시키고, 불필요하게 구조물, 계통, 기기에 대해 물리적인 설계 변경을 직접 가하는 것을 방지하거나 최소화한 원자력발전소 격실의 압력/온도 평가를 위한 질량/에너지 방출량에 대한 평가(RBM) 방법에 관한 것이다.

원자력발전소에서는 정상 운전 시 뿐만 아니라 사고 시에도 원자력발전소의 안전에 중요한 계통 및 기기는 기능과 작동이 보장되어야 하며, 안전 관련 기기가 설치된 토목 구조물(격실)도 구조적 건전성이 유지되어야 한다.

이를 위하여, 국내 원전 설계 업체가 설계한 원자력발전소에서는 고에너지 배관이 파단되어 격실의 온도/압력이 증가되는 현상을 분석하기 위하여, 70년대부터 사용된 보수적 방법으로 격실의 온도와 압력을 평가하여 원자력발전소 격실 및 기기 설계에 반영함으로써, 규제기관으로부터 인허가를 순조롭게 취득하여 왔다. 특히, 국내의 경우 격실의 온도/압력을 평가하기 위해 COMPARE라는 전산코드를 사용하는데, 고에너지 배관 파단 시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량이 COMPARE 전산코드의 입력 자료로 주어져야 하고, 특히 격실의 압력/온도에 미치는 영향이 선형적이어서, 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량이 격실의 압력/온도에 미치는 영향이 절대적으로 크다.

고에너지 배관 파단시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량은 원자력발전소 대부분의 격실에 대해 수계산으로 매우 보수적으로 평가되며(110), 제한된 격실에 대해서만 설계 비용과 설계 기술을 고려하여 RELAP5 전산코드를 사용하여 최적으로 평가되고 있다. 설계 기술 관점에서 최적 평가 코드인 RELAP5를 사용하여 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량을 계산(120)했다 할지라도, 계산된 질량/에너지 결과가 최적 결과라는 의미는 되지만 보수적 결과라는 의미를 입증하기에는 어려움이 있으므로 RELAP5 분석 결과를 격실의 온도/압력 분석에 직접 적용하는 것도 어려운 형편이다.

고에너지 배관에서 양단 파단 발생시, 계통 운전 중의 유체 흐름 방향을 순방향으로 정의하면, 순방향과 역방향으로 유체가 흘러서 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는데, 수계산의 경우에는 동일한 순방향 유량(Forward Flow)과 역방향 유량(Reverse Flow)으로 유입되며, RELAP5 전산코드에서는 도 1에 표시된 순방향 유량과 역방향 유량이 각각 격실로 유입된다.

