노심용용 현상

▼ 중대사고

  격납건물 파손현상

  노심용용 현상

  중대사고 개요

개요

원자력발전소의 사고관리 관점에서 가장 핵심적인 부분은 다량의 방사성물질을 함유하고 있는 핵연료의 건전성을 확보하는 것이다. 정상운전 상태에서 핵연료는 핵분열 반응에 의하여 에너지를 방출하고, 원자로정지 시에도 지속적으로 붕괴열을 방출하므로 노심에는 냉각수를 공급하여 핵연료의 냉각기능을 유지하여야 한다. 노심의 냉각기능은 주로 원자로냉각재계통의 냉각재, 비상노심냉각계통의 비상냉각수, 증기발생기의 열제거 능력에 의하여 이루어진다. 그러나 원자로냉각재계통의 배관파단에 의한 냉각재상실사고나 비상노심냉각계통을 포함한 안전계통의 기능상실 등의 원인에 의하여 원자로 냉각수가 고갈되면서 노심냉각 기능이 상실될 수 있으며, 이에 따라 핵연료의 가열에 따른 용융이 발생할 수 있다. 노심용융을 초래하는 중대사고의 일반적인 진행과정과 주요 현상은 중대사고 개요에서 볼 수 있다.

노심냉각 기능상실과 노심가열

원자로 냉각수의 고갈은 냉각수의 비등과 함께 핵연료의 노출과 가열을 초래하며, 핵연료에서의 열생성률과 열제거율의 불균형으로 핵연료의 급격한 온도상승을 야기하게 된다. 이러한 온도상승은 핵연료피복재인 지르코늄과 증기의 반응에 의하여 핵연료피복재의 산화와 함께 수소를 발생하게 된다. 또한 노심과 상부 플레넘에 있는 강(Steel) 구조물이 고온의 증기와 반응하여 수소와 열이 발생한다. 이러한 반응에서 발생하는 열이 추가되어 반응률이 더욱 커지게 되면서 사고가 급속히 진전되고, 노심의 노출 후 수십 분 내에 노심손상이 일어날 수 있다.

노심 용융과 재배치

핵연료가 가열되면 피복재가 팽창(Balooning)하면서 파손되며, 파손부위를 통하여 핵분열생성물이 핵연료 밖으로 유출된다. 가열로 인해 핵연료의 온도가 액화(Liquification) 또는 용융 온도(2,000℃)에 도달하게 되면, 핵연료와 함께 노심이 용융되기 시작한다. 노심용융물(Corium)은 점차적으로 원자로용기 하부로 흘러내려 새로운 형태의 조밀한 노심구조를 형성하며 재배치(Relocation)된다. 노심용융물이 원자로용기 하부헤드로 이동할 때 상당량의 용융물은 노심지지대 상부에 쌓이게 되며, 노심용융물의 축적에 따른 중력하중에 의해 노심지지대가 파손되면서 용융물은 중력에 의해 원자로용기 하부헤드로 쏟아지게 된다. 다음 그림은 노심용융과 재배치 형상을 개념적으로 보이고 있다.

노심 용융과 재배치 형상 개념도

노내 증기폭발

고온의 노심용융물은 원자로용기의 하부헤드에 남아 있는 차가운 냉각수와 접촉하면서 부서져 입자화된다. 이때 열전달 면적이 급속히 증가하면서 핵연료-냉각수 상호반응(Fuel-Coolant Interaction)에 의하여 증기가 폭발적으로 발생할 수 있다. 냉각수에 떨어지는 노심용융물의 양과 입자화되는 비율에 따라 최대 증기 발생량이 결정되며, 노심용융물의 특성과 방출 위치에 따라 증기폭발의 특성이 달라질 수 있다. 이 증기폭발은 원자로 내에서 발생하므로, 노내 증기폭발(In-Vessel Steam Explosion)이라고 한다. 아래 그림은 증기폭발 현상을 개념적으로 보이고 있다.

노심 용융과 재배치 형상 개념도

원자로용기 하부헤드로 이동된 노심용융물은 증기폭발을 일으키거나 하부헤드에서 노심 파편층을 형성하면서 하부헤드를 가열시킨다. 이때 원자로용기 하부헤드는 다양한 메커니즘에 의해 파손될 수 있는데, 노심용융물에 의한 원자로용기 하부 벽면에 위치한 계측기관통부와 관통부 지지 용접부에 대한 열충격, 원자로용기의 크리프(Creep) 파손 등이 주요 요인이 될 수 있다.

참고문헌

이 자료의 최초 작성 : 김 효정(GINIS) kimhhoj@gmail.com, 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr