[188호 과학학술: 원자력의 미래] 후쿠시마 원전사고와 원자력의 미래

 

 

기후변화와 화석 연료의 유한성이 발전의 한계로 지목되는 오늘날, 원자력은 에너지 공급 문제를 해결해 줄 새로운 방편으로 큰 관심을 받고 있다. 하지만 후쿠시마 원전사고 이후 원자력에너지는 새로운 국면을 맞이하게 됐다. 실제로 세계 최대 원전국인 미국과 중국, 인도까지 원전건설 일변도 정책에서의 변화가 감지되고 있다. 이에 본보에서는 이와 같은 현황을 토대로 원자력 발전의 원리 및 핵심기술을 파악하고, 후쿠시마 사고의 교훈을 통해 앞으로 나아갈 방향에 대해 모색해보고자 한다.

 

 

1945년 일본 히로시마와 나가사키에 원자폭탄이 투하되어 10만이 넘는 인명이 한순간에 사라짐에 따라 인류는 원자력에너지의 거대한 위력을 비로소 실감했다. 화석과 비교조차 할 수 없는 고밀도 에너지인 원자력은 아이젠하워 대통령이 그것의 평화적인 이용을 주창하면서, 인류의 생존을 위협하는 에너지원으로부터 도움을 주는 에너지원으로 탈바꿈하게 되었다. 이후 원자력에너지는 전기생산에 이용되기 시작했고, 현재 원자력발전으로 생산되는 전기는 전 세계 생산량의 16%를 차지하고 있다.

 

원자력에너지와 원자력발전

 

원자(atom)는 핵(nucleus)과 전자(electron)로 구성된다. 원자는 Å(10-10m), 핵은 fm(10-15m) 정도의 크기를 갖는다. 실감나게 표현하자면, 원자를 확대하여 수원시의 크기로 만들 경우 핵은 야구공 정도가 된다. 이 야구공만한 크기인 핵 속에 원자에너지의 99.95%이상이 들어있다. 이에 원자 내 전자의 재배열에 의해 발생하는 화학적 에너지에 비해 핵 내 입자의 재배열에 의해 발생하는 핵에너지(본문에서는 핵에너지를 원자력에너지라 표현)는 대략 106배로 크다. 가령 1kg의 우라늄(U-235, 부피로는 소주 한잔 크기인 50cm3)이 핵분열로 발생하는 열량은 약 1000톤의 석탄의 산화와 비슷하다. 우라늄은 여러 개의 동위원소인 U-235, U-238로 구분되는데, 원자력발전에서는 일반적으로 U-235만이 ‘핵분열성 핵종’으로 핵분열에 이용된다.

 

원자력발전은 고밀도인 원자력에너지의 열을 이용하여 전기를 발생시키는 것이다. 전세계적으로 원자력발전에 많이 이용되는 경수로는 U-235를 농축(약 4~5%정도)하여 핵연료로 사용하고 있다. 원자력발전소의 원리 역시 화석과 거의 동일하고, 단지 증기를 발생시키는 열이 원자력에너지에서 나온다는 차이가 있을 뿐이다. 원자력에너지로부터 수증기를 발생하는 시스템을 핵증기발생시스템(NSSS-Nuclear Steam Supply System)이라 부르며, 이는 곧 원자력발전의 핵심이 된다.

 

NSSS의 중추는 핵연료가 장전되어 핵분열로 열을 발생시켜 냉각수를 가열하는 원자로이다. 우리나라 주력 원자력발전소 모델인 가압경수로 개략도를 <그림 1>에 나타냈다. 원자로의 로심에 있는 핵연료에 의해 가열된 1차 냉각수가 증기발생기 내부의 배관에 흐르면, 배관 주위의 2차 냉각수를 가열하여 수증기로 만든다. 발생된 수증기는 터빈을 돌려 전기를 발생시키고, 터빈을 돌린 수증기는 복수기에서 다시 냉각되어 액체 형태로 증기발생기에 보내진다. 증기발생기에서 냉각된 1차 냉각수는 다시 원자로로 입수되어 가열된다. 이와 같이 가압경수로는 원자로에서 가열되어 증기발생기에서 증기를 발생시키는 ‘1차 계통’과 수증기가 되어 터빈을 돌리고 다시 냉각되어 증기발생기로 보내지는 ‘2차 계통’으로 구분된다. 사고가 발생한 후쿠시마 원전은 원자로에서 직접 수증기를 발생시키는 ‘비등 경수로’이며 1차, 2차계통의 구분이 없다. 반면 우리나라의 주력 원전 모델인 가압경수로는 원자로 내부를 흐르는 냉각수를 격리시킴(1차 계통)을 통해 비등경수로 보다 안전성을 높였다고 평가된다.