도 1을 참조하여, 수계산의 경우, 순방향 및 역방향에 대해 각각 약 10,475kg/sec의 유량이 방출되어 총 20,950kg/sec의 최대 유량이 파단 부위를 통해 격실로 유입되고, RELAP5 전산코드의 경우 순방향 및 역방향에 대해 각각 약 2,445kg/sec의 최대 유량이 파단 부위를 통해 격실로 유입되어 수계산의 경우가 RELAP5 전산코드를 사용한 경우보다 최대 유량 측면에서도 약 4배 이상이 과도하게 격실로 유입되는 결과를 초래함을 알 수 있다. 배관 파단 후 100초 동안에 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입된 총 질량을 산정해보면, 수계산의 경우에는 순방향 및 역방향에 대해 각각 약 1,047,500kg의 질량이 방출되어 총 2,095,000kg의 질량이 방출되고, RELAP5 전산코드를 사용한 경우에는 순방향 및 역방향에 대해 각각 약 120,000kg 및 20,000kg의 질량이 방출되어 총 140,000kg의 질량이 방출된다. 수계산 경우가 RELAP5 전산코드를 사용한 경우와 단순 비교해도, 질량은 약 15배가 많이 방출됨을 알 수 있다. 에너지 방출량은 질량 방출량과 엔탈피의 곱에 해당하므로, 결국 에너지 방출량도 수계산의 경우가 RELAP5 전산코드를 사용한 경우와 비교하여, 총 에너지가 약 15배 정도 많이 방출됨을 예상할 수 있다. 신규 원전 설계의 경우에는 약 4배 정도 큰 방출율 또는 약 15배 정도 큰 질량/에너지 방출량을 사용하더라도, 기기가 설치되는 격실의 자유체적을 크게 하고 Vent 설비를 충분히 설치함으로써 토목 구조물의 압력 및 기기 검증의 온도/압력에 대한 규제 요건을 충족시킬 수 있다. 그러나, 신규로 설계하는 원자력발전소가 아닌 해외 원전 설계 업체가 설계하여 이미 가동 중인 국내 원자력발전소에 대한 주기적 안전성점검의 일환으로 수계산으로 얻어진 질량/에너지 방출율을 사용하여 격실의 압력/온도를 재평가할 경우에, 분석된 압력 결과가 너무 높아서 토목 구조물이 견디지 못해 토목 구조물을 설계 변경해야 되는 결론이 도출되는 경우도 발생하고 있으며, 기기에 대해서도 기기 검증 가능한 온도/압력과 비교하여 분석 결과가 너무 높아서 기기 검증을 수행할 수 없다는 결론이 도출되는 경우도 발생하고 있다.

즉, 원자력발전소를 설계할 당시에는 규제 요건이 충족되도록 보수적으로 설계했음에도 불구하고 수계산 방법으로 얻어진 과도하게 보수적인 질량/에너지 방출량을 격실 압력/온도 분석에 사용하여 재평가하면 실질적으로는 설계 변경이 불필요한 토목 구조물에 설계 변경을 해야 되는 일이 발생된다.

결론적으로 수계산 결과를 사용하는 경우에는 너무나 보수적인 결과를 초래해서 문제가 발생되고, RELAP5 전산코드 결과를 사용하는 경우에는 보수적인 결과가 아닌 최적 결과라서 인허가 시현이 어렵다.

이와 관련된 기술로 대한민국 공개특허공보 KR10-2011-0047545호는 원자력발전소 주급수 배관 파단 시 원자로건물 외부 부격실 침수 최적분석 방법이고, 공개특허공보 KR10-2006-0028337호는 저온관 파단 사고를 대비하는 비상노심냉각수를 효과적으로 주입하도록 함으로써 비상노심냉각수가 파단 저온관으로의 우회율을 현저하게 낮추어 비상노심 냉각수가 최소 우회되는 직접주입노즐을 제공하는 것으로, 본 발명의 기술적 구성의 특징인 "배관 파단시 배관 파단 부위의 압력을 계산하는 방법과, 배관 파단시 배관 파단 부위의 질량 방출율을 계산하는 방법 및 배관의 파단 부위를 통해 격실로 방출되는 에너지량을 계산하는 단계"와는 기술적 구성과 작용효과에서 차이가 현저하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 "원자력발전소 격실의 압력/온도 평가를 위한 질량/에너지 방출량에 대한 실질적이고 보수적인 평가 방법"에서 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 분석방법인 Realistic Bounding Methodology(RBM)으로 계산한 배관 파단 유량을 계산하는 것이다. 본 발명을 사용함으로써, 분석 과정에 내재된 과도한 보수성을 완화할 수 있으므로, 현재 운전중인 원자력발전소 격실의 구조물, 계통, 기기에 대해서는 불필요한 물리적인 설계 변경을 방지하거나 최소화할 수 있다. 그리고 신규로 건설 예정인 원자력발전소에 대해서는 격실의 공간을 줄이고 구조물, 계통과 기기의 설계를 단순화할 수 있다. 그리고 인허가 업무를 원활하게 수행할 수 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 종래기술을 사용하여 고에너지 배관 파단 시 수 계산으로 분석된 질량/에너지 방출량을 사용하여 격실의 압력/온도 분석을 수행할 경우, 격실의 압력이 너무 높아서 토목 구조물이 손상 또는 붕괴의 위험이 있으며, 이를 방지하기 위해 토목 구조물(벽체)에 압력 방출구를 새로이 설치되어야 한다.

