발간사 년 월 일일본의후쿠시마제 원전에서사고가발생한지 년이지났습니다 초대형지진과쓰나미에의해비롯된후쿠시마사고는일반국민들뿐만아니라원자력전문가들에게도큰충격을주었습니다 원전을운영하는국가들은사고직후부터사고의진행과정과원인을파악하면서교훈을도출하고 이를바탕으로자국원전의안전성을강화하기위한다양한대책을마련하여추진하고있습니다 우리나라도가동중원전에대한안전점검을신속하게실시하여안전성을확인하고 추가적인안전성향상대책을수립하여적극이행하고있습니다 또한국내원자력전문가들은다양한방법으로사고에대한정보를교환하면서원전의안전성향상을위하여노력하여왔고 후쿠시마사고와관련된국제협력활동에도활발하게참여하고있습니다 한국원자력학회는사고가발생한일본에가장인접한이웃국가의원자력전문가단체로서 후쿠시마원전사고의원인 진행 결과 교훈등을객관적으로조사 분석하기위하여 년 월 후쿠시마위원회 를발족하였습니다 위원회에는 여명의연 산 학전문가가참여하여전문분야별로사고를분석하고 위원들간의반복된토론을통해교훈을도출하였습니다 이보고서는후쿠시마위원회활동의가장중요한결실이라고할수있으며 초안은이미 년 월학회홈페이지등을통해공개한바있습니다 초안에대한다양한의견과그이후에전개된상황을반영하여부분적으로수정한최종보고서를후쿠시마사고 주년에즈음하여발행하게되었습니다 이보고서는후쿠시마사고의다양한측면을체계적으로정리하고원전의안전성향상을위한구체적인방향을제시하고있습니다 국내전문가들의다양하고심도있는의견이반영된이보고서가독자들이후쿠시마원전사고를정확하게이해하는데기여하고 도출된사고의교훈과안전성향상방안은향후원자력안전정책을수립하는데중요한역할을할것으로기대합니다 아울러앞으로다양한분야에서후쿠시마사고와관련된연구를수행할때중요한참고자료로활용되기를희망합니다 후쿠시마사고후더욱바빠진업무속에서도귀중한시간을내어위원회활동을하면서훌륭한보고서를만들어내신학회후쿠시마위원회위원님들과위원회를발족하고보고서를감수해주신전임학회장님께감사의말씀을드립니다 년 월 일 사 한국원자력학회장정연호 - i -
머리말 년 월발족한한국원자력학회후쿠시마위원회 이하 위원회 라함 는일본의인접국전문가그룹으로서사고의다양한측면을객관적이고과학적으로조사 분석하여 향후관련연구를수행하거나정책을개발할때중요한참고자료로사용될수있는독립적인보고서를발행하는것을핵심목표로정했습니다 이를위하여총 여명의위원들이사고분석 환경영향 비상대응 정책 제도등 개분과를구성하여활동하였습니다 위원회는후쿠시마사고에대한 상세보고서 와 축약보고서 의작성을병행하였습니다 상세보고서는 년 월까지의분과별작업을통해총 여쪽에달하는초안을마련하였으나 사고에대해불확실한정보가많은점을고려하여보고서완성작업을당분간연기하기로하였습니다 그대신축약보고서에노력을집중하기로하고 상세보고서초안으로부터핵심적인내용을간추리고 위원들간의논의를통해사고의교훈과안전성향상방안을도출하여 년 월말초안을공개하였습니다 이최종보고서는여러전문가들의의견과새롭게입수된정보를반영하여초안을부분적으로수정 보완한것입니다 후쿠시마사고후 년이지난지금까지도원전내부로의접근에어렵기때문에사고의진행과결과에대해불확실한점이여전히많습니다 사고초기에알려졌던것과는다른사실이뒤늦게드러나는일도있고 자료들이서로일치하지않거나그대로받아들이기어려운경우도있습니다 본보고서에서는 년말까지입수된정보들을최대한객관적으로평가하려노력하였으나 부족한부분이여전히많을것입니다 또한 가치판단이필요한일부사안에대해서는위원들의의견이꼭일치하지는않는경우도있었음을밝힙니다 축약보고서초안에대해많은분이격려의말씀과함께수정 보완의견을보내주셨으며 이에대해깊이감사드립니다 보내주신의견은내부토론을거쳐반영하였으며 부족한부분은추후주기적인개정을통해보완해나갈것을약속드립니다 이보고서가학회회원을비롯하여후쿠시마사고에관심이있는분들이사고를이해하는데도움을드리고 우리원전의안전성향상에조금이나마기여할수있기를희망합니다 아울러본업에바쁜가운데서도위원회활동에적극적으로참여해주신모든위원님들과지속적인격려를보내주신전 현직학회장님을비롯한학회회원님들께깊이감사드립니다 년 월 일 사 한국원자력학회후쿠시마위원회위원장 백원필 배 - ii -
요 약 사고의특징 년 월 일 시 분발생한규모 의동일본대지진과이로인한초대형쓰나미는 만명가까운사망 실종자와수십만명의이재민을발생시켰을뿐만아니라 후쿠시마제 원전의안전설비들을크게손상시켜서대량의방사성물질이외부로방출되는대형사고를유발하였다 후쿠시마원전사고는원자로의정지는잘이루어졌으나정지후에도계속발생하는붕괴열의제거에실패하여노심 핵연료 이용융된사고로서 다음과같은핵심적인특징을갖는다 후쿠시마사고는극한복합자연재해가유발한최초의원전중대사고이다 년의쓰리마일아일랜드 사고나 년체르노빌사고와는달리외부사건 극한자연재해 과설비내부문제및인적인자가모두결합된사고라고할수있다 이로인해모든교류전원 대부분의직류전원과최종열제거기능이상실되었다 다수호기에서중대사고가발생하여장기간지속되었다 같은부지의원자로 기에서각각노심용융이대량으로진행하였고 원자로용기와격납용기도손상된것으로추정된다 특히 개호기의원자로건물이수소가스폭발로크게손상되었고 사고가수개월간지속되었으며 사용후연료저장조의안전문제도가시화되었다 대량의방사성물질이외부로방출되어토양및해양을광범위하게오염시켰다 체르노빌사고의 수준의방사성물질이누출된것으로추정되는데 비상대피가비교적신속하게이루어져서직접적인방사선피폭으로인한사망자는발생하지않았다 그러나심각한토양및해양오염과많은수의이재민발생으로국가 사회적위기가유발되었다 사고의근본원인후쿠시마사고의가장근본적인원인은원전의설계 건설 운영과정에서지진과쓰나미가빈발하는일본고유의자연환경특성을적절하게고려하지못한데있다 심지어건설당시적용된지진및쓰나미설계기준이한국원전에대한것들보다도오히려낮은수준이었다 원전건설후일본사회에서대형지진이핵심적인위협요인으로인식되면서내진성능평가와보강작업을적극적으로추진하고설계기준을크게강화하였다 그러나쓰나미에대한연구는활발하지않았고 년대이후얻어진새로운연구성과를반영한설비보강에도소극적이었다 후쿠시마원전에서현실적인쓰나미조건을고려하였다면핵심안전설비들의위치를변경하거나침수에대비한설계를보강함으로써대응능력을크게향상시킬수있었을 - iii -
것이다 아울러안전에중요한의사결정들이최상의지식에근거하지않고안전에대한막연한믿음과자만에근거하여이루어진측면이강하다 원전건설이후에도세계각국의원전에서얻어진사고및운전경험과중요한연구성과들을성실하게반영하지않으면서 우리원전은안전하다 는잘못된믿음을계속강화시켜온것이다 최신또는최상의지식이제대로활용되지않은배경으로산업체 전력회사 원전공급업체 와규제기관이일본내의관련연구계및학계로부터의도적으로고립되어있었다는점도간과할수없다 이들은상용가압경수로및비등경수로기술을완성된기술로간주하고학계와연구계전문가들의지식과지혜를잘활용하지않았던것으로판단된다 한편 경제산업성산하자원에너지청이원자력발전산업을담당하고 그산하의원자력안전 보안원 이규제를담당하는체제였으므로 보이지않는유착문화가형성되어엄격한안전규제가이루어지지않았다 아울러정부부터원자력산업계에이르기까지적절한안전문화가정착하지못했음을과거의여러사건들로부터도확인할수있다 < 표 > 후쿠시마사고의교훈요약 분야 [1] 안전철학및확보체계 [2] 중대사고예방을위한설계안전성 [3] 중대사고대처능력 [4] 비상대응 ( 방재 ) 체계 [5] 원자력안전기반 교훈 1-1) 원전안전을위한심층방어전략을보완하고강화시켜야한다. 1-2) 원전안전목표에인명손실측면과사회적위기측면이함께고려되어야한다. 1-3) 방사선안전기준, 비상대피기준등의정비와국제적조화가필요하다. 1-4) 규제기관의독립성과전문성이매우중요하다. 1-5) 안전에대한운영기관의책임이더강조되고관련인프라가강화되어야한다. 2-1) 자연재해에대한설계기준을재검토하고대응능력을향상시켜야한다. 