 

원자력공학의 연구분야

 

원자력시스템을 설계, 운영하고 최종적인 처분을 위해 필요한 원자력공학은 다양한 전공이 결합되어 만들어진 종합공학이다. 물리, 화학, 기계, 재료, 화공뿐만이 아니라 계측제어, 지질학, 인간공학, 통계학 등의 다양한 전공들이 요구된다. 원자력공학 내 대표적인 연구분야를 소개하면 아래와 같다.

 

핵분열은 핵연료가 중성자를 흡수해야 발생하고, 이 핵분열은 동시에 중성자를 발생시킴으로써 원자로심에서 지속적으로 핵분열이 일어나게 된다. 이렇게 단위시간당 핵분열 발생량 또는 중성자의 개수가 일정하게 유지되는 것을 임계상태(critical state)라고 한다. 원자로심 내의 중성자속(flux) 분포와 핵분열에 의한 핵연료 성분변화 등을 계산하여 원자로가 임계를 유지할 수 있는지를 분석하는 분야가 원자로물리(Reactor physics)이다. 원자로를 설계하거나 운전할 때 원자로물리를 이용한 로심에 대한 수치해석 분석이 필수적으로 요구된다.

 

핵연료에서 핵분열로 발생한 열은 원자로 내부의 냉각수(1차 계통수)에 전달되어 최종적으로 2차 계통에서 수증기를 발생시키는데 이용된다. 원자로심에 3만개가 넘는 핵연료봉(fuel rod)이 있고 핵분열에 의해 많은 열이 발생하므로, 안전하고 지속적으로 냉각수에 열을 전달해야만 한다. 한편 가압경수로에선 1차 계통이 가압(150bar)되어 수증기가 발생하지 않는 액체상태(물)로 존재해야 한다. 특히 원자로의 열적 안전을 위해서는 핵연료봉 피막에서 냉각수의 막비등(film boiling)이 발생해선 안된다. 이와 같이 1차 계통과 2차 계통에서 안전하게 열전달이 이루어지기 위해선 열수력학(Thermohydrolics)에 대한 연구가 필요하다. 또한 원자력발전소는 여러 요인에 의해 사고가 발생할 가능성이 있는데, 사고 시 원자력발전소가 어떻게 거동하고 이에 대비한 준비를 시행하는 연구분야가 안전해석(nuclear safety analyses)이다.

 

원자로를 포함한 발전소 내의 구조물은 지속적으로 중성자를 포함한 방사선의 조사를 받는다. 이에 따라 초기에 연성(ductility)을 갖던 금속구조물들이 방사선에 의해 취성(brittleness)을 갖는 재료로 변화하게 된다. 특히 핵연료는 고속의 중성자에 노출되어 있어, 재료의 물성변화가 매우 크다. 따라서 원자력분야의 재료연구는 일반적인 고온 내부식 재료의 내구성에 대한 연구와 함께 방사선환경에서 재료특성 변화연구가 또한 중요하다. 이에 대한 연구가 바로 원자력재료(nuclear materials)분야이다. 아울러 원자로를 포함한 구조재의 기계적 응력해석도 매우 중요하다. 그리고 방사선에 의해 원자로가 취성을 갖게됨으로 인해 파괴적 손상이 발생할 가능성이 있다. 이를 위해 파괴역학(Fracture mechanics)적 분석 역시 요구된다.

