방사성폐기물은 방사성물질 또는 그에 따라 오염된 물질로서 폐기의 대상이 되는 물질을 말한다. 

방사성폐기물은 방사성물질의 특성상 반감기를 가져 지속적인 방사선 방출로 에너지를 계속 발산하기 때문에 지속적인 관리의 대상이다.

또한 처리에 관한 문제로 전국민적인 관심이 있으므로 폐기물에 대한 이해와 처분의 필요성에 대해 공감할 필요성이 있다. 

그래서 폐기물의 분류, 처분 방식, 관리 방법, 원자력 발전에서 발생하는 폐기물의 관리 등에 관해서 알아보도록 하겠다. 

방사성폐기물은 고준위방사성폐기물, 중·저준위방사성 폐기물로 구분이 되고  다시 방사능 농도에 따라 중준위, 저준위, 극저준위로 분류되며 자체처분이 있다. 

자체처분

가장 방사능이 낮은 자체처분 기준은 연간 피폭방사선량이 10마이크로시버트 이상이거나 집단에 대한 연간 총 피폭방사선량이 1맨시버트 이상을 처분제한치로 명시하고 있다. 

따라서 제한치의 기준보다 낮은 피폭방사선량을 나타내는 방사성폐기물만 자체처분이 가능하다. 

여기서 자체처분이라는 것은 별도의 처분시설을 요하지 않고 자체적으로 처분할 수 있음을 말한다. 

극저준위 방사성폐기물

방사능 농도가 원자력안전위원회가 규정한 자체처분 허용농도(처분제한치) 이상이며, 허용농도의 100배 미만인 정도의 폐기물.(연간 피폭방사선량 1000마이크로시버트 미만 즉, 1mSv)

저준위 방사성폐기물

방사능 농도가 자체처분 허용농도의 100배 이상이고 원자력안전위원회가 규정한 핵종별 농도 미만인 것을 말함. 

중준위 방사성폐기물 

방사능 농도가 자체처분 허용농도의 100배 이상이고 원자력안전위원회가 규정한 핵종별 농도 이상인것을 말함.

여기서 규정한 핵종별 농도는 

[방사능 농도에 따른 중저준위 방사성폐기물의 분류](https://www.korad.or.kr/korad/user/waste/intro/%EB%B0%A9%EC%82%AC%EB%8A%A5%EB%86%8D%EB%8F%84%EC%97%90%EB%94%B0%EB%A5%B8%EC%A4%91%EC%A0%80%EC%A4%80%EC%9C%84%EB%B0%A9%EC%82%AC%EC%84%B1%ED%8F%90%EA%B8%B0%EB%AC%BC_11.pdf)

에서 확인 가능하다. 

고준위방사성폐기물 

반감기 20년 이상의 알파선을 방출하는 방사성 핵종의 방사능 농도가 4000Bq/g 이상이고 열발생률이 2000w/m3이상인 폐기물.

이렇게 분류되는 방사성폐기물은 각 폐기물마다 처분방식이 조금씩 다르며 관련 처리 방법도 다르다. 

자체처분 방사성폐기물 처분

연간 10마이크로시버트 미만으로 방사선량을 발생시키는 폐기물로 발생하는 방사선이 일반적으로 생활환경에서 발생되는 방사선과 비교하여 크게 다르지 않아 처분에 큰 제한이 필요 없다. 하지만, 처분에 관한 관련 규정을 법적으로 규제하고 있다. 

처분시에 처분제한치를 만족하여야 하고 방사성 물질의 표지 및 표시를 제거하여야 하며 임의적인 방법인 혼합, 희석 등의 방법으로 핵종별 농도를 낮추는 것을 금지하고 있다. 또한 자체처분 폐기물을 별도 보관하여 혼입되는 것을 방지하여야 하고 규정된 내용을 포함한 자체처분 절차서를 작성해 처리 및 신고하여야 한다. 

저준위 방사성폐기물 

처분 방식으로는 심층처분, 동굴처분, 표층처분의 방식을 사용한다. 

중준위 방사성폐기물 

심층처분과 동굴처분 방식으로 처분방식이 제한된다. 

우리나라의 경우 한국원자력환경공단의 중저준위 폐기물처리장을 이용한다. 

일단 각 처분방식에 대해 알아보면 다음과 같다. 

    천층방식(페기물을 땅속에 묻는 깊이가 얕음)

 - 동굴처분 : 지하의 동굴 또는 암반 내에 천연방벽 또는 공학적 방벽으로 방사성폐기물을 처분하는 것. 

 - 표층처분 : 지표면과 가까이에 천연방벽 및 공학적 방벽으로 방사성폐기물을 처분하는 것. 

 - 매립형처분 : 지표면과 가까이에 천연방벽으로 방사성폐기물을 매립하여 처분하는 것. 

우리나라의 중저준위방폐장은 공학적 천층방식으로 동굴처분 방식을 사용하였다. 

고준위 방사성폐기물

처분방식에 대해 아직 정책상 결정하지 못했으며 전국민적 공감대하에 정책을 결정하여야 한다. 

영구처분 혹은 재처리로 정책이 결정될 수 있으며 영구처분의 경우는 심층처분 방법이 재처리의 경우 파이로프로세싱 방법이 있다. 

   심층처분

     지하 수백 미터 깊이의 암반에 처분 시설을 만들어 높은 방사능을 가진 폐기물을 안전하게 처분하는 방법. 

심층처분을 위한 부지를 평가 및 선정해야 하는데 여기에 관한 논의가 진행되고 있다. 

   파이로프로세싱 

발전소에서 사용을 하고 꺼낸 사용후 핵연료에는 다량의 핵물질이 포함되어 있으며 이를 다시 처리하여 핵연료로 사용하고자 하는 목적으로 개발됨.

사용후 핵연료를 500도 이상의 고온에서 용융염 상태로 만든 다음 전기분해를 하여 우라늄 등 핵물질을 분리해내는 기술.

이 기술을 활용하면 사용후 핵연료 부피를 1/20, 발열량을 1/100, 방사능 반감기를 30만년에서 300년으로 줄이고 사용가능한 핵연료가 다시 재활용되어 핵연료의 활용성이 올라감. 

특히, 사용후 핵연료의 부피가 줄어드는 만큼 폐기물 처리장에 저장가능 양이 늘어나 처분시설에 대한 부담감이 줄어든다. 

방사능 방재 대책

방사능 방재란 방사능 재난에 대비하는 것을 말합니다. 

여기서 방사능 재난이란 방사성물질 또는 방사선이 누출되거나 누출될 우려가 있어

긴급한 대응조치가 필요한 방사선비상 상황에서 국민의 생명과 재산 및 환경에 피해를 

줄 수 있는 상황으로 확대되어 국가적 차원의 대처가 필요한 재난을 말합니다. 

따라서 방사능 재난에 대한 효율적인 대응 및 관리체계를 확립하고 예방하기 위해서

관련 대책법을 방사능방재법이라는 이름으로 법제화되어 있습니다. 

방사능방재법의 정식 명칭은 원자력시설 등의 방호 및 방사능 방재 대책법입니다. 

이 법의 목적을 보면 핵 물질과 원자력시설을 안전하게 관리, 운영하기 위하여 물리적

방호체제 및 방사능 재난 예방체제를 수립하고, 국내외에서 방사능재난이 발생한 경우 

효율적으로 대응하기 위한 관리체계를 확립함으로써 국민의 생명과 재산을 보호함을 목적으로

한다고 명시되어 있습니다. 

1. 핵물질 및 원자력시설의 물리적방호 

물리적 방호를 위한 시책으로는 5개로 구분되어 설명합니다. 

핵물질의 불법이전에 대한 방호 

분실되거나 도난당한 핵물질을 찾아내고 회수하기 위한 대책

원자력시설등에 대한 사보타주의 방지하고 전자적 침해 행위의 방지

원자력시설 등에 대한 사보타주에 따른 방사선 영향에 대한 대책

전자적 침해행위에 따른 방사선 영향에 대한 대책

시책을 보면 핵물질에 문제가 생기지 않도록 관련 예방 조치사항과 

만약 문제가 생겼을 때를 위한 대책 사항을 정하도록 하고 테러와 같은 행위인

사보타주에 대한 예방 대책과 사고시 사고처리 대책 등을 수립하도록 명시하고 

있습니다. 

