한빛4호기 격납건물 구조건전성평가 검증결과 및 향후 계획

원자력안전위원회가 한빛원전 4호기 격납건물 구조건전성 평가 결과 “구조적으로 안전성이 확인됐다”며 재가동 수순에 들어간 가운데 지역주민들은 “건전성 평가는 설계대로 공사가 진행됐다는 것을 전제로 하는 평가이지만 건설 당시 관리감독, 품질과 규제기관의 사용전 검사가 엉망이었다는 것을 정부나 한수원 누구나 부정하지 않고 있다”며 주민이 참여하는 진상조사를 요구하며 반발하고 있다. 원자력발전소 규제기관인 원안위는 지난 7일 열린 제160회 위원회의에서 원자력안전기술원(KINS)이 제출한 한빛3·4호기 격납건물 공극발생 근본원인 점검결과와 4호기 구조건전성평가 검증결과 및 향후계획을 보고받았다. 그러나 주민들은 보고사항으로 처리한 해당 안건에 대해서도 심의·의결사항으로 처리했어야 한다고 비판했다.
킨스는 해당 보고에서 시공상태에 대한 사후 확인이 어려운 구조물의 특성상 사업자의 시공기록과 검사기록에 대한 서류확인과 관계자 면담 등을 중심으로 ▶ 설계 요인 ▶ 시공 요인 ▶ 환경적 요인 ▶ 검사 체계 등 4가지로 점검한 것으로 나타났다. 한빛원전 3·4호기에서는 발전소 격납 건물에서 구멍이 각각 124개와 140개가 발견됐다.
본지는 지난호에 <한빛3·4호기 격납건물 공극발생 근본원인 점검결과>를, 이번 신문에 <한빛4호기 구조건전성평가 검증결과 및 향후계획>을 게재한다.                        / 편집자 주

I. 개요
■ 「한빛3·4호기 콘크리트 공극관련 안전성 확인계획(안)」(제106회 원안위, ‘19.8.)에 따른 한빛4호기 격납건물 구조건전성평가 검증결과 및 향후계획(안)

Ⅱ. 주요 경과
■ (격납건물 점검) 한빛4호기 격납건물 대형공극(깊이 157㎝) 확인(’19.7)으로 관통부 하부 공극 전수점검(~’19.10) 및 격납건물 가동중검사(25년차)로 외벽점검수행(~’20.4)
· KINS는 정기검사 시 격납건물 CLP 배면 공극 및 격납건물 외벽 철근노출 현황을 파악하기 위해 현장에 입회 확인
■ (구조건전성 평가) 한수원은 CLP 배면 공극 및 외벽 철근노출 등 격납건물 점검결과를 반영해 건조기술기준에 따라 구조건전성평가 수행(~’21.2., 6.)
■ (평가검증) 한수원의 격납건물 구조건전성평가 결과 및 보수방안에 대해 KINS 기술검토 및 전문기관 독립검증 수행*
      * KINS(’21.3.~’21.12.), 한국콘크리트학회(’21.3~‘21.7.)
· KINS는 건전성평가 수행자인 한국전력기술(주)에 방문하여 평가 방법론 및 입력자료의 적합성 등을 직접 확인(’21.9.)

