일본 핵기술 개발의 역사⑨ _ 후쿠시마 핵발전소 사고의 진행 과정

 

∥ 일본 핵기술 개발의 역사⑨

후쿠시마 핵발전소 사고의 진행 과정

 

 

 

2011년 3월 11일의 동일본대지진으로 촉발된 최악의 핵참사인 후쿠시마 핵발전소 사고가 어느덧 11주기를 맞이했다. 사고를 경험하고 있음에도 일본 정부는 핵발전소 재가동을 추진하고 있으며, 한국에서도 일부 대선 후보들이 탈핵을 부정하려는 듯하다. 우리는 후쿠시마를 망각하고 있는 것은 아닐까? 이번 호에서는 11년 전으로 돌아가 후쿠시마 핵발전소 사고 진행 과정을 되돌아보고자 한다. 사고의 진행 상황을 파악할 수 있는 사건 위주로 정리해 보았다.

 

 

동일본대지진이 후쿠시마 핵발전소에 미친 영향

 

 

2011년 3월 11일 오후 2시 46분, 일본 산리쿠 해안에서 규모 9.0의 지진이 발생했고, 그 여파로 최대 40m 높이의 쓰나미가 육지에 도달했다. 후쿠시마현에도 15m의 쓰나미가 도달했는데, 200km 떨어진 수도권에 전기를 공급하던 도쿄전력 후쿠시마 제1핵발전소(이하 후쿠시마 핵발전소)도 직접적인 영향을 받았다.

 

후쿠시마 핵발전소에는 6기의 비등수형 핵반응로가 존재하며, 사고 당시 1~3호기가 운전 중이었다. 특히 3호기는 사용후핵연료를 재처리하여 추출한 플루토늄을 우라늄과 섞어 가공한 MOX 연료로 전력을 생산하는 ‘플루서멀(pluthermal)’이 진행 중이었다.

 

지진이 발생하자 3기의 노심에는 자동으로 제어봉이 삽입되는 스크럼(긴급정지)이 진행되었다. 하지만 지진으로 인해 전봇대와 전선이 무너져 핵발전소의 외부전원이 상실되었고, 비상용디젤발전기를 통해 노심냉각이 진행되었다.

 

하지만 오후 3시 36분 최대 높이의 쓰나미가 도달했고, 핵발전소 내 주요 시설이 해수에 잠겨버렸다. 2분 만에 1~4호기의 모든 교류전원이 상실되었고, 냉각을 위한 주수(注水)나 핵반응로 감시 등 안전과 관련된 모든 제어가 불가능하게 되었다. 직원들이 있던 중앙제어실도 모든 불이 꺼지며 사고의 시작을 알렸다. 해수면 13m 높이 건물에 설치되어 있던 6호기의 공랭식 비상용발전기만이 기능을 유지해 5호기와 6호기는 냉각할 수 있었다. 하지만 나머지 4기는 아니었다. 비상용발전기 13대 중 10대를 지하에 설치한 탓에 해수에 잠긴 것이었는데, 허리케인에 대비해 지하에 설치하는 미국의 설계를 그대로 가져왔기 때문이었다.

 

 

연쇄적인 폭발과 노심 손상

 

 

핵연료봉이 수면 밖으로 노출될 경우 약 2시간 후부터 핵연료가 녹기 시작한다. 모든 냉각기능이 상실된 상태에서 핵연료가 녹고, 노심이 손상되는 것은 시간문제였다. 징후는 가장 오래된 1호기(1971년 가동)에서 먼저 나타났다. 냉각기능이 멈춘 상태에서 핵연료봉의 열로 인해 노심의 물은 증발하기 시작했고, 사고 발생 4시간 후부터 핵연료봉이 수면 위로 노출되었다. 급하게 배터리를 연결하여 측정한 1호기의 수위는 핵연료봉 상부보다 위에 있다고 나타났고, 직원들은 이것이 잘못된 수치임을 눈치채지 못했다. 자정이 가까워서야 격납용기 압력이 평상시의 6배나 상승했음을 확인했지만 이미 늦었다. 12일 새벽에는 방사성물질이 핵반응로 건물 밖까지 누출되고 있었다.

