As the history of the nuclear safety passed the ages of technology and human error, nuclear power plants have been evolved by enhancing the hardware performance and the personal competence. We are in a time of safety resilience for considering unpredicted conditions or accidents. The ultimate safety goals for removing decay heat and preventing the release of radioactive materials are definite to be achieved in any conditions. For attaining the goals from various passive functions, an integrated passive safety system (IPSS), to be achieved by the use of a large water tank placed at high elevation outside containment, was proposed based on the design requirements and criteria. The functions include decay heat removal, safety injection, containment cooling, in-vessel retention through external reactor vessel cooling, and containment filtered venting. The IPSS can be applied to a nuclear power plant in many different forms with selecting functions and designing the coping time for accidents. For using the IPSS, a passive decay heat removal (PDHR) strategy was developed to cope with station blackout (SBO) and SBO-combined accidents. The PDHR strategy was developed based on the design and accident management strategy of Korean representative pressurized-water reactor, the OPR1000. The performance of the strategy was validated by the accident simulations. Under the assumption that existing engineered safety features failed to be operated, the results of the accident analyses showed that the IPSS could maintain a reactor in a safe state by removing the decay heat effectively for the designed accident coping time. The procedures of the PDHR strategy can be implemented after failures of the steps in emergency operating procedures, before the entry condition for severe accident management. Even when external conditions make a given site extremely inaccessible, the strategy can allow for cooling the core by adopting SGGI and PSIS. To estimate overall safety enhancement from the application of the IPSS, probabilistic safety analysis (PSA) was performed based on the results of the accident simulations. The results of the PSA were compared with those of other alternatives. In loss of offsite power, both emergency diesel generators and the IPSS were effective to decrease core damage frequency. In loss of feedwater, the IPSS showed the better performance to decrease a core damage frequency than the additional power sources. The changed values of core damage frequency were imported to cost-benefit analysis including the present values of implementation costs. A new model for cost-benefit analysis was developed to compare new alternatives and support a basis of risk-informed decision. In conclusion, as the proposed strategy can be applied in both current and future nuclear power plants, it is expected to enhance the overall safety of nuclear power plants by extending the resilient coping capability.
원자력안전의 역사는 기술 및 인적 오류의 시대를 지나면서, 하드웨어의 성능과 인적 능력의 향상을 계속해서 이룩해 왔다. 이제 우리는 후쿠시마사고를 겪으면서 예상하지 못한 사고 및 조건들을 고려해야 하고 더욱 적극적으로 사회와 상호작용을 해야 하는 시대에 살고 있다. 후쿠시마사고의 일련의 실패들은 우리에게 새로운 안전개념 및 사고대처전략에 대한 다양한 교훈들을 남겼다. 이어 세계 여러 나라에서는 설계기준초과사고 및 노심용융사고의 효과적인 대처를 위해서 다양한 중대사고대처전략을 수립 및 이행하고 있다. 그러한 시대적인 흐름으로부터 발전소의 교류전원완전상실이라는 문제에 대하여 여러 연구들은 다양한 안전성 향상 방안들을 제시해 오고 있다. 본 연구에서는 교류전원완전상실 사고 및 본 사고 시에 냉각재의 상실이 유발되는 사고 시나리오들을 문제로 정의하였다.
첫째로, 정의된 원자력발전소의 사고들을 효율적으로 대처하는 것을 목적으로 하는, 새로운 통합피동안전계통의 설계 개념 및 방법론이 설계 철학, 요건 및 기준을 근거로 제안되었다. 제안된 통합피동안전계통은 피동잔열제거, 피동안전주입, 원자로 외벽냉각을 통한 피동용융노심노내보존전략, 피동격납건물냉각, 격납건물여과배기의 다섯 가지 기능을 구비할 수 있다. 이 개념은 피동안전성의 향상, 단순화 및 통합된 설계, 장기 냉각의 달성, 접근성 및 보수성, 격납건물의 압력제어와 같은 설계특성들을 가진다. 또한, 기존 가동 중인 원전에 설계 변경을 최소화하므로, 현재까지 제안된 새로운 피동안전계통들과는 다르게, 높은 인허가성을 확보한다. 제안된 통합피동안전계통의 설계 개념을 바탕으로 한국 표준형원전에 대한 적용 설계안이 개발되었다. 피동잔열제거를 위한 증기발생기중력주입계통 및 피동안전주입계통이 설계 냉각재 재고량으로부터 가동되며, 용융노심의 외벽냉각 혹은 캐비티 침수를 위한 계통이 외부 충수가 이루어진 이후에 가동되는 것으로 설계된다.