2-2) 전원공급계통의다양성과신뢰성을강화해야한다. 2-3) 피동안전성및최종열제거기능강화를통해붕괴열를신뢰성있게제거해야한다. 2-4) 원전설계및운영에서리스크정보를더욱적극적으로활용해야한다. 2-5) 사용후연료저장조의안전특성을재확인하고강화할필요가있다. 3-1) 원전의중대사고를가정하고현실적인대응능력을갖추어야한다. 3-2) 극한적중대사고대응까지를포함하여원전절차서들이개선되어야한다. 3-3) 사고대응에중요한계측기등원전상태감시설비가보강되어야한다. 3-4) 사고대응은최상의매뉴얼구비와함께인간의창의성에도의존해야한다. 4-1) 비상대응시설을포함하여대형사고에대비한비상대응시스템을강화해야한다. 4-2) 방사선감시체계, 신속한방사능확산 영향평가, 작업자선량관리가강화되어야한다. 4-3) 원자력시설사고에대비한의료대응체계가준비되어야한다. 4-4) 원전사고에대비한소통체계가강화되어야한다. 4-5) 인접국가원전정보를확보하고사고영향을평가할수있어야한다. 5-1) 원자력안전문화가체질화되고독립적으로평가되어야한다. 5-2) 원자력안전연구가강화되고성과가공유되어야한다. 5-3) 방사선에대한이해를증진시키기위한노력이강화되어야한다. - iv -
사고가발생하고악화된기술적인배경으로는초대형쓰나미에대한무방비 중대사고대책의미흡 지진과쓰나미에의해악화된작업환경 사고진행과정에서의부적절한대응 원자로내부상태에대한정보부족 다수호기에서의동시중대사고전개등다양한요인을들수있다 전체적으로보면쓰나미후의운전원들의대응에도일부아쉬운부분이있기는하지만 이보다는안전에대한무지 과신 자만 태만의결과로사전대비가크게미흡했다고할수있다 사고의교훈및안전성향상방향후쿠시마사고에대한분석결과를바탕으로하여 안전철학및확보체계 중대사고예방을위한설계안전성 중대사고대처능력 비상대응 방재 체계 원자력안전기반등 개분야에서총 개항목의교훈을도출하였다 표 참조 도출된교훈을바탕으로국내원전의안전성을향상시키기위한기본방향을다음과같이도출하였다 후쿠시마사고후안전점검을통해도출된안전성개선대책을포함하여가동원전의안전성향상을적극적으로추진해야한다 년 월새롭게출범한원자력안전위원회를중심으로안전규제의독립성 전문성 효과성을지속적으로강화해야한다 국제기준과조화를이루면서도독자성을갖는안전철학 목표 원칙 기준을발전시켜야한다 원전안전과관련하여운영기관인한국수력원자력 주 이더주도적인역할을해야한다 후쿠시마사고의교훈과최근의연구성과들을반영하여안전성을더욱향상시키는신형원전개발노력을지속해야한다 원자력안전연구를강화하고 안전에중요한의사결정은최상의지식에기반하여이루어져야한다 원자력안전문화가모든원자력관련기관과종사자에게확고하게자리잡아야한다 원전개발및운영에있어서리스크정보의활용이확대되어야한다 국제협력을더욱강화하고실효성을높여야한다 사고후속조치를통해원전의안전성이크게향상되었듯이 후쿠시마사고의교훈을충실하게반영함으로써새롭게건설되는원전은물론이미가동중인원전들까지포함하여원전의안전성을지속적으로향상시켜야할것이다 - v -
목차 서론 후쿠시마제 원전과설계특성 일반사항 비등경수로개관 후쿠시마제 원전의주요설계특성 후쿠시마사고발생과진행 동일본대지진및쓰나미 후쿠시마사고발생과진행 사고확대억제및안정화 향후조치계획 환경영향및비상대응 방사성물질방출및확산 사고비상대응 작업종사자및주민의방사선피폭 방사성제염활동 한국내영향 사고의원인과교훈 사고발생및악화의주요원인 후쿠시마사고의교훈 결론및제안 결론 국내원전의안전성향상을위한제안 참고문헌 부록 사용된약어 부록 후쿠시마사고및대응조치진행의상세시각표 부록 후쿠시마위원회구성 - vi -
1. 서론 년 월 일 금 시 분 일본동북 도호쿠 지방의미야기현 동쪽해저 진원위치 북위 도 동경 도 해저깊이 에서발생한규모 의동일본대지진 은그자체로상당한피해를유발했을뿐만아니라 태평양연안의넓은지역에초대형쓰나미 지진해일 를유발함으로써 만명가까운사망 실종자와수십만명의이재민을발생시켰다 인근해안지역에있는원자력발전소 원전 들도그영향을받았으며 특히후쿠시마제 원전 에서는원자로의냉각기능이장기간상실되어대량의방사성물질이외부로방출되는대형사고가전개되었다 동일본대지진과원전영향 (http://www.jaif.or.jp) 토마리 카시와자키카리와 시카쓰루가미하마오히토카하마시마네 토호쿠 / 히가시도리오나가와원전지진 / 쓰나미의직접영향범위후쿠시마제1원전후쿠시마제2원전 겐카이 하마오카 토카이원전 센다이 이카타 핵연료손상이추정되는사고발생핵연료는손상되지않은사고발생지진 / 쓰나미영향을받았으나안전하게유지지진 / 쓰나미영향을받지않음 < 그림 1.1> 일본원전위치와동일본대지진 / 쓰나미의영향 이보고서에서사용하는시간은일본표준시간 으로한국표준시간 과같다 이지진에대한일본어공식명칭은 이며 영어로는 로표현되고있다 본보고서에서는의미전달이쉬운 동일본대지진 으로표현한다 쓰나미 는 지진해일 을나타내는일본어인 의발음을영어식으로표현한것이다 영어권에서도 라는단어가일반적으로사용되는것을고려하여본보고서에서도이용어로통일하였다 - 1 -
동일본대지진발생당시 일본에는총 기 의운전가능한상업용원전이있었다 이중에서대지진의영향을직접받은원전은진앙 에서가까운순서로미야기현의오나가와 원전 기 후쿠시마현 의후쿠시마제 원전 기 및후쿠시마제 원전 기 이바라키현 의도카이 제 원전 기 등총 기이다 그림 참조 이중에서후쿠시마제 원전 호기는핵연료교환및정기점검등을위해가동이정지된상태였고 정상운전중이던나머지 기는지진발생직후원자로운전이자동으로정지되었다 일본의다른지역에서운전중이던원전들은지진후에도운전을계속한것으로알려졌다 원자로 는정지된후에도상당한수준의붕괴열 이계속발생하므로지속적인냉각이필요하다 여기에필요한교류 전기는일차적으로외부전력망으로부터공급되고 이것이원활하지않을때에는원전마다설치된비상디젤발전기 들이작동하게되어있다 후쿠시마제 원전의경우 지진직후외부전력망은완전히붕괴하였지만 비상디젤발전기들이성공적으로작동하고다른안전설비들도필요한기능들을수행함으로써원자로들이안전하게냉각되고있었다 그러나지진후 분이지난 시 분과 시 분에두차례의대형쓰나미가들이닥쳐서 최대파고 추정 전기공급시설과냉각관련설비들을크게훼손했다 후쿠시마제 원전에는총 대의비상디젤발전기가설치되어있었는데 시 분경에이르자 호기의 대 공랭식 를제외하고모두기능을상실하여 호기는교류전원완전상실 상태가되었다 살아남은공랭식비상디젤발전기 대는전력시스템이서로연결된 호기와 호기에교대로전기를공급하였다 그리고호기에따라시간적인차이는있으나 축전지 에의한직류 전기공급조차도축전지또는배전반침수등으로거의모두상실하여 발전소상태의파악이어려워지고밸브개방등의안전조치를신속하게취할수도없었다 결과적으로 기의원자로에서핵연료가대량용융되고원자로건물에서대형수소가스폭발 이 차례나일어나는중대사고 가발생하였 노형구성은비등경수로 형 기와가압경수로 형 기이다 노형별특징에대해서는제 장에서설명한다 원자로정지 또는 는원자로내에서핵분열반응이멈추는것을의미한다 그런데원자로에서는핵분열반응이멈추더라도 운전과정에서 핵 연료봉안에축적된많은양의방사성물질이방사선을내면서발생하는 붕괴열 또는 잔열 이라고도함 의양이상당하기때문에지속적인냉각이필요하다 붕괴열은원자로정지직후에정상출력의약 수준이고 시간후약 일후약 개월후약 수준으로감소한다 수소가스폭발 은수소가스의농도가 이상도달하고주변에산소가 이상존재할때발생할수있는폭발현상이다 원전사고시연료봉의온도가매우높아지면핵연료를둘러싼피복재와고온의수증기가반응하여상당한양의수소가스가생성될수있다 원전에서의수소가스폭발은산업현장에서간혹발생하는수소가스폭발과같은현상으로 수소폭탄의폭발과는전혀다르다 일반적으로원전에서의중대사고 는원자로출력제어또는냉각에실패하여핵연료가대량으로손상되거나녹아내리는 용융 사고를가리킨다 - 2 -