이런 시책을 수행하기 위한 물리적방호체제를 수립하여야 합니다. 물리적방호체제는 원자력안전위원회(이하 원안위라 명시)

는 3년마다 위협의 요인, 발생 가능성, 발생에 따른 결과를 고려하여 원자력시설 등에 대한 위협을

평가하고 물리적방호체제 설계기준위협을 설정하여야 합니다. 

여기서 말하는 설계기준위협이라는 것은 위에서 언급한 사항에 대한 위협사항에 대해 설계정도를 

넘어서는 위험사항을 말합니다. 즉, 설계기준위협은 위험도에 따른 설계 수준을 말합니다.

이외에도 법에서는 수립과정 및 기관의 역할, 책임, 훈련, 검사, 기록과 비치 사항 등에 대해 각 항목

별로 규정하고 있습니다. 

2. 방사능 방재대책

위에서 설명했던 방사선비상상황에 대한 대책을 위해 원자력시설등은 방사선비상의 종류를 

사고의 정도와 상황에 따라 백색비상, 청색비상, 적색비상으로 구분합니다. 

각 비상은 의미하는 바가 다음과 같습니다. 

백색비상 : 원자력 시설 안전상에 심각한 영향을 미치지 않는 사고로써 방사성물질 누출로인한 

방사선 영향이 원자력시설 건물내로 국한될것으로 예상되는 비상사태를 말함

청색비상 : 원자력 시설의 주요 안전기능에 손상이 발생하거나 발생할 우려가 있는 등의 사고로써, 

방사성 물질 누출로 인한 방사선 영향이 원자력시설 부지내에 국한될 것으로 예상되는 비상사태를 말함.

적색비상 : 원자력 시설의 최후 방벽에 손상이 발생하거나 발생할 우려가 있는 사고로써, 방사성물질

누출로 인한 방사선 영향이 원자력시설부지 밖으로 미칠것으로 예상되는 비상사태를 말함.

이러한 비상상황에 따라 각 종류별 대응 절차 및 그 밖에 필요한 사항을 대통령령으로 정하게 되는데 

각 절차는 다음과 같습니다.

대응절차 

백색비상 

원자력사업자 : 방사선비상계획으로 정한 절차에 따라 원안위, 관할 시도지사 및 시장, 군수, 구청장에게 보고

하고 발생한 방사능재난등에 관한 정보를 공개하도록 정해져 있습니다. 또한 방사선 사고 확대 방지를

위한 응급조치 및 응급조치요원 등의 방사선 피폭을 줄이기 위하여 필요한 방사선방호조치를 취하여야 

합니다. 그리고 방사능에 오염되거나 방사선에 피폭된 자에 대한 응급조치도 실시되어야 합니다. 

시설에 관해서도 비상대응 시설을 운영하여야 합니다.

원자력안전위원회 : 원자력사업자의 보고를 받은 경우에 국가방사능방재계획에 따라 이를 관련기관에 통보합니다.

방사선비상계획구역을 관할하는 지자체장 : 방사능방재대책본부를 설치, 운영하여야 합니다.

청색비상

원자력사업자 

백색비상의 절차를 수행하며 추가로 원자력사업자비상대책본부를 설치, 운영해야 함. 

지역방사능방재대책본부 장의 요청이 있을 경우 방재요원 파견, 기술적 자문, 방사선측정장비 대여와 같은 지원을 해야 함.

원자력안전위원회 

원자력사업자로부터 보고를 받으면 국가방사능방재계획에 따라 관련기관에 통보합니다.

방사선비상의 사고 정도와 그 상황이 방사능 재난의 선포기준에 해당하여 방사능재난을 

선포한 경우 이를 관련기관에 통보하고 국무총리를 거쳐 대통령에게 방사능재난 상황 개요를 보고 합니다.

시도지사 및 시장, 군수, 구청장으로 하여금 방사선영향을 받을 우려가 있는 지역안의 주민에게 방사능재난의 발생상황을 알리게 하고 필요한 대응을 하게 함.

또한 긴급조치를 위해서 중앙방사능배재대책본부를 설치하고 운영해야 하고 현장방사능뱅재지휘센터장으로 원안위 소속 공무원을 지명하고 센터를 지휘하도록 합니다. 

실무적인 기술 지원을 위한 한국원자력안저기술원의 장 소속으로 설치되는 방사능방호기술 지원본부와 방사선 상해자의 의료상 조치를 위한 한국원자력의학원 장 소속으로 설치되는 방사선비상의료지원본부에 대한 지휘를 담당합니다. 

현장방사능방재지휘센터의 장 

현장방사능방재지휘센터 운영, 방사능재난 등에 대한 정확하고 통일된 정보를 제공하기 위해서 연합정보센터를 설치, 운영하는데 지휘센터가 운영되기 전까지는 지역 방사능방재대책본부에서 운영합니다.

지휘센터장은 다음의 권한을 가집니다. 

- 방사능재난등에 관하여 지역방사능방재대책본부의 장에 대한 지휘

- 중앙행정기관, 지방자치단체 및 지정기관에서 파견된 관계관에 대한 임무 부여  

- 대피, 소개, 음식물 섭취 제한, 갑상선 방호 약품 배포 등 긴급 주민 보호 조치의 결정

- 방사능재난등이 발생한 지역의 식료품과 음료품, 농축수산물의 반출 또는 소비 통제 등의 결정

- 재난 및 안전관리기본법에 따른 권한사항, 회전익항공기 운항, 긴급구조활동에 필요한 조치

- 현장지휘센터에 파견되어 방재활동을 하는 관계관은 현장지휘센터의 장의 자휘에 따른다. 다만, 방사는재난 현장에서 긴급구조활동을 하는 사람은 현장지휘를 하는 각급 통제단장의 지휘를 따른다. 

방사선비상계획구역의 지역 장

지역본부를 운영하고 방사능재난 산포기준에 해당하는 사고가 발생한 경우라면 

현장지휘센터의 지시사항에 대해 시행

적색비상 

청색비상부터 충분한 대응 체계를 갖추므로 모든 대응이 청색비상과 동일

앞으로 원자로 안에서의 핵심구성물인 핵연료집합체에 대해서 먼저 소개하고자 합니다.

핵연료집합체를 기준으로 앞으로 다룰 주 내용입니다.
-핵연료 제작 사이클
-핵연료봉 구조 설명
-독물질봉 구조 설명
-연료집합체로서 구성
-노심에서의 배치

핵연료제작 사이클

핵연료를 제작하고 사용하고 후에 처리하는 과정을 핵연료주기라고 합니다. 이를 사용하는 시점인 원자력발전소에서의 사용을 기준으로 전의 과정을 선행핵연료주기 그 뒤의 과정을 후행핵연료주기라고 합니다.

- 선행핵연료주기

우라늄 원광을 채광하고 정련하고 변환하고 농축하고 가공하는 전 과정을 말합니다.
조금 자세히 알아보겠습니다.

첫 번째 과정인 채광은 우라늄 원광을 채광하는 것을 말합니다. 100m이내의 깊이에 있을 경우는 표토를 제거하고 갱도 없이 바로 채굴하는 방법인 노천채굴을 하고 그 이상일 경우는 갱도채굴을 통해 원광을 채굴합니다.

채굴한 우라늄 원광은 정련이라는 과정을 걸쳐 yellow cake라는 노란색의 우라늄 정광으로 생산됩니다.
방식은 화학적 처리이며 화학을 전공하지 않은 저는 자세히는 모르나 질산에 용해시켜 TBP유기용매로 우라늄을 회수한다고 합니다. 이때 우라늄 정광은 U3O8이라 합니다.

정련의 과정을 거쳐 옐로케이크가 된 우라늄을 변환이라는 과정을 거쳐 중성자 흡수물질과 같은 불순물을 제거하게 됩니다. 이 과정을 통해 옐로케이크는 6불화 우라늄으로 변환됩니다. U3O8 → UF6

이제 농축의 과정을 지나게 됩니다. 농축은 6불화 우라늄을 기화시켜 기체의 상태로 만들고 기체확산법, 원심분리법, 레이저 농축법 등과 같은 방법으로 농축을 시도합니다.

