원자로계통의 냉각수 소량 누설 감지 기술은 대형 냉각수 누출 사고 이전의 초기 징후 단계에서 누출을 조기에 감지해 원자력발전소(이하 원전)의 심각한 사고를 미연에 방지하는 원전 안전 예방 기술이다.

국내 원전의 대다수는 순환 냉각수로 물(경수)을 150기압에서 약 320℃로 가열시켜 사용하는 가압경수로형(경수로)원전이다. 가압경수로형 원전은 원자로 용기와 연결 배관에 균열이 발생하면 그 틈새로 고온·고압의 냉각수가 누출된다. 이를 조기에 감지하지 못하면 균열의 크기가 점점 커져서 심각한 대형 냉각수 누출 사고로 이어질 수 있다.

원자로계통의 냉각수 소량 누설 감지 기술은 배관의 완전 파단(부재가 양단으로 절단되는 것) 사고 이전에 균열 부위 냉각수 소량 누설을 감지하면 원전을 안전하게 정지시킬 수 있는 충분한 시간적 여유를 운전원에게 줄 수 있으므로 원전의 안전에 매우 중요한 기술이다.

이와 관련해 권태순 책임연구원은 “대형 경수로의 냉각수 체적제어계통은 소량 누설에 따른 수위 변화량이 너무 작게 나타나므로 이를 즉시 감지하기가 매우 어렵다. 반대로 소량누설도 감지할 수 있게 수조나 체적제어계통을 작게 설계하면 원자로계통의 작은 열수력적 변화에도 체적제어신호가 너무 민감하게 반응해 오류신호가 잦기 때문에 원전 운영상 바람직하지 않다”면서 “원자로계통의 작은 균열의 소량 냉각수 누설 문제를 해결하려면 0.01gpm❷급 누설을 감지할 수 있어야 하는데, 이러한 시스템은 기술적으로 구현하기 쉽지 않다. 기존의 대형 격납건물 체적 단위의 습도 변화나 수조 수위 변화로는 소량 냉각수 누출 감지가 거의 불가능하며, 이에 따라 소량 누설을 즉시 감지할 수 있는 직접적이고 혁신적인 누설 감지 기술이 요구된다”고 말했다.

이런 점에서 한국원자력연구원이 개발에 성공한 ‘0.5gpm 미만의 원자로냉각재계통 미확인 누설 실시간 감시시스템’은 세계적 수준의 원자로계통 냉각수 소량 누설 감지 기술이자 최고 수준의 원전 안전 예방 기술이라 평가할 수 있다.

원자로계통 냉각수 소량 누설 감지 기술은 3가지 핵심 센서를 이용해 누설을 감지하는 방식이며, 센서 기술보다 더 중요한 것은 누출된 냉각수 습분 공기를 포집하는 기술이다. 고온·고압의 냉각수가 격납건물로 퍼져 나가기 전에 포집해야만 비로소 센서가 감지할 수 있기 때문이다.

권 책임연구원은 “포집기는 300℃ 이상의 고온에도 견디고 고방사선 환경에서도 사용 가능하며 냉각수 누출로 발생하는 고습도의 습분 공기를 포집 튜브 루프Loop 내부로 유도할 수 있는 열유체 성능과 구조를 가져야만 한다”며, “포집기는 다공질 스테인리스 스틸SUS316을 고온에서 성형해 공기가 통과할 수 있는 미세 구멍이 무수히 많은 다공질Porous 형태로 만든다. 마치 모래를 형틀에 넣고 고온에서 구워낸 형상과 비슷하다”고 설명했다.

더불어 그는 “포집 튜브 루프 내부를 대기압력보다 낮은 압력(음의 부압)으로 만들면 포집기 내외부에 압력 차이가 발생하고 포집기 밖의 습분 공기가 포집기 내부로 침투해 튜브 루프 내부로 들어오는데, 이를 누설수 습분 공기 포집이라 한다”고 설명했다. 이는 입으로 빨대를 빨면 빨대 내부에 음의 부압이 발생해 입안으로 음료가 들어오는 원리와 같다. 이렇게 보다 직접적으로 누설을 포집해 계측하면 대용량 격납건물의 습도 변화를 뛰어넘는 현격히 증가된 습도 신호를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이 밖에도 원전에 적용 가능하도록 내진시험, 전자파시험, 온도·습도 환경시험 등을 실시했다. 누설 감지 시스템의 최종 성능시험은 원전 냉각수 모의 고온·고압 조건에서 0.007gpm까지 누설 감지 성능시험을 통과했고, 흡입 시간 약 3~5초를 적용해 계측이 어려운 포집기 위치 조건에 대한 시험 결과 누설 감지 신호의 민감성과 반복성을 확인함으로써 세계적 수준의 원자로계통 냉각수 소량 누설 감지 기술을 실증한 것으로 알려졌다.

현재 개발에 성공한 본 기술과 유사한 소량 누설 감지 기술을 보유한 나라는 프랑스가 유일하다. 프랑스는 포집기를 자연 노출 방식의 분자 확산에 의한 누설수 습분 공기 포집 기술을 적용하는데, 이 방식은 포집 시간이 길어 본 개발 기술보다 누설 감지 시간이 훨씬 지연될 뿐만 아니라 개방된 자유 공간에서는 운용이 불가능한 한계를 가지고 있다.

이에 반해 부압에 의한 흡입 방식을 적용한 한국원자력연구원의 기술은 보다 적극적으로 누설수 습분 공기를 포집 튜브 루프로 빨아들여 감지하기 때문에 프랑스의 분자 확산 방식보다 포집 시간이 훨씬 단축되고 자유 개방 공간의 습분 공기도 포집이 가능해 포집 성능이 뛰어나다. 따라서 적용에 제한이 없는 장점이 있다.
그 결과 앞으로의 시장 전망 또한 매우 밝다. 권 책임연구원은 친환경 재생에너지와 함께 원자력 발전도 매우 중요하다고 강조했다. 그는 “최근에 개발 중인 소형모듈형원자로SMR를 포함해 원전의 안전성 강화가 중요한 화두로 대두되었다. 이에 따라 원전의 안전성 강화 추세 및 계속 운전 원전의 증가 추세에 따라 본 누설 감지 기술의 활용성이 증가할 것으로 예상되며, 원전 적용 기술을 조기에 상업화한다면 전 세계 원전 시장을 크게 분점할 수 있을 것으로 예측된다”고 밝혔다.

개발에 성공한 이번 기술은 신규 또는 가동 원전 특히 국내외 다수의 계속 운전 원전의 안전성 강화 기술로 적합하다. 또한, 누설 감지 시스템의 구성도 습도 감지, 베타선 감지, 물 감지 기술의 다중복합형 구성뿐만 아니라 각각 단독 구성까지 가능해 적용 모델을 다양화할 수 있다. 습도센서에 적용된 기술은 비접촉 센서기술로도 응용 가능하다. 특히, 포집기는 위험한 고독성 물질을 다루는 산업현장의 독성 가스 또는 독성 액체류 및 수소 충전시설의 누설 감지 등 일반 산업용으로도 활용할 수 있어 신시장 창출에도 기여할 것으로 기대된다.