으며 사용후연료저장조 내에보관중이던사용후연료의안전성도상당기간위협받았다 이에따라체르노빌사고시의 수준 으로추정되는대량의방사성물질이방출되어대기 토양및해양을광범위하게오염시켰으며 방사선피폭에의한피해를예방하기위해 만여명의지역주민이대피하였다 후쿠시마제 원전은사고발생약 주후부터최악의상황을벗어나기시작하여 약 주후부터는진정국면에진입하였다 사고직후의긴박한상황에는바닷물 해수 주입을통한냉각을꾀하다가점차담수 보통의물 주입으로전환하였고 년중반에냉각수순환기능이차례로작동하면서원자로와사용후연료저장조를냉각할수있었다 방사성물질의추가방출을최소화하고오염을제거하기위한노력도계속되었으며 일본정부는 년말까지사고원전들의안전유지에필요한최소한의조치가취해진것으로판단하고 장기적인수습계획을마련하여추진중이다 후쿠시마사고초기에는신뢰할만한정보의부족문제가심각하였다 대부분의국가는후쿠시마원전에대한기초정보가매우부족한상황이었으나 사고에대해긴박하게대응하던동경전력 이나원자력안전 보안원 등정부기관이제공하는정보는매우제한적이었다 국제원자력기구 등을통해입수되는자료들도피상적인경우가많았으며 평소가동원전에대한관심이낮았던일본학계및연구계의전문가들로부터도언론보도이상의정보를얻기어려웠다 그러나 년 월초부터는사고를비교적체계적으로정리한자료들이발표되었다 특히 일본정부가 년 월각료급 회의를앞두고제출한약 쪽의보고서 는그때까지확인된사항을중심으로사고에대해상세하게기술하였으며 년 월에는약 쪽에달하는 차보고서 가제출되었다 또한 일본정부가구성한 동경전력후쿠시마원전사고조사 검증위원회 의중간보고서 가 년 월발표되었고 동경전력 주 과원자력안전 보안원에서도각각사고에대한분석자료들을웹사이트를통해공개하였다 이밖에도사고원인및진행과교훈에대한다양한보고서들이세계각국으로부터발표되고있다 많은참고문헌은다양한정보와견해를담는다는측면에서는바람직하지만 사실관계가잘못된예도있으므로인용할때주의가필요하다 후쿠시마사고는원자력개발 이용에서확고한안전성의확보가필수적인전제조건이라는평범한진리를다시금일깨워주었다 국내외적으로원전안전관리능력에대한의구심과 사용후연료저장조는사용후연료 즉원자로에서사용되고난핵연료를수년동안저장하기위한수조를말한다 수조의물은사용후연료의붕괴열을제거하고방사능을차폐하는역할을한다 사용후연료저장조에는사용후연료뿐만아니라 원자로에장전되기전의새핵연료와원자로에서사용중인연료 핵연료교환시 도저장된다 방사성물질누출량평가에는아직불확실성이크며 국제적인공감대를이루기까지는시간이걸릴것으로예상된다 - 3 -
원자력이용에반대하는목소리가커지고 원자력시설들에대해서는더욱엄격한안전성의입증과실질적이고가시적인안전성향상조치가요구되고있다 앞으로유사한사고가재발하지않으려면 사고의원인과진행과정및결과를철저하게분석하고 이로부터얻어진교훈을원자로개발 운영과안전규제 안전연구등에충실하게반영하는것이필수적이다 후쿠시마사고이후한국의대응은크게세방향으로진행되었다 첫째는정부의공식활동으로서 사고가한국에직접미치는영향을파악하여피해를예방하고 국내원자력시설의안전성을확인하고강화하기위한활동이었다 대기중방사능의측정강화및공개 원자력시설안전점검및개선사항도출 공항및항만입국자방사능검사 식품방사능검사등이대표적이다 두번째는사고를정확하게이해하기위한전문가활동으로서 국내의여러전문가들은사고원전정보 사고전개과정 예상되는사고영향및국내파급효과등을분석하면서정보를공유하였다 특히한국원자력연구원과 는 월말과 월중순에각각사고분석보고서를발행한바있다 세번째는사고관련정보를국민과언론에정확하게알리기위한노력이었는데 정부차원의공식적인발표와함께다양한전문가들이언론 타분야전문가 대중들과접촉하면서적극적인활동을전개하였다 그러나수소가스폭발장면과폭발후손상된원자로건물의모습을 로지켜보면서심각한공포감을갖게된국민들에게는정부와전문가의설명이잘받아들여지지않았다 부정확하거나확인되지않은정보들이다양한매체를통해광범위하게유포되었고 대중과전문가모두에게고통스럽고혼란스런시간이상당기간지속되었다 한국원자력학회는후쿠시마사고의원인 진행 결과및교훈에대한객관적이고과학적인조사 분석을수행하여 사고에대한정확한이해를돕고국내외정책수립 추진과과학기술및인문사회분야의후속연구에기여하고자 후쿠시마위원회 를구성하여 년 월부터운영하였다 위원회는사고분석 환경영향 비상대응 정책 제도등 개분과에 여명의연 산 학전문가로구성되었다 위원회는사고의원인 진행 결과및교훈을상세하게기술하는 상세보고서 와핵심적인내용을정리하는 축약보고서 등두종류의보고서를작성하기로결정하였다 상세보고서는 년 월까지분과별작업을통해총 여쪽에달하는초안을마련한후최근입수되고있는사고정보를반영하면서계속보완중인데 최종완성까지는상당한시간이필요할것으로판단된다 본보고서는축약보고서로서상세보고서초안을바탕으로핵심적인내용을간추리고 위원들간의논의를통해사고의교훈과안전성향상방안을도출하였다 위원회는일본정부의공식적인자료 즉 원자로재해대책본부 와 후쿠시마원전사고조사 검증위원회 의자료를일차적으로활용하고 원자력안전 보안원 동경전력및일본원자력산 - 4 -
업협회 의홈페이지에공지된자료들을보완적으로이용하였다 한편 사고의원인및교훈등에대해서는다양한자료들을참고하고내부토의를거쳐기술내용을결정하였다 본보고서의제 장에서는후쿠시마제 원전에대한일반적인사항과기술적인특성을소개한다 제 장에서는사고의발생과진행및복구과정을최대한사실적으로재구성하고 중요한기술적배경을논의한다 제 장에서는방사성물질방출 확산및영향과비상대응조치를소개하고 당시의한국상황에대해서도간단하게다룬다 제 장에서는사고발생및악화의핵심원인을논의하고 사고로부터도출될수있는일반적인교훈들을제시한다 마지막으로제 장에서는후쿠시마사고의핵심특성을정리하고 국내원전의안전성향상을위해필요한사항들을제시한다 부록에서는주요약어 시간별사고진행및복구조치 후쿠시마위원회구성등을소개하고있다 이보고서는축약보고서이긴하지만 후쿠시마사고와관련하여중요한기술적내용과교훈을충실하게담으려고노력하였다 용어의선택에도주의를기울였으며 필요할경우각주를사용하여본문에서직접설명하기어려운내용을보완하였다 - 5 -
일반사항 2. 후쿠시마제 1 원전과설계특성 후쿠시마제 원전은총 기의비등경수로 로구성된동경전력 소유의원전으로서 일본동북 토호쿠 지방후쿠시마현의태평양쪽해변에위치하고있다 일본수도인도쿄로부터북동쪽으로약 거리이며 동일본대지진의진앙으로부터는남서쪽으로약 거리이다 한편 후쿠시마제 원전은제 원전으로부터남쪽으로약 떨어져있다 후쿠시마원전과동일본대지진의진앙및도쿄와의상대적인위치는 그림 에서알수있다 표 은후쿠시마제 원전각호기의전반적인정보를요약하고있다 원자로형은미국의 사가 년대부터개발한 및 이며 건설당시의주계약업체는 도시바또는히타치였다 한편 평균해수면과비교한원전부지의높이는 호기가약 호기가약 인데 호기가심각한위기상황으로진입하지않고안정된것은부지의높이와도깊은관계가있다 그림 은사고전후쿠시마제 원전의전경사진이며 그림 는발전소내주요시설들의배치를보여준다 호기 노형 전기출력 (MWe) 표 후쿠시마제 원전개요 열출력 (MWt) 격납용기 건설착수 상업운전 주계약자 1 호기 BWR-3 460 1380 Mark-I 67.04 71.03 GE 2 호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 69.01 74.07 GE/ 도시바 3 호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 70.08 76.03 도시바전출력운전 지진발생시상태 원자로 핵연료집합체수 운전 원자로 저장조 * 전출력운전 400 292+100 전출력운전 548 587+28 548 514+52 4 호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 72.09 78.10 히타치정지 0 1331+204 5 호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 71.12 78.04 도시바정지 548 946+48 6 호기 BWR-5 1100 3,293 Mark-II 73.05 79.10 GE/ 도시바정지 764 876+64 사용후연료공용저장조 ** - - 6,375+0 원자로건물의격납용기보다높은곳에있는사용후연료저장조에는사용후연료와새로운연료가함께보관됨 앞숫자는사용후연료집합체의수 뒤숫자는사용되지않은새로운연료집합체의수임 사용후연료는일단각원자로건물내의저장조에서 개월이상냉각한후공용저장조로이동하여저장함 여기서충분히냉각된사용후연료는건식저장시설에보관하거나로카슈무라재처리시설로이송함 비등경수로에대해서는다음절에서자세히설명한다 - 6 -