제가 공부한 교재 기준으로는 기체 확산법 위주로 소개가 되나 과거의 교재이므로 현재 주로 사용하는 농축법은 다른 방법으로 시도가 되고 있을지도 몰라서 이에 대한 소개는 생략하겠습니다. 다만 대부분의 방법이 동위원소 분류법으로 동위원소간의 질량차를 이용한 분리법을 사용한다는 점만 기억하시면 되겠습니다.

기화된 우라늄은 평균 4% 정도의 농축도를 가진 농축 6불화 우라늄으로 농축됩니다. 이때 농축되는 정도는 정확히 몇 %이다가 아니라 여러 농축도를 가진 우라늄을 생산하는데 앞으로 소개되겠지만 원자로 출력안정성 및 효율 증진을 위해 여러 농축 우라늄봉을 사용한다는 점을 기억하시길 바랍니다.

지금까지 따라온 모든 과정은 현재 국내 핵연료 생산 기업인 “한국원자력연료주식회사”에서는 하지 않는 공정입니다. 이 모든 공정은 해외에서 진행이 되며 이 모든 공정이 진행된 농축 6불화 우라늄을 전량 수입하게 됩니다. 앞서 있는 모든 과정을 국내에서 진행하지 않는 이유는 우라늄 원광을 수입하기 때문입니다. 원광으로 수입하면 운송에 부담이 크지만 이렇게 농축까지 진행하여 수입하면 운송에 대한 부담이 줄어들기 때문입니다. 그럼 핵연료주식회사는 어떤 일을 할까요? 이 뒤의 과정인 성형 가공과정을 진행하게 됩니다. 지금부터 설명하는 과정은 국내에서 진행되는 과정입니다.

우선 기체상태의 UF6를 고체상태의 UO2로 변환을 합니다. 산화우라늄으로 만들면 좋은 점은 열에 의한 팽창이 작고 산소와의 반응이 적은 안정성이 있기 때문입니다.
다음으로 고화된 UO2를 균질하게 혼합을 시키고 분말처리 시킵니다.
이제 분말이된 UO2를 하나의 핵연료 펠렛으로 만들기 위한 성형 가공을 합니다.
이 과정은 위아래를 접시 모양으로 들어가도록 모양을 압분의 과정을 거쳐 성형을 하고 약 815도의 고온에서 12시간 정도 소결을 합니다. 이렇게 하면 은회색의 펠렛 세라믹이 만들어집니다.
이렇게 만들어진 펠렛을 연로봉에 장입하여 제작하게 됩니다.
이에 대한 설명은 핵연로봉 구조를 설명할 때 하도록 하겠습니다.
자 이제 핵연로봉은 완성이 되었고 이를 핵연료집합체로 만들어 원자력 발전소로 보내게 됩니다. 이 모든 과정을 선행핵연료주기라고 합니다.

- 후행핵연료주기

원자력발전소는 열심히 전기를 생산하여 이제는 생산효율이 떨어진 핵연료폐기물을 만들어 냅니다. 이 뒤의 과정은 열린 연료주기와 닫힌 연료주기가 있습니다. 현재 우리나라의 분위기는 열린 연료주기일것으로 생각이 되나 아직 법적으로 결정이 되지 않았습니다.

• 열린 연료주기
  여러분들이 흔히 알고 있는 폐기물저장시설에 폐기물을 보관하는 방법입니다. 핵연료폐기물은 폐기물의 방사능에 따라 극저준위, 저준위, 중준위, 고준위로 나눠지는데 핵연료페기물은 고준위에 해당하고 현재 이 고준위폐기물 방폐장은 모든 나라에서 건설에 어려움을 느끼고 있습니다. 누가 자기가 사는 곳에 이 위험하다는 물질을 나두고 싶겠습니까? 아무리 안전하다고 한들 찝찝함이 있음은 사실입니다. 이를 해결하기 위해서는 전문가와 국민들의 소통으로 많은 대화와 지식공유가 오고 가면서 해결되어야 할 문제입니다. 실제 이 고준위 폐기물 보관소를 건설한 필란드의 경우는 국가에 대한 국민들의 신뢰가 높다고 합니다. 그리고 주민들의 걱정을 없애기 위해 실시간으로 소통을 한다고 합니다. 이는 배워야 합니다.

• 닫힌 연료주기
  사용후 핵연료를 재처리하는 방법을 사용하여 다시 사용하는 사이클입니다. 개인적으로는 이 과정이 필요하다고 생각합니다. 왜냐하면 재처리라는 과정을 거치면서 핵연료 폐기물을 많이 줄일 수도 있고 또한 실제 산업이나 연구에 필요한 동위원소를 얻을 수도 있습니다.
  더 나아가 고속증식로가 상업화된다면 이 과정은 필수적으로 필요합니다.

이를 파이로프로세싱이라고 합니다. 하지만 이에 관한 연구는 연구비만 많이 먹은 연구로 낙인이 찍혀있고 실제 원자력연구원쪽에서 이에 관한 연구비가 삭감되고 있다고 합니다. 고속로에 대해서는 나중에 기회가 되면 소개하겠습니다.

하지만 이 과정은 현재 핵무기를 생산할 가능성이 있는 관계로 핵확산방지조약에 가입되어 있는 우리나라는 실시간으로 IAEA(국제원자력기구)로부터 감찰을 받고 있습니다. 그런데 아이러니하게도 평화적으로 사용하겠다고 선언하면 재처리를 하는 것을 허용해주기는 합니다.
그런데 왜 안할까요?....
바로 돈입니다. 이 과정에는 돈이 굉장히 많이 든다고 합니다. 그리고 비싼 돈 들인 것에 비해 재활용되는 비율도 극히 낮습니다.

 오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

앞서 포스팅한 내용에서 우리나라가 주로 사용하는 가압 경수로인 PWR의 경우는 원자로가 포함된 1차계통과 발전을 하는 2차계통으로 분리되어 운영이 된다고 소개를 했었습니다.
오늘부터 여기서 1차계통에 해당하는 원자로냉각재계통과 관련되는 설비 및 주요 기능들을 소개하고자 합니다.

설명에 앞서 제가 소개하는 원자로는 한국형 표준원전인 OPR-1000을 기준으로 소개하며 참고서적은 (“원자력 발전소 계통”-김재근 저)입니다.
여기서 소개하는 OPR-1000이 최초의 한국형 원자로이며 미국 TMI사고의 후속 조치요건을 모두 반영한 모델입니다.
그리고 OPR-1000보다 뒤에 나온 APR-1400이나 APR+도 전체적인 방식들은 유사하고 스펙이 조금씩 차이가 있습니다. 뒤에 나온 원자로는 더 차세대 개량형이며 제가 소개하는 원자로보다 더 높은 잣대를 적용한 설계를 한다고 생각하시면 되겠습니다.
하지만 한국에서 운전중인 원전중에 10기 정도는 이 OPR-1000으로 운전이 되고 있는 만큼 OPR-1000의 설계기준으로 설명한다고 해도 기준으로 잡을 수 있다고 생각합니다.

원자로냉각재계통

앞서 소개한 원자력 발전소에는 물이 왜 필요할까? 에서 소개하였듯이 원자로 냉각 및 감속을 위해 필수적으로 존재해야 하는 계통입니다.

다시 한번 주요기능에 관해서 이야기하자면
1)원자로의 열을 제거하고 2차측에 증기를 발생시킵니다.

2)노심에서 발생하는 핵분열성물질의 누출을 대기로 방출되는 것을 방지하는 역할을 합니다.

3)발전소의 정상운전시 혹은 과도 상태시에 핵연료가 손상되지 않도록 냉각재를 지속적으로 공급합니다.

4)화학 및 붕산농도 제어를 위해 냉각재를 유출 및 충수시킵니다.

5)설계기준을 초과하는 사고 시에 냉각재의 충수 및 방출운전을 하여 압력을 낮추는 역할을 합니다.
화학 및 붕산농도와 같은 말들은 이해가 안되실 겁니다. 나중에 이 일을 하는 계통이 있는데 그때 설명하도록 하겠습니다. 지금은 아 5개 정도 이런 역할을 하는구나 정도만 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

이 계통에 포함된 주요 설비들은 다음과 같습니다.