 

하지만 도쿄전력과 일본 정부는 모든 전원과 냉각기능을 상실하는 사고에 대응할 매뉴얼이 없었다. 그러한 사고가 발생하지 않을 것이라는 안전신화를 굳게 믿어왔기 때문이었다. 고민 끝에 도쿄전력은 격납용기 내부의 공기를 외부로 방출시키는 ‘벤트’ 실시를 결정했다. 압력을 낮춰야 주수할 수 있기 때문이었다. 벤트는 방사성물질을 절대 외부에 방출하지 않는다고 자만했던 안전신화를 스스로 깨는 것이었지만 다른 방도를 찾을 수 없었다. 벤트는 높은 방사능 수치 속에서 정전으로 인해 직접 수동 작업해야 했고, 벤트 자체를 일본뿐만 아니라 다른 나라에서도 시도한 사례가 없었기 때문에 좀처럼 진전이 없었다. 12일 오후 2시 30분경 도쿄전력은 1호기의 벤트가 겨우 성공한 것으로 판단하며 한숨 돌렸다.

 

하지만 3시 36분, 1호기에서는 수소폭발이 발생하고 말았다. 폭발 전까지 1호기에서는 수면 위로 노출된 핵연료봉 표면이 압력용기의 수증기와 반응하여 대량의 수소가 발생하고 있었다. 또한 고압을 견디지 못해 손상된 격납용기에서 수소가 빠져나와 핵반응로 건물 상부에 쌓였고, 폭발로 이어진 것이었다.

 

 

1호기 수소 폭발 직후 운전원들의 모습. 이들은 직접 사진을 찍자고 말한 후 촬영했다고 한다. (사진=도쿄전력)

 

 

폭발 후 1호기에 소방차를 사용한 주수 작업이 이루어졌다. 하지만 일본원자력학회가 2016년 발표한 바에 의하면 ‘주수 루트’를 변경한 3월 23일경까지 노심에 물이 거의 투입되지 않았다고 한다. 다른 배관을 통해 물이 빠져나갔다는 것이다.

 

1호기의 폭발로 인해 현장에 있던 케이블과 전원차, 소방차가 손상되어 2·3호기 사고 대응에도 차질이 생겼다. 현장의 방사선량도 매우 높아 작업을 진행하기 어려웠다. 3호기의 경우 직류전원설비가 1·2호기보다 높은 곳에 위치해 침수를 피했고, 고압 주수계를 가동할 수 있었다. 하지만 13일 한계에 다다른 고압 주수계가 정지하자 냉각시스템을 정지하고 저압 주수를 위한 작업을 시도했지만, 배터리가 부족하여 실패하였다. 후쿠시마 핵발전소에는 사고에 대비한 예비배터리조차 없었다. 시간이 흘러 노심 온도가 상승하였고, 소방차로 주수하였지만 1호기와 같이 물은 다른 배관으로 빠져나갔다. 3호기는 결국 14일 오전 11시 1분 폭발하고 말았다.

 

 

1호기(좌측)와 3호기(우측)의 폭발 당시 사진. 폭발 모습이 다르고, 사고 후 핵발전소로부터 30km 거리에서 플루토늄이 검출되었다. 때문에 일본의 핵발전소 설계 기술자 등은 3호기가 핵폭발이었다는 주장을 제기하고 있다. (사진=요미우리 뉴스 화면 캡쳐)

 

 

아수라장이 된 현장에 이제 2호기의 위기가 다가오고 있었다. 2호기는 침수 이후 핵반응로 격리 시 냉각계가 작동하여 3일간 냉각할 수 있었다. 하지만 배터리가 끊겨 14일 오후 1시 25분경에는 냉각기능이 정지되었다. 다른 냉각계통으로 주수하기 위해 전원차를 연결하여 전원확보를 시도했지만, 1호기의 폭발로 케이블이 손상되어 불가하게 되었다. 대신 소방차를 투입했으나 이 또한 3호기의 폭발로 손상되었다. 그러는 동안 2호기에서도 노심 손상이 진행되었고, 수소가 발생했다.