5 호기 6 호기 2 호기 1 호기 4 호기 3 호기 원자로건물 터빈건물 N < 그림 2.1> 사고이전의후쿠시마제 1 원전전경 북문방향 #6 EDG ( 공랭식 ) #5,6 초고압개폐소 #5,6 배기굴뚝 #6 R/B #5,6 MCR #5 R/B #6 T/B #5 T/B #6 취수구 #6 취수구 고체폐기물저장시설 500 kv 사용후연료건식저장시설 면진건물 (ERC) 사무본관 서문 275 kv #1,2 초고압개폐소 #1,2 배기굴뚝 #1 #1 T/B R/B MCR #2 R/B #2 T/B #1 취수구 #2 취수구 275 kv 정문 기술훈련동 #3,4 초고압개폐소 사용후연료공용저장조 #3,4 배기굴뚝 #3 #3 R/B T/B #3,4 MCR #4 #4 R/B T/B 방사성폐기물집중처리시설 #3 취수구 #4 취수구 < 그림 2.2> 후쿠시마제 1 원전의주요시설배치 웹사이트 - 7 -
비등경수로개관 비등경수로 는 년대에미국 사가처음개발한발전용원자로이다 원자로내부에서물이끓어서 비등 증기가만들어지고 이증기가직접터빈발전기를돌려전기를생산한다 그림 은 의기본개념을국내의주요원자로형인가압경수로 와비교하고있다 원자로용기 격납용기 증기 노심 물 ( 급수 ) 터빈발전기 재순환펌프 제어봉 복수기 압력억제수조 급수펌프 순환수 ( 해수 ) 펌프 최종냉각수 ( 해수 ) 비등경수로 의기본구성 격납용기 제어봉 가압기 증기 증기발생기 물 ( 급수 ) 터빈 발전기 노심 원자로용기 원자로냉각재펌프 급수펌프 복수기 순환수 ( 해수 ) 펌프 최종냉각수 ( 해수 ) 가압경수로 의기본구성 < 그림 2.3> 비등경수로 (BWR) 의기본개념및가압경수로와의비교 - 8 -
은원자로압력을 기압이상으로크게높여서원자로용기안에서는물이끓지않도록하고증기발생기에서터빈구동에필요한증기를간접적으로생산하는반면 은원자로압력을 기압수준으로낮추고증기를직접생산한다 표 는비등경수로의기본적인설계특성을요약하고있다 보통의물 경수 이냉각재 와감속재 의기능을동시에하며 년동안핵연료를교체하지않고도원자로를연속운전할수있도록저농축우라늄 을연료로사용한다 중성자를흡수하여핵분열을조절하는화학물질을포함하는제어봉들은일반적으로십자형단면의모양을갖고있으며 원자로용기하부에설치된구동장치가제어봉들의원자로내위치를변화시켜서원자로출력을제어한다 < 표 2.2> 비등경수로 (BWR) 의기본설계특성 주요변수 설계특성 중성자에너지열 ( 저속 ) 종류 H 2O( 포화비등 ) 냉각재 최고온도 ( o C) ~285 압력 (MPa) ~7.0 감속재 H 2O( 냉각재와동일 ) 발전사이클 연료증식특성 직접사이클 전환로 핵연료 화학조성 UO 2 농축도 2~3% U 235 in U 238 연료봉피복재 지르코늄합금 (Zircaloy) 핵연료평균연소도 (MWD/MTU) 25,000~40,000 출력밀도 (kw/l) 비출력 (kw/kg-u) ~50 ~20 열효율 (%) 30~35 냉각재 원자로에서핵분열이일어나는노심 즉 핵연료 에서열을제거하여냉각시키는물질 감속재 핵분열에서나오는중성자들의속도를낮추어다음핵분열반응을더효율적으로일으키도록하는물질 우라늄은자연상태로존재하는원소들중에서가장무거운원소이다 우라늄원자핵에는양성자수가 개들어있으므로원자번호가 이다 중성자수는달라질수있는데 개인우라늄 와 개인우라늄 등이존재한다 여기서 등은양성자수와중성자수를합한값이다 천연우라늄에는 이 가 존재하는데 핵분열을잘일으키는 의비중을높이는것을농축이라한다 와 은농축도 의비율 가 수준인저농축우라늄을연료로사용한다 - 9 -
년대이후기본적인설계특성에큰변화가없었던 과는달리 원자로와격납용기 설계에는중요한변화가수차례있었다 설계가변화되어온과정과격납용기설계의변화과정을 표 과 그림 에요약하였다 그림 와 그림 은각각 또는 원자로와 격납용기의전형적인구조를보여준다 < 표 2.3> GE 비등경수로설계의변화과정 타입첫상업운전대표적원전핵심특징 BWR-1 1960 Dresden 1 최초의상용규모 BWR BWR-2 1969 Oyster Creek BWR-3 1971 Dresden 2 경제적관점에서원전구매이루어짐 대형직접사이클원전 제트펌프최초사용 ECCS 설계개선 : 살수및충수능력 BWR-4 1972 Vermont Yankee 출력밀도증대 (20%) BWR-5 1977 Tokai 2 BWR-6 1978 Cofrentes ABWR 1996 Kashiwazaki- Kariwa 6 ECCS 설계개선 밸브유량제어 콤팩트제어실 반도체이용원자로제어계통 원자로용기내부재순환펌프 정밀구동제어봉구동장치 개량제어실, 디지털반도체마이크로프로세서 광섬유데이터통신 / 멀티플렉싱 핵연료집합체수증대 티타늄사용복수기 ECCS 개선 : 고압 / 저압 Flooder Mark-I Dry Mark-II ABWR Mark-III < 그림 2.4> BWR 격납용기설계개념의변화 - 10 -
헤드냉각살수노즐 원자로용기상부헤드 원자로용기플랜지 증기건조기 증기압력측정노즐 증기출구노즐 수위측정노즐 급수분사기 노심살수노즐 증기분리기 노심상부공간헤드 급수입구노즐 노심살수분사기 상부노심격자 노내중성자속계측기 노심지지통 노심지지판 핵연료집합체제트펌프노즐제어봉제트펌프 하부노심격자 재순환수입구노즐 제어봉안내관 재순환수출구노즐 노심차압측정용및독물질주입용노즐 노심중성자속계측 제어봉구동장치 < 그림 2.5> 비등경수로 (BWR-3/4) 원자로용기내부의구조 - 11 -
원자로건물 드라이웰헤드 콘크리트차폐마개 ( 일차 ) 격납용기 Primary Containment Vessel 사용후연료저장조 Spent Fuel Pool 기기저장수조 강철격납용기 원자로압력용기 노심 사용후연료저장조 콘크리트차폐벽 원자로건물 Reactor Building 원자로용기 (Reactor Pressure Vessel) 압력억제실 ( 웨트웰 ) 배기관 드라이웰 원자로용기지지구조물 (Pedestal) Drywell 압력억제수조 물 콘크리트 물 Wetwell 압력억제실 / 수조 Pressure Suppression Chamber/Pool < 그림 2.6> Mark-I 격납용기및원자로건물 (RB) 구조 자료등 - 12 -
