쇼트EPA, 와일랩 원자력 안전 핵심 테스트 통과

극한 환경도 견뎌내 차세대 원전, 엄격한 안전 요건까지 충족

2013-01-16 김인배

쇼트(SCHOTT)사의 전기관통구 집합체(EPA)는 미국 와일랩(Wyle Lab.)에서 쇼트의 요청으로 IEEE 표준 317 및 344에 대해 실시한 엄격한 기기 검증테스트를 성공적으로 통과했다고 16일 밝혔다.

쇼트사의 EPA 기술은 현재 가동 중인 100여개 이상의 전세계 원자력 발전소에서 사용되고 있으며, 중국 산둥성 시다오완(Shidaowan)의 고온원자로(High Temperature Reactor)에 도입될 예정이다.

전기관통구 집합체(EPA: Electrical Penetration Assembly)는 원자력발전소의 핵심 안전장치로, 이 EPA의 수소 가스누출로 인해 후쿠시마 원전 폭발이 발생했다는 증거도 있다.

2011년 4월 11일 발생한 진도 규모 9.0 지진으로 높이 40.5미터의 초대형 쓰나미가 발생, 이 여파로 후쿠시마 제1 원자력발전소 원자로 3개에서 사고가 일어났다. 냉각시스템 작동 불능으로 인해, 적어도 원자로 세 곳에서 외부 격리빌딩 내 누적된 수소가스가 폭발하는 사고가 일어난 것으로 밝혀졌다.

후쿠시마 원전 운영사가 당시 사고 상황을 재현한 테스트 결과, 사고 당시 압력이 설계 압력보다 2배 이상 초과됐고 격납 구조물 내부 온도는 정상 가동 온도보다 4배 이상 상승했던 것으로 밝혀졌다. 이러한 과도한 온도 및 압력 과부하로 노화된 EPA 에폭시 유기물질 밀봉이 손상되고 폭발성 수소 가스가 외부로 누출된 것으로 추정된다.

1960년대부터 EPA를 생산해온 쇼트 엔지니어팀과 GLSEQ 원자력 안전 컨설턴트는 일본 원전사고 조사 결과 및 수소 폭발사고를 바탕으로, 보다 더욱 심각한 상황을 가정해, 안전 범위의 폭을 넓힌 테스트 프로그램을 고안하였다.

EPA는 원자력 발전소 내 전원, 제어, 계측기 회로 등을 위한 핵심 도관기기이다. 원자로 내 주요 기능의 구동에 있어 매우 중요한 요소로, EPA 밀봉상태는 원자로 격납 용기의 압력 경계 건전성을 유지할 수 있을 정도로 강해야 한다.

에폭시 같이 노화되는 유기 폴리머는 1세대 및2세대 원자력 발전소 EPA의 기본 설계 요건을 충족하지만, 원자력 전문가들은 기본 설계 조건을 넘어서는 심각한 수준의 사고 발생 시 밀봉이 손상될 가능성을 우려하고 있다.

쇼트는 더 안전하고 강화된 유리 대 금속 밀봉 기술(GTMS: Glass to Metal Seals Technology) 기반의 EPA 제품을 제공한다. GTMS는 EPA 밀봉 완전성 및 원자로 격리 용기의 건전성 확보에 있어 유기 봉인 보다 훨씬 더 많은 안전 혜택을 제공할 수 있다.

GTMS 기술에는 고온 및 방사능에 저항성이 매우 높은, 노화되지 않는(Non-Aging) 비유기 물질 글라스 밀봉이 사용된다. 쇼트사의 GTMS 기반 EPA는 사용 주기가 60년 정도이며, 기존 시험 결과 400바(bar/ 5,800 psi) 압력과 400℃ 이상 고온을 견디는 놀라운 성능 범위를 보여주었다. 반면에, 에폭시 밀봉 EPA는 2011년 후쿠시마 원전 사태와 같은 극한 온도와 압력에는 그 봉인이 손상될 수 있다.

“쇼트팀과 GLSEQ 엔지니어들은 쇼트의 와일랩 테스트를 위해 후쿠시마 원전 사고 당시 발생했던 엄청난 과부하 상황을 초과할 정도로 시험 강도를 강화하였고 이에 따라 쇼트의 EPA 안전성 범위 역시 확대되었다”라고 GLSEQ 제임스 글레슨 (James Gleason) 테스트 디렉터는 말했다

독일 쇼트의 전자부품패키징 사업부의 토마스 핑크(Thomas Fink) 원자력안전부서장은 “이번 테스트 결과로 쇼트의 GTMS 기술이 원자력 발전소 EPA에 적용될 수 있는 가장 안전한 기술이 더욱 확실하게 입증하였다.”라며 시험 결과에 대해 해석하였다.

1940년대부터 다양한 산업분야에서 안전성이 요구되는 주요 어플리케이션에 적용돼온 쇼트의 GTMS 기술은 1960년대에 원자력 EPA 밀봉에 사용되기 시작했다. 쇼트 엔지니어링팀은 축적된 경험을 기반으로 제품 안전성을 지속적으로 개선시켜왔다. 핑크 부서장은 이런 개선점을 통해 전세계 원자력 안전성이 더욱 강화되는 것이 무엇보다 중요하다고 덧붙였다.

와일랩에서 진행된 쇼트 사의 EPA 테스트에서는 지진 시뮬레이션, 냉각재 누출사고(loss-of-coolant accident, LOCA), 극한 사고 환경 테스트 등이 실시됐다. 지진 테스트 프로그램은 웨스팅하우스 AP 1000원자로의 지진 테스트 플랜 전기관통 60년 수명 품질기준을 훨씬 넘어섰는데, 종적 지진요건의 400%, 횡적 지진 요건의 575% 이상 초과하는 상황을 구현하여 시험하였다.

테스트 결과, 쇼트의 EPA는 리히터 규모 12에 이르는 지진 발생 시에도 정상적으로 완전 가동할 수 있음이 입증됐다. 현재까지 측정된 지진 중 가장 컸던 규모는 진도 9.5로 알려져 있다.

LOCA 시험에서는 화학 스프레이, 251℃ 이상의 고온, 65 psig 압력 등을 인가한 LOCA 시뮬레이션으로 7일간 진행되었다. 극한 사고 환경실험에는 300 psig까지 압력을 올리는 고압 누출 테스트가 진행되었으며, 이는 일반 제 3세대 원전인 Gen III+ NPPs (60 psig) 보다 5배 이상 높은 압력이다.

와일랩 테스트 보고서는 “쇼트 제품은 지진 테스트 프로그램 실험 중에도 적절한 성능을 지속적으로 보여주었으며, IEEE 344-1987, IEEE 344-2004 및 지진 관련 IEEE 317-1983 (R2003) 기준을 충족하였다.”고 명시하였다.

쇼트사(SCHOTT)의 북미 전자부품패키징 사업부를 담당하는 조 하일(Joe Hale) 영업마케팅 이사는 "쇼트는 현재 시장이 요구하는 제3세대 원자력 발전소 모든 공통 유형의 안전 요구사항에 부합하는, 가장 안전한 EPA 기술을 제공한다”고 말했다.