후쿠시마 원전 사고

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1 일본 후쿠시마 원전 사고: 경과와 영향 그리고 교훈 (중간보고서) KAIST NQe 한국과학기술원 원자력 및 양자공학과

2 주의사항 본 보고서는 2011년 3월 11일 발생한 일본 동북부 대지진과 지진해일(쓰나미) 로 인해 일본 후쿠시마에서 발생한 원전 사고와 관련하여, 일반 국민과 학생들의 이 해를 돕기 위해 KAIST 원자력 및 양자공학과에서 각 분야의 전공 교수들이 공동 집필한 내용을 취합한 것이다. 현지 정보가 충분히 공개되어 있지 않고 아직 사고 상황이 종결되지 않은 시점에서 가능한한 정확하고 과학적인 정보를 반영하여 일반 인의 이해를 돕고자 하였으며, 향후 보다 정확한 자료가 입수될 경우 본 보고서의 일부 내용이 수정 보완될 수 있다.

3 요 약 문 2011년 3월 11일의 동일본 대지진과 지진해일(쓰나미)로 인해 일본에서 가동 중이던 55기의 발전용원자로 중 후쿠시마에 위치한 후쿠시마 제1발전소의 1~4호 기에서 잔열제거에 문제가 발생하여 각각 건물을 크게 손상시키는 수소폭발이 발생 하고 상당량의 노심내 핵연료 또는 사용후핵연료 저장수조내 핵연료가 손상되는 피 해를 입었다. 사고의 경과 이번 사고의 개요는 쓰나미로 인해 원자로 잔열 냉각시스템이 작동불능 상황 이 되어 노심의 손상이 발생한 것 으로 정의될 수 있다. 냉각시스템의 작동불능 원 인은 설계치를 크게 상회하는 14m의 쓰나미로 인해 전력 공급이 완전히 상실된 것 이다. 지진 발생 직후에 외부 전원이 모두 소실되었으나, 후쿠시마 원전에서는 원자 로의 안전 정지와 비상 디젤발전기의 구동이 모두 성공적으로 이루어졌으며, 원자 로의 냉각도 순조롭게 개시되었다. 그러나 쓰나미로 인해 비상 디젤 발전기가 침수 되고 연료공급 장치가 손상되어 발전소에 전기가 없는 상태가 되어 다중으로 설치 되어 있던 안전시스템들의 작동이 중단되었다. 배터리를 이용하여 수시간~수일간 증기터빈 냉각장치를 가동하였으나 장기 사용으로 인해 기능을 잃자 원자로의 노심 잔열을 제거하기 위한 장치가 모두 작동불능 상태가 되었고, 노심 연료봉의 온도가 증가하게 되었다. 후쿠시마 제1발전소 1호기와 3호기에서는 냉각 없이 고온 증기에 노출된 연료 봉의 피복재가 증기와 산화반응을 일으키면서 수소가스가 생성되었고 이것이 증기 와 함께 배출되어 원자로 건물 지붕 밑에 모여서 수소폭발을 유발하였다. 2호기에 서는 수소폭발의 장소가 원자로 건물 지붕이 아닌 격납용기에 연결된 압력억제수조 였다. 한편 연료 교체를 위해 사용후핵연료가 모두 저장수조에 옮겨져 있던 4호기 에서는 수조의 물이 증발하면서 역시 물 밖으로 드러난 연료봉의 피복재가 산화하 여 원자로 건물이 파손되는 수소폭발을 일으켰다. 사고 후 현재까지 해수 및 담수를 주입하여 원자로의 잔열을 제거하기 위한 시 도가 계속되고 있는데, 해수 주입의 경우 원자로의 재사용을 하지 않는 것을 전제로 하는 것이다. 현재 노심내부는 외부 공급 냉각수에 의해 냉각이 수행되고 있고, 더 이상 악화되지 않고 있는 것으로 판단된다. 격납용기내의 수소폭발을 방지하기 위 - II -

4 해 질소를 주입하고, 근처의 오염지역을 정화하여 복구작업을 본격화하기 위한 다 양한 노력이 계속되고 있다. 방사성 물질의 유출 및 영향 원전에는 만일의 사고에 대비하여 방사성 물질이 외부로 유출되지 않도록 다중 방벽이 설치되어 있지만 이번 후쿠시마 사고의 경우 핵연료의 과열로 인해 기체상 태의 방사성 물질인 제논과 크립톤, 휘발성 방사성 물질인 요오드와 세슘 일부가 외 부로 유출되었다. 유출 경로는 공기와 물에 섞여 방출되는 두 가지인데, 사고 초기 에는 수소폭발이나 화재와 함께 증기에 섞여 대기 중으로 방출되었으나 시간이 지 남에 따라 방사능 수치가 계속 감소하고 있다. 현재 일본 상수처리시설들의 요오드 -131 방사능 오염 수치는 6세 이하 영유아 섭취 허용치인 100베크렐/킬로그램 이 하이다. 냉각을 위해 주입된 물에 녹아 있는 요오드와 세슘은 일부 유출량을 제외하 고는 현재 발전소 내에 격리되어 있다. 최근 추가 격리 공간을 확보하기 위해 기존 에 보관 중이던 저방사성 오염수 11,500톤을 인근 바다로 방출하는 일이 있었다. 후쿠시마와 체르노빌 원전사고의 진행과정이나 파급효과는 큰 차이를 보이는 데, 체르노빌 원전의 경우 출력폭주로 인한 사고이며 원자로를 감싸는 격납용기가 없어 방사성 물질이 광범위한 유럽 전역으로 급속히 퍼져나갔다. 이에 비해 후쿠시 마 원전의 경우 원자로 정지후 잔열제거 실패로 인한 과열이 원인이었으며, 노심이 압력용기와 격납용기에 싸여있어 방사성 물질의 유출을 상당부분 차단하고 있는 것 으로 판단된다. 우리나라에서는 4월 6일 - 4월 7일 대기 중의 방사능 수치가 가장 높았던 것으 로 측정되었다. 이 기간 동안 검출된 요오드-131과 세슘-137의 최대 방사선량을 1년간 지속적으로 흡입한다는 보수적인 가정으로 환산하여도 mSv 1) 와 mSv로 일반인 연간선량한도 2) 인 1mSv와 비교하여 각각 1/7100, 1/1600 수준이다. 현재 한반도 전역에서 측정되고 있는 방사선량은 평상시 시간당 자연방사선량( mSv/h mSv/h) 이내의 수준을 유지하고 있으며 우리 국민의 건강과 환경에 미치는 영향은 무시할 수 있다. 1) 밀리시버트 = 1000분의 1 시버트 2) 우리나라의 평균 자연방사선량은 약 2.4mSv이며 일반인의 경우 추가적으로 1mSv의 방사선 피폭선 량이 허용되는데 이를 일반인 연간선량한도라 한다. - III -

5 사고의 교훈 후쿠시마 제1발전소의 사고가 우리에게 주는 교훈을 정리하면 다음과 같다. 먼 저 기술적인 측면에서 다음의 다섯 가지가 중요한 교훈으로 판단된다. - 비상전기공급 등 비상냉각시스템 강화 - 사용후핵연료 관리에 대한 안전성 강화 - 수소 제거 시스템의 점검 및 보완 - 확률론적안전성분석(PSA) 등을 통한 기존 원전 안전성 재점검 - 피동안전계통 강화 등을 통한 신규원전 안전성 향상 원자력을 관리하고 이용하는 제도적 측면에서는 다음의 교훈을 얻을 수 있다. - 중대사고시 대응할 수 있는 사고처리절차(매뉴얼)의 확립 - 비상지휘체계(control tower)의 기능 강화 및 고급인력 양성 - 중대사고를 포함한 안전 관련 연구를 증진하고 매뉴얼에 반영 - 국제 협력 및 산학연 협력을 통한 정보 및 지식 교류 - 안전문화 확립 및 국민이해 증진 - IV -

6 목 차 1. 서 론 보고서의 배경 기술적 배경 지진과 쓰나미 원자로 자동 정지후의 잔열 제거 시스템 정전에 대비한 원전 전력공급체계 방사성 물질 다중 차단 개념 후쿠시마 원전인 비등경수로(BWR)와 국내의 가압경수로(PWR) 8 2. 후쿠시마 제1발전소 사고 초기 사고의 경과 ,2,3호기 운전 중, 4,5,6호기 정비 중 지진 발생으로 1,2,3호기 정지, 외부전원 상실, 비상디젤 작동 지진해일(쓰나미)로 비상디젤 등 주요 설비 파괴, 냉각기능 상실 안전에 가장 중요한 붕괴열 제거 실패, 원자로과열, 수소발생 증기발생, 과압, 배기, 수소폭발, 원자로건물 파손 사용후핵연료 저장조 냉각수 고갈과 과열, 화재 냉각 및 사고수습을 위한 조치 원자로 내부로의 해수 및 담수 주입 전력복구, 전력을 이용한 냉각수 주입 방사성 오염수 누출 저농도 방사성 오염수 방류 추가 수소폭발을 방지하기 위한 질소주입 방사성 오염물질 제거 사고 평가, 전망 및 관리 계획 후쿠시마 제1발전소 사고 등급 후쿠시마 제1발전소 사고 관리 과업 후쿠시마 제1발전소 회복을 위한 로드맵 후쿠시마 제1발전소 제염해체 작업 24 - V -

7 3. 후쿠시마 원전 사고로 인한 방사능 환경 영향 방사선과 방사능 방사선과 방사능 방사능의 세기 인체 및 환경에 미치는 영향 방사선 선량 자연 방사선량 선량에 따른 생물학적 영향 피폭 선량 제한치 재해 대책 후쿠시마 원전사고로 인한 방사성 물질 유출, 확산 및 거동 주요 방사성 물질의 종류와 양 후쿠시마 원전 사고의 방사성 물질 유출 및 확산 일본 주요 지역 방사능 준위 과거 스리마일아일랜드(TMI)/체르노빌 사고의 방사능 피해 후쿠시마사고로 인한 한반도 방사능 피해 현황 향후 후쿠시마 원전 방사능 리스크 후쿠시마 원전 사고의 10대 교훈 기술적인 측면 제도적인 측면 부 록: 후쿠시마 제1발전소 사고 일지 45 - VI -

8 그림 목차 그림 1. 일본 원자력 발전소 분포도 및 지진 진앙지 2 그림 2. 판구조론에 따른 각 판의 모양 3 그림 3. 해안선 모양에 따른 쓰나미의 영향 컴퓨터 시뮬레이션 4 그림 4. 원자로 정지 후 발생하는 잔열의 양 5 그림 5. 원전의 다중 잔열 제거 시스템 6 그림 6. 원전의 전력 공급망 7 그림 7. 비등경수로 8 그림 8. 가압경수로 8 그림 9. 후쿠시마 제1발전소 1~5호기 내부 9 그림 10. 후쿠시마 제1발전소의 원자로 배치 10 그림 11. 쓰나미로 파손된 후쿠시마 원자력 발전소 12 그림 12. 시간에 따른 잔열의 변화 13 그림 13. 쓰나미와 수소폭발 및 화재로 손상된 후쿠시마 원전의 전경 14 그림 14. 사고 이전 3호기 사용후핵연료 저장수조 내부 사진 15 그림 15. 담수를 공급하는 바지선 16 그림 16. 후쿠시마 원전 전력복구 작업 17 그림 17. 누출이 일어났던 2호기 케이블 관의 위치 18 그림 18. 무인조종되는 로봇을 이용한 잔해제거작업 19 그림 19. 레진 살포 작업 20 그림 20. 동경 전력이 발표한 즉각적인 조치의 내용 23 그림 21. 사고시 노심손상 형태 24 그림 22. 장기냉각 후 이송되는 손상핵연료 24 그림 23. 방사선의 종류와 투과력 25 그림 24. 연소 후 핵연료 내 방사성 물질 발생량 분포 31 그림 25. 국제 원자력 사고 등급 34 그림 26. 후쿠시마로부터 우리나라의 지형적 위치 34 그림 27. 후쿠시마 원전 부지 내 대기중의 환경 방사능 수치 변화 35 그림 28. 후쿠시마현 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치 변화 36 - VII -

9 그림 29. 이바라키현 주변 대기 중의 환경 방사능 수치 변화 36 그림 30. 도쿄 주변 대기중의 환경 방사능 수치 변화 37 그림 31. 도쿄 주변 상수처리 시설의 요오드 131 방사능 수치 변화 37 그림 32. 전국 71개소 환경방사선 측정 자동 감시망 39 그림 33. 한국원자력안전기술원 중앙방사능측정소 39 - VIII -