후쿠시마제 원전의주요설계특성 가 공통사항 후쿠시마제 원전각호기의일반적인설계변수들을 표 에요약하였다 심각한사고가진행된 호기중에서 호기는 호기는 설계이다 이들은모두 그림 에서보는바와같은 격납용기를채택하고있다 다른안전계통은 와 간에약간의차이가있다 여기서는사고가가장빠르게진행된 호기 의안전계통에대해우선설명한후 인 호기에대해설명하고자한다 < 표 2.4> 후쿠시마제1원전각호기개관 구분 1호기 2호기 3호기 4호기 5호기 6호기전기출력 (MWe) 460 784 1,100 건설착수 1967/9 1969/5 1970/10 1972/9 1971/12 1973/5 주요 데이터 상업운전개시 1971/3 1974/7 1976/3 1978/10 1978/4 1979/10 원자로형 BWR-3 BWR-4 BWR-5 격납용기형태 Mark-I Mark-II 주계약자 GE GE/ 도시바 도시바 히타치 도시바 GE/ 도시바 일본국내공급률 (%) 56 53 91 91 93 63 열출력 (MWt) 1,380 2,381 3,293 핵연료집합체수 400 548 764 핵연료집합체길이 (m) 약 4.35 약 4.47 제어봉수 97 137 185 원자로 원자로용기 (RPV) 격납용기 (PCV) 내경 (m) 약 4.8 약 5.6 약 6.4 높이 (m) 약 20 약 22 23 무게 ( 톤 ) 440 500 750 높이 (m) 약 32 약 33 약 34 약 48 원통부직경 (m) 약 10 약 11 약 10( 상부 ) 구형부직경 (m) 약 18 약 20 약 25( 바닥 ) 수조냉각수량 ( 톤 ) 1,750 2,980 3,200 증기 터빈 핵연료 회전수 (rpm) 1,500 증기온도 ( o C) 282 증기압력 (MPa) 6.65 형태 UO 2(3호기는 MOX 연료일부사용 ) 우라늄양 ( 톤 ) 69 94 132-13 -
< 표 2.5> 후쿠시마제 1 원전의안전계통 구분 1 호기 (BWR-3) 2~5 호기 (BWR-4) 격납용기 MARK-I 형 MARK-I 형 원자로정지 고압냉각또는안전주입 저압안전주입 제어봉 대기액체제어계통 (SLC) 고압냉각수주입계통 (HPCI) 격리응축계통 (IC) 노심살수계통 (CS) 제어봉 대기액체제어계통 (SLC) 고압냉각수주입계통 (HPCI) 노심격리냉각계통 (RCIC) 저압냉각수주입계통 (LPCI) 노심살수계통 (CS) 원자로감압 안전감압계통 (ADS) 안전감압계통 (ADS) 나 호기 의안전계통 의원자로계통과핵심안전계통의구성은 그림 에나타나있으며 안전계통을 좀더살펴보면다음과같다 격납용기 격납용기는사고시원자로에서방출되는방사성물질을억류시키고 원자로를비롯한핵 심설비들을외부영향으로부터보호하는역할을하는중요한안전설비이다 후쿠시마제 원전 호기의격납건물은 그림 의 설계로서 강철로된일차격납용기 와이를둘러싸는원자로건물 로구성되어있다 일차격납용기의설계압력은약 기압으로상당히높은압력까지견디지 만 원자로건물은내부압력을견디는기능은없이기밀상태만유지할수있다 일차격납 용기는드라이웰 과웨트웰 이커다란배기관 들에의해연결된형태 이다 드라이웰은표주박또는백열전구모양의강철용기로서평상시건조한상태로유지 되며 그안에원자로용기 냉각재재순환펌프와밸브등다양한기기 배관등이위치하고 있다 웨트웰은커다란원환체 모양의압력억제실 로서 평상시약절반정도물이채워져있는습한부분이다 이물은격납용기로유입되 는증기를응축시켜압력상승을억제할뿐만아니라 원자로용기감압시방출되는증기를 응축시키는역할을하기도하고 비상노심냉각수로도사용된다 압력억제수조 는압력억제실또는그내부의물이있는부분을지칭한다 원자로건물 을일부자료에서는 차격납용기 라고도한다 그러나내부압력을견디는기능이없기때문에일반적인명칭인 원자로건물 로부르기로한다 - 14 -
고압냉각수주입계통 (HPCI) 터빈 ( 압력억제수조로향함 ) 격리응축기 (IC) 급수펌프 (3 대 ) 복수펌프 (3 대 ) 복수기 순환수펌프 (2 대 ) 열교환기 바다 열교환기 응축수저장탱크 (CST) 정지냉각계통 (SHC) 붕산용액저장탱크 응축수보충계통 (MUWC) (2 대 ) 제어봉구동수압계통 (2 대 ) 격납용기냉각계통열교환기 격납용기냉각계통 (CCS) B 계열 노심살수계통 (CS) B 계열 대기액체제어계통 (SLC) 격납용기냉각계통열교환기 격납용기냉각계통 (CCS) A 계열 노심살수계통 (CS) A 계열 < 그림 2.7> 후쿠시마제 1 원전 1 호기 (BWR-3) 의원자로계통과안전계통 - 15 -
원자로건물은격납용기가제외된부분으로 대부분의비상노심냉각계통설비가설치되며 상부에는사용후연료저장조 가설치되어원자로에서사용된사용후연료를공용저장조로옮기기전까지저장한다 또한 자연적또는인공적인외부영향으로부터격납용기와원자로를보호하는역할도중요하다 대기액체제어계통 대기액체제어계통 은원자로정지가필요한시점에서제어봉삽입이제대로이루어지지않는경우원자로노심에중성자흡수물질인붕산수를공급하여핵분열반응을신속하게정지시키기위한계통이다 붕산수저장탱크 대의용적식펌프 개의제어밸브및관련배관으로구성되는데 필요할때운전원이수동으로조작한다 격리응축계통 에는 대의격리응축기 가설치되어사고시노심냉각기능을일차적으로담당한다 격리응축계통은터빈및응축기에의한냉각이불가능한경우자연대류에의해노심냉각을담당하는피동계통 이다 노심에서붕괴열에의해생성되는수증기가높은곳에위치한대형수조내의열교환기 격리응축기 를통과하면서수조의냉각수로열을전달한다 격리응축기에서응축된냉각수는다시노심으로되돌아가고 수조의냉각수는비등하면서증기를대기로방출한다 격리응축기계통은교류전원의도움없이도자연순환 에의해노심을냉각시킨다 고압냉각수주입계통 고압냉각수주입계통 은냉각재상실사고 시고압조건에서비상냉각수를주입하여원자로노심을냉각시킨다 는증기터빈에의해구동되는다단고압주입펌프와기어에의해구동되는 단부스트펌프를사용하며 주냉각수원으로응축수저장탱크 를 보조냉각수원으로격납용기압력억제수조를사용한다 원자로수위가낮아지거나격납용기압력이높을때자동으로작동되며 운전원에의한수동작동도가능하다 일본에서는 비상용복수기 로부르지만 본보고서에서는의미전달이쉬운 격리응축기 로칭한다 피동 계통 설비는외부로부터의전원공급이없더라도중력 자연순환 압력차이등자연적인구동력에의해기능을수행하는계통 설비를말한다 직류전원에의한제한적인밸브개폐만이필요한경우에도피동으로분류하는것이일반적이다 반면에기능을수행하는데있어서교류전원을필요로하는펌프나밸브가작동되어야하는경우에는능동 계통 설비라한다 - 16 -
자동감압계통 자동감압계통 은원자로압력을낮추어야하거나소형냉각재상실사고시 가정상적으로기능하지않을때에작동한다 감압밸브 를통해원자로증기를격납용기압력억제수조로방출하여원자로용기의압력을낮추면서 동시에원자로내부의에너지를격납용기로전달한다 자동감압계통은주증기배관에설치된감압밸브 배관 압력제어기로구성되며 원자로수위와격납용기압력조건에의해자동으로작동되며 운전원에의한수동작동도가능하다 노심살수계통 노심살수계통 은중 대형냉각재상실사고발생시원자로용기내에설치된분사기 를통해노심상부로냉각수를뿌림으로써효과적인노심냉각을꾀한다 개의독립된부계통 이설치되며 각부계통은모터에의해구동되는펌프 배관및계측기로구성되어있다 주냉각수원으로격납용기압력억제수조의냉각수를 보조냉각수원으로응축수저장탱크의냉각수를사용한다 노심살수계통은원자로수위가낮아지거나드라이웰압력이높아졌을때자동기동된다 다 호기 의안전계통 원전에는격리응축기대신노심격리냉각계통 이설치되며 정상적인잔열제거기능을함께수행하는저압냉각수주입계통 을갖추고있다 원자로계통과핵심안전계통의구성은 그림 에서볼수있으며 와다른계통은다음과같다 노심격리냉각계통 원자로운전중주증기관이격리되고원자로내에정상적인급수공급이이루어지지않을때에원자로내부로냉각수를공급하는계통으로서 의격리응축기 를대신하여노심격리냉각계통 이 이후의비등경수로에채택되었다 는터빈구동펌프 배관및밸브로구성되며 주요냉각수원으로응축수저장수 를 보조냉각수원으로압력억제수조냉각수를사용한다 는노심저수위조건에서자동작동되며 운전자에의한수동작동도가능하다 원자로에서생산되는수증기를이용하여구동하므로 교류전원이없더라도냉각수주입이가능하다 - 17 -
