2015 원자력 안전해석심포지움 가동원전 가스축적 가능성 현안에 대한 평가 2015. 07. 17 류승훈 한국원자력안전기술원

목차 개요 배경 안전현안 LBLOCA시 가스축적의 영향 평가 고압조건에 대한 해석결과 저압조건에 대한 해석결과 요약 및 결론

개요 배경 가동중 원전의 안전계통 배관내 가스축적 현상 발생 안전계통 : 비상노심냉각계통, 잔열제거계통, 원자로건물 살수계통 가스축적 사례 Oconee-3 (B&W PWR) : 원자로정지시 수소주입으로 고압안전주입펌프의 손상 발생, 1997 Dresden-3 (GE BWR) : 고압안전주입 펌프에 가스가 유입되어, 수격현상이 발생하고 후단의 배관지지부에 손상 발생, 2001 Palo Verde (CE PWR) : ECCS 펌프 재순환모드 시험시, 펌프 흡입배관의 가스축적 확인, 2004 NRC, Generic Letter 2008-01 발행 가스축적 현안에 대한 체계적인 평가 및 종합적인 해결방안 마련 요구 규제조치 이후에도 50건 등 총 110건의 가스축적 사례 보고 Utilities, NEI 09-10 발행 가스축적에 대한 효과적인 예방 및 관리를 위한 지침서 NEI 09-10(Rev. 1a-A)에 대한 NRC의 SER 발행 및 승인, 2013

개요 가스축적과 관련된 안전현안 펌프 전단 펌프 후단 가스의 이송 펌프의 공동화현상 공통모관을 공유하는 다른 펌프에 영향 펌프 기동시 수격현상 펌프 후단의 기기, 배관, 구조물 등의 손상 가스의 이송 탱크, 집수조 여과기에서 가스 유입 (Gas Vortexing) 원자로 용기 내로 가스 주입 노심 냉각 및 열수력 현상에 영향 기존 FSAR 사고해석에서 고려하지 않은 사항 가스 유입의 영향을 받을 수 있는 설계기준사고 예) 안전주입이 작동하는 사고 : LOCA, SGTR, SLB 등

LBLOCA 해석 LBLOCA시 가스축적의 영향 평가 대상원전 : 한빛 5,6호기 코드 : Relap5/Mod3.3 Patch4 사고조건 : 100% 저온관 양단파단 최신 인허가 및 개선사항 반영 원자로용기 상부헤드 온도를 고려한 개선된 노딩 적용 RCS 유량 감소 및 최대선출력밀도 증가에 대한 인허가 (13.01 승인) 비응축성 가스 : 질소 저압조건 해석 고압조건 해석

LBLOCA 해석 가스축적 관련 고려사항 가스량 가정 발전소의 노형, 안전계통의 특성 및 발전소 운영절차에 따라 가스축적 현상은 상이하게 발생할 수 있음 가스량, 가스 축적위치, 가스의 종류, 가스 이송시간 및 이송시기 등을 고려-> 가스량 및 축적 위치 가스량 가정 가스축적에 대한 국내 원전의 상세 데이터 부족 미국 PWR Owners Group의 Position Paper 발행 LTR-LIS-08-627, “Non-Condensable Gas Voids in ECCS Piping; Qualitative Engineering Judgement of Potential Effects on Reactor Coolant System Transients Including Chapter 15” FSAR 15장 사고해석에 대한 가스의 영향을 정성적으로 평가 고압조건의 가스량 68 ℉, 400 psia 일 때 5 ft3 저압조건의 가스량 68 ℉, 100 psia 일 때 5 ft3

LBLOCA 해석 가스축적 위치 가정 국내 원전의 가스축적 사례 (고리 3호기, 2013) 고압조건의 가스축적 위치 안전주입탱크에서 저온관으로 연결되는 최상부의 inverted u-tube에서 가스층 발견 진공펌프로 배기 및 초음파 탐상 충수 확인 고압조건의 가스축적 위치 안전주입탱크에서 저온관으로 연결된 배관 저압조건의 가스축적 위치 재장전수 탱크에서 LPSI펌프로 연결된 최상부 수평배관 <고리 3호기 가스축적 위치> <배기 및 충수 절차>

LBLOCA 해석 고압조건의 해석방법 가스량 및 축적 위치 가스의 주입시기 재충수 기간 5ft3 , 건전루프의 SIT(704)에서 저온관(240)으로 연결된 배관 가스의 주입시기 SIT 주입시작과 동시에 10초간 주입(재충수 기간) 가장 보수적인 시점 재충수 기간 취출기간(Blowdown) 종료 후, 하부 플레넘 수위가 노심 입구에 도달하고, 강수관 수위가 저온관 바닥에 도달할 때까지의 기간 비상노심냉각수 우회현상 파단부의 2-상 임계유동 발생 피복재온도 증가