10 표 목차 표 1. 지진발생 당시 후쿠시마 원전의 상태 11 표 2. 후쿠시마 제1발전소 방사능 누출량 추정치 21 표 3. 유효선량의 생물학적 효과 및 유효선량의 예 29 표 4. 방호 조치 30 표 5. 음식물 섭취 제한 31 - IX -

11 1. 서 론 1.1 보고서의 배경 세계 일차 에너지 사용은 동력 단위로 15TW(테라와트)에 달하며 화석연 료(석탄, 석유, 가스)가 13TW, 원자력이 1TW, 수력이 1TW를 공급하고 있다. 원자력은 수력과 함께 이산화탄소 배출이 거의 없는 대규모 에너지 원 중 하나 로 세계 전력시설 용량의 14%를 차지하고 있다. 에너지 소비 절감을 감안해도 앞으로 2030년까지 7TW 이상의 에너지가 더 필요한 것으로 파악되기 때문에 한정된 재원 안에서 이산화탄소 배출을 최소화 하면서 이러한 에너지를 공급하 기 위해서는 원자력의 활용이 불가피한데, 원자력에너지의 미래 역할을 논함에 있어서 원자력 안전에 대한 논의는 필수적이다. 지난 TMI 사고와 체르노빌 사고를 통해 인간실수 고려 설계의 필요성, 안 전문화의 중요성, 원자로 노심의 고유안전 설계의 중요성, 안전을 위한 협력 필 요성, 격납건물의 중요성, 중대사고시 수소가스 관리의 중요성 등 안전성을 확 보하기 위한 많은 교훈을 얻었고 이것이 기존 원전 개선, 신규 설계, 건설, 운영, 해체에 반영되어왔다. 지진과 쓰나미로 인한 후쿠시마 원전 사고는 대규모 자연 재해 및 사회기반시설의 손실에 기인한 원전의 중대사고라는 측면에서 이전 사 고와 다른 면이 있어 우리에게 새로운 교훈을 주고 있다. 이에 본 보고서에서는 최근 발생한 후쿠시마 제1발전소 사고의 진행과정 과 영향을 검토하고 교훈을 도출하여 미래에 더 안전한 원자력에너지로서 역할 을 위해 해야 할 일을 제시하고자 한다. 또한 원전에서의 사고 경위와 그 결과에 대해 가능한 한 정확하고 과학적인 정보를 제공하여 국민들의 이해를 돕고자 하 는 것이 본 보고서의 목적이다. 일본 전역에 걸쳐 55기의 발전용원자로, 15기의 연구용 원자로가 이번 일 본 동북부 대지진 전까지 가동 중이었다. 3월 11일의 대지진과 쓰나미로 피해 를 입은 일본 태평양 연안 지역에 위치한 원자로는 4개 발전소의 14기이다. 이 번 대지진은 리히터 규모 9.0의 강진으로, 진앙으로부터 150 km 떨어진 후쿠 시마 제1발전소에서 0.335g의 지진동과 14 m의 쓰나미가 관측 3) 되었다. 후쿠시마 제1발전소의 총 6개 호기 중에서 1~4호기에서 문제가 발생하여 3) World Nuclear News

12 각각 건물을 크게 손상시키는 수소폭발이 발생하고 상당량의 노심내 핵연료 또 는 사용후핵연료가 손상되는 피해를 입었고 대기와 물을 통해 다량의 방사성 물 질이 유출되었다. 그림 1. 일본 원자력 발전소 분포도 및 지진 진앙지(출처:World-Nuclear.org) - 2 -

13 1.2 기술적 배경 지진과 쓰나미 판구조론에 따르면 각 대륙판들은 조금씩 이동하고 있으며 이러한 이동에 의해서 판의 경계부에서 발생하는 판의 겹침 현상 등에 의해 축적된 에너지가 일시에 분출되어 지표의 흔들림으로 나타나는 것이 지진이며, 일본은 판 경계부 에 위치하고 있어 잦은 지진을 겪고 있다. 우리나라는 비교적 판 경계부에서 떨 어진 곳에 위치하여 큰 지진은 없는 편인데, 1905년 이후에 계측된 기록을 참고 하면 1980년 평북 의주 지역에서 발생한 리히터 규모 5.3의 지진과 2004년 경 북 울진 지역의 5.2가 최대 지진이다. 특정 지점에서 느끼는 지진 강도는 지진 의 규모뿐만 아니라 진앙에서의 거리와 지질구조에도 영향을 받는다. 지반의 움직임을 통해 진동이 전파되어 시설물에 피해를 일으키는데 토양 과 암반의 구조나 성분의 차이 때문에 근접한 지역끼리도 피해의 정도가 다를 수 있다. 특정 위치에서 감지되는 지진의 강도는 중력가속도인 g의 몇 배인지로 표 현한다. 즉 0.3g는 중력가속도의 30%에 해당하는 것이다. 그림 2. 판구조론에 따른 각 판의 모양(출처:USGS) - 3 -

14 한편, 쓰나미는 해저에서 발생한 지진이나 화산 폭발 등의 큰 지반 변화로 인해 바닷물이 출렁이는 파랑을 일컫는다. 깊은 바다에서는 빠른 속도로 이동하 지만 수심이 얕은 곳에서는 속도가 감소하면서 파고가 급격히 증기하기 때문에 많은 피해를 유발하게 된다. 쓰나미에 따른 파고는 해안선의 모양 등 지형적인 영향을 많이 받기 때문에 각 지역마다 다르게 관측된다. 그림 3. 해안선 모양에 따른 쓰나미의 영향 컴퓨터 시뮬레이션 (출처:USGS) 이번 후쿠시마 원전 피해에서와 같이, 강력한 해저지진에 의해 쓰나미가 발생하는 경우에는 인접 시설은 지진의 피해와 연이은 쓰나미의 피해를 입게된 다. 이번 동일본 대지진으로 인한 지진동에는 모든 원전이 큰 피해없이 견뎌냈 으나, 이어 발생한 쓰나미로 인한 침수 손상 피해가 막대하였다. 일반적으로 쓰나미가 일으키는 처오름에는 부지 시설 침수 및 파력에 의한 손상이 발생하 고, 처내림에는 취수 설비 파손이 발생한다. 안전을 최우선으로 하는 원자력 발전소는 지진과 쓰나미를 포함한 자연재 해에 대비한 설계를 기본으로 한다. 예를 들어 후쿠시마 원전 3호기는 0.45g의 지진동 4) 과 5.7m의 쓰나미에도 안전기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 설계 되어 있다. 이번 지진에서 3호기는 0.5g 가량의 지진동을 겪고도 정상적으로 안 전기능이 수행되었으나 뒤이은 14 m의 쓰나미는 5.7m의 쓰나미 방벽으로는 막을 수가 없었으므로 막대한 피해를 입게 되었다. 4)

15 이 원전들은 1978년 미야기 지진때에 0.125g의 지진동을 받았으나 모두 아무런 이상이 발견되지 않았었다 원자로 자동 정지후의 잔열 제거 시스템 원자력발전소에는 어떠한 비정상 상태를 감지하면 자동으로 원자로를 정 지시키는 기능이 있다. 원자로에 제어봉을 자동으로 삽입하여 중성자를 흡수함 으로써 더 이상의 핵분열 반응이 일어나지 못하도록 하는 것이다. 이번 일본 동 북부 대지진에서 감지된 지진동으로 인해 인근의 원전 11기는 모두 정상적으로 자동 정지되었다. 그림 4. 원자로 정지 후 발생하는 잔열의 양 핵분열로 생성된 여러 가지 물질들은 핵적으로 안정된 상태에 있지 않다. 이러한 물질들은 원자로 내에서 에너지를 방출하며 안정된 물질로 변화해 간다. 이렇게 생성되는 에너지를 붕괴열(decay heat)이라 하는데, 원자로의 핵분열 반응이 정지한 이후에도 이미 발생한 여러 불안정한 물질들이 붕괴열을 발생시 키게 된다. 이러한 잔열은 핵분열이 멈춘 직후에는 정상출력의 6~7%가 발생하 는데 시간이 지남에 따라 급격히 감소하여 3시간 후에는 1%미만으로 감소한다. 그 이후에는 반감기 5) 가 긴 핵종만이 남기 때문에 비교적 서서히 감소하게 된다

16 이런 잔열을 제거하여 원자로의 상태를 상온으로 유지하기 위해서는 열을 제거하는 시스템이 필수적이다. 이를 안전시스템이라 한다. 원자력발전소는 여 러 가지의 열제거 시스템을 다중으로 설치하여 안전성을 유지하도록 설계되어 있다. 그림에 표시된 잔열제거시스템(DHRS), 원자로격리냉각시스템(RCIC), 비상노심냉각시스템(ECCS) 등 여러 시스템들 중 한 가지만 성공적으로 작동하 여도 충분히 잔열을 제거할 수 있도록 했기 때문이다. 그림 5. 원전의 다중 잔열 제거 시스템(일본 후쿠시마 제1발전소의 경우) 정전에 대비한 원전 전력공급체계 위에 설명한 바와 같이 잔열을 제거하여 원전을 안전하게 정시시키기 위해 서는 안전 시스템이 작동할 수 있도록 전기가 공급되어야 한다. 원전 자체는 이 미 정지되어 있는 상태이므로 외부 전력망에서 전력을 공급받던지 자체 디젤발 전기를 가동시켜 전력을 생산한다. 외부 전력망에는 2곳의 변전소에 각각의 변압기를 통해 연결해 두고 있으 며, 원전 1호기당 2대 이상의 디젤발전기를 보유하고 있다. 이러한 전력공급은 각각 완전히 별도의 전선을 통해 이루어지도록 되어 있어, 한 가지가 작동불능 이라도 다른 전력공급에는 이상이 없도록 다중 구조로 설계되어 있다. 이러한 전기 공급이 모두 차단될 경우에 대비하여 마지막으로 배터리를 이용할 수 있는 5) 어떤 특정한 불안정한 물질(방사성 핵종)의 원자수가 붕괴에 의해서 원래의 반으로 줄어드는 데 걸리 는 시간. 반감기가 길다는 것은 오랜 시간에 걸쳐 양이 감소한다는 뜻이다

17 데 이 경우 8시간 동안 증기터빈을 운전하여 붕괴열을 제거할 수 있다. 후쿠시마 제1발전소는 지진과 쓰나미로 인해 외부 전력망으로부터의 전력 공급이 두절되어 소외전원 상실사고 6) 를 맞이하였다. 동경전력 전력망 전체가 가동불능의 상태였으므로 이는 당연한 결과이다. 디젤 발전기는 초기에는 성공 적으로 가동되었으나 1시간여 후에는 쓰나미로 인한 연료공급라인 파손으로 발 전이 중단되어 전력상실 7) 이 발생하였다. 그 후 배터리의 직류(DC)전원을 이용 하여 증기터빈을 운전하여 붕괴열을 제거하였다. 그러나 8시간 가량의 배터리 전기 사용이후 전력원을 완전히 상실하는 상태가 되었다. 그림 6. 원전의 전력 공급망(후쿠시마 제1발전소의 경우 지진과 쓰나미로 상실) 방사성 물질 다중 차단 개념 원전에서 만일의 경우가 발생하더라도 방사성 물질이 외부로 방출되지 못 하도록 다중의 방벽이 설계되어 있다. 제 1 방벽은 세라믹 형태로 된 핵연료 소 결체(fuel pellet)인데 고체가 대부분인 방사성 물질은 이 세라믹 내에 갇혀 있 게 된다. 제 2 방벽은 금속재질로 소결체들을 밀봉 포장하고 있는 핵연료 피복 관(fuel cladding)이다. 제 3 방벽은 두께 15~20cm 강철로 제작된 원자로 압 6) 소외전원 상실사고 (Loss of offsite power): 발전소 외부로부터 공급되는 전력이 모두 상실되는 사 고 7) 완전전원상실 (Station black out): 발전소 외부전력 및 소내 디젤발전기가 모두 상실되는 사고 - 7 -