노심격리냉각계통 (RCIC) 터빈 고압냉각수주입계통 (HPCI) ( 압력억제수조로향함 ) 모터구동급수펌프 (2 대 ) 터빈구동급수펌프 (2 대 ) 고압복수펌프 (3 대 ) 저압복수펌프 (3 대 ) 복수기 순환수펌프 (3 대 ) ( 압력억제수조로향함 ) 바다 응축수저장탱크 (CST) 붕산용액저장탱크 제어봉구동수압계통 (2 대 ) 잔열제거계통열교환기 잔열제거계통 (RHR) A 계열 대기액체제어계통 (SLC) 응축수보충계통 (MUWC) (2 대 ) 잔열제거계통열교환기 노심살수계통 (CS) B 계열 잔열제거계통 (RHR) B 계열 노심살수계통 (CS) A 계열 < 그림 2.8> 후쿠시마제 1 원전 2~5 호기 (BWR-4 의주요안전계통 - 18 -
저압냉각수주입계통 저압냉각수주입계통 은냉각재상실사고발생시잔열제거계통 을이용하여저압조건에서노심으로비상냉각수를주입하는계통으로 설계기준사고에서고압냉각수주입계통 작동이후의냉각기능을담당한다 개의독립된부계통으로구성되는데 각부계통마다 대의모터구동펌프와 대의열교환기가설치되어있다 주요수원으로격납용기압력억제수조의냉각수를 보조수원으로 의냉각수를사용한다 원자로저수위와격납용기고압신호에의해자동으로작동되며 운전원의수동조작도가능하다 라 격리응축기와노심격리냉각계통 후쿠시마제 원전 호기에는고압조건에서의잔열제거를위해 계열의격리응축기 가갖춰졌으며 응축수회수관에는 전력공급이끊어지면밸브가닫히는특성 되는모터구동밸브가설치되어직류전원공급불능시계통작동이멈추게된다 후쿠시마 호기에설치된노심격리냉각계통 의경우에도 호기의격리응축기 와마찬가지로 되는모터구동밸브가설치되어직류전원공급불능시에는계통작동이멈추게된다 표 은 호기의격리응축기와 호기노심격리냉각계통의설계특성을요약하고있다 - 19 -
< 표 2.6> 비등경수로에사용되는 IC 와 RCIC 의설계특성 ( 가 ) 격리응축기 (IC) 구분설명 목적기능계통구성용량 원자로가격리되는사건 ( 주증기격리밸브가닫히는사건 ) 동안원자로용기내부의냉각재재고량손실없이원자로를냉각 원자로격리후, 원자로에서생성된증기를응축기로보냄 응축기에서의열교환후, 응축된물은원자로로되돌아감 격리응축기, 격리밸브및배관으로구성되는부계통 2 계열로구성됨 증기라인의모터구동격리밸브들은 NOFO* 구동형태임 응축수회수라인의모터구동격리밸브들은 NCFC** 구동형태임 모든밸브들은직류전원만으로구동가능함 2 대의격리응축기는정상출력열부하의 6% 를제거할수있음 격리응축기수조는냉각수의추가공급없이도 10 시간동안붕괴열을제거하기에충분한냉각수용량을가짐 해당밸브 가발전소정상운전중에열려있고 전기공급이상실되는경우에도열림상태가되는경우 전기가공급될때는계폐여부를운전원이제어 해당밸브 가발전소정상운전중에닫혀있고 전기공급이상실되는경우에도닫힘상태가되는경우 전기가공급될때는계폐여부를운전원이제어 ( 나 ) 노심격리응축계통 (RCIC) 구분설명 목적기능계통구성용량 원자로가격리되는사건 ( 주증기격리밸브가닫히는사건 ) 동안원자로용기로냉각수를주입 원자로격리후, 응축수저장탱크또는압력억제수조의냉각수를원자로에주입하는데사용되는 RCIC 터빈구통펌프로원자로에서생성된증기를공급 원자로증기가 RCIC 터빈구동펌프를돌린후응축된물은압력억제수조로방출 터빈구동펌프, 펌프, 배관, 밸브, 냉각수원 ( 응축수저장탱크및압력억제수조 ) 으로구성 원자로용기저수위 (L2) 에의해자동으로기동되고, 원자로용기고수위 (L8) 에의해정지 주냉각수원은응축수저장탱크이며, 압력억제수조의수위가정상운전수위보다 5cm 이상상승하면압력억제수조의냉각수를주입 모든밸브들과터빈조속기 (Governor) 는직류전원만으로구동가능함 모든교류전원이상실되는 SBO 시, 부하감소조건에따라직류전원만으로는 8 시간만운전될수있음 - 20 -
동일본대지진및쓰나미 가 동일본대지진 3. 후쿠시마사고발생과진행 년 월 일 시 분일본열도의북동부지역에서규모 의일본지진관측역사상가장강력한지진이발생하였다 진앙은후쿠시마제 원전으로부터북동쪽으로약 떨어진태평양지역이고 진원의깊이는약 였다 진동은약 분간지속하였는데 길이 폭 이르는매우넓은영역에서여러개의지진원 들이거의동시에활동을일으켰고 일본의해안선지역이약 가라앉는결과가초래되었다 그림 은일본주변의대륙판 북아메리카판 태평양판 유라시아판 필리핀해판 들의위치와동일본대지진의지진원영역을보여준다 북아메리카판과태평양판의경계에일본해구 가형성되어있는데 태평양판이북아메리카판아래로매년 씩파고들면서축적된거대한에너지가넓은영역에걸쳐분출된것이다 북아메리카판 North America Plate 동일본대지진의지진원영역 (Source Area) 일본해구 Japan Trench 유라시아판 Eurasia Plate 태평양판 Pacific Plate 난카이지구 필리핀해판 Phil. Sea Plate < 그림 3.1> 일본주변의대륙판분포및동일본대지진의지진원영역 지진의크기를나타내는수치로 규모 와 가있다 규모는임의의지진이발생할때나타나는진동에너지의총량을기준으로하며 대표적으로사용되는것이리히터규모이다 반면에진도는지진에의해특정위치에서나타난진동의세기를나타내며 일본기상청 에서는 등급부터 등급까지고구분하고 강진으로구분되는 등급부터는각등급마다강 약으로구분한다 따라서임의의지진에대해규모는하나로나타나지만 진도는위치에따라다르다 - 21 -
JMA 진도 5 이상측정된지역경계 오나가와원전 진앙 (Epicenter) 후쿠시마제 1 원전후쿠시마제 2 원전 후쿠시마제 1,2 원전 토카이제 2 원전 진도 (JMA) < 그림 3.2> 동일본대지진에의한 JMA 진도분포및원전부지근처에서의지진파 한편 그림 는일본동북부지역에서의 진도분포와원전부지주변에서관측된지진가속도 의시간이력을보여준다 진앙에서수백킬로미터떨어진곳에서도진동이크게나타났고 이는지진원영역이매우넓었던데기인한다 후쿠시마원전근처에서는약 초와 초경큰지진가속도가관측되었다 < 표 3.1> 후쿠시마제 1 원전에서관측된지진가속도와설계기준과의비교 관측위치 관측값 (gal) 설계기준지진, Ss (gal) 남 - 북 (NS) 동 - 서 (EW) 상향 (UP) 남 - 북 (NS) 동 - 서 (EW) 상향 (UP) #1 460 447 258 487 489 412 #2 348 550 302 441 438 420 후쿠시마 제 1 원전 #3 322 507 231 449 441 429 #4 281 319 200 447 445 422 #5 311 548 256 452 452 427 #6 290 431 244 445 448 415 지진가속도는중력가속도 의몇배형식으로나타내는경우가많으나 예 일본에서는 을주로사용한다 는 과같다 - 22 -
표 은후쿠시마제 원전에서측정된각방향의최대지진가속도를설계기준지진가속도와비교하고있다 수직방향의지반가속도는설계기준보다상당히낮지만 수평방향으로는 호기에서설계기준을상당히초과하였다 후쿠시마원전의설계기준지진은지질학적조사자료와역사지진 주변단층의지진발생가능성등을고려하여 부지근처에서발생한지진으로서원전에가장큰영향을미칠것으로평가된시오야자키지진 년 에근거하여결정되었다 일본에서는설계기준지진을결정할때이를초과하는지진이발생할확률이연간 이되도록하고있다 동일본대지진의특징중의하나는다른지진들에비해매우많은여진 이발생한점이다 그림 은여진발생위치와규모및대형여진발생시점을 그림 는과거의지진들과비교한규모 이상여진의누적발생회수를각각보여주고있다 일본기상청 의 년 월말기준통계에따르면규모 이상의여진이각각 회 회 회발생한것으로나와있다 < 그림 3.3> 동일본대지진에여진발생위치및크기 웹사이트 - 23 -