LBLOCA 해석 고압조건의 해석결과 가스의 이송 16s~26s 36s 20s~110s 20s~80s 30s

LBLOCA 해석 고압조건의 해석결과 가스의 이송 14% ~1% 노심으로 유입된 가스의 순간 최대 분율 및 부피 (3.5%, 2 ft3) 상부헤드로 유입된 가스의 순간 최대 분율 및 부피(14%, 6.5 ft3) 가압기의 가스잔류 (~1%) 3.5% N2 Injection 100%

LBLOCA 해석 고압조건의 해석결과 Henry-Fauske Model 임계유동 및 파단유량 (0.729~1.165) 2φ 1φ 0s~23s : ~1% 감소 0s~22s 평균파단유량 감소 (16s~22s, 2%)

LBLOCA 해석 고압조건의 해석결과 노심 압력 및 SIT 유량 SIT의 주입시간 단축 1~2초

LBLOCA 해석 고압조건의 해석결과 열전달모드 및 피복재온도 고압조건 해석시 재관수 PCT는 상승함 (28K) 48,49 68,69 43,44 20s 170s 평균 열전달 계수 감소 (16s~110s, 9%) Number Heat Transfer Phenomena NC Gas +20 (Xn>1.0E-09) Reflood +40 (P<1.2Mpa, α>0.9 / dryout) 3 Subcooled Nucleate Boiling 4 Saturated Nucleate Boiling 8 Saturated Film Boiling 9 1φ Vapor or Supercritical 2φ Convection 고압조건 해석시 재관수 PCT는 상승함 (28K) SIT 유량이 감소함 가스의 유입에 따른 재관수 기간 중 열전달율이 저하됨

<재장전수 탱크에서 LPSI 흡입배관까지의 Iso-Drawing, (주)이엔이티, 2012> LBLOCA 해석 저압조건의 해석방법 가스량 및 축적 위치 5ft3, 재장전수 탱크에서 LPSI펌프로 연결된 최상부 수평배관 저압조건 해석시 가정사항 LOCA : 0초, LPSI 펌프 : 33.19초 HPSI의 안전주입 제외 LPSI 펌프 모델링 Single Phase Homologous Curve (신고리 1,2 LPSI 펌프) Two-Phase Degradation Factor 등 기타 특성자료 (RCP 자료) <재장전수 탱크에서 LPSI 흡입배관까지의 Iso-Drawing, (주)이엔이티, 2012>

LBLOCA 해석 저압조건의 해석결과 가스의 이송 펌프 전단의 기포율 (최대 0.75%) 펌프 후단의 기포율 (최대 0.25%) 노심으로 유입된 가스 (~0%)

LBLOCA 해석 저압조건의 해석결과 LPSI 펌프의 성능 LPSI 펌프 성능 저하 수두 토크 방출압력 방출유량

<NEI 09-10 Rev 1a-A, Froude Number에 따른 가스이송> LBLOCA 해석 저압조건의 해석결과 Froude Number에 따른 가스이송 현상 평가 <NEI 09-10 Rev 1a-A, Froude Number에 따른 가스이송> 가스 이송시간 38초~160초 (2분) 최상부 수평배관(Branch 832)의 NFR NFR = 1.05

LBLOCA 해석 저압조건의 해석결과 열전달 모드 및 피복재 온도 저압조건 해석시 재관수 PCT에는 변화가 없음 48,49 43,44 Number Heat Transfer Phenomena Noncondensable Gas +20 (Xn>1.0E-09) Reflood +40 (P<1.2Mpa, α>0.9 / dryout) 3 Subcooled Nucleate Boiling 4 Saturated Nucleate Boiling 8 Saturated Film Boiling 9 1φ Vapor or Supercritical 2φ Convection 저압조건 해석시 재관수 PCT에는 변화가 없음 재관수 기간중 노심으로 유입된 가스의 건도는 1.0E-09 이하임 열전달계수의 변화도 미미함

요약 및 결론 한빛 5,6호기 LBLOCA시 가스축적의 영향 평가 고압조건에 대한 해석 저압조건에 대한 해석 재충수 기간에 5ft3의 질소 주입모의 임계유량 감소 SIT 안전주입 시간 및 유량 감소 비응축성 가스로 인한 재관수기간 중 열전달율 저하 재관수 PCT는 상승함 (28K) 저압조건에 대한 해석 재장전수 탱크에서 LPSI펌프로 연결된 최상부 수평배관에 5ft3의 질소 축적을 모의 LPSI 펌프의 성능 저하 확인 재관수 PCT에는 변화가 없음