18 력용기이며, 제 4 방벽은 이들을 모두 다시 한번 감싸고 있는 튼튼한 격납용기 이다 후쿠시마 원전인 비등경수로(BWR)와 국내의 가압경수로(PWR) 우리나라에서는 노심을 냉각시키는 1차 냉각재와 터빈발전기를 구동시키 는 2차 냉각재가 증기발생기에 의해 완전히 분리된 가압경수로 8) 형이 주축을 이루고 있는데 비해 이번에 피해를 입은 후쿠시마 원전은 모두 비등경수로 9) 형 이다. 이 노형에서는 1차 냉각재로 바로 증기가 되어 터빈발전기를 구동시키는 데 사용된다. 미국 GE가 1950년대에 개발한 이후 꾸준히 개선되어 왔으며, 현 재 전 세계 가동 원전 중 가압경수로형 다음으로 많은 원자로형이다. 후쿠시마 제1발전소의 1~6호기는 모두 60년대 후반부터 70년대에 지어진 비등경수로들 이다. 그림 7. 비등경수로 그림 8. 가압경수로 8) 가압경수로 (PWR; pressurized water reactor): 원자로의 열을 직접 전달하는 1차계통의 물은 끓지 않도록 고압으로 운전하며, 열교환기인 증기발생에서 2차계통의 물을 끓여서 증기를 사용하여 터빈발 전기를 가동한다. 1차계통의 경수(일반 물)가 열전달과 중성자 감속의 역할을 겸한다. 9) 비등경수로 (BWR; boiling water reactor): 원자로 용기내에서 물이 직접 끓도록 하여 얻은 증기로 터빈발전기를 가동한다. 1차계통의 경수가 열전달과 중성자 감속의 역할을 겸하는 것은 가압경수로와 같다

19 그림 9. 후쿠시마 제1발전소 1~5호기 내부(출처:NEI) 전력공급이 가능한 정상 가동 상황에서는 보다 다양한 안전 시스템을 갖추 고 있는 비등경수로가 가압경수로에 비해 안전성이 높게 평가되는 것이 일반적 이다. 그러나 전력이 모두 상실되는 경우, 가압경수로의 경우 증기발생기 2차 측에 물만 공급되면 1차 측은 자연 순환에 의해 냉각될 수 있어 잔열 제거가 용 이하다. 1차와 2차 계통이 완전히 격리되어 있으므로 2차 계통에는 방사능이 없기 때문에 냉각수 공급 방안 마련이 쉽기 때문이다. 또한 가압경수로는 비등 경수로에는 없는 대형 격납용기를 사용하므로 2차 측에 물을 공급할 수 없는 경 우 1차 측에 소량의 물을 공급하면서 증기를 대형 격납용기로 배출시키는 운전 방식으로 상당한 시간동안 안전을 유지할 수 있다. 가압경수로의 격납용기 부피 는 비등경수로의 것의 약 10배이므로 사고시에 압력증가가 비교적 완만하여 유 연성있게 대처할 수 있는 것이다

20 그림 10. 후쿠시마 제1발전소의 원자로 배치

21 2. 후쿠시마 제1발전소 사고 2.1 초기 사고의 경과 ,2,3호기 운전 중, 4,5,6호기 정비 중 후쿠시마 제1원전의 지진 발생 당시의 상태는 다음과 같았다. 표 1. 지진발생 당시 후쿠시마 원전의 상태 호기 노형 전기출력 (MWe) 열출력 (MWt) 격납용기 종류 건설 착수 상업 운전 주계약자 지진발생시 상태 1호기 BWR Mark-I GE 전출력 운전 2호기 BWR Mark-I GE/도시바 전출력 운전 3호기 BWR Mark-I 도시바 전출력 운전 4호기 BWR Mark-I 히타치 5호기 BWR Mark-I 도시바 6호기 BWR ,293 Mark-II GE/도시바 정지 (모든 핵연료를 수조에 보관 중) 정지 (원자로 내에 핵연료 장전 완료) 정지 (원자로 내에 핵연료 장전 완료) 지진 발생으로 1,2,3호기 정지, 외부전원 상실, 비상디젤 작동 2011년 3월 11일 14시 46분에 일본 동북( 東 北, 도호쿠)지방의 미야기 현 동쪽 해저에서 발생한 규모 9.0의 대지진으로 후쿠시마 제1발전소에서 운전 중이던 1,2,3호기가 자동 정지되었다. 지진 직후 외부에서 공급되는 교류 전원이 상실되었다. 이에 대비한 비 상 디젤발전기가 작동하여 원자로 냉각 등 필수적인 안전기능을 유지하고 있 었다

22 2.1.3 지진해일(쓰나미)로 비상디젤 등 주요 설비 파괴, 냉각기능 상실 14미터 이상의 대형 지진해일(쓰나미)로 인해 발전소 건물이 5미터 이 상 침수되었다. 작동하고 있던 디젤 발전기들도 연료탱크와 라인 유실, 발전 기 냉각 장치 유실 등 갖가지 문제로 작동을 멈추어 발전소에 쓸 수 있는 전 원을 모두 상실하였다. (아래 사진에서 파손된 1호기 건물과 쓰나미로 파괴 된 해안가의 시설들을 볼 수 있다.) 그림 11. 쓰나미로 파손된 후쿠시마 원자력 발전소 발전소에 쓸 수 있는 전원이 없는 상황에서 사용할 수 있는 설비는 축 전지로 제어할 수 있는 노심격리냉각시스템 (reactor core isolation cooling system) 10) 뿐이다. 수시간~수일간의 운전 후, 1,2호기의 경우 축전 지가 모두 방전 되어 냉각기능을 잃었고, 3호기는 펌프가 과열되어 고장 나 면서 냉각기능을 잃었다. 축전지가 고갈된 이후에도 외부전원이 복구되지 못해 냉각기능을 상실 한 채 시간이 흐르게 되어 원자로가 과열되기 시작하였다. 10) 노심격리냉각시스템 (reactor core isolation cooling system)은 원자로에서 발생하는 증기로 터빈 을 돌려 펌프를 작동시키고, 펌프가 냉각수를 노심으로 주입하는 순환과정을 통해 원자로를 냉각하는 장치임. 축전지의 전기는 밸브를 열고 닫는 제어에 사용된다

23 2.1.4 안전에 가장 중요한 붕괴열 제거 실패, 원자로과열, 수소발생 원자로 크기와 운전이력에 따라 다르지만 정지된 원자로에는 핵분열로 생성된 방사성 물질 1톤가량이 있다. 제1장에서 설명한 바와 같이 방사성 물질이 방사선을 내면서 안정화되는 과정에서 발생하는 열을 붕괴열이라고 한다. 그림 12. 시간에 따른 잔열의 변화 사고 직후에는 이 잔열의 양이 정상운전 시 열출력의 6~7%이며, 1일 후 0.5%, 1개월 후 0.3% 수준으로 감소한다. 발생하는 열을 제거하기 위해 서는 찬 물을 넣어주고 뜨거운 물을 꺼내서 식힌 후 다시 넣어주는 냉각 작 업을 지속적으로 해야 하나, 전원, 펌프, 배관, 탱크 등 쓸 수 있는 수단이 대부분 쓰나미의 손상을 입어 1,2,3호기 냉각이 지연되었다. 냉각수 공급 지연으로 원자로의 물이 끓어 증기가 되고, 핵연료가 물 밖 으로 드러나면서 온도가 상승하기 시작했다. 핵연료를 감싸고 있는 포장재인 지르코늄이 증기와 고온(700~1200도 이상)에서 반응하면서 수소를 발생시켰다. 11) 수소는 가벼워서 위로 모이고, 산소와 만나면 급격하게 타거나 농도가 높을 경우 폭발하게 된다. 수소는 같 은 무게의 TNT 대비 약 30배의 강한 폭발력을 가지고 있다. 12) 따라서 수 소 500kg이 모두 폭발할 경우 TNT 15톤에 해당하는 폭발이 발생하는 것 이다. 13) 11) Zr + 2H2O -> ZrO2 + 2H2 + 열: 지르코늄 1톤이 반응할 경우 수소 23 kg 발생함. 1호기의 경우 노심에 약 20톤 내외의 지르코늄이 있어 최대 500kg 정도의 수소 발생하며, 2,3호기의 경우 약 30톤 의 지르코늄이 있어 700kg 이상의 수소가 발생할 수 있음. 12) TNT 1kg은 4.2MJ의 에너지에 해당함. 수소 1kg이 연소하면 121MJ 발생함. 산술적으로 28.8배의 단위질량당 연소열을 가짐. 13) 참고로 벙커버스터 폭탄의 경우 TNT 1~10톤에 해당한다

24 2.1.5 증기발생, 과압, 배기, 수소폭발, 원자로건물 파손 노심에서 냉각수가 증발하고, 수소가 발생하면서 격납용기 내부의 압력 이 증가하였다. 그대로 두면 격납용기가 파손될 우려가 있어 1호기의 경우 제일 먼저 증기배기를 수행했다. 증기는 격납용기 밖으로 배출되며 원자로 건물 내부를 거쳐서 외부로 방출되게 된다. 배출되는 증기에 수소가 섞여 있 었고, 수소가 원자로건물의 상부 14) 에 모여서 일정농도 이상에 이르게 되었 다. 대기압 하에서 수소체적이 약 4%를 넘으면 연소가 일어나고, 약 15%를 넘으면 폭발이 일어나게 된다. 2011년 3월 12일 오후 3:36 1호기 수소폭 발로 원자로건물 상부가 파괴되었다. 3호기는 3월 14일 수소폭발을 일으켜 원자로건물이 심하게 파손되었고 2호기는 3월 15일 수소폭발을 일으켜 격 납용기 아래쪽의 압력억제수조(도넛 모양의 수조)가 파손되었다. 15) 그림 13. 쓰나미와 수소폭발 및 화재로 손상된 후쿠시마 원전의 전경 14) 백열전구 모양의 격납용기 밖으로 배기된 수증기와 수소가 원자로 건물 안에서 밖으로 나가는 과정 에서 특정 부위(이 경우 원자로 건물의 천정부분)에 모이게 된다. 외부 온도가 낮기 때문에 수증기는 응축되어 사라지고, 수소만 남게 되어 수소의 상대적인 농도가 증가하게 된다. 외부에 산소가 많은 상태에서 수소의 농도가 높아지면서 폭발 가능성이 커지게 된다. 15) 2011년 3월 14일 오전 11시 1분 3호기 대형 수소폭발. 3월 15일 오전 6시 10분 2호기 하부에서 수소폭발

25 2.1.6 사용후핵연료 저장조 냉각수 고갈과 과열, 화재 쓰나미 발생 이전에 이미 정기 보수를 위해 정지 중이었던 4호기는 2010년 11월에 노심의 핵연료를 모두 사용후핵연료 저장조로 옮겨놓은 상황 이었다. 원자로 밖으로 나와 수조에 보관되던 핵연료도 여전히 붕괴열을 내고 있어 계속적인 냉각이 필요하다. 지진과 쓰나미 이후 냉각이 중지되면서 수조 의 온도가 올라가고 물이 증발해서 줄어들었고 물 밖으로 핵연료가 드러나면 서 지르코늄이 산화되고 이때 발생한 수소의 급격한 연소로 이어져서 4호기 에 화재가 발생하게 된다. 16) 1,2,3호기도 사용후핵연료 저장조에 핵연료가 저장 중이었고 17), 시간 이 1년 이상 지났지만 여전히 붕괴열이 나오고 있어 4호기 보다 느리지만 냉각수 과열과 증발이 진행되었다. 수위가 내려가고 핵연료 손상의 우려가 있어 1,2,3,4호기 모두 헬리콥터 18), 소방차, 콘크리트 주입펌프 19) 등을 이 용해서 해수와 담수를 주입하게 되었다. 그림 14. 사고 이전 3호기 사용후핵연료 저장수조 내부 사진( ) 16) 건조한 공기 중 에서의 산화이므로 반응식은: Zr + O2 -> ZrO2 + 열. 수소생성은 동반하지 않으므 로 수소 생성은 없음. 반응 결과물은 열과 지르코늄 산화물(다이아몬드 닮은 장식물로 사용하는 큐빅 의 원료가 되는 물질)임. 그러나 4호기 저장조의 경우 수증기와 산소가 혼합되어 있어 복합반응이 있 었을 것으로 추정됨. 2011년 3월 15일 오전 6시경 수소폭발로 추정되는 폭발이 발생하고 이어서 오 전 9시40분경 화재가 발생함. 3월 16일 오전 5시 45분경 재차 화재가 발견되었으나 곧 꺼짐. 17) 1-6호기 사용후핵연료저장조에 저장되어있던 집합체 수는 각각 292, 597, 514, 1331, 956, 876개 임. 원자로 내에 있던 집합체 수는 각각 400, 548, 548, 0, 548, 764개임. 18) 사고 초기에 자위대 헬리콥터를 이용한 살수를 시도하였으나, 효과적이지 못하여 더 이상 시도하지 않았음. 19) 2011년 4월 13일 현재 1,3,4호기는 콘크리트 주입펌프를 이용한 담수 살수를, 2호기는 냉각수라인 을 이용한 담수주입을 필요에 따라 수행하고 있음

