한빛 3호기 원자로헤드 EFR용접 보수방법 ‘적합’

■ 한빛원전 3호기 원자로 헤드 제어봉 보수방법에 대한 안전성 평가

지난해 11월 한빛 3호기의 14차 계획예방정비기간중 수행된 원자로 압력용기에 대한 비파괴검사중 원자로헤드 관통 노즐의 6개 노즐 용접부에서 결함이 발견됐다.
한수원은 원자로헤드 관통부에서 탐지된 결함은 검증된 덧씌움 용접방법으로 보수돼야 한다고 결정하고 미국 웨스팅하우스가 사용하는 승인된 EFR 방식으로 보수를 하기 위해 웨스팅하우스와 계약을 체결했다.
보수방안의 적절성을 확인하기 위해 영광원전민관합동대책위는 독립적인 민간국제공인검증기관인 독일 튜브노르트사에 의뢰해 한수원의 EFR 방식의 보수계획에 대한 안전성 확인작업을 위탁했다.
튜브노르트는 전문가로서 기술지원 및 검증을 수행하고 원자로헤드 관통부 노즐의 구조적 건전성과 보수작업 후의 안전성에 대해 검토하는 계약을 체결후 작업을 수행·완료했다.
한빛 3호기의 운전 안전성을 확인시키기 위해 한수원과 웨스팅하우스가 수행한 활동들을 검토, 검사 및 평가작업의 결과를 제출한 튜브노르트사의 최종보고서를 발췌·게재한다.
- 편집자 주 -

1. 일반적인 평가 접근법

일반적인 평가 접근법은 먼저 ① 건전성을 고려한 유지보수 개념을 검토 평가하고 ②발전소 조건을 고려한 유지보수 방법을 평가한다. 이어서 ③ 유지보수 수행시 이를 평가하고 ④ 유지보수 활동이 유지보수된 기기나 계통을 가지고 발전소를 계속 운전할 경우에 미치는 영향을 평가해야 한다.
검토방법으로 튜브노르트는 한빛 3호기와 관련해 ① 제공된 문서 및 기록(완성도) 점검 ② 제공된 문서 검토 ③한수원과 웨스팅하우스사의 직원 면담 ④ 용접 보수절차 검증과 검사를 위한 현장입회 검사 ⑤ 문헌 연구를 실시했다.

2. 튜브노르트사의 활동
▶ 4월25일 용접작업 입회, P43번 노즐의 J-그루브 덧씌움용접
▶ 5월9일 용접작업 입회, P43번 노즐의 관외경 덧씌움용접
▶ 5월12일 P75번 노즐 PT(액체침투탐상검사) 검사 입회
▶ 5월15일 현장 UT(초음파검사) 수행 입회
▶ 5월23~24일 튜브노르트사 비파괴검사 전문가 현장 UT(초음파검사) 입회 (교정 시험편 및 P43번과 P48번 노즐검사의 입회)

3. 평가 기준
튜브노르트사는 대한민국 규격 뿐만 아니라 미국기계학회 보일러 및 압력용기규격(이하 미국기계학회 규격으로 약술) 등 국내외 규격 및 기준에 근거해 업무를 수행했다.
특히 선택된 보수방식에 관해 규정된 법규와 규격을 고려하고 국제규격이나 국제원자력기구(IAEA)의 지침에 따라 검사결과를 평가했다.

4. 평가 결과
(1) 유지보수 개념 검토(EPR 방식)
운전중인 원자력발전소 압력 유지기기(원자로압력용기 포함)에서 균열이나 누설이 탐지됐을 때 미국기계학회 규격에 따라 보수하거나 교체를 할 수 있다. 원자로압력용기 600 합금 노즐에 발생된 1차수응력부식균열이나 다른 결함에 의한 균열에 대해 몇가지 보수방법이 개발되고 인증됐다.

▶ EFR 방식 (웨스팅하우스)
원자로헤드 관통관 노즐과 용접부의 부식손상을 제거하기 위해 1994년에 웨스팅하우스에서 특수한 보수방법을 개발했다. 보수방법은 부식성 균열을 완전히 제거하지 않고 용접 씌움방식에 의해 균열을 매립되는 방법이어서 이를 EFR(Embeded Flaw Repair)이라 부른다.
EFR 방식은 52합금 혹은 52M합금을 최소 3개층 이상으로 사용해 기존 결함과 민감소재를 1차수 환경으로부터 차단시키는 것이 포함된다.