본 발명인 RBM 방법을 적용하게 되면 배관파단에 의한 에너지/질량방출에 의한 유량이 수계산 결과의 약 13%에 해당되고, RELAP5 전산코드 결과의 약 2배에 해당되는 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 배관 파단 유량을 적용할 수 있다. 결과적으로 격실의 압력이 토목 설계 압력보다 낮게 계산되므로 토목 구조물(벽체)에 신규로 불로우아우트 패널(Blowout Panel)을 설치할 필요가 없으며, Blowout Panel을 토목 구조물(벽체)에 설치하는데 필요한 큰 압력 방출구(구멍)를 낼 필요도 없다.

본 발명의 과제 해결 수단은 배관 파단 시점부터 0.01~0.1초 까지 과냉각 유체의 압력이 급격하게 천이되는 시점이며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 제1 단계와, 상기 제1 단계의 0.01~0.1초 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력(230)보다 15-25% 높은 압력으로 일정 기간 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 단계를 포함하는 원자력발전소 고에너지 배관 파단 시 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 평가 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 대기압 도달 시점 또는 밸브 잠김 시점 이후부터 사고 종료 시점까지로 대기압보다 15-25% 높은 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 제3 단계와, 배관 파단 시점부터 0.001초 까지 과냉각 유체의 방출량이 급격하게 증가되며, 배관 파단 시점부터 상승 시간인 0.001초 까지 배관 파단 유량이 선형적으로 증가하는 것으로 산정하는 제4 단계를 더 포함하는 원자력발전소 고에너지 배관 파단 시 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 평가 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 0.001초 이후부터 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어지며, 이 때 배관 파단 유량이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력에 해당하는 임계 유량으로 일정하게 방출되는 것으로 산정하는 제5 단계와, 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어진 시점인 0.01~0.1초 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력보다 약 15-25% 정도 높은 압력에 해당하는 임계 유량으로 파단 유량이 방출되는 것으로 산정하는 제6 단계를 더 포함하는 원자력발전소 고에너지 배관 파단 시 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 평가 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 "원자력발전소 격실의 압력/온도 평가를 위한 질량/에너지 방출량에 대한 실질적이고 보수적인 평가 방법"은 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 분석방법인 Realistic Bounding Methodology(RBM)으로 계산한 배관 파단 유량을 계산하는 것이다.

본 발명을 사용함으로써, 분석 과정에 내재된 과도한 보수성을 완화할 수 있으므로, 현재 운전중인 원자력발전소 격실의 구조물, 계통, 기기에 대해서는 불필요한 물리적인 설계 변경을 방지하거나 최소화할 수 있다. 그리고 신규로 건설 예정인 원자력발전소에 대해서는 격실의 공간을 줄이고 구조물, 계통과 기기의 설계를 단순화할 수 있다. 그리고 인허가 업무를 원활하게 수행할 수 있는 유리한 효과가 있다.

또한, 종래기술을 사용하여 고에너지 배관 파단 시 수 계산으로 분석된 질량/에너지 방출량을 사용하여 격실의 압력/온도 분석을 수행할 경우, 격실의 압력이 너무 높아서 토목 구조물이 손상 또는 붕괴의 위험이 있으며, 이를 방지하기 위해 토목 구조물(벽체)에 압력 방출구를 새로이 설치되어야 한다.

그렇지만, 본 발명인 RBM 방법을 적용하게 되면 배관파단에 의한 에너지/질량방출에 의한 유량이 수계산 결과의 약 13%에 해당되고, RELAP5 전산코드 결과의 약 2배에 해당되는 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 배관 파단 유량을 적용할 수 있다.