26 2.2 냉각 및 사고수습을 위한 조치 원자로 내부로의 해수 및 담수 주입 1호기 수소폭발 이후 더 이상의 노심손상을 막기 위해 해수주입이 결정 되고 소방 설비를 이용해서 해수를 주입하기 시작했다. 20) 3호기도 노심용융 의 위험을 감지하고 증기를 방출 한 다음 해수주입을 시작했다. 21) 2호기도 원자로 내부 냉각수 수위 저하에 따라 원자로 내부로의 해수 주입을 시작하 였다. 22) 해수를 주입할 경우 물이 증발하고 소금이 축적되면서 노심의 유로 를 막거나 주입하는 노즐을 막을 우려가 있어 장기적으로 지속하는 것은 바 람직하지 않다. 23) 또한 해수는 부식성이 강해 펌프, 배관, 밸브, 압력용기 등 금속구조물과 콘크리트 구조물의 건전성 저하를 가져온다. 사고초기 담수공급이 불가능한 상황에서 해수를 주입하였으나 이후 담 수를 자위대 보급선과 미군 바지선 등으로 공급받으면서 2,3,1호기 순으로 담수주입으로 전환하였다. 24) 그림 15. 담수를 공급하는 바지선 해수 및 담수 주입을 통해 노심내부 냉각수 수위가 핵연료 높이의 절반 20) 2011년 3월 12일 오후 2시 30분 증기방출 시작. 오후 3시 36분 수소폭발. 저녁 8시 20분 해수주입 시작 21) 2011년 3월 13일 오전 8:41 증기방출 개시. 오후 1시 12분 해수주입 개시. 다음날 오전 11시 1분 수소폭발. 22) 2011년 3월 14일 오후 7시 20분 해수주입 개시. 다음날 오전 6시 10분 수소폭발. 23) 해수에서 소금이 석출되면서 노심의 핵연료 사이를 막거나, 노심을 둘러싼 영역을 막을 경우 외부에 서 주입하는 물이 핵연료를 접촉할 통로를 막을 우려가 있음. 이 경우 냉각수가 주입되어도 효과적인 냉각이 제한될 수 있음. 24) 2011년 3월 26일 2,3호기 붕산을 첨가한 담수주입으로 전환. 엔진펌프에서 전동펌프로 전환(전력사 용). 2011년 3월 29일 1호기 붕산을 첨가한 담수주입으로 전환. 엔진펌프에서 전동펌프로 전환(전력 사용)

27 수준을 유지하고 있다. 25) 전력복구, 전력을 이용한 냉각수 주입 외부전력복구 작업이 순차적으로 완료되면서 엔진을 이용해서 펌프를 가동하던 방식을 전동모터를 이용한 펌프 가동으로 전환하였다. 26) 또한, 주 제어실의 조명 등 필요한 설비 중 일부에 전력이 공급되었다. 2011년 4월 13일 현재까지 원자로 냉각수 주입은 전동펌프를 이용해서, 사용후핵연료 저장조 냉각수 주입은 콘크리트 펌프(2호기 제외)를 이용하고 있다. 그림 16. 후쿠시마 원전 전력복구 작업 방사성 오염수 누출 2011년 4월 2일 2호기 냉각해수 유입구 근처의 케이블 저장조에 1,000 msv/h를 초과하는 고방사능이 검지되었고, 오염수가 유출되는 약 20 cm 크기의 균열이 발견되었다. 균열을 막기 위한 작업이 개시되었고 콘크리 트 타설, 톱밥 투입, 흡습제 투입, 수지 살포 등의 방법을 통해 4월 6일 균 열부위를 막고 작업을 완료하였다. 25) 원자로용기를 관통하면서 연결된 재순환펌프의 밀봉이 파손되어 그 부분을 통한 냉각수 유출 가능성이 가장 큼. 재순환펌프 밀봉의 높이와 계측된 수위가 거의 일치함. 소금축적, 고온 등에 의한 계측오류 가능성도 있 음. 26) 2011년 3월 20일 2호기 임시 배전반에 외부전원 연결. 3월 21일 1,2,5,6호기 외부전원 연결. 3월 22일 1-6호기 모두 외부전원 연결. 3월 26일 2,3호기 전동펌프로 전환. 1,2,3호기 모두 주제어실 조 명 사용

28 그림 17. 누출이 일어났던 2호기 케이블 관의 위치 저농도 방사성 오염수 방류 원자로의 냉각을 위해서 냉각수(해수 혹은 담수)를 주입하면 원자로용 기 내부 및 격납용기 내부에 순차적으로 축적되게 된다. 축적된 냉각수가 파 손부위를 통해 흘러나와 쓰나미로 인해 침수되어 있던 터빈건물 지하공간으 로 들어가면서 각 원자로 당 약 2만 톤의 방사성 오염수가 생겼다. 장기적인 냉각을 위해서는 이 오염수를 다시 원자로 내부로 주입하는 순환냉각이 필요한 데 순환냉각 설비를 설치하기 위해서는 일단 오염수를 제거해야 하는 상황이다. 오염수를 저장할 수 있는 공간은 발전소에서 복수기, 복수저장탱크, 액 체폐기물 처리설비 등이 있다. 따라서 이들 설비 내부에 있는 저농도 오염수 를 바다로 방류하고, 고농도 오염수를 저장하는 작업을 수행하였다. 27) 추가 수소폭발을 방지하기 위한 질소주입 수소와 산소가 공존하는 경우 수소폭발이 가능해 진다. 1호기 격납용기 내부에 수소가 잔존하고 있을 가능성이 크고 주입되는 해수와 담수에 있던 용존산소의 방출 28) 과 물의 방사분해(radiolysis) 29) 로 산소가 생성되어 있 27) 2011년 4월 4일 동경전력이 저농도 방사성 오염수 11,500톤을 해수로 방출키로 결정하였음. 근해의 어류와 해초류를 섭취할 경우 연간 0.6mSv의 추가적인 피폭이 예상되는 수준으로 발표. 4월 9일 5,6 호기 Sub Drain의 1320톤을 방류 완료하였고, 4월 10일 액체폐기물처리시설의 물 9070톤의 방류를 완료하였음. 28) 해수 혹은 담수를 주입할 때 물 속에 녹아있던 산소가 물 온도가 올라가면서 빠져나와 격납용기 내 부에 남게 됨. 20도의 해수 1톤에는 약 7g의 산소가 녹아있고, 담수 1톤에는 약 9g의 산소가 녹아있

29 을 가능성이 있어, 격납용기 내부의 수소폭발 가능성이 제기되었다. 수소폭발을 막기 위해 격납용기 내부로 비활성기체인 질소를 주입하기 로 결정하고 임시 질소주입장치 설치 후 질소를 주입하였다. 30) 방사성 오염물질 제거 3호기와 4호기의 폭발로 사용후핵연료 저장조에 있던 구조물 등이 부지 로 흩어졌다. 이들 중에는 방사능이 강한 물질들이 있어 원활한 발전소 회복 작업을 위해 이들 구조물을 제거하는 작업이 우선 실시되고 있다. 또한 발전소 부지에 떨어진 방사성 물질이 바람에 의해 다시 부유되어 확산되는 것을 막기 위해 수지를 살포하는 작업도 병행되고 있다. 그림 18. 무인조종되는 로봇을 이용한 잔해제거작업 다. 물이 끓게 되면 모든 산소가 물에서 빠져나와 원자로용기 내부 혹은 격납용기 내부에 모이게 됨. 경우에 따라서는 해수/담수를 따라 기포가 들어갈(공기 기포) 가능성도 있음. 이로 인해 격납용기 내 부에 수소+산소의 폭발성기체 생성을 우려하고 있음. 29) 고온, 고방사능, 촉매 등이 있는 조건에서 물이 수소와 산소로 바로 분해되는 반응. 30) 2011년 4월 6일 질소주입 준비 작업을 완료하고 4월 7일 새벽 1시 31분부터 7일간 격납용기 압력 이 1.5기압에서 2.5기압까지 올라갈 때까지 질소를 주입할 목적으로 주입을 시작하였다. 이후 4월 11 일 오후 5시 16분 후쿠시마 인근 하마도리에서 발생한 규모 7.1의 여진으로 작업이 일시 중단 중에 있음. (4월 13일 현재)

30 그림 19. 레진 살포 작업 2.3 사고 평가, 전망 및 관리 계획 후쿠시마 제1발전소 사고 등급 2011년 3월 18일 이전의 관측 결과를 바탕으로 사고등급을 국제원자 력사고등급(INES) 5등급으로 잠정 추정하였으나 2011년 4월 12일 JNES 의 방사성 물질 누출량 평가를 기초로 INES 7등급으로 추정하였다. 총 방출 량은 요오드-131 환산 Bq을 초과하면 7등급으로 평가할 수 있다. 31) 향후 INES Evaluation Subcommittee (위원장: 동경대 세키무라 교 수)에서 확정된 근거를 바탕으로 최종 결정할 예정이다. 7등급으로 평가한 근거가 되는 추정 누출량은 다음 표와 같다. 31) 원자력발전소 노심에는 대략 1 GCi (기가 큐리, 10 9 큐리) 수준의 방사성 물질이 있으며, 이 중 1/1,000 정도인 1 MCi(메가큐리, 10 6 큐리)가 외부로 누출될 경우 7등급 수준이 될 수 있음. INES 사고등급은 방사성 물질의 누출량, 피해확산 범위, 건강 및 인명 피해 정도, 재산피해 정도, 장기간의 영향 등을 종합적으로 고려하기 때문에 현재 7등급은 잠정적인 것이며, 향후 정확한 평가가 필요함

31 표 2. 후쿠시마 제1발전소 방사능 누출량 추정치 방출 추정치 (일본 원자력 안전위원회) 체르노빌 사고 방출량 요오드-131 (가) Bq Bq 세슘 Bq Bq 요오드-131 환산 (나) Bq Bq 총계: (가)+(나) Bq Bq 후쿠시마 제1발전소 사고 관리 과업 w 원자로용기의 침수를 통한 냉각 격납용기(Dry Well 부분) 내부로의 냉각수 주입을 통한 원자로용기 하 부헤드 침수를 계획하고 있다. 32) 이는 2011년 4월 17일 발표된 사고수습 및 회복을 위한 로드맵에 포함된 냉각 전략이다. w 방사성 오염수 처리 1,2,3호기 터빈빌딩 지하 및 기타 관로에 있는 약 60,000톤 가량의 방 사성 오염수를 복수기(condenser), 복수저장탱크(condensate storage tank), 액체폐기물 중앙처리소 등으로 이송하는 작업을 계획하고 있다. 11,500톤의 저농도 오염수를 바다로 순차적 방류하여 2011년 4월 20 일 방류작업을 완료하였다. w 격납용기내부 질소 주입 1호기를 우선 주입하고 타 호기에 대해서 순차적으로 적용할 예정이다. 산소의 유입을 줄이기 위해서 질소 순도를 98%에서 99.98%로 증가시킬 계 획이다 후쿠시마 제1발전소 회복을 위한 로드맵 32) KAIST 장순흥 교수는 2011년 3월 22일 KAIST 강연을 통해 원자로용기 외벽침수를 통한 냉각을 주 요한 사고완화 전략으로서 제안한 바 있음. 참고자료: -

32 2011년 4월 17일 동경전력은 후쿠시마 제1발전소 회복을 위한 로드맵 을 발표하였다. 기본 정책은 원자로와 사용후핵연료 저장조를 안정되게 냉각함으로써 방사성 물질의 누출을 줄이고 소개된 주민이 집으로 돌아올 수 있도록 최선 을 다하는 것이다. 로드맵의 제1단계 목표는 방사선량의 지속적인 저감이며(3개월 내), 제 2단계 목표는 방사성 물질의 누출 제어와 방사선량의 현격한 저감이다(1단 계 목표 달성 후 3-6개월 내). 목표 달성을 위해 필요한 즉각적인 조치는 냉각, 사고완화, 감시와 제염 으로 나누어진다. 자세한 내용은 다음 그림과 같다. 조치는 1,2,3호기 원자 로용기 외벽침수를 통한 냉각 32) 을 포함한다

