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다중방벽이란 심층방어를 구현하기 위해 방사성 물질이 외부 환경으로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 여러 겹의 물리적 방벽을 설치한 것을 의미한다. 이러한 방벽의 구체적인 설계는 방사성 물질의 특성이나 정상운전에서 벗어나 방벽을 손상시킬 수 있는 개별 원자로의 특성에 따라 달라진다.

하지만 일반적으로 경수형 원전에서의 물리적 다중방벽은 핵연료 펠릿(제1방벽), 핵연료피복재(제2방벽), 원자로냉각재 압력경계(제3방벽), 격납건물 내부철판(제4방벽), 격납건물(제5방벽)로 구성된다.

그리고 제한구역으로 설정된 지역은 물리적인 방벽은 아니지만 일반인의 거주가 허용되지 않는 의미에서 가상의 방벽 역할을 수행하는 것으로 생각할 수도 있다. 물리적 다중방벽은 연속적으로 방사성 물질을 제한하는 수단을 제공하며, 이들이 손상되지 않고 제 기능을 수행할 수 있을 경우에만 운전이 허용된다.

5개의 물리적 다중방벽들 중에서 어느 하나라도 건전성을 유지하면 방사성물질의 대량 외부유출은 발생하지 않는다. 그러나 아무리 많은 방벽을 갖추고 있더라도 방벽의 건전성을 절대적으로 보장할 수 없음을 인식하는 것이 중요하다.

따라서 물리적 방벽의 각각은 충분한 여유도를 가지고 보수적으로 설계하고, 방벽에 영향을 미칠 수 있는 발전소의 운전변수들을 제어 및 감시함으로써 그 건전성을 지속적으로 유지해야 한다. 심층방어의 다단계 방호(multiple levels of protection)는 이러한 물리적 방벽의 건전성을 유지하는 기능을 수행한다.