• 원자로용기
  

• 증기발생기(1차계통측)
  

  

• 냉각재 순환 폐쇠회로(배관)
  

  

• 원자로냉각재펌프
  

  

• 가압기
  

  

그럼 계통의 개략도를 살펴보겠습니다.
원자로용기를 기준으로 냉각수가 유입되는 배관이 4개 배출되는 배관이 2개이며 하나의 원자로 용기에 두 개의 증기발생기가 연결이 되며 통과된 냉각수는 펌프를 통해 다시 원자로에 유입됩니다. 이때 두개의 순환계통이 있는 반면 가압기는 하나만 존재합니다.
그리고 각각의 배관들에 여러 공학적안전설비들과 화학 및 체적제어계통들이 연결되어 있습니다.

이 냉각재계통의 핵심은 원자로의 열을 제거하고 2차계통으로 열을 전달하는데 있습니다. 그렇기에 각각의 설비들의 역할을 다시 적어 보겠습니다.

• 원자로용기 : 2차측으로 전달하는 열을 생산한다.
• 증기발생기(1차계통측) : 보일러와 같은 역할로 발전에 필요한 증기를 생산한다.
• 냉각재 순환 폐쇄회로(배관) : 냉각수를 이동시키고 외부로 유출을 막고 외부와 압력경계를 형성한다. 여기서 압력경계라는 것은 압력의 경계를 이룸을 말합니다. 내부의 압력은 매우 높기 때문에 배관이 이 압력차를 버티지 못한다면 터져버리게 될 것이고 끔찍한 사고가 발생합니다. 그렇기에 설계기준의 압력을 견디도록 설계가 되어 있습니다.
• 원자로냉각재펌프 : 증기발생기를 통과하여 열을 빼앗긴 냉각수를 다시 원자로에 공급하는 역할을 합니다. 여기서 하나 명심해야 하는 것이 증기가 아닌 물이라는 점입니다. 1차계통은 증기가 발생하지않도록 설계가 되어 있습니다.
• 가압기 : 바로 위에서 설명했듯이 증기가 발생하지 않도록 설계가 되어 있다고 했습니다. 그 기능을 수행하는 설비입니다. 압력을 설계기준에 맞추어 보다 높으면 낮게 보다 낮으면 높일 수 있도록 하는 기능을 수행합니다.
• 추가적으로 연결된 설비들… : 원자로에 연결된 설비들은 아주 많습니다.
  이 많은 설비들은 모두 원자로의 안전성을 유지하기 위한 설비들입니다. 앞으로 소개하겠지만 우선 원자로가 돌아가는데 필요한 핵심설비들을 먼저 소개하고 안전을 위한 장치에 대해서 소개하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

오늘은 시스템에 대해 기본적으로 알아야 하는 이론 중 열역학 개념을 조금 알아보겠습니다.

혹시 과학을 공부했다면 한번쯤은 카르노사이클이라는 말을 들어보셨을 겁니다. 이상적인 열기관 사이클이죠. 이 카르노사이클은 일이 최대의 효율을 내더라도 100%의 효율을 낼 수 없다는 것을 말해줍니다. 그래서 무한한 동력을 내는 기관은 이론적으로 불가능하게 됩니다.
이 카르노 사이클은 단열이라는 과정과 가역이라는 과정으로 이루어집니다.

간단하게 설명하자면 단열은 계로부터 열이 외부로 나가지 않는 것을 말합니다. 여기서 말하는 계는 무엇이냐면 우리가 기준으로 하는 공간을 말합니다. 원자력발전소를 기준으로 냉각수 순환 계통이 하나의 계를 이루게 됩니다.

그리고 가역과정은 반응전의 상태인 처음 상태로 되돌릴 수 있는 과정을 말합니다. 하지만, 자연계에서는 이과정은 매우 힘듭니다. 반응이 생기면 엔트로피는 증가하게 됩니다. 그래서 엔트로피의 증가를 막기 위해 주변 환경과 평형상태를 이루며 과정이 이루어져야 합니다.
여기서 단열과 가역이라는 방식으로 카르노 사이클은 가역 등온과정 -> 단열팽창 -> 가역 등온압축 -> 단열 압축이라는 과정을 거치게 됩니다.
하지만 이러한 과정을 거치기에는 현실적으로 불가능한 점이 있습니다. 현실에서는 완벽한 단열, 등온변화는 불가능하기 때문입니다. 특히, 단열압축과정은 물과 증기가 혼합이된 상태의 물을 가압해야 하는데 이는 어렵기 때문이죠.

그래서 현실적으로 더 효율적인 열기관을 고안하게 됩니다. 이 열기관이 바로 랭킨사이클입니다.
랭킨사이클은 등온과정이었던 카르노 사이클과 달리 등압과정을 사용합니다.
나머지는 비슷합니다. 가역단열압축 -> 등압팽창 -> 가역단열팽창-> 등압압축의 과정으로 진행이 됩니다.
등압으로 바꾸면서 생기는 장점은 등온보다 제어하기 쉽다는 장점이 있고 안전관리 측면에서도 장점이 있습니다. 그리고 가역의 경우는 실제적으로는 가역으로 일어나지 않고 비가역으로 진행이 됩니다. 하지만 이 과정들을 순식간에 이루어내면 가역과정과 비슷하게 순환이 됩니다. 반응이 일어나는 시간보다 빠르게 진행되었기 때문입니다.

이 랭킨사이클을 TS선도라는 그래프를 통해서 분석하겠습니다. 이 TS선도는 가로는 엔트로피 세로는 온도를 나타냅니다. 그래프로 나타내면 아래 그림과 같습니다.

이 그림에서 종모양의 선은 물의 포화증기선입니다. 포화증기란 증기지만 조그마한 영향으로 바로 액체로 돌아가는 정도의 상태를 말합니다.
이선을 제외한 도형을 보아주시기를 바랍니다. 그리고 내부에 색칠을 한다고 생각해봅시다.
이 내부의 넓이는 열기관이 하는 일의 총량입니다. 왜냐하면 엔트로피는 전체온도로 들어온 열량을 나눠주는 값이기 때문에 온도와 곱한값은 일이 되게 됩니다.

자 이제 본론입니다. 이 넓이가 넓어지려면 우리는 어떻게 해야 할까요?
가로가 길어지거나 세로가 길어지거나 해야 합니다.
그러기 위해서 증기압력을 증가시켜 끓는 온도를 올리는 방법이 있습니다.

또한 같은 압력에서 증기를 더 고온으로 과열시키는 방법도 있습니다.

마지막으로는 복수기의 압력을 낮추어 세로가 길어지게 하는 방법도 있습니다.

하지만 이러한 방법들중 증기의 압력을 높이면 터빈의 수명이 빨리 줄어들기 때문에 재열사이클을 사용하게 됩니다.

나중에 자세히 설명하겠습니다.

또한 복수기 저압으로 인한 저압터빈의 증기함유량 증가에 대한 부담을 위한 재생사이클도 존재합니다.

이것 또한 나중에 자세히 설명하겠습니다.

결론을 말씀드리자면 이 랭킨사이클을 기반으로 원자력발전소의 증기사이클이 작동을 하며 열효율을 증가시키기 위한 여러 장비가 추가된다는 것입니다.
앞으로 원자력발전소에 대해서 더 자세히 설명할 예정인데
앞서 소개한 포스팅에서 전체적인 작동 메커니즘은 소개를 하였습니다.
그렇기에 다음시간부터 우선 원자로에 대해서 조금더 자세히 살펴보고 그다음 냉각시스템과 여러 시스템들에 대해서 천천히 알아가도록 하겠습니다.

 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

 

이번에는 원자력 발전소가 물을 사용하는 이유를 알아보겠습니다.
사실 이 부분에 대해서는 제가 체르노빌 사고에 대해서 소개할 때 간단히 언급했었습니다.
하지만 오늘 조금 더 자세히 알아보도록 하죠.
물의 용도는 3가지가 있습니다.

• 원자로의 열을 제거하여 노심 용융을 방지한다.

• 우라늄이 중성자와 반응이 잘하도록 감속시켜주는 역할을 한다.

• 원자로에서 빼앗은 열을 2차 계통으로 전달해주는 역할을 한다.

이 세 가지 기능을 알아보겠습니다.