33 그림 20 동경 전력이 발표한 즉각적인 조치의 내용

34 2.3.4 후쿠시마 제1발전소 제염해체 작업 현재 결정된 제염해체 계획은 없다. 체르노빌 방식의 석관을 이용한 폐 기와 TMI 방식의 제염 후 완전해체, 부지복원의 방식이 논의되고 있다. 콘크리트로 막아서 폐기하는 것은 가장 좋지 않은 처리방식 (장기간의 관찰이 필요하고, 결국 해체해서 별도의 저장시설로 옮겨야 함. 다음 세대에 게 부담 전가)으로, 10년 정도 소요된 미국 TMI 사고의 해체과정처럼 할 수 있다면 최선이다. 우선 방사성 오염수의 제거가 가장 시급하다. 1,2,3호기에 약 6만톤 정 도의 오염된 물이 건물 지하에 있어 이를 처리하는 데 많은 시간이 필요하 다. 이후 발전소부지와 인근 지역의 청소를 하면서 33) 장기 냉각을 위한 설 비 설치(전원, 펌프, 배관 등 새로 설치)를 수행해야 한다. 5~10년 정도의 장기 냉각 후, 핵연료 제거 및 발전소 청소단계로 넘어가게 될 것이다. 1,2,3호기의 노심과 사용후핵연료 저장조에 있는 손상핵연료 등을 포함하면 TMI 사고 처리 물량 이상의 처리량이 예상된다. 그림 21. 사고시 노심손상 형태 그림 22. 장기냉각 후 이송되는 손상핵연료 33) 2011년 4월 12일 현재 4호기 수소폭발로 흩어진 사용후핵연료 저장소 구성물로 추정되는 고방사성 잔해의 수집과 처리가 진행 중임

35 3. 후쿠시마 원전 사고로 인한 방사능 환경 영향 3.1 방사선과 방사능 방사선과 방사능 후쿠시마 원전사고 방사능 누출로 인해 극미량이지만 요오드 -131과 같은 방사성 원소가 국내 대기 중에서 검출되기도 하였다. 요오드-131과 같은 방사성 원소는 원자핵이 불안정하여 안정한 상 태로 전이하려는 경향이 있으며, 이 핵붕괴 과정에서 인체에 유해한 알파선, 베타선, 그리고 감마선과 같은 방사선이 방출된다. 방사능이 란 방사성 원소가 붕괴되는 속도를 의미한다. 방사능이 더 높다는 의 미는 단위 시간당 더 많은 방사성 원소가 붕괴되고 그 만큼 많은 방 사선이 방출된다는 뜻이다. 알파선(헬륨의 원자핵)이나 베타선(전자)과 같은 하전입자는 감 마선과 같은 전자파에 비해 투과력이 약하다. 예컨대 인체의 밖으로 부터 방사선이 조사되는 경우를 고려하면, 하전입자의 경우 구조물이 나 방호도구에 의해 보다 쉽게 차폐가 될 수 있다는 것이다. 하지만, 만약 흡입 등을 통해 인체의 내부로 하전입자 선원이 들어오는 경우 에는 오히려 전자파 방사선에 비해 인체 내 흡수가 쉽게 일어나 해당 인체의 방호가 더 어렵게 된다. 그림 23. 방사선의 종류와 투과력 여러 가지 방사성 원소들이 존재하며, 이들의 원자핵 붕괴 양식은

36 다양하게 나타난다. 예를 들어 요오드-131은 원자핵 붕괴로 인해 베타 선, 감마선 등을 방출하면서 원자의 수가 약 8일에 절반 수준으로 줄어 들게 되며, 이를 반감기라고 한다. 반감기가 짧은 원소일수록 방사능의 영향이 빨리 소멸하게 된다. 반면, 세슘-137과 같은 경우 반감기가 약 30년으로 방사능의 영향이 상대적으로 오래 지속되게 된다. 하지만 세 슘과 같이 반감기가 긴 원소의 경우도 체내 유입시 인체 대사에 의해 외 부로 빠져나가게 되므로, 인체 내에서의 반감기는 약 100일 정도이다 방사능의 세기 방사능의 세기를 표현하는 데는 1초간 원자핵이 붕괴하는 숫자, 즉 dps(disintegration per second)가 사용되며 베크렐(Bq)이라는 단위 와도 혼용된다: 1Bq = 1dps. 최근 보도 자료에서 자주 사용되는 단위 는 베크렐에 접두어를 붙인 형태로 예컨대 1TBq은 1 테라베크렐이라 읽고 1조Bq을 의미한다. 예를 들어, 우유 1L에 100Bq의 요오드-131 방사능이 검출되었다 고 하면, 이것은 그 순간 우유 속에 초당 100번 붕괴하는 수준의 요오드 -131 원자가 들어있다는 의미가 되며, 환산하면 약 1억 개의 요오드 -131 원자가 들어있는 셈이 된다 34). 3.2 인체 및 환경에 미치는 영향 방사선 선량 방사선이 물질을 통과할 때 에너지가 물질에 일부 혹은 전부 흡수 되게 되는데, 이 흡수된 에너지를 선량(흡수선량)이라고 한다. 가령 1kg의 물질에 1J(주울)의 에너지가 흡수되었다면, 흡수선량은 1Gy (그레이)로 정의된다. 그러나 흡수된 에너지 양이 동일해도 방사선 종류 에 따른 또는 인체 내 피폭 부위에 따른 생물학적 효과가 다른 점을 고 려하여 생물학적 방사선 위험정도를 나타내는 물리량으로 유효선량(단 위: 시버트, Sv)을 사용한다. 이는 인체 내 각 조직 간의 선량분포에 따른 위험정도를 하나의 양 34) N=A/(log2/T 1/2)

37 으로 나타내기 위해서 방사선 종류에 따른 가중치 및 각 조직의 등가선 량에 해당 조직의 가중치를 곱하여 합산한 양을 말한다. 일반적으로 1시 버트(1Sv)는 매우 높은 유효선량을 나타내므로 밀리시버트 (msv=10-3 Sv) 혹은 마이크로시버트(μSv=10-6 Sv)의 단위를 사용 한다. 과거에는 rem(렘)이라는 단위가 주로 사용되었으며, 1Sv = 100rem의 관계가 있다. 최근 보도에 자주 등장하는 단위는 시간당 마이크로시버트(μ Sv/h)로서, 예를 들어 측정치가 0.5μSv/h 일때 1년간 같은 수준의 방 사선에 노출될 경우 누적 선량은 4.4 msv 35) 가 된다. 참고로 도쿄 주변 의 대기 환경 방사선량은 2011년 4월 9일 현재 약 0.1μSv/h 이내 수 준을 유지하고 있다. 이는 1년간 같은 수준으로 누적된다 해도 선량이 1 msv가 되지 않는 수준이다 자연 방사선량 우리가 생활하고 있는 환경에는 어떠한 곳이든 반드시 방사선이 존 재한다. 즉, 인류는 세상에 태어난 이래 자연 방사선과 함께 생활해왔다. 장소에 따라 상당한 차이가 있으나, 평균적으로 자연 방사선원으로부터 의 연간 유효선량은 약 2.4 msv로 추정된다. 여기에는 우주에서 유입 된 방사선이나 지표에서 방출되는 방사선 등이 포함된다. 특히 대기 중 에는 지각 속에 주로 존재하는 우라늄이나 토륨 계열의 방사성 원소가 붕괴하면서 나오는 라돈 가스 및 그 딸핵종이 존재하여 그들의 방사능 이 자연 방사선의 일부를 차지한다. 예를 들어, 음식물을 통해 들어오는 천연 칼륨 중 0.01%는 베타선 을 내는 방사성 칼륨-40인데, 이로 인한 피폭선량은 연간 체외피폭 0.15 msv, 체내피폭 0.18 msv 정도가 된다. 즉, 옆 사람으로부터 끊임 없이 방사선을 받고 살아가고 있는 것이다. 평균적인 체내 칼륨-40 량 으로부터 방출되는 방사선의 세기는 약 5000 Bq로, 이 중에서 약 절반 정도의 방사선이 (나머지 절반은 체내 흡수) 감마선 형태로 몸 밖으로 나오게 된다. 바나나 하나에도 약 15 Bq 정도의 감마선 방출이 있다. 따라서 후쿠시마 원전사고와는 무관하게 상시적으로 노출되는 방사선이 존재한다는 사실과 그로 인한 선량이 지역적 환경적으로 다를 수 있지 35) (Sv/h) 24(h/day) 365(day/yr) (Sv/yr)

38 만 연간 평균 약 2.4 msv라는 점을 강조하고자 한다 선량에 따른 생물학적 영향 방사선이 다른 장파장의 전자파에 비해 생물학적으로 크게 다른 점은, 방사선은 전리를 통해 세포의 염색체 손상을 일으킬 수 있다는 점이다. 염색체가 손상된 세포는 세포 분열시에 대개는 죽게 되며, 혹 은 유전자의 돌연변이를 유발할 수 있다. 의학적으로 방사선의 선량 과 생물학적 효과는 밀접한 관계가 있다. 그런데, 저선량에서는 영향 을 검출하고자 해도 영향의 규모가 매우 작아 검출에 어려움이 있다. 유의미한 실험이 가능한 선량 수준에서 암이나 유전자 변형의 위험 가능성에 대한 확률을 구한 후, 이를 기초로 훨씬 작은 선량에 대해 서도 같은 비율로 위험이 존재한다고 가정하여 허용치를 계산한다. 표3에서 보인 바와 같이 지역별 자연 방사선량은 일정하지 않으 며, 이러한 차이로 인한 건강 영향은 보고되지 않고 있다

39 표 3. 유효선량의 생물학적 효과 및 유효선량의 예 구분 (전신피폭 기준) 증상 없음. 암 및 유전자 변형 위험 있음 (논란이 있는 가설). 증상 없음. 적혈구 일시 감소. 암 및 유전자 변형 위험 있음 (논란이 있는 가설). 유효선량 msv msv 두통 등 약한 방사능 증세 시작, 면역세포 교란을 통한 감염 가능성, 남성 일시적 불임 msv 가벼운 피폭증세, 30일 이후 사망률 10% msv 중대한 피폭증세, 사망률 100% 일반인 연간 제한치 (ICRP 기준) 방사선 종사자 연간 제한치 > 6000 msv 최대 1 msv/년 20 msv/년 자연방사선 이란 람사 브라질 구아라파리 미국 평균 한국 평균 CT 촬영 (복부) 엑스선 촬영(요추) 엑스선 촬영(흉부) 뉴욕행 비행기 탑승(왕복) 엑스선 촬영(치아) 10 (최대 260) msv/년 5.5 (최대 35) msv/년 3.1 msv/년 2.4 msv/년 msv/회 msv/회 msv/회 ~ 0.2 msv/회 msv/회 (

40 3.2.4 피폭 선량 제한치 국제방사선방호위원회(ICRP)는 인체에 대한 방사선의 영향을 방 사선 방호의 입장에서 (i) 확률적 영향, (ii) 확정적 영향의 두 가지로 분류하였다. 확률적 영향이란 그 이하에서는 영향이 나타나지 않는 문 턱값 선량이 존재하지 않는 경우이고, 확정적 영향이란 문턱값 선량이 존재하는 경우이다. 인체에 미치는 영향에 대한 지식이나 데이터가 충 분치 못하여 논란이 있을 수 있는 부분이기 때문에, ICRP에서는 보수 적인 견지에서 피폭선량의 제한치를 권고하고 있다: 작업자 기준 20 msv/년, 일반인 기준 1 msv/년 재해 대책 ICRP는 방호조치를 실시함에 있어서 선량이 일정 수치를 넘을 경우 개입을 하는 개입 레벨을 권고하고 있으며, 국제원자력기구 (IAEA)의 기본안전 지침으로 개입 레벨과 대책 레벨을 제시하고 있 다. 이를 기반으로 현재 국내에는 아래와 같은 방호 조치가 마련되어 있다. 일반 주민에 대해서 중대사고 발생시 개입 레벨에 의거하여 옥 내 대피, 소개, 요오드제 배포, 피난, 음식물 섭취 제한 등의 조치를 취하게 된다. 표 4. 방호 조치 보호조치 옥내 대피 소개 요오드제 복용 일시 이주 영구 이주 일반 개입준위 (유효선량) 10 msv 50 msv 100 msv 30 msv/첫 월, 10 msv/다음 월 1 Sv/평생