결과적으로 격실의 압력이 토목 설계 압력보다 낮게 계산되므로 토목 구조물(벽체)에 신규로 Blowout Panel을 설치할 필요가 없으며, Blowout Panel을 토목 구조물(벽체)에 설치하는데 필요한 큰 압력 방출구(구멍)를 낼 필요도 없는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되기 이전의, 고에너지배관 파단시 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 파단 유량을 수계산으로 계산한 결과와 RELAP5 전산코드를 사용하여 계산한 결과를 보여주는 단순도이다.
도 2는 고에너지배관 파단 시, 본 발명이 적용되기 이전에 RELAP5 전산코드로 최적 계산된 파단 부위의 압력 결과와, 본 발명이 적용된 이후에 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 파단 부위의 압력 결과를 보여주는 단순도이다.
도 3은 본 발명이 적용되어, 고에너지배관 파단 시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 배관 파단 유량을 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 평가 방법론을 사용하여 계산한 결과를 보여주는 단순도이다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명은 원자력발전소 격실의 토목 구조물 설계 및 기기 검증을 위하여 필요한 기술이다.

본 발명은 해외 기술로 설계된 국내 원자력발전소에서 고에너지 배관 파단 시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량을 계산하고자 할 경우에, RELAP5 전산코드를 사용하여 최적으로 계산된 분석 결과에 적절한 보수성을 제공함으로써, 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 평가 방법을 사용하여 격실의 압력/온도를 분석할 수 있고, 보수적이어야 하는 인허가 요건을 충족시키고, 불필요하게 구조물, 계통, 기기에 대해 물리적인 설계 변경을 직접 가하는 것을 방지하거나 최소화하는 것이다. 본 발명을 실시 예에서 구체적으로 살펴본다.

<실시 예>

본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 본 발명이 적용되기 이전의, 고에너지배관 파단시 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 파단 유량을 수 계산으로 계산한 결과와 RELAP5 전산코드를 사용하여 계산한 결과를 도시한 것이다.

본 발명은 고에너지 배관 파단 시 배관 파단 부위의 압력을 계산하는 방법에 관한 것으로, 과냉각 유체를 고압으로 유지하고 있는 계통의 운전 압력이 배관 파단으로 인해 낮은 압력으로 떨어지는 압력 천이 과정을 최적 전산코드인 RELAP5를 이용하여 계산하는 단계를 포함한다.

RELAP5는 미국 NRC 주관으로 개발되어 실험 자료로 성능이 입증된 최적 열수력 계산 프로그램이고, 국내 규제기관인 한국원자력안전기술원(KINS)에서도 최적 열수력 계산 프로그램으로 인정된 전산코드이고, RELAP5로 계산된 계통의 압력은 신뢰도 있는 계통의 최적 압력 값에 해당한다.

그러나, 인허가 관점에서 보수적 결과를 사용하도록 요구하는 규제기관의 요구를 충족시킬 수 없는 문제점이 있다.

본 명세서 상의 "보수적"이라는 용어는 인허가를 위하여 안정성과 신뢰성이 향상된 시스템을 의미한다.

RELAP5가 제공하는 최적 압력을 본 발명에서는 다음과 같은 단계를 거쳐 보수적 압력으로 변환하는 원자력발전소 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 실질적이고 보수적인 평가(RBM) 방법을 제공한다.

제1 단계 : 배관 파단 시점부터 0.01~0.1초 까지 과냉각 유체의 압력이 급격하게 천이되는 제1 단계이며, 0.01~0.1초는 과냉각 유체가 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 도달하는데 소요되는 시간(Saturation State Arrival Time)(240)에 해당한다.

