일본 이카타 3호기 출력시 레벨 1 확률론적 안전평가 모델의 개발

이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.   

일본 이카타 3호기 출력시 레벨 1 확률론적 안전평가 모델의 개발 

시코쿠전력(四國電力)_마츠나가 아키하루(松永 晃治)토모사와 코지(友澤 孝司)하기노 타카노리(萩野 隆憲) 

미국에서는 리스크 정보를 활용한 원자력발전소의 안전규제가 도입되어 있다. 그 배경에는 어느 정도 안전하면 되는지에 대한 지표, 즉 안전목표의 확립과 함께 확률론적 안전평가(Probabilistic Safety Assessment : 이하, PSA) 기술의 진전을 들 수 있다.

PSA란 원자력 플랜트에서 만일의 경우 발생이 예상되는 사고를 상정해서 기기 고장 등 사고의 발단이 되는 사상 발생빈도와 그 영향을 정량적으로 추정하는 방법이다. 이로써 원자력발전소에서의 안전상 상대적 약점을 명확화하는 동시에 안전성을 종합적이고 정량적으로 평가할 수 있다.

또 미국에서는 리스크 정보, 즉 PSA의 결과를 이용한 원자력발전소의 보수관리 합리화도 활발화되고 있다. 예를 들면 리스크 평가를 시행하는 데 있어 기기의 점검을 종래와 같이 플랜트가 정지상태가 아닌 가동중에 실시하는 등으로 약 90%의 설비이용률을 달성한다. 결국 PSA는 안전성을 확보하면서 합리적인 플랜트의 관리를 시행하는 효과적인 방법의 하나가 된다.

일본에서는 현재 정기안전 리뷰에서 PSA 평가를 시행하고 있다. 따라서 상술한 바와 같은 미국의 상황을 감안해 리스크 정보를 활용한 규제지침류의 정비나 PSA 보수관리에 대한 활용방책의 검토도 이루어지고 있다.

간사이전력에서는 일본 내외의 동향을 기초로 이카타발전소의 PSA 모델 정비를 진행하고 있다. 본고에서는 우선 출력시 레벨 1 PSA란 어떤 것인가를 개설하고 다음으로 이카타발전소 3호기(가압수형 경수로, 89만kW)에서의 PSA 모델 정비상황을 게재하기로 한다. 또 PSA의 원자력발전소 보수관리 등에 대한 적용방책에 대해 서술하기로 한다. 

출력시 레벨 1 PSA의 개요 

출력시 레벨 1 PSA는 원자력발전소 플랜트에서 예를 들어 원자연료를 냉각시키는 물이 흐르는 등의 사고가 발생해 코어가 손상에 이르는 빈도를 플랜트를 구성하는 기기의 고장률이나 조작 미스 발생률 등을 이용해서 구한다.

가압수형 원자력발전 플랜트의 개략계통도를 <그림 1>에 나타낸다.

원자로의 냉각수가 흐르는 사고가 발생했을 경우, 여열제거계(저압주입계), 고압주입계, 축압주입계 등 비상용 로심 냉각계(ECCS) 및 격납용기 스프레이계가 작동하고 코어 주수 및 격납용기 내압 상승완화가 이루어진다. 사고시의 냉각수원인 연료교체용 수탱크의 물이 적어지면 격납용기에 머물러 있는 물을 재순환시킴으로써 냉각을 계속한다. 또 보조급수 펌프 등에 다른 2차계로부터의 냉각도 이루어진다.

PSA는 이들 안전기능의 실패확률을 고려하게 된다. 즉 누수사고 발생에서 로심손상까지의 흐름을 이벤트 트리 및 폴트 트리로 모델화하고 코어손상빈도(Core Damage Frequency : 이하, CDF)를 계산한다.

이벤트 트리의 예를 <그림 2>에 나타낸다.

고장·사고 등 코어손상의 원인이 될만한 기인사상이 발생하면 그것을 완화·억제하기 위해 저압주입, 축압주입 등 안전기능을 작동시킨다. 이벤트 트리는 사상이 얼마나 진전되어 최종상태에 이르는가를 이들 안전기능의 성공/실패로 분기시켜 수형상에 전개한 것이다. 안전기능의 성공/실패의 조합으로 최종적으로 코어손상에 이르는지 아닌지를 결정한다.