41 표 5. 음식물 섭취 제한 일반음식물 (Bq/kg, Bq/L) 방사성 핵종 육류,어류, 야채, 곡물 과일 물,우유 유아식품 Cs-134, Cs-147, 1군 Ru-103, Ru-106, 2, Sr-89 2군 I-131, Sr-90 1, 군 Am-141, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-242 4군 H-3 100, 후쿠시마 원전사고로 인한 방사성 물질 유출, 확산 및 거동 주요 방사성 물질의 종류와 양 원자력 에너지는 우라늄 연료의 핵분열 연쇄반응에서 발생되는 막 대한 에너지를 이른다. 일반적으로 핵분열 연쇄과정의 부산물로 수 백 종의 다양한 방사성 동위원소들이 생성되며 경수로 원전의 연소된 핵연 료에는 다음과 같은 방사성 물질이 존재한다. 그림 24. 연소 후 핵연료 내 방사성 물질 발생량 분포

42 원자력발전소에는 방사성 물질의 외부로의 유출을 차단하고 억제하 는 다중 방벽이 설치되어있지만, 노심용융과 원자로 폭발 등으로 원자로 압력용기, 격납용기 등의 공학적 방벽이 제 역할을 하지 못할 경우, 대 량의 방사성 물질이 주변 환경으로 유출될 수 있다. 외부로의 유출 가능 성이 큰 방사성 물질은 다음의 3가지로 분류되어진다. Ÿ Ÿ Ÿ 비활성기체 방사성 물질(제논, 크립톤) 휘발성 방사성 물질(요오드, 세슘) 에어로졸/미세먼지 형태의 핵물질과 이에 흡착되는 방사성 물질 이번 후쿠시마 원전사고로 인해 외부로 누출된 주요 방사성 물질은 제논, 크립톤, 요오드, 세슘 등이다. 2002년 OECD-NEA 보고서 36) 에 의하면, 실제 체르노빌 원전사고 에서 제논(Xe), 크립톤(Kr) 등과 같은 비활성기체 방사성 물질의 100% 가 주변 환경으로 유출되었고 휘발성 방사성 물질인 요오드(I)와 에어로졸 세슘(Cs), 텔루늄(Te) 등은 10 ~ 20% 가량이 유출되었으며, 그리고 3.5% 가량의 핵연료 물질(Zr, Np, Pu, Am, Cm 등)이 마이크로미터 크기 의 미세먼지로 유출되었다고 밝혔다. 현재까지 후쿠시마 사고 원전에서 유출된 방사능 총량은 37만 테라 베크렐에서 63만 테라베크렐로 잠정 추산하고 있으며 체르노빌 사고 때 방출된 방사능 총량인 520만 테라베크렐(테라 = 1조)의 10분의 1수준인 것으로 추정하고 있다. 후쿠시마 사고 원전 냉각을 위해 매일 500톤 가량의 냉각수를 주입 하였으며 현재 총 50,000톤 정도의 고방사성 오염수와 30,000톤 가량의 저방사성 오염수가 발생한 것으로 보고하고 있다. 특히 20,000여 톤 정도 의 고방사성 오염수 웅덩이가 2호기 터빈기계실에 존재하는 것으로 확인 되었다 후쿠시마 원전 사고의 방사성 물질 유출 및 확산 주변 환경으로 방사성 물질의 확산은 대기와 물에 의해 이루어진 다. 이번 후쿠시마 사고 원전에서도 수차례에 걸친 방사성 오염 증기 배 출, 수소폭발, 오염수 누출 및 방류 등으로 다량의 방사성 물질이 주변 36) Chernobyl: Assessment of Radiological and Health Impacts, OECD-NEA,

43 환경으로 유출되었다. 방사능 확산 규모는 주변의 기상조건에 의해 결정되며 특히 풍향 과 풍속에 따라 그 피해 지역과 규모가 달라진다. 이와 더불어 상대적으 로 물에 잘 녹는 화학적인 특성을 가진 요오드와 세슘 화합물은 원자로 냉각을 위해 주입된 해수와 담수에 녹아나와 발전소 건물 균열을 따라 지하수나 인근 바다에 유입된 것으로 일본 정부는 밝혔다. 후쿠시마와 체르노빌 원전사고의 진행과정이나 파급효과는 큰 차 이를 보인다. 체르노빌 원전은 원자로를 감싸는 격납용기가 별도로 있지 않은 상태에서 출력폭주로 인해 대규모 화재가 발생하여 방사성 물질이 광범위한 유럽 전역으로 급속히 퍼져나갔다. 이와 달리, 후쿠시마 원전에도 핵연료가 심하게 파손되었을 것으 로 예상하지만 원자로 압력용기와 금속 격납용기에 싸여있어 방사성 물 질의 유출을 상당부분 차단하고 있는 것으로 판단된다. 그동안 유출된 방사성 물질의 대부분은 2011년 3월 15일 수소폭발에 의해 파손된 2 호기의 압력억제수조(suppression pool)에서 새나간 것으로 일본 정부 는 밝히고 있다 일본 주요 지역 방사능 준위 국제원자력기구(IAEA)는 1992년부터 원자력 사고의 정도를 일관 성 있고 또 일반인이 이해하기 쉽게 사건등급(Event Scale)을 도입하 여 평가하고 있다. 이것이 국제원자력사고등급(INES, International Nuclear Event Scale)이며 0 ~ 7 등급으로 구분한다. 일반적으로 INES 사고등급은 유출된 방사성 요오드-131의 양을 가지고 판단한다. 이는 요오드-131이 호흡이나 음식물을 통해 갑상선에 누적되어 인체에 미치는 영향이 가장 크기 때문이다

44 그림 25. 국제 원자력 사고 등급 2011년 4월 12일 일본 정부는 후쿠시마 원전사고 등급을 국제원 자력사고등급(INES)에서 최고 등급인 7등급으로 격상한다고 발표하였 다. 이는 대량의 방사성 물질이 유출되었고 광범위하게 사람의 건강과 환경에 영향을 미치고 있으며 이는 주변국가에서도 만일의 방사능 피해 에 대비하여 세심한 주의와 대책을 마련해야함을 의미한다. 그림 26. 후쿠시마로부터 우리나라의 지형적 위치 2011년 3월 15일 후쿠시마 원전 주변 환경 방사능 수치는 2호기의

45 압력억제수조(suppression pool)의 파손 이후 일시적으로 시간당 최고 12 msv까지 증가했음을 일본 정부의 측정 자료에서도 확인할 수 있다. 원 전사고 초기에 요오드와 세슘 등으로 대기 중의 방사능 준위가 크게 증가 하였고 기상조건 특히 북서풍 혹은 북풍 등의 풍향에 따라 이와테현, 미야 기현, 이바라키현, 도지기현, 도쿄 등의 동부 해안 지역으로 확산되었다. 현재 일본 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치는 6세 이하의 영유아 섭취 허용 방사능 제한치 100베크렐/킬로그램 이하로 떨어져 있다. 반감기가 8일인 요오드-131의 양은 시간이 경과함에 따라 지속적으로 감 소하리라 판단된다. w 후쿠시마 원전 부지 내 대기중의 환경 방사능 수치 변화 그림 27. 후쿠시마 원전 부지 내 대기중의 환경 방사능 수치 변화

46 w 후쿠시마현 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치 변화 37) 그림 28. 후쿠시마현 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치 변화 w 이바라키현 주변 대기 중의 환경 방사능 수치 변화 그림 29. 이바라키현 주변 대기 중의 환경 방사능 수치 변화 37) 일본 식수 섭취 방사능 한계치(성인 제한치: 1킬로그램(1리터)당 300베크렐, 6세 이하 영유아 제한 치: 1킬로그램(1리터)당 100베크렐)

47 w 도쿄 주변 대기 중의 환경 방사능 수치 변화 38) 그림 30. 도쿄 주변 대기중의 환경 방사능 수치 변화 w 도쿄 주변 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치 변화 그림 31. 도쿄 주변 상수처리 시설의 요오드 131 방사능 수치 변화 38) 점선은 후쿠시마 원전 사고 이전 평상시 자연방사선 피폭선량 범위를 보여준다

48 3.3.4 과거 스리마일아일랜드(TMI)/체르노빌 사고의 방사능 피해 1979년 3월 28일 발생한 미국 TMI 사고는 국제원자력사고등급 (INES) 5인 원전 사고였다. 하지만 TMI 사고로 인한 인명피해는 전무했 으며 건전성을 유지한 1미터 두께의 콘크리트 격납용기 덕분에 사고 기간 중 반경 16 킬로미터 이내 인근 주민의 방사능 피폭은 미국민 연간 평균 자연방사선 피폭선량인 약 3mSv에도 훨씬 미치지 못하는 약 0.08 밀리시 버트 방사선 피폭선량 39) 정도였다. 한편 개인적으로 받은 최대 방사선 피 폭선량은 자연방사선 피폭선량의 3분의1 수준인 1 밀리시버트 이하의 양 이라고 밝혔다. 이에 견주어, 1986년 4월 26일에 발생된 체르노빌 원전사고는 우크 라이나, 벨라루스와 러시아 외에도 거의 유럽 전 영역으로 방사능 오염이 확산되었다. 체르노빌 원전사고 발생 몇 시간 후에 3명이 과다 방사선 노 출로 인해 사망하였으며 134명이 고방사능피폭으로 급성 방사선 질환의 피해를 받았다. 이 중 28명은 사고 경과 4개월 이내에 방사선피폭 후유증 으로 사망하였다. 2008년 통계에 의하면 총 64명이 방사능 피폭으로 사망 한 것으로 보고하였다. 40) 체르노빌 사고 후 방사성 물질 누출 방지와 누출 방사능 처리 작업에 투입된 해체작업자들 중 작업 초기인 1986년에서 1990년 사이에 투입된 53만 명의 작업자들은 평균적으로 약 120 밀리시버트의 방사능에 계속해 서 피폭되었다. 40) 공식 보고서에 따르면, 이들 중 25,000명이 사망하였지 만 이들의 사망 원인과 방사능 피폭과의 직접적인 관계는 과학적으로 입증 되지 않았다. 41) 사고 당시 복구 작업과 추후 사고 처리에 투입된 인원 중 소수의 그 룹은 위험한 수준의 방사선에 노출되었고 방사선 피폭 후유증에 대한 모니 터링은 현재에도 지속적으로 이루어지고 있으며 반년에 적어도 한 번 정도 정기적 건강검진을 받고 있어 건강에 대한 불안을 가지고 살고 있는 실정 이다. 체르노빌 원전 반경 30km 지역은 여전히 통제구역으로 치명적이 지는 않지만 방사능 수준이 여전히 정상치보다 높다 후쿠시마사고로 인한 한반도 방사능 피해 현황 39) 흉부 엑스레이 1회 촬영 시 방사선 피폭선량은 0.1 ~ 0.3 밀리시버트. 40) UNSCEAR 2008 Sources and Effects of Ionizing Radiation 41) Swiss Agency for Development and Cooperation. The situation in Russia

49 일본 후쿠시마 원전 사고는 우리나라 국민들의 방사능 피해에 대 한 우려와 불안을 가중시키고 있다. 이에 대해서 한국원자력안전기술원 (KINS)은 전국 71개소의 환경방사선 자동감시망에서 매 5분마다 측정 되는 방사선 준위를 공개하고 있다. 그림 32. 전국 71개소 환경방사선 측정 자동 감시망 그림 33. 한국원자력안전기술원 중앙방사능측정소 2011년 3월 23일 강원도에서 기체 방사성 물질인 제논이 검출된데 이어 4월 들어선 전국에서 극미량의 방사성 요오드와 세슘이 대기와 빗물

