[스리마일 섬 원자력 발전소] 한국원전과 같은 종류의 원전 가압경수로, 미국에서 발생한 최악의 원전 사고

(스리마일 섬 원자력 발전소)

■ 원자력발전소 이해전에 숙지하기

(제어봉)

 ≫ 원자로는 연쇄핵분열 반응을 통해 열을 생산하는데, 제어봉은 연쇄핵분열의 매개체인 중성자를 흡수해 연쇄핵분열 속도를 조절하는 도구이다. 제어봉을 만드는데 이용되는 물질들은 중성자의 에너지 변화에 따라 중성자 포획 능력이 달라지므로, 제어봉 집합체는 원자로의 다양한 중성자 에너지 영역에 맞추어 설계해야 하며, 보통 은, 카드뮴, 붕소, 인듐이 재료가 된다.

(노심)

 ≫ 원자로의 핵연료를 담고 있는 원자로의 부품으로, 핵반응이 일어나는 곳이다. 노심 안에는 핵연료와 제어봉 있고, 냉각재가 상실되면 중대사고가 발생할 수 있다(체르노빌 사고와 관련 있음), 노심에 핵분열로 생긴 열이 쌓이면 노심의 구조물이 녹거나 파손되는데 그 자체가 파손되어 방사성 물질이 주위에 확산될 수 있다.

■ 스리마일 섬 원자력 발전소의 구조와 개략도로 설명하는 원전사고

 ≫ 원자력 발전에서는 핵연료(일반적으로 우라늄)를 핵분열 반응을 통해 태워 물을 끓이고 그 증기로 발전기를 돌려 전기를 만들어낸다. 핵분열 반응은 우라늄에 외부 중성자가 흡수되면 우라늄이 더 안정한 다른 원소로 분열되면서 큰 에너지를 방출하고 그 과정에서 여분의 중성자가 생성되는 것을 가리킨다. 이 중성자들은 다시 근처의 우라늄에 흡수되면서 연쇄적으로 핵분열 반응을 일으키기 때문에, 짧은 시간에 큰 에너지를 방출할 수 있다. 원자력 발전에서 핵분열 반응을 조절하기 위해 감속재와 제어봉이 주로 사용되는데, 감속재는 핵분열 반응에서 생성된 중성자의 속도를 느리게 하여 핵분열 반응을 증가시키고(중성자가 너무 빠르면 우라늄에 흡수되지 않고 그냥 통과해 버려 핵분열 반응이 연쇄적으로 발생하지 않게 된다), 제어봉은 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 멈추게 한다. 스리마일 섬 원전인 가압경수로는 일반 물을 감속재로 사용한다. 여기서 ‘가압’이라는 말은 원자로 내부의 냉각수를 고압으로 유지해 물이 끓지 않도록 한다는 뜻이다

(스리마일 섬 원자력 발전의 가압경수로 개략적 구조)

(확대를 위한 원전 구조 -1)

(확대를 위한 원전 구조 -2)

 ≫ 스리마일 섬 원전 사고 당시 가압기의 증기 배출 밸브(PORV, 7)가 열려 있어 사고 발생 2시간이 지나서야 블록 밸브(Block valve, 9)를 이용하여 증기 배출이 차단되었다. 또한 증기발생기(3)에 연결된 비상 냉각수 공급관의 블록 밸브(24)가 닫혀 있었으며, 방사능에 오염된 1차 계통 냉각수가 보조건물(Auxiliary Building)로 유출되어 냉각수에 녹아 있던 방사능 물질이 환기구(22)를 통해 대기로 방출되었다.

 ≫ 증기발생기에서 냉각된 1차 계통의 냉각수는 냉각수 펌프(Reactor Coolant Pump, 5)에 의해 원자로 노심으로 다시 순환된다. 터빈을 돌리는 데 사용된 2차 계통의 증기는 냉각탑(Cooling Tower, 13)에서 공급되는 외부 냉각수에 의해 응축기(Condenser, 12)에서 다시 물로 변환되고 이온변환기(Demineralizer, 14)에서 불순물이 제거된 뒤에 펌프(Main Feedwater Pump, 23)에 의해 다시 증기발생기로 순환된다. 원자로와 1차 냉각 계통은 격납건물(Reactor Building, Containment)에 설치되고, 증기발생기를 제외한 2차 계통은 터빈 빌딩에 설치된다. 따라서 방사선에 노출되는 1차 계통 냉각수와 발전기를 돌리는 데 사용되는 2차 계통 냉각수가 서로 분리된다.