이벤트 트리에서의 안전기능 성공/실패의 분기확률에는 폴트 트리 해석으로 구한 해당 기능의 실패확률을 적용한다. 폴트 트리의 예를 <그림 3>에 나타낸다.

폴트 트리란 안전기능의 상실에 대해 그 발생원인을 AND, OR 등의 논리기호로 안전기능, 즉 계통 레벨(항상사상)→기능 레벨→기능 레벨→고장모드 레벨(기사상)과 역수형상으로 전개한 것이다.

또 PSA에는 상술한 출력시 레벨 1 이외에 격납용기가 파손되어 방사능이 방출되기까지를 평가하는 레벨 2 PSA, 또한 공중 피박 리스크를 평가라는 레벨 3 PSA가 있다. 도 플랜트 정지시의 PSA나 지진, 화재 등 외적사상을 대상으로 한 평가도 있다.

이카타 2호기 출력시 레벨 1 PSA 모델의 작성 및 평가 

1. PSA 모델의 작성

PSA 해석 기구 RISKMAN을 이용해 앞으로 서술할 액시던트 매니지먼트 대책, 최신 플랜트 상태를 반영한 출력시 레벨 1 PSA 모델을 새로이 구축했다. PSA 모델 구축에서의 작업내용은 다음과 같다.

·기인사상을 선정하고 그 발생빈도를 구한다.

·기인사상을 완화하는 정상사상을 설정한다.

·각 정상사상에 대해 폴트 트리를 구축한다.

·기기 고장률 데이터에 기초해 항상사상의 발생확률, 즉 안전기능의 성공/실패의 분기확률을 계산한다.

·이벤트 트리를 구축하고 여기에 기인사상 발생빈도와 안전기능의 성공/실패의 분기확률을 적용함으로써 CDF를 구하기 위한 PSA 모델을 완성한다.

이들 흐름을 <그림 4>에 나타낸다.

이 PSA 모델은 정상사상으로 전원, 제어용 공기 등 서포트계도 포함한 큰 이벤트 트리 / 작은 폴트 트리 방법으로 구축했다. 이에 대해 서포트계의 동작상태를 사상완화계(안전계통)의 폴트 트리 속에서 고려함으로써 이벤트 트리의 구성을 간단하게 하는 소 이벤트 트리 / 대 이벤트 트리로 하는 방법도 있다.

대 이벤트 트리 / 소 폴트 트리 방법은 이벤트 트리의 구성이 복잡해지는 반면 서포트계와 사상완화계와의 관계가 명확해진다. 또 폴트 트리의 규모가 작기 때문에 설비개조시 등에서의 폴트 트리 갱신을 간단하게 시행할 수 있다는 장점도 갖고 있다. 

2. 액시던트 매니지먼트 대책의 영향 평가

인적과오나 안전계통의 고장이 몇 배로 과중해져서 로심의 대규모 손상을 초래하는 사고를 시비어 액시던트라고 한다. 액시던트 매니지먼트 대책(이하, AM대책)이란 시비어 액시던트에 이를 위험이 있는 사태에 있는 경우나 실제로 시비어 액시던트가 발생했을 경우에 대비한 조치인데, 구체적으로는 설비개조나 순서서 변경을 시행한다.

AM 정비 전후에서 안전기능 카테고리별 CDF의 상대값 비교결과를 <그림 5>에 나타낸다. 또 AM 정비 후에 토털 CDF에 대한 안전기능 카테고리별 CDF의 기여정도를 <그림 6>에 나타낸다.

여기에서 안전기능 카테고리별 CDF란 기인사상 발생에서 코어손상에 이르는 사상진전을 기능상실한 안전기능에 착안해서 분류하고 그 분류마다 집계한 CDF를 말한다.

AM의 정비에서 토털 CDF는 약 5할 저감되어 있다(<그림 5> 참조). 여기에 가장 많이 기여하고 있는 안전기능 카테고리는 ‘ECCS 재순환 기능상실’의 저감이다. 또 <그림 6>에사 AM 정비 후의 토털 CDF에 대해 지배적인 것은 주로 ‘ECCS 재순환기능상실’과 ‘ECCS 주입기능상실’이라는 것을 알 수 있다. AM 정비 전에도 그 경향은 마찬가지다.

