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.

"해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글이미지임을 알립니다."

"해당포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 글입니다."