즉, 제1 단계에서는 배관 파단 시점부터 0.01~0.1초 까지 배관 파단 부위의 압력이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력으로 일정하게 유지되는(221) 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

제2 단계 : 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어진 시점(222)인 0.01~0.1초 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하는 제2 단계(Slowly Changing Saturation Phase)(223)에 해당한다.

즉, 제2 단계에서는 0.01~0.1초 이후부터 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력(230)보다 약 15-25% 정도 높은 압력으로 일정 기간 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 단계를 포함한다. 단, 1단계 압력은 2단계 압력으로 계단식 형태로 순간적으로 떨어지는 것으로 한다.

제3 단계 : 계통 압력이 대기압으로 떨어지거나 또는 계통의 격리 밸브가 잠겨서 더 이상 유체가 방출되지 않는 제3 단계이며, 즉, 대기압 도달 시점 또는 밸브 잠김 시점 이후부터 사고 종료 시점까지로 대기압보다 약 15-25% 정도 높은 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

도 2는 고에너지배관 파단 시, 본 발명이 적용되기 이전에 RELAP5 전산코드로 최적 계산된 파단 부위의 압력 결과와, 본 발명이 적용된 이후에 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 파단 부위의 압력 결과를 보여주고 있다.

고에너지 배관 파단시 배관 파단 부위의 질량 방출율을 계산하는 방법에 관한 것으로, 고압 상태의 배관이 파단됨과 동시에 파단 부위를 통해 유량이 급격히 증가되기 시작한다. 배관 파단 후 0.001초 이내에 최대 유량에 도달하며, 그 이후로는 유량이 감소한다.

RELAP5로 계산된 배관 파단 유량은 인허가 관점에서 보수적 결과를 사용하도록 요구하는 규제기관의 요구를 충족시킬 수 없으므로, RELAP5로 계산된 배관 파단 유량 대신에 1, 2, 3단계에서 산정된 보수적 압력 변화를 이용하여 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 배관 파단 유량을 계산한다.

제4 단계 : 배관 파단 시점부터 0.001초 까지 과냉각 유체의 방출량이 급격하게 증가되는 제4 단계이며, 즉, 배관 파단 시점부터 상승 시간(Rising Time)(311)인 0.001초 까지 배관 파단 유량이 선형적으로 증가하는 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

0.001초에서의 최대 유량은 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력에 해당하는 임계 유량으로 계산한다. 임계 유량은 단지 압력과 엔탈피의 함수에 해당하므로, 제1 단계에서 산정된 보수적 압력 변화와 엔탈피를 사용하여, 임계 유량은 포화 유체의 경우 Moody 임계 유동 모델, 과냉각 유체의 경우 Henry/Fauske 임계 유동 모델, 포화 증기의 경우 균질평형 임계 유동 모델을 적용하여 계산한다.

제5 단계 : 0.001초 이후부터 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어진 시점인 0.01~0.1초까지에 해당하는 단계(312)이며, 즉, 배관 파단 유량이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력에 해당하는 임계 유량으로 일정하게 방출되는 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

제6 단계 : 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어진 시점인 0.01~0.1초 (313) 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하는 단계이며(314), 즉, 0.01~0.1초 이후부터 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력보다 약 15-25% 정도 높은 압력에 해당하는 임계 유량으로 파단 유량이 방출되는 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

단, 제5 단계 유량은 제6 단계 유량으로 계단식 형태로 순간적으로 떨어지는 것으로 한다. 단, 계통 압력이 대기압으로 떨어지거나 또는 계통의 격리 밸브가 잠겨서 더 이상 유체가 방출되지 않을 경우에는, 격실의 압력/온도에 미치는 영향을 고려하여 배관 파단 유량이 정지되는 것으로 가정하거나, 또는 보수적으로 일정하게 방출되는 것으로 가정한다.