 

15일 오전 6시 10분경, 중앙제어실에 큰 소리와 충격이 발생했고, 직원은 2호기의 압력이 ‘0’이 되었음을 확인했다. 격납용기가 손상된 것이었다. 2호기에서는 대량의 방사성 기체가 외부로 방출되어 광범위한 지역을 오염시켰다. 2호기가 폭발하지 않은 것은 1호기의 폭발로 2호기 핵반응로 건물 상부 패널이 열렸기 때문이라고 추정된다.

 

그리고 2호기 격납용기 손상 겨우 4분 후, 정기점검 중이던 4호기에서 수소 폭발이 발생했다. 3호기와 4호기의 배기관이 연결되어 있었는데, 3호기 벤트 시 빠져나온 수소가 배기관을 통해 4호기에 유입된 것이 원인이었다.

 

모든 과정을 통해 도쿄전력은 인접 호기의 사고가 다른 호기의 대응을 늦어지게 하거나, 치명적인 영향을 주어 연쇄 사고로 이어진다는 것을 인정할 수밖에 없었다. 후쿠시마는 핵발전소 부지에 여러 기의 핵반응로가 밀집한 것이 다수 호기의 대형사고로 이어질 수 있음을 보여준 사례가 되었다.

 

 

사고 진행 과정에서 조명되지 않는 것

 

 

지금까지 사고의 진행 과정을 요약해 보았다. 하지만 여기에는 경험하지 않은 자는 담을 수 없는, 핵발전소에서 사고를 수습하던 도쿄전력과 협력회사 직원들의 절규가 있었다. 그들은 누적된 피로와 공포감 속에서 사고가 진행되고 폭발할 때마다 자신들의 죽음을 예감했다. 사고 대응을 총괄하던 요시다 마사오 소장은 2013년 식도암으로 세상을 떠났다. 핵발전소는 위험을 내재하고 있을 뿐만 아니라 누군가의 목숨을 담보로 움직인다. 우리는 이를 잊고 있는 것은 아닌지, 사고로부터 11년이 지나 다시금 묻게 된다.

 

(다음 호에 계속)

 

 

참고자료 도쿄전력 홈페이지, https://www.tepco.co.jp/nu/fukushima-np/outline/ 주간아사히, “「福島第一原発3号機は核爆発だった」原発設計技術者が東電、政府を批判” (2020년 3월 9일자 기사) 논자(아사히), “福島事故。班目春樹・元原子力安全委員長に聞く” (2015년 3월 30일자 기사) 최종민·윤순진(2017), “후쿠시마 원전사고에 내재한 원자력 안전 신화와 조직화된 무책임”, 「환경사회학연구 ECO」, 21(2): 141-179 NHK 홈페이지, https://www3.nhk.or.jp/news/special/timeline2011/

 

 

최종민 서울대학교 환경계획연구소 연수연구원

일본에서 유학 중이던 2011년 후쿠시마 핵발전소사고를 목도한 것을 계기로 핵기술을 비판적인 측면에서 공부하고자 결심하여 귀국 후 대학원에 진학하였다. 2014년부터 2017년까지 탈핵에너지교수모임 간사로 활동하였으며 2020년 8월 「일본 원자력발전을 둘러싼 담론투쟁: - ‘원자력의 평화적 이용’과 ‘원자력 안전신화’를 중심으로(1954-1980)」라는 주제로 박사학위를 받았다.

 

 

탈핵신문 2022년 3월(97호)

 

 

 

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