한국수력원자력은 설계 수명 만료를 1년 앞둔 2006년 6월 과기부(현 교과부)에 '고리원전 1호기 계속 운전'을 신청했고(고리 1호기 2007년 6월 18일 가동 중단), 과기부는 한국원자력안전기술원(KINS)에 안전성 심사를 위탁했으며, KINS는 18개월간 전문 인력을 투입해 고리1호기의 안전성을 점검했다. 과기부는 2007년 12월 6일 KINS의 고리1호기에 대한 안전성 심사결과 '앞으로 10년간 계속 운전이 가능하다'는 결론을 내렸으며, 2007년 12월 7일 제35차 원자력위원회에서 고리1호기 계속 운전을 결정했다. 원안위에서 "고리1호기의 원자로 용기, 주요배관, 격납건물 등이 10년간 건전성을 충분히 유지할 수 있어 안전한 상태로 운전할 수 있다"는 KINS의 심사결과를 심의·확정함으로써, 고리1호기의 30년 설계수명을 10년 더 연장해 당초 2007년에서 2017년까지 가동하기로 한 것이다. 그러나 올해 2월 9일 정전 사건 이후 다시 고리 1호기 특히, 원자로 용기의 건전성에 대한 의혹이 불거졌다. 이에 KINS는 7월 5일 "고리 1호기 계속 운전 심사 내용, 계속 운전 이후 수행한 원자로 용기 노심대 체적 비파괴 검사(초음파 탐상 검사) 결과 등을 재점검해 원자로 용기의 건전성을 재확인했다"며 '고리 1호기 종합 안전 점검 결과 보고서'를 발표했다. 본지는 KINS 보고서 중 고리 1호기 원자로 용기에 대한 건전성 평가 절차, 평가 결과, 노심대 용접부 체적 비파괴 검사 결과, 감시 시편 현황을 통한 중성자 조사취화照射脆化에 따른 원자로 용기의 건전성 유지여부를 소개한다.
페라이트계 저합금강(Ferritic Low Alloy Steel) 원자로 용기 재료는 고속 중성자에 노출되면 최대 흡수 에너지(Upper Shelf Energy)가 감소하고, 가압 열 충격 저항성이 감소하는 등 조사취화현상이 발생한다. 고리 1호기 원자로 용기는 구리 함량이 높은 용접재를 사용해 조사취화 현상이 상대적으로 크게 나타나고 있다.
원자력안전법 시행령상 원자로 용기의 감시에 관한 조치, 원자로 시설 등의 기술 기준에 관한 규칙상 감시 시험편 부착 및 중성자 조사 감시·평가, 원안위 고시상 원자로 시설의 계속 운전 평가를 위한 기술 기준 적용에 관한 지침 등에 따라 한수원은 중성자 조사照射로 말미암은 원자로 용기의 재질과 성능의 취약화 정도를 감시·평가하고, 필요한 조치를 취해야 한다. 또한, 중성자 조사에 의한 원자로 용기 재료의 특성 변화를 감시하기 위해 주기적으로 감시 시험을 수행하고, 그 결과가 원자로 용기의 건전성에 미치는 영향을 평가해야 한다.
 원자로 용기 감시 시험을 위해 원전을 건설할 때 원자로 용기 노심대 부근에 원자로 용기와 동일한 재료·용접재·제작법으로 미리 가공한 시편試片(시험 분석용 조각 : 인장 시편, 충격 시편, 파괴 시편)을 담은 감시 용기를 설치하고, 계획 시점에 인출해 중성자 조사에 따른 원자로 용기 재료의 특성 변화를 감시한다. 감시 용기안에 원자로 용기 재료의 인성(취성) 변화 측정용 샤르피Charpy 시험편과 파괴 시험편이, 인장 물성치 변화 측정용 인장 시험편이 있다. 고리 1호기 감시 용기의 경우 감시 용기 1개당 샤르피 시험편 48개, 파괴 시험편 9개, 인장 시험편 9개, 중성자 감시자 및 온도 감시자를 내장했으며, 이 감시 용기 6개는 원자로 용기 내부열 차폐체 외벽에 있다.
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원자로 용기 감시 시험은 원안위 고시 원자로 압력용기 감시 시험 기준에 따라 수행한다. 고시에 원자로 용기의 재료 특성을 감시하기 위한 시편 종류(인장 시편, 충격 시편, 파괴 시편)와 시험 방법 등을 규정했다. 원자로 용기 재료의 인성(취성)측정은 샤르피 충격 시험과 파괴 시험으로 수행한다.
원안위 고시 제2012-8호(원자로 압력용기 감시 시험 기준), 미 연방규제법 10CFR 50 App.G(파괴 인성) 및 50.61(가압 열 충격) 규정상 원전의 허용 운전 기간 말기에 샤르피 최대 흡수 에너지는 68Joule(50ft-lb) 이상 그리고 가압 열 충격 기준 온도(RTPTS) 값은 모재와 축 방향 용접부에서 132℃(270℉) 이하, 원주 방향 용접부에서 149℃(300℉) 이하로 유지해야 한다. 만약, 원자로 용기 재료의 샤르피 최대 흡수 에너지가 68Joule 이하로 감소하거나, 가압열 충격 기준 온도가 149℃를 초과할 것으로 예상한 경우 추가적인 파괴 역학 해석 등을 통해 원자로 용기의 건전성을 정밀하게 확인한 후 운전을 계속하도록 규정하고 있다.