임계 유량은 단지 압력과 엔탈피의 함수에 해당하므로, 2단계에서 산정된 보수적 압력 변화와 포화 엔탈피를 사용하여, 임계 유량은 포화 유체의 경우 Moody 임계 유동 모델, 포화 증기의 경우 균질평형 임계 유동 모델을 적용하여 계산한다. 도 3은 고에너지배관 파단 시, 본 발명이 적용되기 이전에 RELAP5 전산코드로 최적 계산된 파단 부위의 순방향 유량과 역방향 유량 결과와, 본 발명이 적용된 이후에 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적이지 않은 파단 부위의 총 유량 결과를 보여주고 있다.

삭제

마지막으로 배관 파단 부위를 통해 격실로 방출되는 에너지 방출량은 질량 방출량과 엔탈피의 곱에 해당하므로, 4,5,6 단계에서 도출된 질량 방출량에 엔탈피를 곱하여 산정된다. 표1과 표2는 1~6단계에서 설명된 내용과 도 2와 도 3에 나타낸 결과를 상세히 보여주고 있다. 배관 파단 이후 100초 동안에 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입된 총 질량은 293,560kg으로서, 수계산 결과의 약 13%에 해당되며, RELAP5 전산코드 결과의 약 2배에 해당함을 보여주고 있다. 에너지 방출량도 유사하다. 수계산의 경우에는 총 2,095,000kg의 질량이 방출되고, RELAP5 전산코드를 사용한 경우에는 총 140,000kg의 질량이 방출되어, 수계산 경우가 RELAP5 전산코드를 사용한 경우보다 질량이 약 15배가 많이 방출된 것과 비교하면, 질량/에너지 방출량이 크게 줄었고, 그럼에도 불구하고 여전히 RELAP5 최적 결과보다 2배의 보수성이 있음을 알 수 있다.

본 발명의 원자력발전소 고에너지 배관 파단 시 격실의 압력 및 온도 평가를 위한 질량 및 에너지 방출량에 대한 평가 방법 제공을 위한 기술적 구성을 요약한다.

본 발명은 배관 파단 시점부터 0.01~0.1초 까지 과냉각 유체의 압력이 급격하게 천이되는 시점이며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 제1 단계와, 상기 제1 단계의 0.01~0.1초 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력(230)보다 15-25% 높은 압력으로 일정 기간 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 대기압 도달 시점 또는 밸브 잠김 시점 이후부터 사고 종료 시점까지로 대기압보다 15-25% 높은 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 산정하는 제3 단계와, 배관 파단 시점부터 0.001초 까지 과냉각 유체의 방출량이 급격하게 증가되며, 배관 파단 시점부터 상승 시간인 0.001초 까지 배관 파단 유량이 선형적으로 증가하는 것으로 산정하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명은 0.001초 이후부터 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어지며, 이 때 배관 파단 유량이 계통의 운전 압력 또는 RELAP5에서 사용된 운전 압력에 해당하는 임계 유량으로 일정하게 방출되는 것으로 산정하는 제5 단계와, 계통 압력이 과냉각 유체의 포화 온도에 해당하는 포화 압력까지 급속히 떨어진 시점인 0.01~0.1초 이후부터 계통 압력이 포화 온도 변화에 따라 포화 유체의 압력이 천천히 천이하며, 이 때 배관 파단 부위의 압력이 RELAP5에서 계산된 압력보다 약 15-25% 정도 높은 압력에 해당하는 임계 유량으로 파단 유량이 방출되는 것으로 산정하는 제6 단계를 포함한다.

표 1 은 역방향의 질량/에너지 방출량 계산 결과를 나타낸 것이다.

표 2 는 순방향의 질량/에너지 방출량 계산 결과를 나타낸 것이다.

도 2와 도 3에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 2에서, 배관파단부터 0.01초까지는 과냉각(subcooled) 조건이고 0.01초 이후부터는 포화(saturation) 상태를 나타낸다.

도 2의 222 는 압력강하에 해당하는 질량유동(mass flow)은 311(~0.001초 rising time)에 해당한다.

