탈핵신문은 후쿠시마 핵발전소 사고 10주기를 맞아 후쿠시마 제1핵발전소 상황과 주민들의 삶을 전합니다. 사고 10년째 상황은 고토 마사시 전 도시바 원전 설계사에게 청탁했습니다. 고토 마사시(1949년생) 공학박사는 일본 비등수형 핵발전소(후쿠시마 제1핵발전소 원자로)의 격납용기 설계를 담당했으며, 현재 원자력시민위원회 위원으로 활동하고 있습니다. 후쿠시마 사고 전까지는 가명으로 핵발전의 위험성을 알리는 활동을 해 왔지만 사고를 계기로 본명으로 핵발전소의 문제점에 대해 호소하고 있습니다. 그는 한국에서도 5~6회 강연을 한 적이 있습니다. - 편집자 주 -
탈핵신문 후쿠시마 사고 10주기 기획 (1)
∥ 후쿠시마 제1핵발전소 사고 10년째 현장 상황
2011년보다 2배로 추정되는 고농도 오염 확인
- 글쓴이: 고토 마사시 전 도시바 원전 설계사
그날의 악몽으로부터 10년이 지났다. 대형 사고를 일으킨 후쿠시마 제1핵발전소 현황과 ‘폐로’를 향한 작업과 그 과제를 보고한다.
1. 후쿠시마 핵발전소 사고 되돌아보기
2011년 3월 11일 후쿠시마 제1핵발전소 사고 직후의 현장 모습이다. 옆으로 기다란 건물 뒤에 원자로 건물이 나란히 서 있다. 1호기, 3호기, 4호기의 원자로 건물이 수소 폭발로 파괴되었다. 2호기 벽에 뚫린 사각형 구멍은 ‘브로우 아웃 판넬’(파열판식 안전장치)이라고 한다. 사고 시에 압력을 밖으로 꺼내기 위해 설치되어 있었지만, 사고 당시 판이 우연히 날아가 폭발을 면할 수 있었다.
지진과 쓰나미가 핵발전소 덮쳐
운전 중이던 1~3호기 모두 멜트다운
3월 11일 14시 46분, 일본 동북 지역을 습격한 매그니튜드 9의 대지진으로 후쿠시마 제1핵발전소는 외부 전원을 모두 상실했다. 자동으로 제어봉이 삽입되어 핵반응은 멈추었다. 지진 발생 약 50분 후, 높이 15m를 넘는 쓰나미가 핵발전소 부지를 습격했다. 터빈 건물 내에 있는 배전반(配電盤)과 디젤 발전 설비가 물에 잠겨 모든 전원을 상실했다.
원자로는 핵반응을 멈춰도 대량의 열(붕괴열)을 내기 때문에 냉각하지 않으면 주변 금속을 모두 녹인다. 전기가 돌아오지 않아서 중앙 제어실은 깜깜했다. 원자로 상황을 파악하는 데 필요한 수위와 압력을 표시하는 기기와 방사선 계측기도 표시되지 않았다. 직류 전원(전지)이 없어 밸브 조작도 못 했고 냉각용 펌프 또한 작동하지 않았다. 1호기에는 전원이 없어도 밸브를 하나 열면 자동으로 원자로를 냉각할 수 있는 비상용 복수기(IC:아이소레이션 콘덴서)가 두 대 설치되어 있었지만, 결과적으로 거의 작동하지 않았다. 결국, 11일 저녁부터 밤에 걸쳐 노심용융이 시작되었다.
격납용기 압력도 설계압력의 약 1.5배 이상으로 올라갔다. 11일 밤에 격납용기 ‘벤트’를 준비하도록 지시가 내려졌지만, 어둠과 함께 높은 방사능으로 작업은 난항을 겪었다. ‘벤트’는 격납용기가 파괴되지 않도록 격납용기 내 수증기와 가스를 방출해서 압력을 내리는 작업인데 방사성 물질이 밖으로 나온다. 결국, 격납용기 벤트가 이루어진 것은 12일 오후 14시 30분쯤이었다. 그 1시간 후 원자로 건물 내에서 수소 폭발이 일어났다. 2호기와 3호기는 노심냉각 장치가 일시적으로 작동했지만, 12일부터 15일에 걸쳐 3호기, 2호기 순으로 냉각 장치가 멈춰 노심이 용융했다.