원전의 허용 운전 기간 말기에 가압 열 충격 기준 온도가 허용 기준 149℃를 초과할 것으로 평가한 해외 원전 Kewaunee, Point 1&2 등의 조치 사례를 확인한 결과 원자로 용기의 등가 여유도를 파괴 역학 해석을 통해 확인하고, 마스터 커브Master Curve 방법에 따라 가압 열 충격 기준 온도를 정밀하게 평가했다. 이러한 정밀방법은 10CFR 50 App.G, KEPIC MIZ 부록 K, IAEA TECDOC-1631 등에 규정한 방법으로 미국, 유럽, IAEA 등 국제적으로 널리 사용하는 것으로써 고리 1호기 원자로 용기 건전성 평가에 적용한 평가 절차가 적절함을 확인했다.
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감시 시험편 분석 결과
원자로 감시 시험편(대체 감시자 포함)에 대한 시험 결과를 분석·평가했으며, 원안위 고시인 원자로 압력용기 감시 시험기준 등을 만족함을 확인했다.
고리 1호기 1차에서 5차 감시 시험까지 평가결과를 바탕으로 원자로 용기의 중성자 조사취화에 따른 안전성 평가 결과를 확인하고, 원자로 압력용기 노심대 영역 용접재(Linde 80) 시편 등을 포함한 감시 시험 평가 및 후속 조치가 원안위 고시에 따라 적합하게 수행했음을 확인했다. 또한, 원자로 압력용기가 받는 중성자 조사량을 감시할 대체 감시자 설치 및 인출 계획 프로그램을 점검했으며, 제1∼4차 대체 감시자에 대한 평가는 원안위 고시에 따라 적합하게 수행했음을 확인했다.
최대 흡수 에너지 평가 결과
이 평가는 원자로에 균열이 존재하는 경우 연성 파괴를 방지하기 위한 재료의 파괴 저항성을 확인하기 위한 것이다.
고리 1호기 원자로 용기의 최대 흡수 에너지가 68Joule 이하로 나타나 계속 운전 심사 기간 중 상세 평가 요건에 따라 노심대에 대한 100% 체적 검사, 파괴 인성 시험, 파괴 역학 해석을 수행했다. 정밀한 방법인 파괴 역학 평가 및 노심대용접부 100% 체적 비파괴 검사 결과 균열이 없었고, 원자로 용기 재료 시편을 이용해 파괴 인성 물성치를 적합한 방법에 따라 확보했으며, 확보한 파괴 인성 물성치를 이용한 파괴 거동 해석을 통해 원자로 용기에 균열이 존재한다고 가정하더라도 파괴가 발생하지 않았다. 따라서 고리1호기 원자로 용기는 파괴 역학적 안정성을 확보했으므로 계속 운전 종료 시점까지 원자로 용기의 건전성을 유지할 수 있다.
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 가압열 충격 기준 온도 평가 결과
이 평가는 가압 열 충격 발생 시 원자로 용기의 건전성 확보를 확인하기 위한 것이다.
미국기계학회(ASME)에서 마스터 커브를 이용해 가압 열 충격 기준 온도를 평가할 수 있는 ASME Code N-629를 1999년에 제정했으며, 미국원자력규제위원회(NRC)에서 2002년에 Code Case N-629를 ASME Code Sec. ⅩⅠ의 사용할 수 있는 Code Case로 승인했다. 이에 따라 계속 운전 심사 과정 중 원안위 고시 가압 열 충격 평가 기준에 따라 마스터 커브 방법론을 적용한 가압 열 충격 기준 온도 평가 결과를 검토했다.
1998년까지 수행한 샤르피 충격 시험을 통한 1∼4차 감시 시험결과, 가압 열 충격 기준 온도가 계속 운전 종료 시점 이전에 허용온도인 149℃를 초과할 것으로 예상했다. 그러나 정밀한 파괴 시험결과를 이용한 마스터 커브 방법에 따라 가압 열 충격 기준 온도를 재평가한 결과, 고리 1호기 가압열 충격 기준 온도는 계속 운전 종료 시점에서 127℃로 허용 기준 149℃ 이하를 만족했다. 따라서 가압 열 충격 발생 시에도 고리 1호기 원자로 용기는 건전성을 확보했다.
 압력-온도 제한 곡선 평가 결과
이 평가는 원자로의 손상을 방지하기 위해 운전 압력 및 운전 온도를 안전 운전 영역 내로 유지하기 위한 것이다.