600 400 규모 5.0 이상여진누적회수 200 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 동일본대지진발생후시간 ( 일 ) < 그림 3.4> 시간에따른규모 5.0 이상여진누적발생회수및타지진과의비교 웹사이트 - 24 -
나 쓰나미 지진해일 쓰나미 지진해일 는해저에서의지진이나화산폭발 단층운동등으로융기또는하강할때발생하는파장이긴파도이다 심해에서의지각활동때문에발생한쓰나미는먼바다에서는매우긴파장 낮은파고및매우빠른이동속도의특징을갖는다 그러나수심이얕은해안선부근에도달하면천수효과 에의해파장과이동속도는크게감소하는반면파고가급격히증가하여인명및재산피해를야기하는특성을가지고있다 일반적으로쓰나미는처오름 과처내림 또는 에의해원전시설에영향을줄수있다 처오름에의해서는부지의범람 인접시설의침수 파력에의한설비 변전설비등 손상등이발생할수있고 처내림에의해서는취수설비의고장이나취수능력저하등으로안전성에영향을미칠수있다 이밖에처오름발생시동반되는모래나부유물등에의해취수시설이막히거나설비가손상될수도있다 이번동일본대지진에서도해저지진원의활동과해수의진동으로인해 회에달하는일련의쓰나미가발생하였다 그림 는후쿠시마제 원전의파고계에의해측정된해수위 기준 값이다 시 분 지진발생 분후 후쿠시마원전부지에도달한첫번째쓰나미의파고는약 로서 원전의설계기준수위 나부지높이 에이르지못하였다 그러나 시 분 지진발생 분후 도달한두번째쓰나미의경우파고계의손상으로파고가직접측정되지않았으나 약 높이까지도달것으로추정된다 표 는후쿠시마제 원전각호기의부지높이와쓰나미에의한침수상황을요약하고있다 파고계파손 O.P. 기준수위 (m) [ 시간 ] < 그림 3.5> 후쿠시마제 1 원전파고계가측정한쓰나미높이 심해에서발생하는쓰나미의경우대양에의파장은 이동속도는시속 이상이되지만 파고는 이하인경우가많아서육안관찰이쉽지않다 여기서 는오나하마항평균해수위 동경만평균해수위보다 낮음 를가리킨다 본보고서에의부지높이나파도높이등은특별한언급이없는한 기준이다 - 25 -
< 표 3.1> 후쿠시마제1원전의침수상황요약 구분 1~4호기주변 5~6호기주변 부지높이 O.P. + 10 m O.P. + 13 m 홍수위높이 O.P. + 11.5~15.5 m O.P. + 13~14.5 m 침수깊이 약 1.5 ~ 5.5 m 약 1.5 m 이하 침수범위 해변쪽은물론터빈건물, 원자로건물등주요건물주위가대부분침수 주 동경전력은해변의파고계위치에서는 수준이었을것으로분석함 한편 남서쪽일부구역에서는홍수위높이가 에이른흔적이나타남 그림 은후쿠시마제 원전에쓰나미가접근하여침수시키는과정에서촬영된사진들이다 방파제가파손되는모습 높은파고의쓰나미가접근하는모습 높이 의탱크가바닷물에완전히잠겼다가다시드러나는모습등을확인할수있다 그리고 그림 은후쿠시마제 원전과제 원전에서의쓰나미파고와부지높이등을비교하여보여준다 그림 쓰나미에의한침수시후쿠시마제 원전에서촬영된사진들 - 26 -
후쿠시마제 1 원전 후쿠시마제 2 원전 그림 후쿠시마제 원전과제 원전간의쓰나미에의한침수비교 - 27 -
후쿠시마사고발생과진행 가 개요 동일본대지진으로인한격렬한지각진동은약 분간지속하였다 지진발생직후후쿠시마제 원전에서출력운전중이던 호기는원자로건물기초부에위치한지진감시계가원자로정지설정치를초과하는진동가속도를감지함에따라원자로보호계통 이작동하여원자로가자동으로정지 또는 되었다 또한 차단기및송전선로손상등으로발전소외부로부터공급되는모든전력망이차단됨에따라소외전원상실이발생하였다 그러나자동으로작동된비상디젤발전기 들이전력을공급하여원전의안전기능을유지하였다 지진후후쿠시마제 원전에는총 차례의쓰나미가도달했는데 특히파고 수준의두번째쓰나미 시 분 가가장큰피해를줬다 쓰나미와부유물들이모든취수구를파손하여해수를이용하는정상적인최종열제거기능이상실되었다 또한 해수가건물로유입되면서비상디젤발전기도사용할수없게되면서 호기까지교류전력완전상실 이발생하였다 해수는축전지 가공급하는직류전원에도손상을입혀서 호기와 호기에서는모든직류전원이상실되었고 호기에서는부분적인직류전원만사용가능하였다 그림 은주요기기들이침수되어기능을상실하는과정을예시하고있다 한편 호기에서는공기냉각비상디젤발전기 대만이가용한상태로원자로와사용후연료저장조의냉각에사용되었다 < 그림 3.8> 후쿠시마제 1 원전에서쓰나미에의한터빈건물및주요기기의침수 후쿠시마제 원전에는총 대의비상디젤발전기가설치되어있었는데 지진발생당시수리중이던 대를제외한 대가모두자동으로작동된것으로알려져있다 - 28 -
후쿠시마제 원전의 호기는원자로의붕괴열 잔열 제거기능을사고초기에상실하여지진발생당일에이미많은양의핵연료가녹아내린것으로 이를 노심용융 이라함 추정된다 호기와 호기의경우 사고초기에는전기공급없이도원자로에서나오는수증기에의해구동되는펌프가가동되어노심냉각이이루어졌으나 밸브제어등에필요한직류전원이사고직후또는 일안에상실됨에따라지속적인냉각기능유지에는실패하여결국노심용융으로이어졌다 이과정에서고온의핵연료피복재와수증기가반응 하여생성된많은양의수소가스가다양한경로를통해원자로건물내부로누출된후상부공간에축적되어 호기에서는 월 일 호기에서는 월 일각각원자로건물에서수소가스폭발이발생하고원자로건물상부가파손되었다 월 일에는많은양의핵연료를사용후연료저장조에보관하고있던 호기의원자로건물에서도수소가스폭발이발생했는데 호기에서발생한수소가스가배기과정에서 호기원자로건물로유입된것으로추정되고있다 호기의경우수소가스의폭발은발생하지않았으나 격납용기의고온 고압조건이지속되면서드라이웰에서취약한부분이부분적으로손상되어다량의방사성물질이대기로직접방출된것으로보인다 세차례발생한대형수소가스폭발은후쿠시마사고를상징하면서원전안전에대한불신을크게높였다 < 그림 3.9> 수소가스폭발후의후쿠시마제 1 원전 1~4 호기외부모습 웹사이트 핵연료피복재인지르코늄 합금의온도가올라가면냉각재의수증기와의다음반응을통해수소가스를발생한다 열에너지 피복재온도가 이상이되면반응속도가현저하게커지고 발열반응으로인해피복재온도가급격하게상승할수있다 따라서비상노심냉각계통은냉각재상실사고시피복재온도를 이하로유지할수있도록설계한다 - 29 -
후쿠시마사고로인한방사성물질외부누출에대해서는추가분석이필요하지만 대체로체르노빌사고시의 수준으로평가되고있다 편서풍의영향으로누출된방사성물질의상당량이태평양쪽으로확산하여육지생태계에미친영향이줄었으나 방사성물질이많이방출된 월 일의풍향에따라원전북서쪽지역의오염이상대적으로심한것으로나타나고있다 주민의비상대피는비교적신속하게이루어져서방사선피폭을줄일수있었던것으로평가되지만 상세한대피지침의미비 방사성물질확산평가시스템인 의미활용등에대해서는논란이있다 긴급상황에서원자로의안전성을확보하기위해서는 원자로를정지시켜서핵분열반응을신속하게중단시키고 원자로정지로핵분열반응이중단된이후에도핵연료로부터계속발생하는붕괴열을지속적으로제거 냉각 하여연료봉의과열을방지해야하며 최종적으로는방사성물질과외부환경간의격리상태를유지하여야한다 이번사고는원자로의정지는안전하게이루어졌으나연료봉으로부터의붕괴열냉각에실패하였고 이에따라방사성물질을외부와격리하는방벽인핵연료피복관 원자로및격납용기등이파손됨으로써야기된사고라할수있다 후쿠시마제 원전에서교류전원완전상실 이발생하기까지의사고발단과정을 그림 에예시하였으며 지진발생직후부터 월말까지후쿠시마제 원전에서긴박하게전개된주요사고경과를 표 와 그림 에 사고의전체적인흐름을 그림 에각각제시하였다 < 그림 3.10> 후쿠시마제 1 원전에서의사고발단과정 긴급시신속방사능영향예측네트워크시스템 - 30 -