핵연료 온도가 높아져 수소 발생 이후 폭발
핵연료봉의 피복관은 지르코늄이라고 하는 금속으로 구성되어 있다. 연료 냉각에 실패하고 온도가 높아지면, 지르코늄은 수증기와 반응해 대량의 수소를 발생시키고 폭발 위험성을 높인다. 원자로 격납용기에는 미리 질소가 봉입되어 있어 수소가 발생해도 연소·폭발하지 않게 되어 있다. 그런데 이미 노심 용융이 일어나 격납용기 내 온도가 상당히 높아진 상황에서는, 격납용기 상부 프랜지와 기기 장비출입구 등 수지(樹脂)로 된 부분에서 수소가 누설되었을 가능성이 크다. 노심에서 나온 수소가 온도가 높아진 격납용기 관통부에서 대량으로 누설된 것으로 추정된다. 1호기에 이어 3호기에서 14일 오전 11시쯤 대규모 수소 폭발이 일어나 건물을 파괴했다.폭발이 격납용기 밖에서 일어났기 때문에 격납용기는 파괴되지 않았다.그 후 15일에 일어난 4호기(정지 중) 원자로 건물 폭발은 3호기와 연결되어 있던 배관에서 수소가 4호기 건물에 역류한 것으로 추정된다. 한편, 2호기가 폭발하지 않았던 이유는 1호기 수소 폭발로 우연히 원자로 건물 상부에 설치되어 있던 ‘브로우 아웃 판넬’ 이 날아가 수소가 건물 외부로 빠졌기 때문으로 추정된다.
2. 핵연료 데브리를 밖으로 꺼내는 것은 불가능에 가까운 일
그림2] 1호기 연료 데브리. 괜찮은 상태를 유지하고 있는 것처럼 보이는 실드플러그. 극히 고선량으로 오염되어 있다. (출처: 도쿄전력 홈페이지)
사고가 난 1호기부터 3호기에서는 녹아내린 핵연료 일부가 원자로 압력용기 안에서 덩어리가 되어 그 대부분은 원자로 하부에서 격납용기 바닥에 떨어져 번지고 있다. [그림2]는 추측되는 격납용기 내부 상태를 보여주는 것이다. 원자로 내에 남아 있는 연료 데브리와 격납용기 바닥 콘크리트를 녹여 침식한 연료 데브리의 상태는 여전히 파악하지 못했다. 데브리 위치와 중량은 호기마다 다르며, 원자로 압력용기 바닥에 남은 중량은 1호기 15톤, 2호기 42톤, 3호기 21톤이다. 대부분은 페디스틀(압력용기 설치대）하부 격납용기 콘크리트 바닥에 떨어져 있다.
핵연료 데브리 인출은 왜 어려운가
[그림3]처럼 원자로 압력용기 내에는 다양한 금속 구조물이 있다. 핵연료는 연료집합체로 구성되어 있다. 연료가 녹아내려 발열을 계속해 2000~3000℃ 가까이 오르면, 주변 구조물을 녹인다. 대부분 금속은 1800℃ 이상이 되면 녹기 시작한다. 함께 녹은 주변 구조물들이 융합해 원자로 하부를 관통해 격납용기 바닥으로 떨어졌다. 결국, 바닥 콘크리트도 녹인 상태다. 핵연료 중량은 1기당 약 100톤이지만 함께 녹아내린 주변 구조물과 바닥 콘크리트가 합해지면 무게는 약 2~3배가 된다. 녹아내린 데브리 총 중량은 1호기가 279톤, 2호기가 237톤, 3호기가 364톤으로 추정된다. [그림4]는 2호기 데브리 사진이다. 여전히 일부 상태만 파악되었을 뿐, 데브리의 전체 모습은 알 수 없다.