고리 1호기 원자로 용기의 노심대에 축 방향 용접부가 존재하지 않지만, 과거 축 방향 용접부를 가정해 필요 이상으로 가혹한 조건을 적용함으로써 압력-온도 운전 영역이 좁았다. 계속 운전 심사 과정 중 원안위 고시에 따라 ASME Code Case N-641을 적용해 압력-온도 제한 곡선의 안전 운전 영역을 적절하게 확보하고 있음을 확인했다.
 제3자 원자로 용기 건전성 확인
KINS는 고리 1호기 계속 운전 심사 과정 중 한수원이 제출한 원자로 용기의 건전성 평가 결과를 검토해 계속 운전 종료 시점까지 원자로 용기의 건전성 유지를 확인했다. 또한, 2011년 고리 1호기 원자로 용기의 건전성 평가 결과의 객관성을 확보하기 위해 외부 전문 기관인 성균관 대학교 SAFE연구센터에 제3자 검증 평가를 의뢰했다. SAFE연구센터는 기기 건전성 평가 전문 기관으로 사업자와 별도로 독립적인 파괴 역학 평가를 수행해 고리 1호기 원자로 용기의 건전함을 재확인했다. 성균관대학교 SAFE연구센터는 고리 1호기 원자로 용기의 건전성을 확인하기 위해 최대 흡수 에너지, 가압 열 충격 기준 온도, 압력-온도 제한 곡선 평가 결과를 검토해 원자로 용기가 건전함을 재확인했다.
최대 흡수 에너지 | 68Joule보다 낮아 정밀한 파괴시험 및 해석을 통해 원자로 용기의 건전성을 확인했고, 추가로 원자로 노심대 용접부에 대한 100% 체적 비파괴 검사를 통해 균열이 없음을 확인했다.
가압 열 충격 기준 온도 | 원안위 고시에 따라 평가했으며, 정밀한 파괴 시험 결과와 ASME Code의 마스터 커브 방법으로 구한 가압 열 충격 기준 온도(127℃)가 허용 기준(149℃)을 만족했다.
압력-온도 제한 곡선 | 원안위 고시에 따라 ASME Code를 적용해 적절히 작성했으며, 충분한 안전운전 영역을 확보했다.
원자로 노심대 용접부 검사 결과
원자로 용기 노심대 영역의 용접부에 대한 체적 비파괴 검사(초음파 탐상 검사)는 원안위 고시인 원자로 시설의 가동 중 검사에 관한 규정, 전력산업기술기준(KEPIC MI) 요건에 따라 10년마다 주기적으로 점검하고, 제3주기 7차 가동 중 검사(2006년) 결과인 초음파 탐상 검사 신호에 대해 웨스팅하우스사 등 국내외 전문가가 추가로 평가해 KEPIC MI의 허용 기준을 만족함을 확인했다.
또한, 후쿠시마 사고 이후 원자로 용접부에 대한 비파괴 검사를 10년에서 5년마다 점검하도록 검사 주기를 단축했다. 이에 따라 당초 계획한 제4주기 6차 가동 중 검사(2014년 예정) 일정보다 앞당겨 제4주기 4차 가동 중 검사(2012년)에서 체적 비파괴 검사를 수행했다. 고리1호기 원자로 용기의 노심대 용접부에 대한 100% 체적 비파괴 검사 결과, 균열이 없어 KEPIC MI 허용 기준을 만족했다.
고리 1호기 감시 용기 6개 중 5개(V, T, S, R, P)에 대한 파괴 시험을 수행했으며,
원자로 용기 내부 벽면 기준으로 40년 운전에 해당하는 중성자 조사량을 받은
감시 용기(P)에 대한 파괴 시험을 통해 계속 운전종료 시점(2017년)까지 원자로
용기가 건전함을 확인했다.
감시 시험 현황
원안위 고시에 따라 감시 용기를 모두 인출한 경우 원자로 용기의 실제 조사취화 조건이 예측에 사용한 조건과 수명 말기까지 계속해서 일치한다는 것을 입증하도록 선량 측정 프로그램(대체 감시자 설치)을 수립해 이행하고 있다.
감시 용기는 중성자속이 높은 노심(Core) 가까이 설치해 실제 원자로 용기 내벽이 받는 중성자 조사량보다 몇 배 많은 양(선배율, Lead Factor)을 받기에 설계 수명 말기 원자로 용기 재료의 조사취화 특성을 미리 파악할 수 있다.
고리 1호기 감시 용기 6개 중 5개(V, T, S, R, P)에 대한 파괴 시험을 수행했으며, 원자로 용기 내부 벽면 기준으로 40년 운전에 해당하는 중성자 조사량을 받은 감시 용기(P)에 대한 파괴 시험을 통해 계속 운전 종료 시점(2017년)까지 원자로 용기가 건전함을 확인했다.
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고리 1호기 원자로 용기의 조사취화에 따른 건전성을 확인하기 위해 계속 운전 심사 결과(최대 흡수 에너지, 가압 열 충격 기준 온도, 압력-온도 제한 곡선)와 제3자 검증 결과 등 파괴 역학적 안전성 평가 결과를 종합적으로 확인해 계속 운전 종료 시점까지 고리 1호기 원자로 용기는 건전성을 유지함을 확인했다.
<Energy News>
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