50 에서 검출되었다. 우리나라에서는 4월 6일 - 4월 7일 대기 중의 방사능 수치가 가장 높았던 것으로 측정되었다. 이 기간 동안 검출된 요오드-131 과 세슘-137의 최대 방사선량을 1년간 지속적으로 흡입한다는 보수적인 가정으로 환산하여도 msv와 msv로 일반인 연간선 량한도(1 msv)와 비교하여 각각 1/7100, 1/1600 수준이다. 현재 한반도 전역에서 측정되고 있는 방사선량은 평상시 시간당 자연방사선량 ( msv/h msv/h) 이내의 수준을 유지하고 있으며 우 리 국민의 건강과 환경에 미치는 영향은 무시할 수 있다. 3.4 향후 후쿠시마 원전 방사능 리스크 대부분의 일본 지역 내 시간별 방사능 준위는 후쿠시마 원전 부근을 제외 하고는 평상시 수준이지만 1~3호기 원자로와 4호기의 사용후핵연료 저장조는 여전히 잠재적 방사능 재해 위험을 가지고 있다. 따라서 후쿠시마 원전사고는 여전히 진행형이다. 원전운전중 원자로 폭발과 흑연감속재의 폭발로 유럽 전역에 방사능 피해 를 입혔던 체르노빌과는 달리, 이번 일본 후쿠시마 원전사고의 방사능 오염은 우선 반경 30km 반경 내 인근지역 토양, 지하수에 집중되리라 판단되며 오랜 시간에 걸쳐 방사능 제염작업이 수반되어야 한다. 현재에도 후쿠시마 원전 주변 30km 이내 지역은 거주제한 지역으로 지정되어 있다. 체르노빌뿐만 아니라 일본 지역 내 시간별 방사능 준위 변화에서 알 수 있 듯이, 초기 방사능 준위는 반감기가 8일인 요오드 ) 이 주도하지만 시간 이 경과하면 30년의 반감기를 가진 세슘-137이 주도한다. 따라서 고방사성 오 염지역의 방사성 표토를 제거하고 지하수로 방사성 물질이 유입되는 것을 차단 해야 하며 농 수산물 등 동식물 먹이사슬로의 전이를 최대한 방지해야만 한다. 지금까지 우리나라의 방사능 리스크는 자연방사선 피폭선량에도 훨씬 못 미치는 미미한 수준이지만 음식물과 식수원에 대한 지속적이고 철저한 방사성 물질 오염 여부 측정과 정보의 투명한 공개를 통해 국민들의 불안을 줄이는데 세심한 주의가 필요하다. 42) 반감기의 10배 시간이 지나면 방사능 농도는 대략 1000분의 1정도로 감소한다

51 4. 후쿠시마 원전 사고의 10대 교훈 이번 일본의 원자력 발전소 사고를 통하여 우리가 얻을 수 있는 교훈을 몇 가 지 정리해 보면 다음과 같다. 4.1 기술적인 측면 Ÿ 비상전기공급 등 비상냉각시스템 강화 이번 사고의 근본 원인은 지진이 아니라 쓰나미에 의한 단전에서 비롯 된 것이었다. 지진, 쓰나미, 테러 등 제반 상황에 대해서도 전원 공급만은 중 단되지 않도록 다중 비상전원 공급계통을 완비하여야 한다. 소내 외 전원이 완전히 상실된 상황에서도 신속히 복구를 진행하고 외부 전원을 끌어올 수 있도록 유관 기관간의 협조 및 관련 시스템을 구축해 두어야 할 것이다. 또한 발전소의 비상냉각계통이 그 기능을 상실했을 때도 이용할 수 있는 비상 수 원(water source)을 확보해 두고, 비상 전력시스템과의 연계를 통하여 사고 시에 즉시 이용할 수 있는 시스템을 구축해 두어야 한다. Ÿ 사용후핵연료 관리에 대한 안전성 강화 이번 원전사고에서 예상치 못한 복병으로 떠오른 것이 바로 4호기 내에 저장되어 있던 사용후핵연료였다. 전원 상실로 인하여 사용후핵연료 냉각에 도 문제가 생겼을 뿐만 아니라 별다른 격납용기 없이 저장 수조에 보관되어 있던 사용후핵연료는 방사성 물질 유출 가능성에 있어서도 그 심각성이 대두 되었다. 이러한 사실을 바탕으로 국내 사용후핵연료 보관 시설에 대하여도 비상전원공급시스템을 점검하고, 사고시 전원이 상실된 상태에서도 잔열 제 거가 가능하도록 하는 피동냉각계통을 고려하는 등의 냉각대책 수립을 강화 하여야 할 것이다. 또한 사고 시에 사용후핵연료로부터의 방사성 물질 유출 을 막을 수 있도록 저장시설 건물의 견고성을 증진시킬 필요가 있다. Ÿ 수소 제거 시스템의 점검 및 보완

52 이번 사고에서는 원자로 건물 내에 수소제어가 되지 않았기 때문에 수 소가 구조물의 상부에 밀집되어 폭발이 일어나게 되었다. 국내 원자력 발전 소에는 중대사고시 수소폭발을 예방 할 수 있도록 수소 재결합기(hydrogen recombiner), 수소 연소기(hydrogen ignitor), 피동촉매형 수소 재결합기 (passive autocatalytic hydrogen recombiner, PAR)등의 수소 제어를 위 한 안전 설비들이 구비되어 있다. 그러나 이들 설비의 대부분(PAR제외)은 역시 전원 공급을 필요로 하므로, 기존의 설비들의 안전성 재점검은 물론 피 동 설비들을 확충할 필요가 있다. Ÿ 확률론적안전성분석(PSA) 등을 통한 기존 원전 안전성 재점검 이번 원전 사고는 예상할 수 없을 만큼 강력한 외부의 영향으로부터 비 롯된 사고였다. 현재 수행된 원자력발전소의 PSA 분석은 예상 가능한 시나 리오들로 이루어져 있으나, 이번 사고를 계기로 예상할 수 없는 광범위한 외 부 위험의 가능성을 PSA 분석에 포함하여 고려하여야 한다. 이를 통하여 현 재 운전중인 원전의 안전성을 재평가하고 그 취약점을 파악하여 필요한 설비 를 보충하는 등의 방법을 통하여 원전의 안전성을 제고하도록 한다. Ÿ 피동 안전계통 강화 등을 통한 신규원전 안전성 향상 이번 사고에서는 단전이나 지진 등으로 펌프가 고장 나더라도 자연 순 환에 의해 필요한 최소한의 냉각이 되었다면 사고가 확대되지 않았을 가능성 이 높다. 따라서 전기나 펌프가 고장 나더라도 냉각과 수소 배출, 기본적인 계측이 이뤄질 수 있도록, 중력 등에 의하여 자동적으로 작동할 수 있는 피동 안전 시스템을 보강할 필요가 있다. 특히 앞으로 계획 중인 신규원전에 대하 여는 피동설비확충을 대폭 강화하여 전원공급이 완전히 상실되는 비상 상황 에서도 안전성을 높여 신규원전에 대한 전체적인 안전성 향상의 계기로 삼도 록 한다. 4.2 제도적인 측면 이러한 기술적인 측면에서 원자력 발전소의 물리적 안전성을 향상시킴과 동시에 그것을 관리하고 이용하는 제도적 측면에서도 이번 사고를 통하여 우리

53 가 얻을 수 있는 교훈은 다음과 같다. Ÿ 중대사고시 대응할 수 있는 매뉴얼의 확립 사고발생시 임기응변적으로 대응하기 보다는 체계적이고 신속하게 대 응할 수 있도록 비상계획 매뉴얼을 보완하여야 한다. 특히 지진, 쓰나미, 테 러, 단전, 항공사고 등 원전관련 중대 사고에 대한 각종 시나리오에서 이번 사건을 계기로 기준을 상향 조정할 필요가 있다. Ÿ 비상지휘체계(control tower)의 기능 강화 및 고급인력 양성 이번 사고에서 드러난 문제 중 하나는 막상 중대사고가 발생했을 때 대 처할 수 있는 전문 인력이 부족했다는 점이다. 원전 사고 시에는 운전원의 초기 대응이 매우 중요하므로, 최상의 판단으로 신속하게 대처할 수 있는 전 문가의 확보가 중요하다. 사고 발생시 여러 관련자나 기관들에서 우왕좌왕 하기보다는, 신속하고 정확한 의사 결정을 내릴 수 있는 일종의 사령탑을 구 성하고 또 이를 효율적으로 전달하여 수행할 수 있는 확고하고 효율적인 의 사결정 및 전달 시스템 구축이 요구된다. 이를 위해서는 최상의 판단으로 신 속하게 대처할 수 있는 전문가의 확보가 중요하므로, 핵심 운전 인력이 원전 운전 특성과 사고시 거동 및 대응 방법에 대한 충분한 이해를 가질 수 있도 록, 인력을 보강하고 실질적인 교육 훈련을 실시하도록 해야 한다. Ÿ 중대사고를 포함한 안전 관련 연구를 증진하고 매뉴얼에 반영 이번 사고의 직 간접적인 원인이 되었던 지진, 쓰나미에 대한 설계 기준 강화와 새로운 대비책 개발 등이 필요하다. 최악의 전원계통 사고에 대비한 새로운 전원 시스템, 전원차단, 사고 시에도 수소가스를 처리할 수 있는 시스 템, 펌프 시스템, 수동 또는 자연환류식 냉각 시스템 등, 중대사고 발생 시나 리오와 발생시 필요한 설비 등에 관련된 연구를 더욱 강화하여 그 연구 결과 를 신규원전 설계에는 물론, 매뉴얼에도 반영하여야 한다. 또한 연구 결과에 따라 설계 기준이 대폭 강화되더라도 경제성이 크게 훼손되지 않을 수 있는 혁신적인 아이디어 창출과 기술 개발도 수반되어야 한다. Ÿ 국제 협력 및 산학연 협력을 통한 정보 및 지식 교류

54 비상사태 발생시 효과적으로 대처할 수 있도록 유관 기관 및 원자력 안 전 전문가 네트워크를 구축하여야 한다. 안전과 관련된 핵심 지식의 확보 및 연구개발 측면에서는 모든 관련 당사자 간의 소통과 협력이 절대적으로 중요 하므로 전문 연구기관을 중심으로 하는 산학연관 협력 체계를 강화하도록 한 다. 또한 사고시 인접 국가와의 실질적인 정보 및 지식 교환이 가능하고 대처 방안을 공유할 수 있도록 국제 협력 체제를 강화해야 한다. Ÿ 안전문화 확립 및 국민이해 증진 국내 원전 시설의 안전성 측면에서의 장점에도 불구하고, 이번 지진과 쓰나미와 같이 예상을 초월한 사고의 가능성은 늘 존재할 수 있다. 따라서 무엇보다도 운전원 및 원자력 관련 종사자들의 안전문화 확립이 중요하다. 안전의 중요성을 개개인이 충분히 인식하고, 관리자와 조직 차원에서도 자신 의 업무를 수행함에 있어서 엄격하고 신중한 접근 자세를 바탕으로 하는, 안 전성 확보를 최우선으로 하는 태도를 갖추어야 할 것이다. 또한 우리나라의 원전은 안전하다는 것을 사실적이고 정확한 정보 공개를 통하여 국민들에게 적극 홍보하고, 이러한 안전 문화를 바탕으로 국민이해 증진에도 노력을 기 울이도록 해야한다. 이번 사고를 통하여 원자력의 이용에서는 확고한 안전성의 확보가 무엇보다 도 중요하다는 사실이 다시 한 번 입증되었으며, 세계 원자력계는 원전에 대한 설 계와 운영과 관련하여 근본적인 재검토를 하게 되었다. 우리나라도 이번 사고를 거울삼아 국내 원자력 발전에 대한 안전을 재점검하고, 안전성을 제고할 수 있는 계기로 삼아야 할 것이다

55 5. 부 록 후쿠시마 제1발전소 사고 일지 2011년 3월 11일 (금, 사고 1일) 년 3월 11일 14시 46분에 일본 동북( 東 北, 도호쿠)지방의 미야기 현 동쪽 해저에서 발생한 규모 9.0의 지진이 발생함. 1,2,3호기는 자동 정지되었고 4,5,6호기는 정기유지보수를 위해 정지 중이었음. 4호기는 2010년 11월 원자로의 모든 연료를 사용후핵연료 저장조로 이동시킨 상 태였음. 외부 전원이 상실됨. 짧은 시간 동안 비상디젤발전이 발전소 냉 각장치에 전원을 공급함. 쓰나미가 발전소 부지를 침수시킴. 비상디젤발 전기 가동이 중지됨. 1,2,3호기에서 증기터빈으로 구동되는 원자로격리냉 각시스템(RCIC, Reactor Core Isolation Cooling System)과 3호기의 고압냉각수주입시스템(HPCI, High-Pressure Coolant Injection System이 1,2,3호기의 노심으로 냉각수를 주입함. 발전소 주변 3km 이 내의 주민에게 소개령 내려짐. 2011년 3월 12일 (토, 사고 2일) - 백업 배터리 공급이 중단됨. 1,2,3호기의 냉각기능이 상실되거나 심각하 게 손상됨. 압력조절응축수조(Pressure Suppression Pool)로의 증기배 기로 인한 압력증가. 1호기의 격납용기 배기함. 10km 이내 주민의 소개 령 발동. 1호기의 수소폭발로 사용후핵연료 저장조 등이 있는 원자로건 물 상부부분 파손. 사용후핵연료 저장조 대기로 노출. 소개범위 20km로 확대. 1호기 해수주입 시작됨. 2011년 3월 13일 (일, 사고 3일) - 3호기 격납용기 배기. 3호기 해수주입 시작. 2011년 3월 14일 (월, 사고 4일) - 3호기 수소폭발 발생. 3호기 원자로건물 상부 심각하게 파손. 1,2,3호기의 원자로용기내부 수위가 핵연료 아래로 보고됨. 1,2,3호기 모두 핵연료 손 상 예상됨. 1,2,3호기 모두 격납용기 건전성은 유지함. 2호기 해수주입 시 작. 2011년 3월 15일 (화, 사고 5일) - 4호기 화재 발생. 4호기 원자로건물 최상층 손상 확인. 2호기 격납용기 배기 시작. 2호기 원자로건물 내부에서 수소폭발 발생. 압력조절응축수조 의 파손이 의심됨. 2호기 원자로건물은 손상 없음. 4호기 추가 폭발로