EFR 방식은 관심구역에 부식진행을 정지시키는 비구조적인 방어막을 제공한다.
52/52M 합금을 균열이 발생한 600합금 소재 위에 다층 덧씌움 용접 방식으로 적용한다. 용접은 원격장비를 이용하는 기계화 용접으로 수행한다. EFR 방식은 1차수 환경에 접촉이 이루어지지 않는 한 1차수응력부식균열이 진행되지 않기 때문에 발전소 수명말기까지 지속이 가능한 항구적인 보수방법으로 간주된다.
52/52M 용접부는 1차수응력부식균열에 대한 저항성이 높기 때문에 새로 생긴 1차수부식균열이 개시되거나 52/52M 덧씌움 용접층을 뚫고 성장해 기존의 매립결함이 1차수 환경에 연결되게 할 수 없다.
690 소재의 부식저항성은 가압경수로 조건에서 균열이 발생하지 않는 것으로 입증됐고 증기발생기 세관에 적용돼 10년간 운전한 결과 1차수응력부식균열은 발생되지 않았다.
이러한 경험사례는 EPRITR-109136, ‘가압경수로 원자로헤드 관통부 600합금 소재의 균열성장 및 미세조직특성’ 및 다른 문헌에도 조사돼 있다.

▶ 용접재 52/52M 합금의 저항성
한빛 3호기에 적용한 경우는 52M합금이 덧씌움 용접에 사용됐다. 52합금과 비교했을 때 52M은 더 깨끗한 표면을 제공한다.
52합금의 저항성은 실험실 시험 결과 가압경수로 시뮬레이션 조건에서 균열이 관찰되지 않았고 증기발생기 전열관에서 약 10년 운전한 결과 1차수응력부식균열이 발생되지 않았다는 것으로 검증됐다. 이 소재의 균열 성장 저항성은 미국 전력연구원의 보고서 TR-109136, ‘600합금 원자로헤드관통관 소재의 균열성장 및 미세조직 특성’에 문서화 돼 있다. 52M합금 또한 높은 크롬함량으로 인해 1차수응력부식균열에 높은 저항성을 가지고 있다고 지적하고 있다. 한 예로 PNNL 연구결과에서 52M합금 데이터는 52합금과 152 합금에 대한 PNNL 예전 결과(가압경수로 1차수 환경에서 응력부식균열에 대해 탁월한 저항성이 있음을 보여준)와 일치한다고 언급하고 있다.
이런 결과들은 부식 저항성에 대해 비견할 만한 690합금 모재뿐만 아니라 52M합금과52/152합금 용접부로 구성된 (기기들의) 운전 경험에 의해 입증됐다.

▶ 고온·미세균열에 대한 민감도
저항성을 보여주지만 이 합금들은 용접 결함에 대해 취약하다.
52합금과 52M합금의 경우에 널리 사용되는 82/182합금과는 반대로 미세균열과 고온균열에 대한 민감도가 증가한 것이 발견됐다.
EFR 방식과 관련해 웨스팅하우스는 52/52M합금 용착부에서의 모든 미세균열 방지를 보증하는 용접방법 또는 기술은 없다고 언급했다. 그러나 웨스팅하우스의 공정 제어방식은 미국기계학회 규격 허용기준에서 허용되는 수준까지 미세균열을 제한하는 것으로 증명됐다. 이런 검증된 제어 방식이 EFR 용착부내의 미세균열이 EFR 의 비구조적 용접 장벽의 건전성이나 효과성과 타협하지 않을 것이라는 것을 보증하며 고온균열, 미세균열, 기포형성을 효과적으로 완화시키는 용착부를 형성한다.

▶ 보수된 노즐과 관련된 경험
52합금 덧씌움 용접재와 관련해 미국 도날드 C. 쿡 원전 2호기 관통부에 적용한 사례가 보고됐다.
이 관통관은 1996년 EFR 방식으로 보수했고 2002년 1월 보수한 부위를 다시 검사했다. 검사 결과 덧씌움 보수하고 6년 가동후 어떠한 균열 발생의 증거도 보이지 않았다.

▶ EFR 방식의 국제적 사례 및 경험
첫번째 보수는 1996년 미국 원자력발전소 도널드 C. 쿡 2호기에서 수행됐고 언급된 바와 같이 보수된 노즐은 2002년에 재검사를 실시해 표면 결함은 나타나지 않았다.
웨스팅하우스사에 따르면 그 동안 37개 노즐이 EFR방식으로 보수됐다. 이 보수방법은 북미, 아시아, 유럽내 원전에서도 사용됐다.

(2) 보수기술에 대한 평가
제시된 선택 가능한 보수기술의 타당성과 보수방법들에 대해 장단점을 분석한 검토 결과는 다음과 같다.
첫째, 결함 제거는 1차수응력 부식균열로 인한 결함이 원자로압력용기 헤드 재질내에 남아 있지 않기 때문에 잠재적인 균열 성장에 대해 감시할 필요가 없다는 장점이 있다.
그러나 600/82/182합금으로 이뤄진 부분중 남아 있는 부분은 여전히 새로운 균열을 개시하기 매우 쉬워 균열이 새로 생기고 그것이 진전될 가능성을 배제할 수 없다.