원자로의 열 제거

원자로 안에서는 핵분열로 발생한 붕괴 열로 매우 뜨거운 상태입니다.
용광로를 생각해보면 매우 뜨거운 열을 주면 철들이 녹아서 액체처럼 흐르죠?
만약 원자로가 이렇게 녹아버리면 어떻게 될까요? 심각한 사고를 초래하게 됩니다.
그래서 이를 막아야 하죠.
그런 점에서 물은 열 제거에 효율적입니다.

생각을 해보죠. 라면을 끓이기 위해 물을 올리고 불을 켰습니다. 그런데 물이 있는 동안은 절대 냄비가 타지는 않습니다. 하지만 물이 말라버리면 순식간에 타버리죠.
이런 생각으로부터 물이 열 제거에 좋다는 점은 이해하실 겁니다.

2차 계통으로의 열전달

원자로로부터 공급받은 열을 2차 계통으로 전달합니다. 여기에는 증기발생기라는 설비를 이용합니다. 그래서 1차계통입장에서는 원자로에서 제거한 열을 버리는 곳이며 2차계통입장에서는 열을 공급받는 보일러 역할을 합니다.

감속재로의 역할

앞서 설명한 냉각수로의 역할도 중요하지만 이 감속재로의 역할로 원자로는 돌아가게 됩니다. 이 감속재가 없다면 연쇄반응은 불가능합니다.
왜냐하면 우라늄이 반응을 하는 중성자는 에너지가 낮은 영역대의 중성자를 사용하는데 핵분열시 발생하는 중성자는 속중성자라 하여 에너지가 높은 중성자입니다. 이 중성자에 대해서 조금만 더 이야기하죠.
중성자는 핵분열을 야기하는 불씨 같은 역할을 하지만 높은 에너지를 가진 중성자는 비교적 반응을 잘 하지 않습니다. 빠른 야구공일수록 잡기 힘든 것처럼 말이죠.

이렇게 잡히는 정도인 반응하는 정도를 흡수 단면적이라고 합니다. 이 개념은 핵물리, 입자물리에서 정말 중요한 개념입니다.
이 흡수 단면적이 크게 중성자의 3가지 에너지 영역에 따라 다른 특성을 나타냅니다.
높은 에너지 영역에서는 가장 작고 중간 영역에서는 중간중간 높은 흡수 단면적을 가진 공명 영역이라는 부분이 존재합니다.
그리고 가장 에너지가 낮은 열중성자 영역이 흡수 단면적이 큰 영역입니다. 그렇기 때문에 우리는 열중성자 영역으로 중성자를 감속시키기 위해 감속재를 사용합니다.
이 영역에서 우라늄이 중성자를 잘 흡수하기 때문이죠.
사실 이 부분에 대해서는 몇 개의 포스팅으로 나눠서 이야기할 만큼 긴 내용을 담고 있습니다. 그래서 다음에 시스템에 대해 포스팅을 진행한 후에 핵물리에 관한 포스팅을 할 때 더 자세히 다루도록 하겠습니다.

그리고 한 가지 더 설명하자면 1차 계통에 사용하는 물은 우리가 아는 물은 아닙니다. 즉, 순수한 물을 사용하지는 않습니다. 붕산이 함유된 붕산수를 사용하는데 붕산이 흡수 단면적이 정말 큽니다. 그렇기에 중성자를 제어하기 위한 목적으로 사용이 됩니다.

마지막으로

정리하자면, 물의 역할은 한마디로 감속재와 냉각재의 역할을 합니다. 그리고 원자로 안전성에 전적으로 기여를 합니다. 그렇기에 모든 원자력 발전소는 이 감속재이자 냉각수인 물이 유지되도록 모든 설비가 작동합니다.
따라서 물을 왜 사용하는지 이해가 되시는가요? 이 물의 중요성은 추후에 제가 포스팅하는 시스템에 대한 글을 보다 보면 더 이해가 되리라 생각됩니다. 

다음 시간에는 열기관 중 증기발전기에서 사용하는 랭킨사이클에 대해서 알아보겠습니다. 

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오늘부터 우리나라 원자력 발전의 시스템에 대해서 자세히 알아보는 포스팅을 올리도록 하겠습니다. 하지만 시스템을 이야기하기 전에 기본적으로 알고 가야 하는 것이 몇 가지 있습니다.

• 왜 우라늄을 사용하는가?
• 물의 역할은 뭘까?
• 랭킨사이클에 대한 이해

이 정도만 소개를 하고 바로 시스템에 대해 알아보겠습니다.

그럼 오늘의 주제인 우라늄을 사용하는 이유를 생각해보겠습니다.
왜 우라늄을 사용할까요? 방사성동위원소는 많습니다.
그런데 굳이 우라늄인 이유가 있을까요?
사실 우라늄만 가능한 것은 아닙니다. 플루토늄으로도 가능하고 토륨으로도 가능은 합니다.
하지만 우리가 고려해야 할 점이 있습니다.

발전하는데 적합한가? 입니다.

발전하는데 적합하기 위해서는 연속적인 핵분열이 가능해야합니다.
또한 발전에 사용할 만큼 충분한 에너지가 발생해야합니다.
그리고 구하기가 용이해야 합니다.
여기에 가장 적합한 원료는 U-235입니다.

왜 그럴까요?

우선 연속적으로 핵분열이 가능한 물질은 핵분열성 물질과 직접적인 핵분열 물질은 아니지만 중성자와의 반응으로 생기는 생성물이 핵분열성 물질인 핵분열 원료물질이 있습니다.
여기에는 우라늄과 토륨 그리고 플루토늄이 있습니다.
이 물질들은 중성자를 하나 받게 되면 불안정해져서 붕괴를 하는데 일반 방사성 붕괴로 방출하는 감마선, 알파선, 베타선만 방출하는 것이 아니라 두 개로 쪼개어지는 반응을 하게 됩니다.
즉, 원자력 발전에 쓰이기 위해서는 쪼개어지는 반응을 하는 물질이어야 합니다.

여기서 연속적인 핵분열이 가능해야 한다고 했죠?

이를 위해서는 핵분열시 중성자가 무조건 같이 나와야 합니다.
두개로 쪼개질 때 말이죠. 이것이 가능한 물질이 핵분열성 물질입니다.
이런점에서 토륨은 원전에서 사용되는데 까다롭습니다. 우라늄보다 4배나 많은데 말이죠.
핵분열원료물질이기 때문에 연속적인 핵분열을 만들어 내기가 힘들기 때문이죠. 하지만 이를 가능하게 하기 위해서 연구는 진행중인 것으로 알고 있습니다.

그리고 발전을 위해서는 에너지가 많이 나와야 하는데 보통 한 번의 붕괴당 200MeV라는 에너지가 방출됩니다.
아인슈타인의 질량등가공식에 의해 이 값을 구할 수 있습니다. 알파선 하나당 4MeV 정도인 것에 비교하면 매우 큰 에너지임을 알 수 있습니다. 그렇기에 이 핵분열성 물질을 사용하는 것입니다.

마지막으로 구하기 용이해야 합니다. 그런데 플루토늄은 어떻게 구할까요?
아쉽게도 플루토늄은 구하기가 까다롭습니다. 왜냐하면 자연계에 존재하지 않기 때문입니다.
자연계에 존재하는 물질 중에 가장 무거운 물질은 우라늄입니다. 플루토늄은 우라늄보다 양성자가 두 개 더 많은 원소이죠. 그래서 플루토늄은 인공적으로 만들어 냅니다.
하지만 우라늄보다 가벼운 물질이 있기는 있습니다. 바로 토륨입니다.
그런데 이 토륨은 잘 사용되지 않습니다.

그렇기 때문에 남은 물질은 핵분열성 물질이며 구하기가 비교적 쉬운 U-235입니다.
비교적 구하기 쉬운 이유는 반감기가 방사성동위원소임에도 불구하고 7억년정도 이기 때문입니다. 보통 7번 이상의 반감기가 지나야 방사능이 거의 없다고 간주하는데 아직 7번 정도면 4억년정도 더 남아있습니다.
그래도 6번반감한뒤인만큼 소량인 우라늄중에 0.72%차지하는 양만큼 현재 존재합니다.
이 0.72%만큼의 U-235 존재로 우리는 현재 원자력 발전을 하고 있습니다.