 ≫ 원자로 내부를 순환하는 1차 계통 냉각수가 증기로 변환되면 냉각수 흐름을 방해하고 원자로가 가열되거나, 중성자 흡수가 낮아져 핵분열 반응이 가속될 수 있다. 따라서 높은 온도에서도 물을 액체 상태로 유지하기 위해 가압기(Pressurizer, 6)가 사용된다. 물의 압력이 높아지면 압력 밥솥에서 그런 것처럼, 끓는 점이 올라가기 때문에 높은 온도에서도 물을 액체 상태로 유지할 수 있다. 가압기의 구조도 압력 밥솥과 비슷한데, 내부에는 물과 증기가 함께 섞여 있고 하단에는 가열기, 상단에는 살수 노즐이 있다. 압력을 높힐 때는 가열기를 이용하여 증기를 더 만들어 압력을 높히고, 압력을 낮출 때는 살수 노즐에서 냉각수를 뿌려 증기 일부를 물로 변환(응축)해 압력을 낮춘다.

 ≫ 압력이 지나치게 높아지면 상단의 배출 밸브(Pilot Operated Relief Valve, 7)가 열리면서 증기가 배출되고 압력이 낮아진다. 가압기에서 배출된 증기는 격납건물 내의 증기 배출 탱크(Drain Tank)에 저장된다. 원자로 격납 건물 바닥에는 배수조(sump)가 있으며, 이 배수조가 일정 수위 이상으로 차게 되면 보조건물에 마련된 방사능폐기물 저장탱크(Radiation waste storage tank)로 옮겨진다. 보조건물에는 1차 계통 냉각수 양을 조절하기 위한 냉각수 보충 탱크(Makeup tank, 18)가 있고, 비상시에 고압 주입 펌프(High Pressure Injection Pump, 15)에 의해 냉각수가 원자로에 직접 주입될  있다. 냉각수가 너무 많을 경우에는 배출 라인(Let-down)을 통해 붕산염 물 저장 탱크(Borated Water Storage Tank, 붕산염은 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 느리게 함)에 저장된다. 1차 냉각수에 녹아 있는 방사성 물질(주로 제논[Xe]과 같은 비활성 기체)은 배출가스 압축기(Waste Gas Compressor)에 의해 배출가스 감쇠탱크(Waste gas decay tank, 20)에 저장된다.

 ≫ 원자로가 급격히 과열되는 경우 크게 두 가지 긴급 조치가 취해지는데, 첫번째는 원자로 비상정지(SCRAM)라 불리는 방법으로 모든 제어봉을 원자로에 긴급히 삽입하는 것이다. 제어봉은 중성자를 흡수하기 때문에 핵분열이 연쇄적으로 발생하는 것을 차단한다. 두번째 방법은 노심긴급냉각장치(ECCS; Emergency Core Cooling System)라 불리는데, 여러 장치가 복합적으로 사용되지만 스리마일 섬 원전에서 사용된 방법은 저장되어 있는 냉각수를 고압 펌프(위 그림 2에서 15)를 이용하여 원자로 내부에 직접 주입하는 것이다. 스리마일 사고에서는 이 두가지 방법이 모두 사용되었지만 (ECCS는 부분적으로 사용됨) 핵연료봉이 녹으면서 방사능 물질이 누출되는 노심 용융이 발생했다. 출처/IEEE Spectrum 1979

■ 스리마일 섬 원자력 발전 사고 원인과 당시 상황

(부주시사 윌리엄 스크랜튼(좌) 비상 관리국 국장 오란 핸더슨(우))

 ≫ 1979년 3월 28일 미국 펜실베이니아 주 미들타운에서 일어난 멜트다운 사고^[각주:1]. 국제 원자력 사고 척도로는 시설외까지 위험을 수반한 사고(레벨 5)다. 한국에서도 같은 종류가 가동 중인 가압수형 원자로가 일으킨 역대 최악의 사고, 당시 스리마일 섬에는 총 2개의 원자로가 건설되어 있었고 원자로의 유형은 가압수형 원자로였다. 가압수형 원자로의 경우 압력을 가한 물을 원자로 냉각재 및 중성자 감속재로 사용하기 때문에 이 물이 끊임없이 순환되도록 유지하여 끓지 않게 만드는 것이 중요하다. 스리마일 섬 사고의 경우 가장 중요한 급수 시스템에서 문제가 생겼던 것이 원인이다.