둘째로, 통합피동안전계통들의 운영을 위한 피동잔열제거전략이 개발된 표준형원전 적용설계안을 바탕으로 개발되었다. 개발되어진 사고대처전략은 기존의 비상운전절차서와 중대사고관리지침서의 중간에 이용될 수 있는 사고대응전략으로서 소내에 설치된 계통을 바탕으로 연속적인 사고 대응이 가능하도록 하였다. 개발된 사고대처전략은 열수력해석코드를 이용한 사고해석으로부터 그 성능이 확인되었다. 증기발생기 중력주입계통은 전원상실사고 시, 증기발생기로의 급수주입을 통하여, 원자로냉각재계통에서의 자연순환냉각을 달성할 수 있었다. 전원 상실 시, 냉각재 상실이 유발될 수 있는 기기들의 고장을 포함하는 사고들에 대해서도 증기발생기중력주입계통은 정립된 설계 기준을 만족함을 보였다. 전원상실사고와 등가 직경 9인치 이상의 냉각재 파단이 동시에 발생하는 경우에 대해서는 개발된 피동안전주입계통이 설계 기준시간 동안에 노심냉각의 기능을 유지할 수 있음을 보였다. 등가 파단 직경 4 내지 9인치를 동반하는 전원상실사고에 대해서는 기존 혹은 새롭게 설치되어야 할 안전감압계통의 작동이 요구된다. 안전감압계통의 개시 및 작동은, 제안된 증기발생기중력주입을 통한 원자로냉각재계통의 감압의 이후 시점에서도 이루어질 수 있다. 또한, 이차계통에서의 냉각을 동반하지 않더라도, 신속한 감압 이후에의 피동안전주입계통의 작동 개시로부터 냉각재를 원자로 용기로 주입할 수 있다. 이러한 통합피동안전계통의 기능들은 한국 표준형원전들에 대해 추가적인 후속 조치를 하기 위하여 필요 되는 시간들의 확보를 위하여 제안되었다. 추가적인 후속 조치들은 외부 개입을 통한 격납건물 외부에 설치된 통합피동안전탱크로의 붕산수 혹은 순수의 충수, 교류전원의 회복 및 소방시스템 주입 등이 포함된다. 전원상실사고 시에 동반되는 저온관의 등가파단직경에 따르는 원자로냉각재계통의 압력 거동을 바탕으로 피동잔열제거전략이 포함하고 있는 통합피동안전계통의 기능들이 정해진다. 기존의 파단 면적 혹은 분출 유량 등과 같은 냉각재상실사고의 분류와는 다르게, 본 논문에서는 작동되는 통합피동안전계통의 기능들에 따라서, 냉각재 상실을 동반하는 전원상실사고들에 대한 새로운 분류 기준이 제안되었다.
셋째로, 개발된 통합피동안전계통에 대한 안전성 향상도 및 그에 따르는 비용이득의 정도가 평가되었다. 한국 표준형원전에 대하여 개발된 통합피동안전계통 적용설계안의 증기발생기중력주입계통은 기존에 제안되어온 다른 중대사고대처설비들과 함께 비교 분석되었다. 확률론적안전성분석의 결과는 외부전원상실 및 급수상실 사고들에 대해서 노심용융빈도가 반 이상 감소하는 것으로 보였다. 제안된 계통은 보조급수계통의 백업시스템으로서 기존의 보조급수펌프 및 밸브들이 가용하지 않은 사고 경과들에 대해서 큰 효과를 보였다. 그에 따라, 표준모델과 적용모델을 비교할 시에, 기존의 비상디젤발전기, 터빈구동보조급수펌프 등의 노심용융빈도에 대한 공헌도가 현저히 감소함이 나타났다. 그러나 기존의 원자로냉각재계통의 피드앤블리드 사고 대처와 같이 수동 작동에 대한 인적 오류의 발생 가능성에 대해서는 큰 민감도를 보였다. 확률론적안전성 분석의 결과들은 위험도 기반 의사결정을 위한 비용-이득분석에 사용되었다. 비용-이득분석에서 비용은 하나의 적용 혹은 변경을 위하여 투자 되어야 하는 모든 재정적인 가치들의 합을 의미하며, 이득은 적용 혹은 변경에 의하여 감소된 위험도에 대한 가치를 의미한다. 본 연구에서는 비용 가치와 이득 가치를 동등한 항들로 산정하여 순이득을 평가하는 방법론의 한계점들을 제시하였다. 이는 매몰비용의 현재가치, 사고 시 방사선 영향에 대한 국한된 해석 범위로부터의 가치 산정 및 산업계에 미치는 간접적인 영향 등이 포함된다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 한계점들을 극복할 수 있는 계수평가방법에 근거한 비용-이득분석이 이루어졌다. 계수평가방법은 효용성의 비가측성을 전제로 하여, 결과의 발생 빈도 변화와 상대적인 투자비용의 비를 주목하였다. 이러한 평가방법으로부터의 분석 결과는, 증기발생기중력주입계통이 피동보조급수계통이나 현재 대한민국의 후쿠시마후속조치 사항 중에 하나인 대체교류전원보다 비용이득성이 높음을 보였다. 그리고 각 중대사고대처설비의 적용 시에, 상대적으로 산정되는 유용성-비용 계수에 따라서, 비용이득적인 관점에서 도출될 수 있는 권고 사항들이 제시되었다.
본 연구는 사고 대처를 위한 기존의 단계별 대처 시간과 그를 위한 사고관리전략을 전제로 이루어졌다. 전원상실사고 및 설계기준사고를 동반한 전원상실사고로 정의된 문제 해결을 위한 설계 선택사항 및 설계 특성과 함께 통합피동안전계통의 설계 개념이 개발되었다. 증기발생기중력주입계통 및 피동안전주입계통을 이용하는 피동잔열제거전략이 개발되었고, 사고 해석을 통하여 그 성능이 확인되었다. 최종적으로는 확률론적안전성분석을 포함하는 비용-이득분석으로부터 계통의 안전성 향상도와 경제적 유용성의 정도가 평가되었다.
본 연구의 결과를 바탕으로 중압냉각재상실사고에 대한 다양한 사고 해석이 안전감압계통의 성능 및 작동개시시간 등과 함께 차후의 연구로서 이루어질 수 있을 것이다. 또한, 통합피동안전계통의 모든 기능을 구비하는 신형원전의 설계에 대한 최적화 모델 등의 개발에 대한 연구가 본 연구의 후속 연구로서 권고된다.
본 연구의 결과는 새로운 원전 사고대처전략의 개발이라는 것에 그 의미가 있고, 기존에 가동 중인 원전 및 미래 신규 원전의 안전성 향상에 기여할 수 있음을 보인 것으로서 그 실제적인 활용가치가 있을 것으로 기대된다.