56 원자로건물 상부 파손 확대. 4호기 사용후핵연료 저장조의 냉각수 비등 위험이 보고됨. 5호기 사용후핵연료 저장조의 수위가 핵연료 최상부 위 쪽 2미터까지 하강함. 6호기 비상디젤발전기 1기가 5호기와 6호기 사용 후핵연료 저장조 냉각장치에 전원공급 시작. 2011년 3월 16일 (수, 사고 6일) - 4호기 사용후핵연료 저장조 부근에서 다시 화재 발생. 20km 이내 소개 조치 완료. 3호기에서 연속적인 수증기 배출이 관찰됨. 3호기 사용후핵 연료저장조의 냉각수 비등에 의한 것으로 추정. 2011년 3월 17일 (목, 사고 7일) - 헬리콥터를 사용해 해수를 3호기 사용후핵연료 저장조에 살수. 특수소방 펌프와 폭동진압용 물펌프를 사용한 해수 살포도 병행함. 2011년 3월 18일 (금, 사고 8일) - 3호기 해수살포 지속함. 1,2,3,4호기 사용후핵연료 저장조에 냉각수를 주 입하는 작업이 최우선 순위가 됨. 2011년 3월 19일 (토, 사고 9일) - 3호기 해수살포 지속함. 5,6호기는 6호기의 비상디젤발전기 2기를 이용 한 사용후핵연료저장조 냉각 시작됨. 발전소 주변에서 생산된 우유와 시 금치가 일본기준을 초과함. 도쿄 등에서 기준치를 넘지 않지만 평소 이상 의 방사능이 계측됨. 후쿠시마의 수돗물에서 기준치 이상의 방사성 요오 드 검출. 2011년 3월 20일 (일, 사고 10일) - 3호기 해수살포 지속함. 5,6호기 사용후핵연료 저장조 냉각수 온도 하 강하기 시작함. 3호기 사용. 2호기 사용후핵연료저장조로 40톤의 해수 주입. 2호기 임시 전원센터에 외부전원 연결. 5,6호기 냉온정지(Cold Shutdown) 상태 도달. 2011년 3월 21일 (월, 사고 11일) - 1,2,5,6호기 외부전원 연결. 1,2호기 전원이 임시배전반에 연결됨. 1,2호 기에서 지진과 쓰나미 영향을 받은 기기의 점점 시작됨. 5호기 전원이 6 호기 비상디젤발전기에서 외부전원으로 전환됨. 일본정부가 시금치와 우 유의 유통을 잠정 중단하도록 조치함. 2011년 3월 22일 (화, 사고 12일) - 3,4호기 외부전원 연결로 6개 호기 모두 외부전원 연결됨. 1,2호기 기기 점점 지속됨. 5,6호기 냉온정지 상태를 유지하며 사용후핵연료 저장조

57 냉각 지속. 1,2,3,4호기 배수구에서 방사성 요오드(I-131) 및 세슘 (Cs-134, 137)의 농도가 규제 제한치 초과함. 2011년 3월 23일 (수, 사고 13일) - 3,4호기 해수살포 지속. 1~6호기 외부전원 공급 작업 지속. 3호기 주제 어실 조명 점등. 5,6호기 외부전원이 비상디젤발전기 1기로 전환됨. 2011년 3월 24일 (목, 사고 14일) - 1호기 원자로용기 온도가 400 C에 근접하여 설계온도 302 C를 초과 함; 냉각수 주입량 증가시킴. 3호기에서 검은색연기가 발생하여 모든 작 업 일시 중지. 방사선 준위의 변화는 없음. 1,2,3,4호기에서 증기배출이 관찰됨. 1호기 증기배출은 최초로 관측됨. 3호기 터빈건물에서 배선작업 중이던 작업자 3명이 고준위 방사선에 피폭됨. 2명의 작업자는 고준위 베타선 피폭에 의한 화상이 의심되어 병원으로 후송됨. 3명의 작업자는 170mSv에서 180mSv의 피폭을 당함. 동경전력이 17명의 작업자가 100 msv 이상의 피폭을 받았음을 발표함. 2011년 3월 25일 (금, 사고 15일) - 2호기 주제어실 전원 공급. 오전 6시 1호기 원자로용기 온도가 400 C 에서 C로 하강함. 1,2,3,4호기 건물외벽온도가 20 C 이하로 하 강함. 3호기 사용후핵연료 저장조 외벽온도가 전일 56 C에서 31 C로 하강함. 2011년 3월 26일 (토, 사고 16일) - 2,3호기 해수주입에서 붕산을 첨가한 담수주입으로 전환하고 엔진펌프에 서 전동펌프로 전환함. 2,3호기 주제어실 조명이 복구되어 1,2,3호기 모 두 주제어실 조명 사용. 2011년 3월 27일 (일, 사고 17일) - 4호기 사용후핵연료 저장조에 콘크리트펌프를 사용한 냉각수 주입 간헐 적 수행. 2호기 터빈건물로의 방사성 오염수 누출을 줄이기 위해 2호기 로 주입하는 냉각수의 양을 줄임. 2011년 3월 28일 (월, 사고 18일) - 후쿠시마 제1발전소 부지 내에서 플루토늄 검출. 검출량은 평상시 검출 량과 큰 차이 없는 건강에 영향 없는 수준임. 1,2,3호기 터빈빌딩의 물에 서 방사성 물질이 검출되어 방사성 물질의 누출을 줄이면서 노심을 냉각 해야함. 2호기의 경우 물 표면에서의 선량률이 1000 msv/h 이상, 3호 기의 경우 750 msv/h, 1호기의 경우 60 msv/h 수준임. 2호기 터빈건 물 외부 웅덩이(트랜치)에서 고준위 방사선이 계측됨

58 2011년 3월 29일 (화, 사고 19일) - 1호기 해수주입에서 붕산을 함유한 담수 주입으로 전환하고 엔진펌프에 서 전동펌프로 전환. 2011년 3월 30일 (수, 사고 20일) - 2,3호기 해수주입에서 담수주입으로 전환. 1,2,3,4호기에서 흰색 연기 발 견. 4호기 사용후핵연료 저장조 담수 살포 시작. 2011년 3월 31일 (목, 사고 21일) - 바지선을 통해 추가적인 담수 공급. 1,3호기 사용후핵연료저장수조로 민 물 살포. 2011년 4월 1일 (금, 사고 22일) - 2호기 사용후핵연료저장조로 담수공급. 4호기 사용후핵연료저장조로 콘 크리트 펌프를 통한 담수 공급. 2011년 4월 2일 (토, 사고 23일) - 1,3호기 사용후핵연료저장수조로 콘크리트 펌프를 이용한 살수. 바지선 을 통한 2차 담수 공급. 2호기 냉각해수 유입구 근처의 케이블 저장조에 1000 msv/h를 초과하는 고방사능 검지. 방사성 물이 유출되는 약 20 cm 크기의 균열 발견. 균열을 막기 위한 작업 개시. 2011년 4월 3일 (일, 사고 24일) - 1,2,3호기에 외부전원을 사용하는 전동펌프를 이용한 원자로 냉각수 주 입 지속. 4호기 사용후핵연료 저장조에 콘크리트 펌프를 사용한 냉각수 살포 지속. 콘크리트 균열 메꿈작업 지속. 2011년 4월 4일 (월, 사고 25일) - 11,500톤의 저준위 방사성 냉각수의 해수로의 방출을 TEPCO가 결정함. 터빈 건물에 고인 고준위 방사성 냉각수 등을 수집 처리하기 위해 저장 되어 있던 저준위 냉각수의 방출을 결정함. 근해의 어류와 해초류를 섭취 할 경우 연간 약 0.6 msv의 추가적인 피폭이 예상되는 수준임. 이 수준 은 자연방사선 피폭의 1/4 수준임. 2011년 4월 5일 (화, 사고 25일) - 4호기 사용후핵연료저장조로 콘크리트 펌프를 이용한 냉각수 살포 지속. 2호기 콘크리트 균열부위 막음 작업 지속. 2011년 4월 6일 (수, 사고 26일) - 2호기 콘크리트 균열부위 막음 작업 완료로 누출 멈춤. 1호기 격납용기

59 내부에서의 수소폭발을 방지하기 위한 질소주입 준비. 2011년 4월 7일 (목, 사고 27일) - 새벽 1:31 1호기 격납용기 질소주입 시작. 격납용기 압력이 2.5기압(원 래 압력에서 1기압 증가)될 때까지 주입할 계획. 약 7일 소요 예정. 7.1 규모의 여진이 후쿠시마 제1발전소 근해에서 발생. 2011년 3월 11일 9.0 지진 이후 가장 큰 규모임. 후쿠시마 제1발전소에 안전 영향은 없음. 2,4호기의 사용후핵연료저장조로 냉각수 공급. 2011년 4월 8일 (금, 사고 28일) - 3호기에 담수 75톤 살수 2011년 4월 9일 (토, 사고 29일) - 1호기 격납용기 압력이 질소주입에 의해 4월 7일 1:20 1.5기압에서 4월 9일 12:00 1.9기압으로 증가됨. 5,6호기 수집조(Sub Drain)의 1,320톤 방류 완료 (4월 8-9일). 2011년 4월 10일 (일, 사고 30일) - 1-4호기 중앙폐기물처리설비의 물 9,070톤 방류 완료(4월4-10일). 2011년 4월 11일 (월, 사고 31일) - 오후 5:16 하마도리 (후쿠시마 제2발전소 인근) 리히터 규모 7.1의 여 진 발생. 모든 작업자 TSC 건물로 대피. 1,2,3호기 외부전원이 일시 중 단됨. 오후 6:00경 전원 복구됨. 방사성 오염수 방출과 질소주입작업이 중단/연기됨. 오후 5:00 기준 3000m 3 의 질소 주입. 격납용기(드라이웰) 압력이 오후 8:00경 1.99 기압임. 지속적인 주입에도 압력이 기압으로 유지되므로 격납건물의 미세 누출이 있는 것으로 추정. - 에다노 관방장관이 비상대피구역을 현재 20km 영역에서 확대함을 발표. 대피구역 내의 연간 선량이 24mSv를 초과할 것으로 보여 영역을 확대 함. 30km 영역내의 주민에게 옥내대피 혹은 자발적 외곽 대피를 권고함. 2011년 4월 12일 (화, 사고 32일) - NISA의 방사성 물질 누출량 추정결과 I Bq, Sc Bq로 I-131 환산 Bq의 방출량이 평가됨. 이는 체 르노빌의 대비 10% 수준. 일본원자력 안전위원회가 후쿠시마 제1발전소 사고를 INES 7등급으로 평가함. - 2호기 해수 스크린 부근에 방사성 오염수 확산 방지용 철체 차단막 설치 2011년 4월 13일 (수, 사고 33일) - 새벽 0시 30분 콘크리트 펌프를 이용해서 4호기 사용후핵연료 저장조에

60 195톤의 물 살수 - 3,4호기 해수 스크린 부근에 방사성 오염수 확산 방지용 모래 차단막 설 치 2011년 4월 14일 (목, 사고 34일) - 1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내주입 지속. 2011년 4월 15일 (금, 사고 35일) - 1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내주입 지속. 2011년 4월 16일 (토, 사고 36일) - 1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내주입 지속. 2011년 4월 17일 (일, 사고 37일) - 1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내주입 지속. - 동경전력 사고회복을 위한 로드맵 발표. 냉각, 사고완화, 제염 등의 단계 로 진행할 예정 - 1,2,3호기 원자로건물 내부로 로봇 투입 관찰