사실, 토륨이나 플루토늄을 사용하는 응용된 원자로는 연구중입니다. 전문가들은 꿈의 원자로라고 합니다. 상용화만 된다면 말입니다. 나중에 PWR 시스템에 대해서 소개가 끝난뒤에 간략하게 소개하도록 하겠습니다.
오늘은 왜 우라늄을 사용하는가에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 물을 사용하는 이유에 대해서 알아보겠습니다. 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

 

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이번에는 전 세계적으로 탈원전을 추진하는 나라가 생기게 만든 주원인인 후쿠시마 원자력 발전소의 사고에 대해서 다루어 보려고 합니다. 특히, 우리나라에 큰 영향을 주었죠.
다들 사고가 발생한 것은 알고 있겠지만 정확히 어떻게 사고가 발생했는지 알고 계시는가요?
저도 원자력을 배우기 전까지는 잘 몰랐는데요. 오늘 한번 다 같이 알아보죠.

2011년 일본에 동일본대지진이 강타합니다. 이 지진은 태평양 해역지대에 발생했고 대형 쓰나미를 발생시켰습니다. 이 지진 및 해일로 15,894명 사망, 2562명이 실종되었다고 합니다.
엄청난 대형 재난이죠.
이때 후쿠시마 원자력 발전소는 지진 발생과 동시에 원자력 발전 가동을 중지시킵니다.
그러나 원자력 발전소에서 생산되는 전기를 송전하기 위한 송전탑들은 무너져 내리며 외부전원이 차단되는 상황이 발생합니다. 그래서 이를 대비해서 존재하는 비상 발전기들이 가동을 시작했습니다.

하지만 지진이 만들어낸 거대한 해일이 후쿠시마 원자력 발전소에도 들이닥쳤습니다. 쓰나미를 위해 제방을 쌓아둔 이 발전소는 이 대형 쓰나미에는 속수무책이었습니다. 쓰나미는 제방을 넘어 발전소를 덮쳤습니다. 이에 비상용 발전기들이 작동 중이던 지하 공간에 물이 들이 닥쳤습니다. 발전기는 가동을 중단하였습니다.
이 결과로 후쿠시마 원자력 발전소 제1원전은 블랙아웃 현상이 나타나 결국 완전전원상실사고가 발생하게 됩니다. 전원이 공급이 안되면 그 수많은 공학적 안전설비들이 작동을 하지 않습니다. 이는 치명적인 결과를 불러옵니다. 냉각수 펌프가 정상작동을 하지 않으면서 원자로 내부의 온도가 상승하며 압력도 같이 증가합니다.

결국, 냉각수가 증발하며 내부온도는 1200도까지 상승하며 제 1방벽인 펠렛과 연료봉 그리고 제 2방벽인 원자로또한 녹아버립니다. 그리고 마지막 방벽인 제 3방벽또한 녹아버립니다. (여기서 이 방벽은 우리나라 원전인 PWR보다 훨씬 얇습니다.)

그리고 핵연료의 피복재는 지르코늄으로 이루어지는데 고온의 상태에서 물과 반응을 하여 수소를 발생시킵니다. 이 수소는 내부압력을 올리고 폭발을 유발하게 됩니다. 이를 통해 대기로 방사성 물질이 방출되게 됩니다.
사실 이 과정은 순식간에 일어난 과정들이 아닙니다. 사고 발생은 11일 14시 46분에 발생했고 15시 30분에 모든 전원을 상실하게 됩니다. 17시에 비상용 발전차를 보내지만 교통혼잡으로 늦게 도착합니다. 23시가 되어 현장에 도착하였지만 전력계통의 전반적인 문제로 전력공급이 12일 15시까지 연기가 됩니다. 하지만 12일 6시경 모든 원자로에서 용융이 발생한 상태였습니다. 그리고 14일까지 걸쳐1~4호기중 4호기를 제외한 원자로에서 수소폭발이 일어났고 방사능 누출이 되었습니다. 그리고 사고의 확산을 막기 위해 뒤늦게 바다의 해수를 끌어와 노심에 주입했습니다. 하지만 이미 늦은 상태였습니다.

이때 사고로 많은 방사성 물질이 누출되었고 한호기 이상의 다수 호기가 사고가 발생한 만큼 원자력 발전의 안전에 대한 우려가 많이 나왔습니다. 그래서 이 사건의 재구성 같은 느낌의 영화 ‘판도라’도 우리나라에서 개봉이 되어 많은 사람이 영화를 보고 우려를 표했습니다. 하지만 전문가들은 이러한 사고가 우리나라에서는 일어날 수 없다고 합니다. 왜 그럴까요?

우선 첫 번째로 사고가 발생한다고 하더라도 격리된 원자로 시스템에 의해 사고의 확대가 발생되기 어렵습니다. 스리마일에서처럼 말이죠. 그리고 마지막 방벽인 격납용기도 우리나라의 경우 1m가 넘는 두께를 가집니다. 반면에 이 당시 일본의 원자로는 20cm의 두께의 격납용기였습니다.
두 번째로 일본과 같은 정전사고가 발생하기 어렵습니다. 제가 이 부분에 대해서는 추후에 따로 포스팅할 계획에 있지만 간략히 말씀드리면 모든 비상 발전 시스템은 예상 범람 위치보다 높은 위치에 설치가 되어있고 이 발전기가 작동하지 않을 때 사용하기 위해 터빈 구동형 발전기라던가 비상용 발전기가 하나에서 두개정도 추가로 설치가 되어있습니다. 그래서 완전전력상실사고는 사실상 불가능합니다.

그리고 이 후쿠시마 발전은 문제점이 있었던 게 국제 원자력 기구인 IAEA에서도 감찰시 이 비상용 발전기가 지하에 있는 것은 사고 시 침수가 된다면 정전을 유발할 수 있으니 높은 위치로 옮기라는 권고가 있었다고 합니다. 하지만 후쿠시마 원자력 발전소는 그렇게 하기 전에 사고가 발생한 것인지는 모르지만 이를 시행하지 않았습니다. 그리고 제방의 높이 또한 마찬가집니다. 제방의 높이가 충분하지 않았기에 쓰나미를 막지 못했습니다.
반면에 진앙지와 더 가까웠던 발전소가 하나 더 있었습니다. 바로 오나가와 원자력 발전소인데 이 발전소는 지대가 높아 쓰나미가 들어오지 못했고 안전하게 정지한 상태로 대기하고 있었습니다. 이 발전소는 그래서 피해가 없었습니다. 오히려 주변 주민들은 높은 지대임을 인지하고 이 발전소 근처로 피했다고 합니다.
결론적으로 말씀드리면 원자력 발전소에서 사고가 난 가장 큰 이유는 발전소의 비상 발전기가 제대로 작동하지 못한점이었고 이는 사실 PWR, BWR을 떠나서 지하에 설치한 잘못이 컸습니다. 굳이 PWR이 아니라 BWR이었어도 전력상실만 안당했다면 큰 사고로 번지지는 않았을지도 모릅니다. 그리고 이 사고에서는 후처리에서도 많은 문제가 있었습니다. 정부의 많은 불신을 일으켰고 주민들은 제대로 된 상황 설명을 들을 수 없었습니다.
이는 원자력에 대한 불신과 공포를 키우는 원인이었습니다. 투명하게 방사능 누출양을 알려주고 오염된 정도를 실시간으로 모니터링을 해주고 자연방사능과 비교 및 한계 방사능을 알려주었다면 좋았을 거라고 생각합니다. 만약 우리나라도 비슷한 상황에 있다면 꼭 이런 정부의 대처가 필요하다고 생각합니다.

오늘까지 해서 큰 사고들을 다루었습니다. 어떠하신가요? 원자력 발전소는 위험하다는 생각이 드시나요. 저 또한 위험하다는 생각이 드는군요. 하지만 이러한 생각도 듭니다. 제가 이때까지 설명한 모든 사고들은 모두 인간에 의한 사고입니다. 사람의 실수 잘못 오판에 의한 결과들이었습니다. 그렇기에 더더욱 믿지 못합니다.

하지만 현재 사용하는 우리나라의 PWR은 사람과 별개로 수많은 기계들이 각자의 역할을 맡아 다양한 방향에서 원자로를 안정시키기 위해 여러 설비들을 사용됩니다. 