<그림 5>에 근거해 AM 정비 전후의 CDF를 안전기능 카테고리마다 비교, 고찰했다.

AM 대책에 따른 CDF의 저감비율이 가장 큰 것은 ‘격납용기의 제열기능상실’로서 AM 정비 전에 비해 약 90%의 저감을 보였다. 이는 ‘격납용기 내 자연대류 냉각’이라는 AM 대책의 효과인 것으로 보인다.

‘누전개소의 격리기능상실’은 주로 ‘쿨다운 & 리서큐레이션’에 따라, 또 ‘안전기능의 서포트기능상실’은 주로 ‘대체보기냉각’으로 전체 약 70%의 CDF 저감이 보여진다.

‘ECCS 재순환 기능상실’에 관해서는 주로 ‘대체재순환’으로 CDF를 약 60% 저감했다. 

PSA의 원자력발전소 보수관리에 대한 적용 

미국 원자력발전소는 PSA의 보수관리에 대한 활용이 이미 시행되고 있다. 또 이로써 전술한 바와 같이 고설비 이용률도 달성하고 있다.

기본적인 사고는 PSA로 원자력발전 플랜트를 구성하는 계통·기기의 리스크 중요도를 구하고 그 중요도에 맞는 매니지먼트를 시행해 나가자는 것이다.

즉, 중요도가 높은 계통·기기는 폭넓은 보수관리를 시행하고, 거꾸로 중요도가 낮은 것에 대해서는 점검간격이나 점검내용의 재고 등을 시행하려는 것이다.

미국은 정기검사 기간의 단축과 같은 목적에서 플랜트의 정기검사 중(결국 플랜트 정지 중)이 아니라 출력운전 중에 기기를 대기제외해서 점검을 시행하는 경우가 많다. 이를 온라인 메인티넌스라고 한다.

미국의 원자력발전소 고가동률은 온라인 메인티넌스의 실시에 따른 효과가 큰 것이라고 생각된다. 온라인 메인티넌스의 실시에 있어서는 PSA에 따른 리스크 평가 및 관리가 실시된다.

이들 이외에도 정기검사공정책정, 설비개조시의 안전성 평가 등에 PSA가 활용된다. 또 온라인 메인티넌스를 할 경우 등에 리스크 모니터에 따른 CDF 감시도 시행된다.

전력자유화의 흐름 속에서 원자력발전소는 안전·안정운전을 전제로 하면서 정기검사기간 단축에 따른 설비이용률의 향상을 도모한다. 이른바 보수관리의 적정화가 요구되고 있다. 그 방책의 하나로서 장래에는 일본에서도 미국에서 시행되는 것과 같은 PSA 활용 진전이 기대된다.

본고는 시코쿠전력의 이카타발전소 3호기의 출력시 레벨 1 PSA 모델의 개발 및 CDF의 평가에 대해서 서술했다. 또한 진전이 두드러진 미국에서의 원자력발전소 보수관리에 대한 PSA 활용에 대해서도 간단히 다뤘다.

용어해설

    정기안전 리뷰    약 10년마다 시행하는 원자력발전소의 안전성·신뢰성 평가

    비상용 코어냉각계(Emergency Core Cooling System : ECCS)    원자로 냉각수 상실사고가 발생했을 때 냉각수를 주입해 코어 용융을 방지하는 설비.

    격납용기 스프레이계    격납용기 내압의 상승사, 물을 분사해서 냉각, 저압시키는 설비.

    PSA 해석툴 RISKMAN    범용 PSA 해석 소프트웨어. 미국 ABS 컨설팅사 제품.

    격납용기 내 자연대류냉각    보기냉각수 등을 이용해 격납용기 안을 냉각, 저압시키는 AM 대책

    쿨다운 & 리서큐레이션    누전개소의 간격에 실패했을 때, 원자로저압·냉각을 도모하는 AM 대책.

    대체 보기냉각    보기냉각수의 기능상실시, 대신 공조용냉각수 등을 시행하는 AM 대책.

    대체재순환    ECCS 재순환 실패시, 대신 바이패스 라인을 이용한 AM 대책

    리스크 중요도    어느 계통·기기가 기능을 상실했을 때, CDF의 증가를 나타내는 지표 등.

    리스크 모니터    플랜트 설비의 운용상태에 맞게 그 때마다 CDF 등을 표시하는 장치.