용융된 데브리는 상당히 딱딱하고 콘크리트에 깊이 박혀 있다. 회수는 상당히 어려운 작업이다. 데브리는 극히 높은 방사선을 내뿜기 때문에 사람이 접근할 수 없어 전용 로봇을 개발했다. 데브리 상태를 조사해 그 데이터를 근거로 인출 계획을 모색하고 있지만 아주 섬세한 작업이 요구된다. 한기 당 약 300톤 정도 되는 딱딱한 데브리를 잘라내고, 격납용기에 뚫은 구멍에서 꺼내야 한다. 그러기 위해서는 대형기기가 필요하고 실제로 밖으로 꺼내려면 몇 년 걸릴지 전혀 목표를 잡지 못 할 상황이다. 그 과정에서 작업에 종사하는 노동자들의 피폭은 피할 수 없다. 데브리를 잘라내는 작업에서 극히 고농도의 미세 분진이 비상하는 위험성 또한 피할 수 없다. 만약에 데브리를 밖으로 꺼낼 수 있더라도 어떻게 보관할지 방법조차 정해지지 않았다. 2021년도에는 원래 2호기 데브리 인출이 계획되어 있었지만, 계획 지연이 발표되었다. 중요한 것은 할 수 있다는 전망이 보이지 않는 데브리 인출 작업을 포기하고 장기적인 폐로 계획을 다시 세우는 것이다.
핵연료 데브리 인출 대신 공냉화를
앞에서 언급한 것처럼 연료 데브리를 밖으로 꺼내는 것은 위험하고 어려운 작업이다. 연료 데브리 인출을 포기한다면 현재 냉각을 위해 주입하고 있는 물 대신 공기로 냉각하는 것이 가능해진다. 시민 싱크탱크 ‘원자력시민위원회’는 자연대류(自然対流)와 자연통풍(自然通風)을 기본으로 하는 공냉화 기술 ‘수동형 공냉 시스템’을 제시하고 있다. 이와 동시에 지하수 유입을 완전히 막는다면 추가적인 오염수 발생을 막을 수 있다. 이러한 방법이 실제로 더욱 검토되어야 한다.
도쿄전력이 제시하는 ‘후쿠시마 제1핵발전소 폐로를 위한 중장기 로드맵’ 에 따르면, 폐로 완료 시기를 2041~51년으로 잡았다. 그러나 최대 과제인 데브리 인출이 어려운 관례로 실현은 거의 불가능할 것으로 보인다.
수조에서 사용후핵연료 인출
아래 표는사고 당시 수조에 보관되어 있던 연료집합체 수와 현재 수조에 남아 있는 연료집합체 수를 나타내는 것이다.는 다음과 같다. 3호기와 4호기에 있는 각각 566체와 1535체는 모두 반출해 공용 수조로 옮겼다. 1호기 392체, 2호기 615체는 사고 당시와 같이 그대로 남아 있다.
[표1] 후쿠시마 제1핵발전소 사용후핵연료 집합체
계획으로는 사용후핵연료를 수조 밖으로 꺼내는 작업은 1호기는 2027년~28년, 2호기는 2024년~26년에 시작할 예정이었다. 5,6호기는 1~3호기 폐로 작업에 영향을 주지 않는 범위에서 반출 작업을 시작할 예정이다. 여기서 말하는 연료집합체 수는 사용후핵연료와 미사용 핵연료를 합산한 것이다.
사용후핵연료 수조는 원자로 건물 상부에 있다. 건물이 손상되었기 때문에 지진 등 추가적인 위험 발생을 고려할 때 될수록 빨리 밖으로 꺼내고 다른 건물에 있는 공용 수조로 옮기는 것이 바람직하다. 반출한 사용후핵연료는 공용 수조에서 보관한 후 ‘캐스크 임시 보관시설’ 에 옮겨 보관할 예정이다.