 ≫ 사고를 발생시킨 최초원인은 뚜렷하게 밝혀지지는 않았지만, 자정 무렵 발전소 1호기의 핵연료 재충전을 위해 차단조치를 내렸고 여기서부터 꼬이기 시작한 것으로 추정하고 있다. 이 조치로 발전소는 2호기만 가동 중이었고 가동 내내 큰 문제가 없었는데 새벽 4시 무렵 주 급수 펌프가 뻗는 사고가 발생했다. 이 조치로 발전소는 2호기만 가동 중이었고 가동 내내 큰 문제가 없었는데 새벽 4시 무렵 주 급수 펌프가 뻗는 사고가 발생했다. 가압수형 원자로는 물 공급이 중요하기 때문에 주 급수 시스템이 뻗으면 보조장치가 바로 작동하여 위험한 사태를 피할 수 있게 설계되어 있었는데, 최초 보조급수 계통 밸브가 닫혀있었다. 정상시 보조급수 계통이 개방된 채로 가동되어야 하지만 당시 운전원이 개방이 되었는지 닫혀있었는지 알지 못했었다. MCR 내부 보조급수기가 닫혀있는지 열려있는지를 표시해주는 표시등이 표지판 같은 Tag에 가려져 운전원이 확인하지 못했기 때문이다. 그 결과 열려야 할 보조급수계통 밸브가 몇 개는 닫혀있었고, 열리지 말아야할 가압기 압력 방출 밸브가 개방된 상태는 아니었지만 미세한 누출이 있었는데 통제실 콘솔 표시등에는 수치가 정상수치 범위내로 표시되고 있었다. 그리고 이런 상황 속에서 비상 노심 냉각 시스템이 가동되어 원자로를 식히고 있었는데 이걸 정상이라고 판단한 운전원은 비상 노심 냉각 시스템을 꺼버리게 된다.

 ≫ 당시 원자로 내 냉각수는 실제로는 줄어들고 있었지만, 계측기에는 냉각수 수위가 올라가는 것으로 표기되고 있었다. 정상상태에서 고압인 원자로 내 압력이 가압기 압력방출밸브의 미세한 누설로 압력이 빠지고 있었고, 압력이 떨어진 액체 상태의 물은 기체상태로 변하는 현상이 발생하므로 냉각수가 끓어오르고 있었다. 당시에 설치되어 있던 노심 수위 계측기는 이 끓어오르는 거품을 판단할 방법이 없었다. 그 결과 압력이 떨어지는데도 수위는 올라간 것으로 계측되었고, 운전원의 관점에서는 냉각수의 수위가 상승하고 있는 상황에서 비상 냉각수를 공급하면 안되므로 당연히 비상노심냉각시스템을 끌 수밖에 없었던 상황이었다. 운전원 교육에서는 가압내 내의 냉각수 수위는 절반을 유지하도록 메뉴얼에 지정되어있으며 해당 수위가 가득차게 운전하지 않도록 교육했다. 

 ≫ 결국 최후의 보루인 비상 노심 냉각 시스템마저 꺼져버리자 증기압력이 증가하여 파이프가 파손되고 원자로의 냉각수가 유출되기 시작했다. 게다가 원자로 온도가 치솟아 원자로 노심이 녹기 시작하면서 방사능 수치가 급상승하였다. 관계자들이 원인 파악을 못하고 우왕좌왕하는 사이 원자로 방호장비가 녹아 최악의 상황 직전까지 갔으나 16시간 만에 간신히 사고의 원인을 파악할 수 있었다. 다행으로 교대하는 운전원이 가압기 압력방출 밸브의 미세누설을 발견하고 보조 급수 펌프의 자동기동으로 변경하면서 최악의 사태는 모면할 수 있었다. 결국 수동으로 조작하여 밸브를 닫고 냉각 펌프를 작동시킨 후에야 간신히 사태를 진정시킬 수 있었다. 원인 파악이 늦어지는 바람에 노심의 절반 이상이 녹았다. 하지만 원자로가 파괴되거나 붕괴되는 사태는 모면하여 인명피해도 없었고 미국 본토에 방사능 낙진이 떨어지는 최악의 상황은 피할 수 있었지만 발전소 하나를 시원하게 말아먹었다. 더불어 당시 1호기는 고장이 없었는데 2호기에서 사고가 나는 바람에 나란히 가동중지 조치가 내려졌으며 2호기는 1980년대 말까지 정화작업을 해야만 했다.