 

핵연료로 사용되는 우라늄에서 U-235만이 핵분열성핵종으로 사용되지만, U-238은 중성자를 흡수한 후에 Pu-239라는 우수한 핵분열성핵종으로 변환된다. 이러한 변환과정을 이용하면, 우라늄의 이용효율을 지금보다 수십배 이상 높일 수 있다. 토륨(Th)도 중성자 조사를 받으면 U-233으로 변환된다. U-233도 매우 우수한 핵분열성핵종이 되므로, 토륨을 사용한 핵연료도 가능하다. 이와 같이 중성자에 의한 핵변환으로 다양한 핵연료와 핵연료 주기를 만들 수 있어 이에 대한 연구를 ‘핵연료주기 연구’라 한다. 최근에는 장주기의 핵종을 고속의 중성자로 변환 또는 파괴(분열)시켜 단주기의 핵종으로 만들어 방사성물질의 처분을 용이하게 하려는 연구가 활발하다. 핵연료주기 연구에서 농축 및 처리에 대한 연구도 중요한데, 현재 국내에선 파이로공정을 이용하여 플루토늄(Pu)과 마이너 액티나이드(minor actinides)를 함께 추출하여 고속로에서 태워서 없애려는 계획이 세워져 지속적으로 연구되고 있다.

 

끝으로 원자력시스템은 방사성물질을 취급하기 때문에 방사성물질에 오염되기 쉽다. 오염된 시스템에서 방사성오염물을 제거하는 것을 ‘제염’이라 한다. 물리적, 화학적, 생물학적 측면에서 제염하는 다양한 방법들이 개발되고 있다. 원자력발전소도 수명을 다하면 최종적으로 분해되어 처분된다. 이 과정을 ‘폐로’라 하는데, 복잡한 제염작업과 함께 많은 방사성폐기물이 발생된다. 원자력시스템은 지속적으로 방사성폐기물을 배출하는데 이 방사성폐기물들은 대부분 지하에 매설된다. 이 때 중요한 것은 방사성물질들이 지하에 고립되어 주변 자연계에 영향을 미치지 않게 매설되어야 하는데, 이에 대한 연구가 ‘폐기물 처리 및 처분 연구’이다.

 

후쿠시마 원전사고 개요

 

2011년 3월 11일 14시 46분, 동일본 지역에 진도 9의 대지진이 발생했다. 이 지진으로 인해 후쿠시마 제1원전 1, 2, 3호기의 운전이 자동으로 정지됐다. 차단기 및 송전선로 손상 등의 이유로 발전소 외부로부터 공급되는 모든 전력망이 차단됨에 따라 소외전원 상실이 발생하였으나, 발전소 내 비상디젤발전기들이 작동되어 원전의 안전 기능은 유지되는 모습이었다.

 

하지만 이후 제1원전에 파고 14~15m의 쓰나미(15시35분)가 도달하여 큰 피해를 입혔다. 쓰나미와 그 부유물들은 모든 취수구를 파손하여 바다로의 열제거 기능을 마비시켰다. 해수가 건물로 유입되어 비상디젤발전기도 사용할 수 없게 되면서 1~4호기까지 교류전력을 완전히 상실한 것이다(SBO-station blackout). 해수는 축전지(Battery)가 공급하는 직류전원에도 손상을 입혀서, 1호기와 2호기에서는 모든 직류전원이 상실되고, 3호기에서도 부분적인 직류전원만이 이용 가능했다. 또한 5,6호기에서는 공기냉각 비상디젤발전기 1대만이 가용한 상태로 원자로 및 연료저장조의 냉각에 사용됐다.

 

후쿠시마 제1원전의 1호기는 원자로의 붕괴열(잔열) 제거 기능을 사고 초기에 상실하여 지진발생 당일에 이미 많은 양의 핵연료가 녹아내린 것으로(이를 ‘노심 용융’이라 함) 추정된다. 2호기와 3호기의 경우, 사고 초기에는 원자로에서 나오는 증기로 구동되는 펌프가 가동되어 노심 냉각이 이루어졌다. 하지만 밸브 제어 등에 필요한 직류전원이 사고 직후 또는 1~2일 내 상실됨에 따라 지속적인 냉각에는 실패해 노심 용융으로 이어졌다. 이 과정에서 고온의 핵연료 피복재와 수증기가 반응하여 생성된 많은 양의 수소가 다양한 경로를 통해 원자로건물로 누출된 후 축적되어 1호기는 사고 다음날인 12일, 3호기는 14일 각각 수소 폭발이 발생해 건물 상부를 파손했다. 15일에는 모든 핵연료를 사용후연료저장조에 보관하고 있던 4호기에서도 수소 폭발이 발생했는데, 이는 3호기에서 발생한 수소가 배기 과정에서 4호기 건물로 유입된 것으로 추정되고 있다. 2호기의 경우 수소 폭발은 발생하지 않았으나, 격납용기 드라이웰이 부분적으로 손상되어 다량의 방사성물질이 대기로 직접 방출된 것으로 판단된다. 결과적으로 이 세 차례의 대형 수소 폭발은 후쿠시마 원전사고를 상징함과 동시에 원전 안전에 대한 불신을 가중시켰다.