사용후핵연료 수조에서 연료를 꺼내기 위해서는 사고로 손상하고 방사성 물질로 오염된 주변 폐기물을 먼저 철거해야 한다. 현재 원자로 건물에 분진 비상 방지를 위한 돔형 지붕을 제작 중이다. 1호기의 돔형 지붕의 사례는 다음과 같다. 호기마다 파괴 정도가 다르므로 지붕 모습은 호기마다 각각 다르다.
[ 그림 5] 1 호기의 돔형 건물
사용후핵연료 수조에서 연료를 꺼내기 위해서는 사고로 손상하고 방사성 물질로 오염된 주변 폐기물을 먼저 철거해야 한다. 현재 원자로 건물에 분진 비상 방지를 위한 돔형 지붕을 제작 중이다. 1호기의 돔형 지붕은 [그림5]와 같으며, 호기마다 파괴 정도가 달라 지붕 모습은 호기마다 다르다.
3. 오염수 해양방출을 막아야 한다
도쿄전력은 사고 직후를 포함해 몇 차례 오염수 해양방출을 강행했다. 사고 직후부터 지하수 유입과 오염수 해양방출은 큰 문제로 여겨졌고, 다양한 대책이 진행되어왔다. 특히 지하수 유입을 막기 위해 건물 주변에 동토벽을 만들었다. 2016년 3월부터 동결이 시작해 지하수 유입량은 줄었지만, 완전히 멈추지는 않았다. 연료 데브리를 냉각하기 위해 투입된 물은 건물에 생긴 균열에서 유입되는 지하수와 함께 고농도 오염수가 된다. 그 양은 현재 하루 평균 180톤이다. 오염수는 세슘과 스트론튬 등 방사성 물질을 제거하는 처리를 거친 후 탱크에 보관된다.
‘다핵종 제거장치’(ALPS라고 함, 62종 방사성 물질을 제거할 수 있다)로 처리된 물은 이론상 삼중수소만 남게 된다는 뜻에서 ‘삼중수소 오염수’라고 불린다. 그런데 2019년 공개 토론회에서 ‘삼중수소 오염수’ 안에 삼중수소 외 방사성 물질이 대량으로 남아 있는 사실이 밝혀졌다. 도쿄전력은 급히 해명하고 이후 재처리를 약속했다. 하지만, 재처리해도 삼중수소 외 방사성 물질을 확실하게 제거할 수 있을지는 불투명하다. 현재 약 125만 m3에 달하는 ‘삼중수소 오염수’가 탱크 내에 보관되어 있다.
오염수저장탱크 （약 1061기、약125 만톤 보관 )
도쿄전력은 “2021년에는 탱크를 두는 공간을 더 확보할 수 없으므로 ‘삼중수소 오염수’를 해수로 희석해서 해양으로 방출하겠다”라고 시사해 왔다. 일본 정부와 원자력 규제위원회는 어업관계자와 주민, 전국 시민들의 반대 목소리를 무시하고 도쿄전력과 함께 오염수 해양방출 계획을 묵인하고 있다.
삼중수소는 특히 물과 분리할 수 없으므로 생태계에 어떤 영향을 줄지 그 안전성을 확인할 수 없다. 전력회사는 삼중수소는 통상 가동하고 있는 전 세계 핵발전소에서 상시로 해양으로 방출되고 있으므로 안전하다고 주장하고 있다. 그런데 삼중수소 농도에 관한 기준은 나라마다 각양각색이다. 예를 들어 일본은 6만 Bq/L, 세계보건기구는 1만Bq/L, 캐나다는 7천Bq/L, 유럽연합은 100Bq/L, 캐나다 온타리주 음료수 권장 기준은 20Bq/L이다.무엇보다 기준 농도 이상의 삼중수소를 물로 희석해서 바다로 버리는 행위를 전세계 핵발전소가 실시하고 있는 것 자체가 큰 잘못이다. 후쿠시마 핵발전소 사고로 더욱 많은 삼중수소가 바다에 방출되었다. 참고로 해양방출은 일본 정부와 도쿄전력이 검토한 ‘오염수 처리 5개 안’ 중 비용적으로 제일 저렴한 처리 방법이다.