Ⅲ. 평가결과 검토
1. 구조건전성평가 및 보수방안(한수원 수행)
■ (평가반영 공극) 확인된 공극(140개소) 이외에 유사한 부위에 존재할 수 있는 공극을 추가로 가정*(1,815개소)하여 총 1,955개소 공극을 평가에 반영
   * 구조물 간섭으로 인한 CLP 미절단 부위 중 보강재 하부, 철근밀집부위 등 도면검토를 통해 선정
  ※ 상부돔은 매설부재(철근, 텐돈, CLP 부착물) 등이 표기된 설계도면을 통해 공극 없음을 가정
■ (평가절차) 범용 3차원 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 구조해석을 수행하고, TEMCO 프로그램을 사용하여 단면 및 응력평가 수행
※ (ABAQUS) 신고리1∼4호기 등 원전설계에 사용, (TEMCO) 한빛3, 4호기 설계 시 사용
※ 원설계시 격납건물은 DYNAX프로그램을 사용하여 2차원 모델로 구조해석을 수행하였으나, DYNAX프로그램은 콘크리트 공극을 반영할 수 없어 3차원 구조해석 프로그램 사용
※ (한빛3호기) 최대 공극(62㎝)을 포함한 1,522개소의 공극을 반영한 4단계에 걸친 평가결과, 철근 및 콘크리트의 응력상관비(작용응력/허용응력)가 1미만으로 허용기준을 만족
※ (한빛4호기) 최대 공극(157㎝)을 포함한 1,955개소의 공극을 반영한 4단계까지 평가결과, 19개소에서 철근 및 콘크리트의 응력상관비(작용응력/허용응력)가 1을 초과(허용기준을 불만족)
* (추가해석 요구) KINS 및 한국콘크리트학회는 허용기준 초과 부분에 대한 정밀 해석을 위해 비선형 국부 상세평가를 요구
·(구조건전성평가) 철근과 콘크리트 작용응력을 계산하여 건조 기술기준에서 규정한 허용응력과 비교
■ (평가결과) 공극, 철근노출 등 모든 결함을 반영한 종합평가 결과, 철근· 콘크리트의 작용응력 및 CLP 변형률 등이 관련 허용기준을 만족
· (작용응력) 공극이 있는 상태에서 모든 정상 및 사고조건에서 콘크리트의 응력상관비(작용응력/허용응력) 및 철근의 변형율이 1 미만으로 허용기준을 만족
※ 한빛3호기 구조건전성 평가결과 : 콘크리트 최대 응력상관비 0.994, 철근 최대 변형률비 0.480
· (CLP 변형률) 15″폭 모델의 압축-사고초기 조건*에서 CLP 최대변형률이 발생하며, 변형률비(최대변형률/허용변형률)가 1 미만으로 허용기준을 만족
 * (최대 변형률비) 0.973(조건 : 15″폭 모델, 공극 크기(폭x높이) 33㎝ x 38㎝)
※ 한빛3호기 구조건전성 평가결과 : 최대 CLP 변형률 0.957
■ (보수방안) 공극 및 철근 노출이 존재하여도 설계기준에 따른 격납건물 구조건전성이 확인되었으므로, 공극은 폴리머시멘트 모르타르 또는 무수축 그라우트 등의 단면채움재를 사용하여 보수 
□ (외부기관 검증) 한수원은 격납건물 구조건전성 결과 및 보수재료의 적절성에 대해 해외 전문기관(Framatome사(프))의 독립검증을 수행

<Framatome사(프) 주요 검증결과>
◇ 공극 및 철근노출 반영, 원설계와 동일한 하중조합 적용 등 평가방법은 적절하며, 선정된 3D 유한요소 모델 및 해석방법은 원설계 보다 정확함
◇ 철근 노출부위에 대한 건전성, 보수범위, 보수방법 및 보수재료 등에 대한 기술적인 접근법이 타당하며 적절함
◇ 가장 보수적인 하중조합이 CLP 변형률 평가에 적용되었으며, 공극크기, CLP 두께 등을 보수적으로 적용하여 적절하게 평가
◇ 고에너지배관 관통부 공극부 평가는 보수적이며, 건전성을 확인하였고, 보수재료에 영향 없음