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이번에는 평상시에 원자력에 관심이 없다면 잘 모를 수도 있는 대형사고를 소개하려고 합니다. 이 사고는 어떻게 보면 최초의 대형사고이자 피해가 거의 없는 사고이기도 합니다. 또한 체르노빌보다 먼저 발생한 사고입니다. 그리고 왜 PWR이 안전한 설비라고 하는지 알 수 있는 사고이기도 합니다. 그럼 왜 어떻게 사고가 발생했고 어떠한 결과가 나왔는지 한번 알아보도록 하겠습니다.

사용 노형

현재 우리나라가 사용하고 있는 가압 경수로와 동일하게 PWR 타입의 노형을 사용하였고 이 스리마일 섬이라는 지역은 미국 펜실베이니아 주의 해리스버그시에서 떨어진 서스쿼해나 강 가운데 있는 섬입니다. 이 PWR이라는 노형은 미국이 개발한 노형이고 우리나라가 미국으로부터 배워온 모델입니다.
어쨌든, 저번 시간에 설명한 거처럼 PWR은 원자로와 원자로 냉각수 계통이 격리된 안전망이 하나 더 있다고 말씀드렸었습니다. 이 안전망의 존재로 PWR은 원자로 건물 밖으로 사고가 확대가 되지 않습니다. 그럼 어떻게 사고가 발생했고 막았는지 알아보겠습니다.

(가압기)

사건 경과

1979년도에 상업운전 중이던 TMI-2(스리마일 섬 원자력 발전소 2호기)에 문제가 발생합니다.
(우선 원자로와 냉각수계통은 1차 계통 그리고 이 계통으로부터 열을 빼앗아 터빈을 돌리는 주증기 계통을 2차계통이라 하겠습니다. )
2차 계통에서 복수의 탈염기장치에서 막힘 현상이 발생합니다. 여러 필터가 장착되어 있다 보니 이런 막힘 현상은 간혹가다 발생하기도 합니다. 이를 확인한 운전원은 압축공기를 주입해 물을 강제로 주입하였습니다.
이때 배관에는 역지밸브라는게 있는데 보통 비상시의 우회 배관에 설치되며 물이 거꾸로 흐르는것을 방지하는 밸브입니다. 그런데 이때 이 압축공기의 힘으로 개방이 되었고 계측공기배관으로 물이 밀려들어갔습니다. 이러한 원인으로 급수승압펌프와 주급수펌프 모두가 정지하게 됩니다.
주급수가 돌지않자 1차계통의 증기발생기에서 열을 원활하게 빼앗지 못합니다. 그래서 보조급수계통이 자동으로 작동이 되야합니다. 하지만 이 TMI-2호기는 보수점검을 위해 밸브를 잠가두어 이 보조급수계통이 작동을 하지 못하게 됩니다. 이는 정말 있을 수 없는 일이고 현대에 와서는 운전중에는 절대로 정지하지 못하도록 규정하고 있습니다. 하지만 이때는 어떻게 되었을까요? 다행스럽게도 이 보조급수계통이 작동하지 않을 경우를 대비해 1차계통의 압력을 조정하는 가압기에서는 상부에 가압기 방출밸브라는 것이 존재하여 압력이 컨트롤되지 않으면 자동으로 방출밸브가 열려서 원자로배수탱크(RDT)에 방출하는 장치입니다. 다행히도 이 장치는 작동을 하게 됩니다.
그런데 이 방출밸브는 압력이 어느정도 떨어지면 닫히게 됩니다. 하지만 실제로 닫히는데 이게 덜 닫히게 됩니다. 그래서 밸브를 통해 원자로의 냉각수가 지속적으로 빠지게 됩니다. 이러한 사고를 LOCA(냉각수 상실 사고)라고 하는데 정말 큰 사고입니다. 앞서 설명한 체르노빌사고와는 다른 유형의 사고지요.
이때의 사고에 가장 큰 문제는 운전원이 이 방출밸브가 열린 것을 수동으로 다시 닫았다면 사고는 커지지 않았을 겁니다. 하지만 닫지 않았습니다. 왜일까요?
몰랐습니다… 왜냐하면 밸브는 닫히기는 했지만 불완전하게 닫힌 거였고 운전원의 계기판에는 닫힘으로 표시가 되니 운전원은 알 길이 없었던 것이지요. 그래서 LOCA시 안전을 위해 작동하는 안전주입계통이 있습니다. 이것이 정상작동하면 밸브의 고장을 찾을때까지 시간을 벌어주었을지도 모릅니다. 하지만 운전원은 냉각수가 부족해서 압력이 떨어진다고는 생각을 못 해서 이 안전주입계통을 수동으로 정지시켜 버립니다.
핵연료봉의 온도는 점점 상승합니다. 냉각수가 부족했기 때문이죠. 그래서 녹아내리기 시작합니다. 운전원들은 당황합니다. 하지만 이 밸브에 대해서 꿈에도 몰랐죠. 사고 발생 16시간이나 지나서 원인을 찾고 냉각펌프로 온도를 낮추기 시작했지만 이미 핵연료봉은 손상되버렸습니다. 그리고 건물로 누출되었습니다.

사건 결과

이 사고는 여러 PWR의 공학적 안전설비들이 정상작동했다면 용융은 막았을지도 모를 사건이지만 운전원들은 사고 파악을 잘 못해 일을 키웠죠. 이때 원자로 건물 내부는 평상시의 1000배가량 방사능 수치가 올라갔습니다. 하지만 원자로 격납건물의 존재로 환경으로의 누출은 경미했습니다. 누출이 안 된 것은 아니지만 치명적인 양은 아니었습니다.

실제 주변 주민들이 받은 피폭선량은 X선 가슴 촬영 2~3번 정도 받은 정도의 양이었습니다. 실제 체르노빌과 다르게 죽거나 한 사람은 없었습니다. 사람이 실수했지만, PWR의 다중 방호 설비들에 의해 사고 확대를 막은 것입니다. 만약 동일한 사고가 BWR 에서 발생했다면 후쿠시마와 같은 일이 이 스리마일에서 먼저 일어났을지도 모릅니다.

사건 이후에는 우선 이 사고 난 호기 자체가 격납을 하고 있기 때문에 이 호기를 대상으로 10년정도 제염을 실시하였습니다. 그리고 주변에 있던 1호기는 가동을 중단했습니다. 하지만 외부로 누출이 거의 없었기에 사람들은 지나다닐 수 있었습니다. 사고 직후 당시 지미 카터 대통령도 방문을 했었습니다.

그리고 사건 재발 방지를 위해 취약점들을 분석해서 안전설비를 증가시켰고 특히 기계와 인간의 연계성에 초점을 둔 설계가 추가가 되었습니다. 이때 추가된 안전설비들은 현재 우리나라 PWR에도 그대로 적용이 되어있습니다.
여담으로 제가 들은 원자로 시스템을 수업해주신 교수님께서는 20년넘게 원자력발전소를 설계하셨는데 처음 배우고 설계할때는 간단하였는데 지금은 워낙 안전설비가 많이 추가되어 복잡하다고 합니다. 그러니 그만큼 안전설비가 많아졌다는 증거겠죠?

이 사고는 전세계에서 가장 먼저 발생한 원자력발전소 사고인 만큼 사람들에게 최악의 사고라는 소리를 들었던 사고입니다. 하지만 몇 년이 지나 정말 끔찍한 체르노빌 사고가 발생하는 바람에 묻혀 버렸지만요. 이 두 사건은 자연재해로 발생한 사고는 아닙니다. 단순 운전원의 실수와 기계 오작동 등이 원인입니다. 하지만 앞선 두 사건과 다르게 사고 발생의 트리거 역할을 자연재해가 했는 사고가 있습니다. 바로 후쿠시마 원자력 발전소 사고입니다. 특히, 우리나라에서는 더 크게 다가왔죠. 가까운 나라였으니 말이죠. 

"해당포스팅에 사용한 이미지는 구글이미지임을 알립니다."

현재 우리나라는 점진적으로 탈원전을 향해 나아가고 있습니다. 그의 배경이 된 사건은 후쿠시마 원전 사고이구요. 그리고 그 전에는 큰 사고들이 있었습니다. 오늘부터 각각의 사고들에 대해 소개해볼까 합니다.
가장 유명하고 사람들에게 방사능의 무서움을 안겨준 사고는 뭔지 아시지요?

