The safety margin, the difference between the physical load on the plant and the capacity of the plant to withstand, is considered as one of the indicators of safety analysis. It is necessary to guarantee the safety margin as well as to prepare for Design Extension Condition. We investigated an optimal safety limit which is more realistic than the safety limit of the fuel cladding in the existing design basis accidents. Based on the experimental data of oxidation of the zirconium-based claddings which have been carried out since the 1970s, Lee et. al. proposed new safety limits which exceed the peak cladding temperature of $1204^\circ C$
The high temperature oxidation experiment was performed to evaluate the new safety limits. After the oxidation and quenching experiment, the ring compression tests were conducted to evaluate the integrity of specimens. As a result, the specimen having the oxidation rate of 13% maintained its integrity at the temperature from $1204^\circ C$ to $1300^\circ C$.
The oxidation tools of the zirconium-based claddings were used to evaluate the radial distributions of the thickness and oxygen concentration of the beta-zirconium layer, which is believed to be closely related to the ductility of the zirconium. The previous studies claim that the claddings containing β thickness of over 0.3 mm with the oxygen concentration of less than 0.7wt% could maintain its integrity. This criterion was converted to ECR limit of 12% at $1370^\circ C$. This result was regarded as a close result to 13% considering the uncertainties of the tools.
We simulated the large break loss of coolant accidents (LBLOCA) with the MARS code and KINS-REM to find out how much power margin the optimal safety limit could guarantee with the best-estimate method. As a result, we found out that the fracture-based optimal safety limit proposed by Lee enabled power to uprate 10% or more under the LBLOCA condition.
발전소 내의 물리적 하중과 발전소가 버틸 수 있는 능력의 차이를 뜻하는 안전여유도는 안전해석의 지표 중 하나로 고려된다. 새로운 사고 분류인 확장설계조건(Design Extension Condition, DEC)에 대한 대비뿐만 아니라 발전소의 경제성을 제고하기 위한 최적안전여유도의 확보가 필요하다. 따라서, 기존 설계기준사고의 핵연료 피복재 안전 제한치 보다 보수성이 완화된 최적 안전 제한치가 제안되어야 한다. 1970년도부터 수행되어 온 지르코늄 기반 피복재 산화 및 취화 실험 데이터를 바탕으로, U.S. NRC가 제안한 기준인 피복재 첨두 온도 $1204^\circ C$ , 최대 피복재 산화율 18% 에서 확장 된 제한치를 세울 수 있다는 연구 결과가 있고, 이 실증적으로 제안된 안전제한치를 검증할 필요성이 있다.
새로운 안전제한치를 검증하기 위해 기존 기준인 $1204^\circ C$ 이상의 고온에서 산화실험을 수행하였다. 고온 산화 후 두가지 냉각 환경 중 하나로 냉각시켰으며, 실험이 끝난 이후에는 링컴프레션 검사를 통해 피복재가 건전성을 유지하는지 평가하였다. 그 결과, $1200^\circ C ~ 1300^\circ C$ 의 온도에서 산화율 13%를 가지는 시편이 그 건전성을 유지하는 것을 확인하였다.
이전에 제안된 다른 피복재 관련 안전 제한치를 변환하여 평가하기 위해 지르코늄 기반 피복재의 산화 코드를 이용하였다. 지르코늄의 연성과 깊은 관련이 있다고 여겨지는 베타-지르코늄 상과 그 층의 산소 함유량에 관한 기준을 보수적으로 ECR 기준으로 변환한 결과, 새롭게 제안된 안전제한치가 이와 유사 한 것을 확인하였다.
최적 안전제한치가 어느정도의 안전여유도를 확보할 수 있는지 알기 위해 MARS 코드와 KINS-REM을 이용하여 대형냉각재상실사고 계산을 수행하였다. 계산 결과, 파열 기반 기준을 채택한 최적안전제한치가 사고 상황에서도 출력 여유도를 10% 이상 확보할 수 있음을 확인하였다