2. 한국콘크리트학회 검증결과 
한수원(주)이 제출한 격납건물 건전성평가 결과보고서에 대해 구조건전성평가 방법의 타당성 및 결과의 적절성, 공극 보수재료 및 방법의 적절성 등을 검토
■ (절차 및 방법) 공극반영을 위한 3차원 모델은 적절하며, 사용된 프로그램은 기존 원전에도 사용실적이 있으므로 신뢰성 있음
■ (구조해석) 원설계와 동일한 방법 및 비선형 상세 구조해석을 수행하였고, 철근·콘크리트의 작용응력이 모든 조건에서 허용응력 미만임을 확인
·건설당시 사용된 실제 콘크리트 강도를 기준으로 하는 경우 응력비가 더 낮아지고, 안전율은 더 높아지므로 해석결과는 적절
·콘크리트 응력이 크게 발생하는 일부 공극 주변부위에 대해 텐돈 및 철근을 포함한 공극을 실제에 가깝게 상세 모델링 후 비선형 유한요소해석*을 수행한 것은 타당
* (유한요소해석) 콘크리트 공극주변 단면을 유한개의 작은 요소로 모델링 후 작은 요소들간의 힘전달을 수치적으로 표현한 방법
■ (구조건전성) 평가에 반영된 공극크기, 콘크리트 피복탈락 등 단면의 보수적 가정을 고려하면 콘크리트 격납건물 및 CLP의 구조건전성은 확보된 것으로 판단
■ (보수재료) 모르타르 및 그라우트 등 공극 보수재료의 물리적·내구적 성능은 시공관리 측면에서 적절하며, 보수재료의 물성치는 격납건물 건전성에 영향을 미치지 않음
■ (그리스 누유) 수직 텐돈에 대한 응력검사 및 표본 재료시험을 통해 기술기준에 부합함을 확인하였으므로 현재 격납건물 포스트텐셔닝시스템이 구조적 성능을 확보한 것으로 판단
■ (보수방법) 철근콘크리트 구조물 보수에서 얕은 공극은 모르타르, 깊은 공극은 그라우트를 주입하는 보수방법은 문제가 없을 것으로 판단