오염수를 해양방출할 필요는 없다
◆모르타르 고체화
오염수 해양 방출과 관련해 일본 싱크탱크 '원자력시민위원회'는 2개의 대안을 제시하고 있다. 하나는 ‘모르타르 고체화’ 이다. 오염수로 모르타르를 만들면, 고체화된 모르타르 안에 삼중수소를 차폐할 수 있어 바다와 지하수 유입을 막을 수 있다. 액체인 삼중수소를 고체화해 환경 중에 유출하는 것을 막을 수 있다는 것이다. 액체로 보관할 때보다 용적은 약 4배로 늘어나지만, 한번 고체화되면 거의 영구적으로 방치할 수 있다. 삼중수소의 반감기는 12.3년이다. 장기 보관하면 방사능 감쇠가 기대된다. 이 방식은 미국 사바나 강 핵시설에서 저준위 폐액을 관리하는데 실제 활용되고 있다. 일본에서도 저준위 방사성폐기물 처분에 모르타르를 활용하고 있어서 특히 어려운 기술이 아니다.
미국 사반나 리버 핵시설의 저준위폐액 모르타르 고체화 시설“Salt Disposal Unit (SDU) 6” 2018년 10월에 완성한 대형 콘크리트 탱그 모습. (용량：124,000m3)
◆대형 탱크에서 장기 보관
또 하나의 방법은 1기당 10만㎥급 대형 탱크를 만들어, 현재 사용하고 있는 1000㎥급 탱크에서 조금씩 옮겨가는 방식이다. 현재 공간을 유효하게 활용할 수 있다. 장기 보관으로 인한 방사능 감쇠를 기대할 수 있다. 석유비축에서 많은 실적이 있어 기술적 신뢰성도 높다. 단위 면적 당 저수량을 높일 수 있다. 만일 누설했을 때를 대비해 원유탱크와 마찬가지고 탱크 주변에 탱크 1기분의 오염수를 받을 수 있는 보를 설치한다.
대형 탱크의 경우 반감기 12.3년을 고려해 충분히 방사능이 감쇠하고 나서 처분하게 되지만, 모르타르 고체화의 경우에는 꽉 채운 상태로 영구 보관할 수 있어 후자의 모르타르 고체화가 장기 보관으로 더 바람직하다.
기술적으로 충분히 실현 가능한 대안이 있음에도 불구하고, 어업관계자를 비롯하여 국내외 반대 목소리를 무시하고 해양방출을 강행할 필요는 없다. 국제여론도 일본이 후쿠시마 핵발전소 사고로 대량으로 발생한 오염수를 해양 방출하는 것에 대해 반대 목소리가 높다. 일본 정부가 방사성 물질 관리에 대해 문책 받을 만한 일이다. 해양 방출하면 해산물과 농산물의 해외 수출에 많은 영향을 줄 것이고, 현재 코로나19 상황으로 개최 여부가 불확실한 도쿄 올림픽에도 영향을 줄 것이다.
４. 최근 밝혀진 중요한 문제
2020년 12월 이후 후쿠시마 제1핵발전소에서는 큰 문제들이 부각되고 있다.
2011년보다 2배로 추정되는 고농도 오염 확인
일본 원자력규제위원회가 12월에 발표한 조사 보고에 따르면 격납용기 바로 위에 있는, 두께 약 60㎝의 철근 콘크리트판을 3장 겹쳐서 만든 차폐용 실드플러그 하부에 고농도 오염이 발견되었다. 2호기는 약 2~4경 베크렐, 3호기는 약 3경 베크렐이다. 이것은 사고 발생 당시에 방출된 방사선량의 약 2배로 추정되며, 사람이 1시간 동안 머무르면 사망할 수준이다. 원자력규제위원회 후케다 위원장은 “격납용기 바닥에 있는 데브리가 높은 곳에 있다고 가정할 수 있을 정도의 높은 선량이다. 폐로를 추진하는 데 있어 극히 큰 문제로 작용할 것으로 여겨진다”라고 말했다.