■ 비상사태 선포, 혼란스러운 대피 행렬

 ≫ 아침 7시경 발전소에 비상사태가 선포되고 7시 15분에는 보조빌딩에 있던 직원들이 대피했다. 이와 함께 상급 감독기관에 사고 현황이 보고되었다. 7시 20분 격납건물에서 측정된 방사선량은 시간당 800 렘에 달했다. 8시 26분 고압 펌프를 재가동하여 냉각수 보충을 시작했고, 오전 10시 30분이 되어서야 연료봉이 다시 냉각수에 잠겼다. 오전 11시에는 스리마일섬에서 필수 인원을 제외한 모든 직원에게 대피 명령이 내려졌다. 사고 수습에는 원전 제어실, 전력회사(Met Ed), 스리마일섬 인근 지자체, 펜실베니아 주정부, 미국 원자력규제위원회(NRC), 에너지성, 백악관을 비롯한 여러 기관들이 개입했는데, 단일 지휘 체계가 확립되지 않고 서로 엇갈리는 정보들이 쏟아지면서 의사소통에 큰 혼돈이 있었다. 또한 언론 매체가 시시 각각 보도를 하면서, 미끄럽지 못한 언론에 대한 대응으로 더 큰 혼란을 초래하였다. 이러한 위기 상황에서 언론에 발표를 할 때는 “예상보다 상황이 좋지 않습니다”보다는 “생각했던 것 만큼 상황이 나쁘지는 않습니다”가 될 수 있도록 보수적으로 상황을 판단할 필요가 있는데도, 전력회사 쪽이 사고 초기에 모든 상황이 통제되고 있다는 낙관적 전망을 발표한 이후에 상황이 더 나빠지자 원래 발표를 번복하게 되었다. 

 ≫ 이후 원자로를 정상 상태로 복구하려는 노력이 계속 되었고, 여러 자료를 바탕으로 원자로의 정확한 상태 및 피해 상황에 대한 분석이 이루어 졌다. 여러 지점에서 주기적으로 방사선 측정이 진행되면서 방사능 물질 누출을 감시하였는데, 이 과정에서 일부 잘못된 측정값들이 보도 되면서 혼란을 가중시켰다. 또한 만일의 사태에 대비하여 주민 대피 계획이 수립되었는데, 주민을 대피 시킬 것인지 말 것인지, 대피시킨다면 언제 대피시킬 것인지, 대피 반경을 얼마로 할 것인지에 대해 각 기관들의 의견이 엇갈렸다.

 ≫ 결국 사고 발생 이틀 후에 원자로 내부의 피해가 예상보다 크다는 분석 결과가 나왔다. 펜실베니아 주지사였던 리차드 손버그(Richard Thornburgh)는 원전 반경 5마일(8km) 내의 임산부와 아동을 대상으로 대피 권고를 내리자, 뒤이어 약 20만 명의 주민이 자발적으로 대피 행렬에 나섰다. 후에 손버그는 주민 대피 권고에 대해 이렇게 회상했다.

“주민 대피에는 위험이 따릅니다. 노약자나 중환자실 환자, 인큐베이터 속 신생아들을 대피시킬 때 발생할 수 있는 인명 피해부터, 질서 있게 대피하더라도 발생할 수 있는 교통 사고에 이르기까지 다양한 종류의 인명 피해가 예상됩니다. 이런 종류의 주민 대피는 지금까지 한 번도 이루어진 적이 없고, 홍수나 태풍으로 인한 주민 대피와는 그 성격이 많이 다릅니다. 반경 5마일 내 주민 대피를 준비할 때, 그것이 반경 10마일, 20마일, 나아가 100마일까지 미칠 영향을 고려해야 합니다.”