3. KINS 기술검토 결과
■ (입력자료) 구조건전성평가에 확인·가정 공극 반영(1,955개소) 및 CLP 변형률 평가에 확인 공극의 최대치수를 반영한 3D 모델링은 적절하다고 판단
· 가장 바깥의 피복두께는 구조적 거동에 영향을 미치지 않음에도 3D 모델링에서 외벽 피복두께를 제외하고 보수적으로 평가
■ (기술기준) 구조건전성평가에 건조기술기준(ASME Sec. III Div.2, CC, 86년)을, 보수계획에 가동중검사 기술기준(KEPIC MIL, 05년)을 적용하였으므로 타당
■ (하중조합) 건조기술기준의 하중 및 하중조합을 구조건전성 평가에 반영하였으므로 타당
■ (평가프로그램) 구조해석 프로그램(ABAQUS)은 기존 국내 원전설계에 사용*된 것으로 타당성이 기旣 입증
* ABAQUS는 신고리1~4호기 등 원전 격납구조 설계에 사용한 경험이 있음
·단면평가 프로그램(TEMCO)은 한빛3,4호기 FSAR(Appendix 3A)에 기旣 적용
■ (평가절차) 콘크리트·철근의 작용응력 및 CLP 변형률 등의 평가절차는 안전심사지침 3.8.1절(큰크리트 원자로 격납건물) 허용기준을 만족
 ·기술기준에 따른 모든 하중조합(51개)에 대한 콘크리트 및 철근의 작용응력과 CLP 변형에 영향을 주는 하중을 고려*
* 사고압력(Pa), 초기·최종 프리스트레스력(F), 운전기준지진(Eo) 및 안전정지지진(Es), 온도하중(To, Ta)
■ (평가방법) 한빛3호기와 동일한 평가방법 및 절차에 따른 구조해석이 수행되었으며, 콘크리트 응력이 크게 발생하는 공극 주변부*에 대해, 상세 모델링 및 실제 철근, 텐돈 및 콘크리트 단면 거동과 유사한 비선형 유한요소해석** 수행(’21.6.)
* 한빛3호기와 동일한 방법으로 평가결과 허용기준 초과(19개소)
** 최대공극 주변 및 허용기준 초과 부위를 촘촘한 요소(26인치 → 4인치)로 상세하게 모델링하고, 외부하중에 대한 철근, 텐돈 및 콘크리트의 실제 움직임을 반영한 입력값을 유한요소에 적용하는 해석
·전산프로그램을 활용한 구조해석 과정에서 1차 보수적 가정에도 그 결과가 허용기준을 넘지 않는 경우(한빛3호기 등) 그 결과를 그대로 인용하지만, 결과가 허용기준을 넘는 경우는 해석결과의 신뢰성 향상을 위해 해석단계에 정확성(3차원 모사 등)을 높여 재계산함
■ (평가결과) 공극 및 철근노출 부위를 반영한 작용응력은 건조기술 기준에서 규정하고 있는 허용치 이내임을 확인
 ·포스트텐셔닝 계통으로 설계된 콘크리트 격납건물에 공극 등 결함이 있음에도 구조건전성이 유지되고 있음을 의미
■ (노출철근) 노출된 전단철근의 표면 부식부위를 제거한 마디높이가 ASTM A615의 허용치를 만족하므로, 철근을 현상태로 사용하는 것은 적절하다고 판단
· 철근 외부 콘크리트 피복은 격납건물의 구조적 기능을 수행하지 않고 철근의 부식방지 기능을 수행하므로, 철근노출 부위에 대한 격납건물의 구조적 영향이 미미하다는 평가결과는 타당
■ (고에너지배관) 고에너지배관 주변 공극 중 가장 큰 공극크기가 3D 모델링에 반영되었고, 원설계와 동일한 하중조합이 배관 주변 콘크리트 단면에 적용되었으므로 안전심사지침 3.8.1절을 만족
■ (보수방법) 공극 단면부의 철근 및 콘크리트 응력이 건조기술기준의 허용치를 만족하므로 단면채움재를 이용한 공극 보수는 적절
· 모르타르 또는 그라우트를 사용하는 방법은 기존 철근콘크리트 구조물 보수에서 많은 검증이 이루어진 방법이므로 적절
· 노출철근(23개소) 부위는 부식제거 및 방청처리* 후, 기술기준에 따라 모르타르로 외벽 단면을 복구(철근 피복 50㎜ 이상)하는 계획은 적절
* (방청처리) 금속 표면에 녹이 스는 것을 방지하기 위하여 부식억제제 도포
·콘크리트 내구성 평가 결과에 따라 외벽 콘크리트 피복 보강 대상을 피복두께 20㎜ 이하인 부분으로 결정한 것은 적절
   - 철근노출 부위 이외에 운전기간 경과(25년)에 따른 콘크리트 들뜸·박리 등으로 두께 보강이 필요(피복 20㎜ 이하)*한 외벽 부위가 없음을 확인
* 철근 부식방지를 위한 콘크리트 최소 피복두께는 콘크리트 탄산화 및 염화물 시험을 통한 내구성 평가에 근거하여 한빛4호기 설계수명(40년) 기준 20.0㎜로 평가
■ (전문기관 검증) KINS 검토와 전문기관 검증 결과에 차이 무無
■ (종합결론) 한빛4호기 구조건전성평가는 보수적인 가정을 적용하여 관련 건조기술기준에 따라 적절하게 수행되었으며, 모든 결과가 각 허용치 이내로 격납건물 구조적 건전성이 유지되고 있는 것으로 판단

Ⅳ. 향후 계획(안)
■ 장기간 대기에 노출된 격납건물 내·외부 철근 보호를 위해 현재의 공극 및 철근 노출부는 한수원이 제시한 방법으로 보수 허용 및 보수 시 투명성 제고
 ·장기 휴지로 인한 격납건물 안전성 확인검사* 선先수행(현장 입회)
* CLP배면 콘크리트 공극 면 상태 확인, 외벽 철근노출 부위의 ASTM A615 요건 만족여부 및 1,2차 계통(펌프 등) 및 전력설비 확인
·보수방법의 현장 적용성 확인시험 점검(최대공극 부위 Mock-up)(현장 입회)
·공극 및 철근노출 부위 보수 시, 보수과정 동영상 촬영 요구(현장 입회)
·벽체 보수작업 적절성 점검 (현장 입회)
■ 벽체 및 상부돔 보수완료 후 격납건물 CLP 기밀성능 확인을 위한 격납건물 종합누설률시험(ILRT) 현장 입회
■ 차기(30년차) 격납건물 가동중검사(포스트텐셔닝계통) 시 다량의 그리스 누유가 확인된 텐돈의 공기배출구(Air-vent, 격납건물 돔 콘크리트 표면에 위치)를 점검하여 그리스 채움상태 확인.