 

후쿠시마 사고의 방사능 누출에 대해서는 추가 분석이 필요하지만, 대체로 체르노빌 사고의 10~40% 수준으로 평가되고 있다. 편서풍의 영향으로 누출된 방사성물질의 상당량이 태평양쪽으로 확산되어 육지 생태계에 미친 영향은 적었으나, 방사능이 많이 방출된 15일의 풍향에 따라 원전 북서쪽 지역의 오염이 상대적으로 심하게 나타나고 있다. 한편 주민의 비상 대피는 비교적 신속하게 이루어져서 방사능 피폭을 줄일 수 있었던 것으로 평가된다.

 

후쿠시마 원전사고의 원인분석과 교훈

 

후쿠시마 원전사고의 시작은 지진에 이어온 쓰나미에 발전소가 침수되어 발생한 정전(SBO-Station Blackout)에서 시작됐다. 후쿠시마 지역의 최대 쓰나미 높이는 5.7m로 고려되고 있었다. 사실 동경전력은 2008년에 지진에 의한 파고 리스크를 재검토한 결과 15m의 쓰나미가 가능하다는 결론을 얻었지만 일어날 가능성이 낮다는 이유로 후속조치를 취하지 않았다. 가능성이 낮은 중대사고에 대비하는 것은 전력사업자의 자발적인 업무이기 때문에 일본의 규제기관도 강제로 대비하도록 강요할 수는 없었다.

 

후쿠시마 제1원전 단지에는 6기의 원자로가 있다. 이들은 기본적으로 일부 원자로에 문제가 발생해도 단지 내 다른 원자로로부터 교류전원의 공급이 가능하다는 기본 가정을 갖고 있었다. 그러나 제 1원전 전체가 쓰나미로 인해 자체적인 교류전원 공급이 불가능해졌고, 지진에 의한 기간시설 파괴로 외부 전원의 단지내 공급이 불가능하게 되어 원자로의 비상냉각에 어려움을 겪게 되었다. 또한 사고 시에는 원자로 수위계와 같은 중요한 계측장비가 오작동을 할 가능성이 높은데, 이를 간과하고 원자로가 안정한 상태인 것으로 오판하여 초기 중요한 시기에 대응할 기회를 놓치기도 하였다.

 

중대사고에 대비한 비상훈련에 소홀해서 발생한 인적오류도 드러났다. 비상 냉각에 중요한 Isolation Condenser(IS)가 발전소 정전(SBO)시 자동적으로 벨브가 잠겨 작동을 멈춘다는 것을 작업자들이 알지 못했다. 이로 인해 1호기의 경우 비상냉각이 안되어 사고초기부터 로심이 용해된 것으로 알려져 있다. 또한 원자로의 압력이 높아져 원자로 내 수증기를 배출하려 했지만, 정전으로 작업자가 직접 밸브를 조작해야 했고, 이조차도 정전에 대비한 훈련이 안되어 밸브를 찾는데 많은 시간이 소비됐다.

 

원전 사고라는 중대 위기에 대응한 비상대책조직의 운영에도 문제가 있었다. 후쿠시마 원전사고를 검증하는 국회 ‘조사위원회’는 “총리실의 임기응변적 과잉 개입이 사고수습을 방해했고, 초등대응 지연이 주민피난의 혼란을 확대시켰다”고 결론을 맺었다. 즉 비상사태에서 대응 조직 내 업무분장과 책임 및 권한이 명확하게 정의되지 못하여 결국 총리실의 잦은 개입으로 이어졌고, 이로 인해 현장의 지휘명령 계통을 혼란스럽게 했던 것으로 드러났다.

 

후쿠시마 원전사고의 교훈은 아무리 확률적으로 일어날 가능성이 낮더라도 사고가 발생하면 그 피해가 매우 큰 원전사고의 특성을 고려하여, 중대사고에 대비하여 보다 안전한 원전을 만드는데 아낌없는 투자를 해야 한다는 것이다. 특히 여러 측면의 중대사고가 동시에 복합적으로 일어날 가능성에 대비해야 한다. 또한 원전사고에 대비한 대응훈련은 형식적이 아닌 실제 상황을 가정하여 적극적이고 꼼꼼하게 이루어져야 한다. 중요 계측장비의 오작동에 대비하여 중대사고 시 2중, 3중으로 원자로 상태를 판단할 수 있는 방안 역시 강구될 필요가 있다.

