Recently, it is strongly recommended that severe accidents are to be considered in design stage of Nuclear Power Plants (NPP). However, there are no previous works on reactor system design to mitigate severe accidents in design stage. In this study, an op-timization methodology of design parameters, which consists of investigation of de-sign alternatives, analysis of plant characteristics, and suggestion of optimization direc-tion, has been developed to mitigate severe accidents in Nuclear Power Plant (NPP). Backpropagation neural network (BPN), one of Artificial Neural Networks (ANNs), was used to analyze plant characteristics under severe accident conditions. To investi-gate the effects of system design parameters on severe accident progression, an estima-tion model for system design parameters has been proposed using BPN.
The strategy for design optimization was to increase safety design margins so that the NPP system may have a longer response time and be less sensitive to severe acci-dents investigated. Core uncovery time, vessel failure time, containment failure time, and radioactivity released to environment were selected as safety margin indicators, since they are important issues in severe accident management.
The suggested methodology was applied to the system design optimization to pre-vent and mitigate core uncovery, vessel failure, containment failure and release of ra-dioactive materials. This work was limited to the thermal-hydraulic design of reactor coolant system (RCS) and engineered safety feature systems. Young Gwang nuclear power plant (YGN) 3&4 and Ulchin 3&4 Units in Korea were selected as reference plants to apply the methodology. Nine design parameters, which are important in ther-mal hydraulic design, were chosen as optimized parameters. Design alternatives, core uncovery time, vessel failure time, containment failure time, and release amount of ra-dioactive materials were generated using Latin Hypercube Sampling (LHS) and Modular Accident Analysis Program (MAAP) code.
Based on this investigation, the water volumes of engineered safety features and the water inventory of RCS should be increased to prevent and mitigate severe accidents investigated. Expert opinions were examined and analyzed using analytic hierarchy process (AHP) to compare the BPN results with those by AHP. The general consensus on the optimization between BPN and AHP results was verified.
The optimization methodology developed in this study was found to be very useful in investigating optimization direction to prevent and mitigate severe accidents in NPP, specifically in complex systems, and it is helpful to designers who have no information on the optimization.
본 연구는 기존 원자력발전소 설계 시 고려하지 않았지만 차세대 원전 설계에서 충분히 고려하도록 되어 있는 중대사고를 설계단계에서 고려할 수 있도록 원자로계통 설계 최적화 방법론을 개발하고 이를 적용하여 보는데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 방법론 개발을 위해 인공신경회로망(ANN)의 하나인 역전파신경망 (BPN)을 이용하였다. 먼저 LHS을 이용하여 참조발전소의 설계변수를 변화시켜 새로운 설계안(Design Alternatives)들을 생성하고 이 각각의 설계값을 갖는 발전소의 사고 거동을 MAAP 코드를 이용하여 모사하였다. MAAP 코드의 모든 설계안들에 대한 사고 거동 모사 결과를 BPN을 이용하여 훈련시켰다. 이렇게 훈련된 BPN을 이용하여 각 설계변수 들이 사고 진행에 어떤 영향을 주는 지를 판단하기 위해 다계층 BPN을 이용한 계통설계변수 평가 모델을 개발하였다. 이 모델을 통해 중대사고에 대한 각 설계변수의 영향도를 정량적으로 평가하고 이를 토대로 설계최적화 방향을 제시할 수 있었다.
중대사고 관리 관점에서 중요한 사건인 노심 노출 (Core uncovery), 원자로 용기 파손, 격납용기 파손, 방사핵종 누출을 지연시키거나 완화하는 것이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 이들 4가지 사건을 예방하거나 완화시키는 것을 설계최적화 방향으로 설정하여 이에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 고려되는 사고 시나리오는 대형 냉각재상실사고, 중형냉각재 상실사고, 소형 냉각재상실사고 그리고 소내 전원상실사고 이다. 그리고 열수력 설계변수 중 중요하다고 판단되는 원자로 계통 압력, 원자로 계통 온도, 원자로 계통 냉각재 유량, 가압기 체적, 원자로용기 체적, 증기발생기 체적, 증기발생기 열전달면적, 축압탱크 체적 그리고 핵연료저장탱크 체적, 이렇게 9가지 설계변수만을 고려하였다.
영광 3&4호기를 참조발전소로 하여 노심 노출과 원자로 용기 파손 예방 및 완화에 대한 연구를 수행한 결과 축압탱크, 핵연료저장탱크, 원자로용기, 증기발생기의 체적이 노심 노출과 용기 파손 시간에 큰 영향을 주었다. 그러나 원자로 계통 압력, 온도, 냉각재 유량 등은 거의 영향을 주기 못했다. 이상의 결과의 비교하기 위해 전문가로 구성된 집단의 의견을 수렴하여 AHP방법으로 분석한 결과 BPN의 결과와 매우 유사했다.
울진 3&4호기를 참조발전소로 하여 격납용기 파손과 방사핵종 누출 완화에 대한 연구를 수행한 결과 앞의 연구 결과와 유사한 결과를 얻었다. 원자로계통과 관련된 변수들의 체적과 공학적 안전설비의 탱크 체적이 격납용기 파손과 방사핵종 누출 완화에 영향을 주는 변수 들이었다.
본 연구에서 개발한 방법론은 원자력발전소 같이 복잡한 계통의 최적화 방향을 결정하는데 큰 도움을 줄 수 있음을 확인했고 상기된 결과에 근거하여 중대사고 완화를 위해서는 원자력발전소의 원자로계통의 물 재고량을 높이고 공학적 안전설비와 관련된 탱크의 용량을 높여야 한다.