바로 체르노빌입니다. 체르노빌부터 알아보죠.

체르노빌 원자력 발전소 사고

1986년 당시 체르노빌에 4기의 원자로가 운영 중이었습니다.
이 원자로는 RBMK라는 원자로였습니다.
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로라고 합니다. 여러분이 알만한 원자로와는 좀 많이 다릅니다. 저번시간에 설명한 PWR이나 BWR같은 경우는 감속재이자 냉각재이자 보일러를 가열하는 열원이 물이었습니다.

그런데 이 RBMK는 냉각재로는 물(경수)을 사용하지만 감속재로는 흑연을 사용하는 방식입니다. 제가 원자로의 기본 원리에 대해서는 아직 설명하지 않았기 때문에 감속재에 대해서 간단히만 말씀드리면 원자로의 출력을 제어하는 방법은 중성자를 제어하는 방법으로 정해집니다.
핵분열이라는 붕괴를 일으키려면 중성자가 필요한데요. 이 중성자가 빠르면 사용하기가 힘듭니다. 그래서 비교적 낮은 에너지 영역대의 중성자가 필요한데 이를 위해서 감속을 시켜주는 물질이 필요합니다. 이것이 감속재입니다.
어쨌든, 감속재와 냉각재를 따로 쓴 것에서도 볼 수 있듯이 원자로 자체가 비교적 복잡하다고 합니다. 그리고 다른 원자로에 비해서 안전성이 턱없이 부족합니다.
왜냐하면 사고 발생 시에 방사성 물질의 누출을 막아줄 격납시설이 BWR, PWR 원자로에 비해서는 없다고 봐도 무방할 정도의 격납 시설을 갖추었으며 중성자의 출력을 줄일 수 있는 제어봉을 삽입하는데 비교적 오랜 시간이 걸리게 됩니다.

이러한 원자로를 사용한 당시 소련은 체르노빌 원자력 발전소에서 한가지 실험을 진행중이었습니다. 이 실험은 원자로 운전의 효율을 증진시키기 위한 실험으로 생각이 되어지는데요.
원자로를 정지시키면 전기가 더 이상 발생되지않기 때문에 정지시키는데 필요한 설비들을 돌릴 전기를 비상 발전기를 사용해 가동을 하게 됩니다.
이때 당시 사용하던 비상용 디젤 발전기가 가동하는데 까지 1분 정도의 소요시간이 필요했고 체르노빌의 연구진들은 정지를 하게 된다면 즉시 냉각펌프가 정상적으로 작동하는지 확인을 하고자 했습니다. 그래서 주 전원을 끊게 되면 즉, 터빈이 받아오는 증기를 끊었을 때 원래돌던 관성 힘으로 얼마나 냉각펌프에 전기를 공급할 수 있는지 확인하고자 했습니다.
그러면 원자로를 정지시키고 하면 되지 않을까 하겠지만 정지할정도까지 기다렸다가 하면 정지하는데 까지 진행되면서 터빈 출력도 같이 줄어들어 주전원을 끊었을 때 데이터로 사용할만한 결과값을 얻지 못했다고 합니다. 그래서 출력을 기존의 20~30% 정도만 낮추고 이 실험을 진행했다고 합니다.
이때 원자로의 출력을 유지시키기 위해서 원자로 비상노심 냉각 장치를 정지시키는 짓을 하게 됩니다. 하지만 여기까지는 괜찮았습니다. 하지만 시작이었죠. 출력이 어느정도 낮아지면서 원자로에 제논이라는 것이 많이 싸이게 되는데 중성자를 정말 잘 잡아 먹습니다. 이 제논은 발전에 있어서는 독물질로 일정시간동안 원자로가 가동이 안 되게 만드는 원인입니다. 이 물질이 조금씩 싸이기 시작하였습니다. 그리고 운전원의 조작실수까지 더해져 출력이 급감하는 사고가 발생합니다.

만약 여기서 정지를 시켰다면? 사고는 발생하지 않았을 겁니다.

하지만 발전소 측은 정상출력을 다시 찾기 위해서 제어봉을 인출하기 시작합니다.
이 제어봉이 적절히 있어야 원자로의 폭발적인 출력을 막을 수 있습니다.
그런데 최소 허용량보다 더 많이 뽑아 버립니다.
그래서 실험할 정도의 정상출력을 되찾습니다.
그리고 비상용 냉각펌프까지 작동을 하고 터빈에 들어가는 증기를 차단하는 실험을 시작합니다.
터빈의 관성력으로 발생한 전기로 돌아가던 펌프는 터빈의 출력이 줄어들면서 펌프의 펌핑질이 약해집니다.
냉각계통에 공급되는 냉각수가 감소합니다.
냉각수 공급양이 줄어들자 원자로내부온도가 더 올라가게 됩니다.
원자로 내부의 냉각수는 증기가 되어 버렸습니다.

잠깐 여기서 지금 다른 원자로들과 다르게 RBMK는 안전성이 더 안 좋다는 말씀을 드렸다는 점을 상기하시기 바랍니다. 일반의 원자로들은 온도가 상승하거나 하는 외적 요인이 작용하면 안전한 방향으로 출력이 줄어들도록 설계가 됩니다.
하지만!!!!!! RBMK는 이러한 설계가 아니라 위험한 외적요인으로 더 큰 출력이 발생하는 설계적 결함이 존재했습니다.
이를 양의 보이드 계수를 가진다 합니다.

어쨌든 이러한 이유로 원자로의 출력은 급증합니다. 핵분열이 폭발적으로 증가했기 때문이죠.
기술자들은 급하게 제어봉을 삽입하기 시작합니다.
하지만 고체 감속재인 흑연을 사용해서 감속재가 주변 흑연들과의 마찰?에 의해 삽입속도가 순식간에 일어나지 못합니다.
또한 여러가지 복잡한 원인들이 더해져 정상 출력이 100배 이상 증가해버립니다.
원자로는 더 이상 이 핵연료 물질을 가둬두지 못합니다.
결국 폭발해 버립니다.
이 폭발 당시에 냉각수 펌프 기술자는 즉사를 했고 몇몇 운전원들과 물리학자도 과피폭을 당해 사망합니다. 그리고 화재를 진압하러온 소방관들도 많은 사람이 피폭을 당했고 그중 28명이 사망에 이릅니다. 이때 공기중으로 방사능물질 700톤이 누출이 됩니다.

그리고 원자로 주변 마을은 평상시 6배의 방사능이 검출이 되어 소개령이 떨어져서 피난을 가게 되고 유령도시가 되었죠.
여기서 하나 이야기할 부분이 평상시 6배라는 항목입니다. 제가 방사선에 관한 글을 포스팅하면서 항상 말해왔지만 평상시라는 양은 극히 낮은 선량을 말합니다. 그리고 그 6배또한 높은양은 아닙니다. 방사선 작업종사자와 일반인의 연간 선량한도는 년간 최대 50배 5년간 평균 20배의 값으로 제한합니다. 그럼 50배 맞는 것이 법적으로 허용된 종사자는 무조건 죽거나 아프겠죠. 하지만 그 정도의 고선량 피폭을 대규모로 많이 당한 사례는 현재 제가 알기로는 히로시마, 나가사키 원폭 피해자 분들뿐입니다. 그래서 드리고 싶은 말씀은 안전하다고는 할 수 없지만 생각이 생각보다 과장되었다는 점을 말씀드립니다.
중간에 사건 발생 경위는 원자력을 공부하지 않았으면 잘 이해가 되지 않으실수는 있습니다.
하지만 하나는 이해가 가시는지요? 이 사건은 정확히 인재입니다. 사람의 실수로 시작이 된 사고고 뼈저리게 느끼고 반성하고 각성해야 하는 계기를 준 사건입니다. 현재 해당 사고가 발생한 원자로는 전 세계 어디에서도 더 이상 설계되고 있지 않으며 러시아를 제외한 모든 국가에서는 가동을 중단, 폐로를 한 상태로 알고 있습니다. 그리고 러시아는 사고 발생 직후 추가 안전장비를 설치하여 가동 중이던 똑같던 원자로를 가동 중에 있습니다.

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"해당포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 글입니다."