격납용기 상부 뚜껑 오염과 누설 경로
1호기는 실드플러그가 파괴되어 기울어졌다. 2,3호기와 비교하면 1/100 정도의 오염이라고 한다. 이 문제는 폐로 공정에 큰 영향을 주는 것과 동시에 사고 발생 원인을 여전히 해명하지 못하고 있는 것을 보여주고 있다. 압력용기 프랜지에서 고압의 증기와 가스가 격납용기 프랜지로 닿고, 격납용기 실리콘 고무 재질의 프랜지에서 고농도 가스가 새어 나와 실드플러그 사이를 지나갈 때 고농도 오염이 발생한 가능성이 의심된다. 이점만 보더라도 후쿠시마 핵발전소 사고가 어떻게 진행되었는지 재평가할 필요성이 보인다.
후쿠시마에서 진도 6강 지진 발생
올해 2월 13일 오후 11시 8분쯤, 후쿠시마현 앞바다에서 M7.3(지진 규모), 진도 6강(지진의 흔들림)의 지진이 발생했다. 동일본대지진의 여진으로 간주되며 장주기 지진동의 흔들림으로는 최대인 ‘계급4’ 였다. 도쿄전력은 지진 발생 직후 “후쿠시마 제1핵발전소 사고 현장에 특별한 문제는 확인되지 않는다”고 발표했다. 하지만 도쿄전력은 그 6일 후인 2월 19일 1호기와 3호기의 격납용기 내 수위가 낮아지고 있는 것이 확인되었다고 밝혔다. 원래 수위보다 1호기는 40~70cm, 3호기는 30cm 낮아진 것이며, 격납용기 일부가 손상되었거나 2011년에 발생한 대지진으로 파손된 부분이 벌어졌을 가능성이 있다.
한편 3호기에 설치되어 있었던 지진계측기가 지진 발생 당시 고장 난 채 방치되어 있었던 탓에 이번 지진에 대한 데이터를 측정할 수 없었다는 사실이 밝혀졌다. 지진계는 제일 중요한 계측 기기인 만큼, 이 사실은 도쿄전력의 지진에 대한 기본적인 자세를 엿볼 수 있다.
후쿠시마 사고는 끝나지 않았다
아직 비상사태 선언 발령된 상태
사고 발생부터 10년이 지나도 후쿠시마 핵발전소 사고로 인한 비상사태 선언은 그대로 발령된 상태다. 오염수 문제, 데브리 반출, 새로 발견된 고농도 오염의 원인 규명, 격납용기 누설 지점의 측정과 그 원인 규명 등은 제대로 진행되기는커녕 여전히 지연된 상태다. 폐로 작업의 지연과 미해명 문제 책임은 도쿄전력의 당사자 의식이 결여된 결과이지만, 동시에 서로 책임 떠넘기기를 하는 도쿄전력과 정부, 규제기관의 의존 관계 구조의 문제이기도 하다. 그리고 무엇보다 핵발전소 사고가 무한정의 피해와 반영구적으로 지속되는 방사능과의 싸움임에도, 후쿠시마 사고를 망각하는 것은 제일 큰 위협이다.
핵발전소 사고는 자연재해와 같은 다른 사고와는 질적으로 다르다는 것을 느끼지만, 최근에 일어난 진도 6강의 후쿠시마 지진에 대한 도쿄전력의 자세를 보면 후쿠시마 사고가 재현되지 않을지 우려스럽다.
경제산업성은 전력회사와 유착 관계를 유지하면서 이산화탄소 배출 문제를 손에 쥐고 무방하고 무의미한 핵발전 재가동을 모색하고 있다. 신규제기준이 핵발전소 사고로부터 우리를 지켜준다는 새로운 안전 신화를 믿어서는 안 된다.