게다가 이 방식은 방전가공법(EDM) 등과 같은 방식으로 제거시 접근하기 쉬운 곳에 있는 균열에는 적용할 수 있지만 한빛 3호기에서 발견된 것과 같이 노즐 외경중 J-그루브 용접에 의해 덮인 부분에 있는 균열은 기술적으로 유용한 방식으로 제거할 수 없다.
결론적으로 이 보수방식은 다음에 설명하는 결함매립보수방식을 적용하는 것과 비교할 경우 일반적으로 기술적인 장점이 없다. 게다가 영광 3 호기는 헤드 관통부 노즐에 있는 균열의 위치 때문에 원자로압력용기 헤드 보수시 이 방식을 적용할 수 없다.

둘째, 슬리브 보수는 슬리브를 피복재나 노즐 하단에 용접하므로써, 1차수응력부식균열이 생길 수 없거나 생기기 어려운 재질부에만 용접 응력이 존재해 이렇게 설치된 슬리브는 균열과 유사한 손상부에 1차수가 유입되는 것을 효과적으로 방지한다.

그러나 균열이 발생하였거나 발생하기 쉬운 부분에 압축응력이 작용하지 않아 균열이 더 진전될 위험성을 감소시키는 것을 기대할 수 없다. 게다가 운전 경험은 하나의 발전소, 하나의 노즐관, 오직 3년간의 운전기간에 제한돼 기술의 자격취득은 지금까지 수행되지 않았다.

결론적으로 이 보수방식은 EFR 방식과 비교할 경우 운전 경험이 부족하고 균열성장을 억제하는 압축응력이 존재하지 않기 때문에 한빛 3호기 보수 방식으로는 EFR 방식이 더 선호된다고 판단했다.
셋째, 용접부 교체방법은 1차수응력부식균열에 의해 발생했던 결함이 원자로압력용기 헤드부에 더 이상 남아 있지 않기 때문에 균열성장을 감시할 필요가 없다.

하지만 신규 용접에 의해 노즐 상부에 초래된 잔류 응력으로 인해 600합금의 부식저항성에 불리한 영향을 미칠 수 있고 새로운 균열이 개시될 수도 있다.
넷째, 결함을 매립하는 EFR 방식의 경우 지금까지 20년 가까이 1차수응력 부식균열에 의한 균열 보수에 사용되고 미국원자력규제위원회의 검토와 승인을 받은 것이다.
승인 과정에서 필요한 요건인 가장 최신의 기술을 반영하고 있으며 이 방식이 적용된 비교할 만한 사례가 세계적으로 많이 있다

(3) 보수방법 적합성 여부
한빛 3호기 원자로 압력용기 헤드와 관통부 노즐은 웨스팅하우스사나 CE사가 설계한 미국 원자력발전소와 완전히 비견할 만한데 미국에서는 EPR방식이 개발되고 인증돼 있다. 한빛 3호기 원자로압력용기 헤드 보수시 사용된 재료는 EFR방식 인증시 기준으로 한 것과 동등하다. 한빛 3호기의 전형적인 운전조건에서52/52M합금 재료에 1차수응력 부식균열이 일어날 가능성은 장시간 운전한 후에라도 없다고 본다. 이것은 수많은 과학적 조사로 입증됐고 보수와 신규 용접시 이 재료가 사용된 비견할 만한 원자력발전소의 실제 운전경험에 의해 입증된다. 따라서 EFR 방식은 영광 3 호기 적용에 적합하다.

(4) 결함 탐지·보수에 대한 평가
용접회사 웨스팅하우스는 한빛 3호기 원자로 압력용기 헤드부 6개의 제어봉구동장치 노즐을 보수했다.
용접의 마무리는 인증된 용접으로 완성돼야 한다. 이것은 인증된 재료사용과 인증된 용접절차서, 유자격 용접사에 의해 보장된다. 성취된 품질수준을 입증하기 위해서는 보수한 부분에 대한 검사가 필요하다. 인증된 검사 절차서도 필요하다.

용접회사 웨스팅하우스와 검사회사 웨스다인이 필요한 유자격을 입증하는 문서를 제출했다.
튜브노르트사는 현장방문을 통해 독일의 안전기준인 KTA와 같은 국제규격과 기준을 고려해 두 회사의 자격을 입증하는 문서를 조사했다. 추가적으로 현장에서 보수용접의 이행을 임의추출 조사로 현장 입회해 평가했고 품질보증 방법의 효과를 동시에 검사했다.