 ≫ 사고 후 거의 한달이 지난 4월 27일에야 원자로 내부 냉각수가 펌프를 이용하지 않은 자연 순환상태에 이르렀고 냉각수의 온도도 끓는 점 밑으로 내려오게 되었다. 그제서야 향후 14년에 걸친 방사능 오염 제거 작업을 시작할 수 있었던 것이다. 원전에서 방사능 오염이 얼마나 심했는지 1980년 7월에 원자로 격납건물에 처음 사람이 들어갈 수 있게 되었고 1982년이 되어서야 사진을 통해 연료봉의 피해 상황을 확인하게 되었다. 손상된 원자로와 방사능 물질, 오염된 건물을 처리하는데 총 100억 달러 (1달러를 1000원으로 환산한다면 한화로 약 10조원)가 소요되었다.

■ 스리마일 섬 원전사고 시민들의 불안과 그 이후

 ≫ 스리마일 섬 원전 사고는 여러 안전장치가 겹겹히 설치되었는데도 예상치 않은 시나리오에 의해 사고가 발생할 수 있고 방사능이 원전 외부로 유출될 수 있다는 것을 확인시켜 주었다. 미국에서 발생한 최악의 원전 사고로서 원자력 발전의 안전성에 대해 큰 경각심을 불러왔다. 원자력 발전을 이용하는 대부분의 국가에서, 원전은 에너지 정책이나 핵무기 개발과 관련되어 있기 때문에, 각국 정부는 국민에게 원자력 발전이 굉장히 안전하다는 이미지를 심어줄 필요가 있었고, 많은 경우에 사고가 축소·은폐되어 왔다. 특히 옛소련에서는 정부가 언론을 장악하면서 대부분의 사고가 국민에게 알려지지 않았고, 사고 처리도 제대로 이루어지지 않았다. 원전 사고는 여러 안전장치가 겹겹히 설치되었는데도 예상치 않은 시나리오에 의해 사고가 발생할 수 있고 방사능이 원전 외부로 유출될 수 있다는 것을 확인시켜 주었다.

 ≫ 2010년 1월에 1호기는 재운전을 시작했으며, 같은 달에 2호기의 발전기는 해체되어 노스캐롤라이나 주에 있는 시런 해리스(Shearon Harris) 원자력 발전소로 옮겨 설치되었다. 발전소에서 사고가 발생했다는 사실이 알려진 직후 주 정부에서는 인근 지역에 대피령을 내렸고 주민들은 충격과 공포에 휩싸여 미친듯이 탈출하였다. 다행히 누출된 방사능 수준이 자연 방사선량에 못 미쳐 민간인들의 피폭피해는 없었다. 하지만 미국 내에서 원자력 발전에 대한 불신감이 팽배하여 반 원자력 발전소 운동이 발생하였고 이에 오일 쇼크로 국면전환을 꾀하던 지미 카터 대통령은 더 이상의 원자력 발전소 건설은 없을 것이라고 선언하여 70여 개에 달하던 원자력 발전소 건설계획이 싸그리 휴지통으로 직행했다

 ≫ 원자력 발전소 건설은 정치권의 금기처럼 치부되다가 버락 후세인 오바마 대통령이 30년~40년 만에 원자력 발전소 건설 재개를 선언하였는데, 하필 후쿠시마 원자력 발전소 사고가 일어나면서 반대가 격심해졌다. 일단 오바마 대통령은 원자력 발전소 건설을 계속하겠다는 입장을 밝혔었다.

 ≫ 원자로 겉에 붕소-10을 가득넣은 냉각수를 채우는 형태의 극히 안전한 원자로 설계가 나왔으나 도입비가 너무 비싸서 아무도 안 쓰고 있다. 더불어 이 사건을 악화시킨 수위 계측문제를 해결하기 위해 가압수형 원자로에는 냉각수의 실제 수위를 표시하는 계측장비 설치가 의무화됐다. 또한 MCR룸을 인체공학적으로 설계 하여 운전수가 MCR의 계측 표시기를 모두 확인할 수 있도록 설계를 변경하였다.

 ≫ 이 사고로 인해서 운전원 교육을 철저하게 시키는 등의 발전이 있었다. 사실 격납용기라도 있어서 다행이었지, 격납용기가 없었다면 체르노빌 원전 사고 꼴이 날 뻔 했다.

출처 : 나무위키, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=34785

1. 멜트다운 : 원자로의 냉각장치가 정지되어 내부의 열이 이상 상승하여 연료인 우라늄을 용해함으로써 원자로의 노심부가 녹아버리는 일 [본문으로]