 

원자력의 미래

 

후쿠시마 원전사고 이후 원자력발전의 안전성에 대한 관심은 매우 높아졌다. 원자력발전소를 운전하는 많은 나라가 자국 원전의 안전에 대한 특별 점검에 들어갔다. 국내에서는 한국수력원자력 주식회사(한수원)가 총 50개의 장단기 개선책을 발굴하여 단계적으로 약 1조 1000억원의 재원을 투자해 원전의 안전성을 강화하려는 노력을 기울이고 있다. 지진과 쓰나미에 대비하여 고리원전에 10m이상의 해안방벽을 쌓고, 대체 비상발전기를 확보해 다양한 비상냉각 시스템을 설치할 예정이다. 수소폭발을 방지하기 위해 무전원 수소제거 장치 역시 설치 중에 있다. 이 같은 보완을 통해 국내 원전의 안전도는 한 단계 더 높아질 것이다.

 

원전사고 이후 불안여론이 확산된 탓에 원자력산업은 당분간 위축될 것으로 예상된다. 하지만 이전부터 원자력발전에 부정적이던 독일, 벨기에, 스위스, 이탈리아, 그리고 사고가 난 일본을 제외한 대부분의 국가는 원자력에너지 지속적 이용 정책을 계속 고수하고 있다. 현재 지구온난화의 주범인 이산화탄소 저감을 위해 각국이 노력하고 있는 마당에 이산화탄소를 가장 많이 발생하는 것은 바로 발전산업이다(전체 발생량의 25%). 1kWh 전기생산에 석탄은 약 1kg, 천연가스는 약 500g의 이산화탄소를 발생하지만, 원자력발전은 오직 10g만을 발생할 뿐이다. 때문에 전력사용량을 줄이지 않는 한, 이산화탄소 저감을 위해서는 원자력에너지 외에는 현실적 대안이 없는 상황이다.

 

우리나라는 대도시도 많고, 인구밀도도 높은 고밀도 국가이다. 여기에 우리의 주력산업은 전자, 자동차, 선박, 그리고 화공산업으로 에너지 및 전기사용량이 많을 수밖에 없다. 이들 산업이 국제 경쟁력을 갖고 전 세계로 약진할 수 있는 요인은 무엇보다도 좋은 품질의 전기가 충분히, 그리고 지속적으로 공급된 것에 있기도 하다. 이렇게 우수한 전기를 강력하게 제공할 수 있는 것은 원자력에너지의 수훈이 크다.

 

끝으로 우리나라의 에너지원은 96.6%를 수입에 의존하고 있다. 원자력발전소 건설의 경우 1기 당 4조 이상의 자금이 필요하므로 외자를 도입하여 발전소를 짓고, 30년의 수명동안 전기를 팔아 갚아나가는 운영방식을 갖고 있다. 현재 1kWh당 40원인 발전단가에서 건설 및 운영비가 차지하는 비율은 80% 이상이고, 그 나머지가 핵연료 등의 수입비용이 차지한다. 따라서 원전 설계, 부품제작, 건설 등을 국내 기술로(현재 거의 100% 국내기술로 건설되고 있음) 원자력발전소를 건설한다면, 전기생산 단가의 80%를 국내 기술로 만들어내는 것이다. 원자력에너지를 준 국산화에너지라고 부르는 이유가 바로 자체 기술로서 에너지를 생산할 수 있기 때문이다. 이렇듯 원자력에너지는 고밀도의 강력한 에너지원이다. 따라서 이를 현명하고 안전하게 사용한다면 국가 발전에 지대한 공헌을 할 수 있고, 나아가 인류 복지에 무한히 기여하는 축복이 될 수 있다.

 

박광헌 / 원자력공학과 교수

*그림설명 및 출처

-그림1: 가압경수로 개략도

-그림2: 후쿠시마 원전사고 (출처: www.google.com)

-그림3: 국내 기술로 개발 중인 4세대 원자로 KSTAR (출처: www.google.com)

 

작성자: khugnews

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