평가 결과 ▶ 용접에 관한 모든 제조문서가 활용 가능했고 ▶ 제조문서는 재료, 용접 절차서, 용접사에 대한 필요한 품질검증 방법을 포함하고 있었다. 또 ▶ 두 회사의 품질보증 프로그램이 제반 용접 요건에 부합하고 ▶ 적용된 검사 기법은 인증되며 필요한 품질을 입증하는데 적합하고 ▶ 보수 작업과 최종검사는 규정된 데로 수행됐다.

특히 ▶ 보수작업후 최종 비파괴검사에서 아무런 지시가 나오지 않았다는 것을 언급하고자 한다. 초음파탐상검사 결과 매립된 결함의 크기가 ‘보수전 수준과 같다’고 나타났다.
그러므로 보수작업이 규정된 요건에 따라서 수행됐다고 결론내린다.

(5) 추후 운전 및 계획된 교체
한수원은 균열이 없어서 보수되지 않았던 노즐들은 1차수응력 부식균열이 야기하는 균열 개시 및 전파에 여전히 민감하다는 것을 고려해 다음 연료교체정지 기간에 원자로압력용기 헤드를 교체하기로 결정했다. 그때까지 14개월 동안 한수원은 발전소를 운전할 것이다.

여기서부터 당사는 요구되는 유지보수 건전성 측면에서 원자로 압력용기 헤드를 신품으로 교체한 후의 운전뿐만 아니라 기존 헤드를 보수후 교체시까지 운전하는 것에 대해 평가했다.
웨스팅하우스는 매립 결함의 크기가 향후 20년의 운전수명에 적용될 수 있는 최대 초기 결함 초기 범주내에 있음을 보여주는 보고서를 작성했다.

튜브노르트는 5월31일 최종 데이터 패키지를 확인하면서 이 보고서를 검토했다. 그리고 이 보고서를 적용하는 것, 향후 20년의 운전을 고려해 결정한 결함 한계치가 정확하며 수용 가능하다는 것을 언급한다. 이 결과를 사용하는 것에 대해 이견이 없다.
기기에 대해 요구되는 품질과 운전과정 동안 요구되는 품질을 유지하는 것은 중요하다. 이러한 이유로 품질수준의 변화를 탐지하기 위해 운전 중 기기의 감시와 반복 테스트가 요구된다.

설명했듯이 한수원은 2014년 10월에 원자로 압력용기 헤드를 교체할 일정을 수립했다. 그러나 만약 제작문제 혹은 운송 문제로 인해 지연될 경우 당사의 관점에서 봤을 때 기존 원자로 압력용기 헤드로 추가적으로 안전운전을 할 수 있다는 것을 의심하지 않는다. 지연될 경우 한수원은 600합금으로 만들어진 노즐에 대한 미국기계학회 코드 케이스 N-729-1의 요구사항 및 계산된 유효열화년수 값에 따라 모든 필요한 체적 및 표면검사를 의무적으로 수행해야 한다.

균열처럼 보이는 결함을 탐지할 경우 당사는 계속적인 안전운전을 보증하기 위해 검증된 해결책 혹은 보수기술을 반드시 적용할 것을 권고한다.
새로운 원자로 압력용기 헤드는 계획된 설계변경에 따라 세부사항이 바뀔 수 있지만 노즐재료는 690합금으로 변경될 것이다. 용접은 52 합금과 152합금을 사용해 용접될 것이다. 모든 새로운 니켈 기반 합금들은 1차수응력 부식균열 열화에 충분한 저항성이 있는 것으로 확인됐다.
재료와 관련해 이런 종류의 원자력 압력용기 헤드는 미국, 스웨덴, 프랑스에서 지난 20년 동안 모든 유사한 교체 프로젝트에 사용됐다.

(6) 주목할 사항과 권고사항
제어봉구동장치 노즐의 용접보수에 대한 검토와 평가 결과 당사는 용접 수행기록서 원본에 근거해 원자력공인검사관이 용접 수행이나 육안검사/액체침투탐상검사에 전혀 입회를 하지 않았다는 것을 확인했다.
당사의 관점과 원자로 압력용기 헤드와 보수작업의 안전 관련성과 관련해 보수작업에 대한 후속감시가 공인된 독립적인 원자력검사기관에 의해 수행돼야 한다는 의견을 개진한다.
공인된 독립적인 전문기관에 의한 강화된 감시활동과 검사는 국제원자력기구 안전지침 GS-G-1.3에 의해 권고된 사항이고 유럽 국가들에서는 일반적 관행이다.

당사는 이 새로운 기기의 안전 관련성에 따라 그리고 영광 3호기 EFR보수로부터 얻은 교훈으로 공인원자력검사관에 의해 모든 주요 제작단계는 충실히 문서화돼야 하며 이를 통한 감시활동을 강화하기를 권고한다.