0.01~0.1초(Saturation state arrival time)는 압력이 과냉각유체의 포화온도에 해당하는 포화압력까지 급감하고- 질량유량은 계통운전압력에 해당하는 임계유량으로 일정하게 나온다고 보수적 산정한다.

0.01~0.1초 이후 Slowly changing saturation phase: 계통압력이 포화온도변화에 따라 포화유체압력이 서서히 천이한다.

도 2의 223 : 그 온도에 해당하는 포화압력이다.

질량유량은 도 3의 314에 해당하며(이 압력에 해당하는 임계 유량임), 대기압의 2-3배까지는 임계유량 그 후로는 운동량 방정식과 베르누이 방정식으로 해석한다.

RELAP5 계산 결과보다 약 15-25% 높게 일정하게 유지되는 것으로 보수적 산정한다.

도 2의 240 : 배관 파단시점부터 (0.01~0.1초)까지는 과냉각 유체의 압력이 급감한다.

예 : 2250 psig 에서 파단되어 1000 psi로 급감 시 온도는 급격히 안떨어지고 580℉ 그대로이다.(0.01~0.1초)

압력은 급격히 전파(propagation)된다.

참고로, 본 발명에 따른 수식 및 기타 참고 사항을 살펴본다.

W = GㆍA

W: Flow rate

G: Mass flux

A: Area

G=G(p,h)

G: Critical flow는 압력(p)과 엔탈피(h)의 함수

v=c 음속, 보통 배관내의 압력과 밖의 압력차가 2-3배 이상인 조건에서 배관의 순간 파단 발생시 임계유량이 형성된다. 미임계(Non-critical) 조건인 경우에 대해서는 유량을 계산하는데 베르누이 방정식이나 운동량방정식이 적용된다.

보수적인 평가코드인 RELAP4와 비교하여 RELAP5는 최적 계산 코드에 해당하므로, RELAP5를 사용해서 보수적 결과를 도출할 수 있는 KIMERA 방법론을 개발하고 인허가를 받아 사용하는 것이다. 본 발명도 그와 같이 RELAP5로 계산된 최적 계산 결과를 그대로 쓸 경우 인허가시 보수성을 입증할 수 없어 RBM을 개발하여 보수성을 입증하고자 하는 것이다.

미국에서는 유사한 방법을 DC Cook 원자력발전소의 설계 변경에 적용했으며, 적용 방법론이 미국 규제기관인 NRC의 승인을 받았다.

본 발명은 해외 기술로 설계된 국내 원자력발전소에서 고에너지 배관 파단시 배관 파단 부위를 통해 격실로 유입되는 질량/에너지 방출량을 계산하고자 할 경우에, RELAP5 전산코드를 사용하여 최적으로 계산된 분석 결과에 적절한 보수성을 제공함으로써, 실질적이고 보수적이면서도 과도하게 보수적인지 않은 평가 방법론을 사용하여 격실의 압력/온도를 분석할 수 있고, 보수적이어야 하는 인허가 요건을 충족시키고, 불필요하게 구조물, 계통, 기기에 대해 물리적인 설계 변경을 직접 가하는 것을 방지하거나 최소화한 원자력발전소 격실의 압력/온도 평가를 위한 질량/에너지 방출량에 대한 평가(RBM) 방법을 제공하여 통합적으로 효율적으로 관리할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

10 수계산결과 (질량유량율)
120 전산코드(RELAP5) 결과 (질량유량율)
221 배관파단시점부터 0.1초까지 배관 파단부위 압력
222 0.01~0.1초까지의 압력
223 0.01~0.1초 이후 Slowly Changing Saturation Phase의 압력
230 전산코드(RELAP5) 압력변화 결과
311 배관파단시점부터 0.001초까지(Rising Time)의 질량유량율
312 0.001~0.01초까지 질량유량율
313 0.01~0.1초까지 질량유량율
314 0.01~0.1초 이후 질량유량율