< 표 3.2> 후쿠시마사고의초기전개 일주요사고경과비고 3.11( 금 ) 3.12( 토 ) 지진발생 (14:46) 으로가동중이던 1,2,3호기자동운전정지 쓰나미로인해 1~3호기의모든교류전원상실 (15:40 전후 ) 비상사태선언 (19:03), 반경 3 km 소개및 10 km 옥내대피 (21:00) 1호기격납용기배기결정 (06:50); 격납용기압력하강 (14:30) 1호기원자로건물에서수소가스폭발 (15:36); 요오드 (I)/ 세슘 (Cs) 검출 주민소개범위를 20 km 반경으로확대 (21:40) 1호기원자로에해수주입시작 (19:04) 최초수소가스폭발 3.13( 일 ) 3 호기격납용기배기 (09:08) 및해수주입시작 (13:12) 3.14( 월 ) 3.15( 화 ) 3.16( 수 ) 3.17( 목 ) ~ 3.19( 토 ) 3.20~31 3 호기건물상부에서대형수소가스폭발발생 (11:01) 2 호기원자로냉각수수위저하및해수주입시작 (19:20) 2 호기격납용기일부손상및방사성물질대량방출 ( 추정 ) 4 호기원자로건물수소가스폭발및화재 (06:10) 부지내방사능준위가 400 msv/h 까지상승 3 호기근처의방사능준위가상승하고연기도관찰 부지에서의방사능준위가일시적으로 1,000 msv/h 도달 자위대헬리콥터및소방대의고압소방차등을이용한냉각수살포 ( 별도로원자로에의해수주입은계속됨 ) 1~4 호기는상태는악화하지않고소강상태유지 5,6 호기의잔열제거계통회복 (3.19) 20 일 1,2 호기부터시작하여 22 일까지전호기의외부전력망이연결되었으며, 24 일까지전호기의주제어실내조명복구됨 연결된외부전원을이용한핵심기기가동을위한절차를진행하고, 23 일부터원자로용기온도등일부추가계측정보확보 27 일부터 1,2,3 호기원자로용기로담수 (Fresh Water) 주입 사고상태가전체적으로회복단계라할수있으나, 방사성물질의누출이지속되고대기, 해양, 토양오염이확산 2 번째수소가스폭발 3 번째수소가스폭발 ; 사용후연료저장조안전문제등장 극한상황에서의현상유지 후쿠시마제 원전은 년말에이르러전체적으로안정된상태를확보하고 중장기적인로드맵에따른사고후속조치에들어갔다 그러나격납용기내부로의접근이어렵고원자로에설치된계측기기들의신뢰성에도의문이있기때문에 원자로또는격납용기내부의상태를정확히파악하는것은현재까지도불가능하다 여기서는 년말까지입수된정보를바탕으로각호기의상황을간단하게살펴보고자한다 - 31 -
1 호기 2 호기 3 호기 4 호기 5/6 호기공용저장조 동일본대지진발생 (3/11 14:46) 3/12 3/13 3/14 11 담수에의한냉각 11 담수에의한냉각 11 담수에의한냉각 12 해수주입개시 14 해수주입개시 13 해수주입개시 비상디젤발전기 1 대운전 3/17 3/20 3/21 3/22 20 해수주입개시 17 냉각수공급개시 ( 해수, 담수 ) 22 주제어실조명복구 20 냉각수공급개시 ( 해수, 담수 ) 20 저온정지 20~21 EDG 에서외부전원으로전환 21 담수주입 3/24 3/25 3/26 24 주제어실조명복구 25 담수주입으로전환 25 담수주입으로전환 26 주제어실조명복구 26 담수주입으로전환 24 소외전원에서전기공급 24 기존설비에의한냉각개시 3/29 29 담수주입으로전환 29 담수주입으로전환 29 주제어실조명복구 3/30 3/31 31 담수공급으로전환 30 담수주입으로전환 원자로냉각관련 SFP 냉각관련전원공급관련 < 그림 3.11> 후쿠시마사고의핵연료냉각및전기계통회복과정 불완전한설계 - 중대사고취약설계 - 부지특성고려미흡 - 절차서및교육미흡 지진 + 쓰나미 - 교류전원완전상실 (SBO) - 직류전원상실 - 최종열제거기능, 핵심기기상실 - 계측 / 제어기능상실 - 외부대책어려움 원자로냉각기능상실 ( 붕괴열제거실패 ) 노심용융및수소가스대량생성 수소가스폭발 및 원자로건물파손 방사성물질대량방출 ( 대기, 토양, 해양오염 ) 원자로 / 저장조냉각기능을안정적으로확보하고더이상의방사성물질외부방출방지 원전시설및주변지역의오염제거작업과원전시설해체 / 처분등장기적과제 < 그림 3.12> 후쿠시마제 1 원전사고의전체적인흐름 - 32 -
나 호기노심손상및중대사고진행 지진발생후쓰나미도달까지의상황 동일본대지진당시후쿠시마제 원전에서는 진도 이상이측정되었다 그림 참조 주제어실에적색의경보등이들어왔으며 운전원은모든제어봉이완전히삽입되어원자로가자동정지된것을확인하였다 지진경보와화재경보가동시에울렸으나 운전원이화재가실제로발생하지는않았음을확인하였다 필요한전기의공급을위해전원을발전소외부 소외 전원으로전환하려했지만 이미지진으로외부전력망이붕괴되었기때문에실패하였다 결국 원자로보호계통 에전원공급이되지않아격납용기격리신호가발생하였고 이때문에급수및복수기기능상실이일어나고주증기격리밸브 가닫혔다 그러나비상디젤발전기가정상적으로가동하여안전계통에전원을공급하였고 원자로정지후출력감소에따라증기기포가응축되어원자로수위는감소했으나정상범위내에서유지되었다 냉각수 100 톤 대기방출 소화계통으로부터 격리응축기-A 격리응축기-B 원자로용기 보충수계통으로부터 원자로건물 < 그림 3.12> 후쿠시마제 1 원전 1 호기의격리응축계통 정상운전중인원전은스스로생산한전기를사용하지만 원자로정지후에는외부전원에의존해야한다 - 33 -
시 분 격리에의한원자로압력용기압력상승으로원자로고압신호가발생하고 두계열의격리응축계통 그림 이자동으로기동되었다 교대운전책임자는운전원으로부터 호기의격리응축계통이모두정상작동되고있다고보고받았다 격리응축계통에의한노심냉각으로원자로압력이감소하기시작했는데 원자로압력이너무빨리감소하는것을인지한운전원은두계열이모두운전될경우원자로냉각속도가냉각관련제한치인시간당 를초과할것으로판단하였다 이에따라표준운전절차서에있는대로모터구동밸브 와 를닫아격리응축기를일단정지시킨후 계열의 밸브는닫힌상태로두고 만을개폐하여 계열만을간헐적으로운전함으로써원자로압력을유지하였다 쓰나미도달이후의원자로냉각 시 분 첫번째쓰나미가후쿠시마 호기에도달하였다 이후계속된쓰나미의영향으로취수구가침수되고손상되었다 시 분 터빈건물지하가침수되기시작하여비상디젤발전기 및교류 직류 분전반이침수되거나젖게되었다 결과적으로교류및직류전원이모두상실되고 시 분 분사이에주제어실의조명 계측및제어기능이상실되었다 기능을잃은계측기에는노심수위지시기와고압안전주입계통및격리응축계통관련계기도포함된다 운전원은휴대용배터리와손전등을사용하여비상운전절차서를찾아보았으나그상황에서직접적용할수있는부분은없었다 사고관리절차서도검토하였으나 지진이나쓰나미와같은외부사건으로비롯된사고는고려되어있지않았다 또한 절차서들은모두주제어실제어판의계기와지시계가작동한다고가정하고있었다 결국 운전원들은발전소상태에대한매우제한적인정보와불충분한지식에의존하여자신들의판단으로사고에대처할수밖에없었다 격리응축계통의경우 밸브의개폐상태를지시계로부터확인할수없었을뿐만아니라 지진발생후격리응축기계통을운전하면서반복적으로개폐하였던 밸브의최종상태를기억하지도못하였다 더욱이운전원은완전전원상실의경우에는 격리밸브가 개념 에따라닫히도록설계된것조차인지하지못하였다 사고후수행된동경전력의 모터구동밸브조사에서는다음사항이확인되었다 계열증기차단밸브 와응축수차단밸브 는완전히개방되어있었음 계열증기차단밸브 와응축수차단밸브 는완전히닫혀있었음 은지진발생후 시 분이지난시간을의미한다 전원상실등으로기기가정상적으로작동할수없을때는안전한상태로가게하는설계개념 표 의설명참조 - 34 -
격납용기내부에위치한격리밸브 는완전히닫히지않고부분적으로열려있었음 정확한개방정도는확인되지않음 그러나이러한조사결과로부터사고후상황을바로알수있는것은아니다 그이유는 전원이상실한이후에도간헐적으로는 전원이작동했고 그과정에서운전원에의해관련밸브의개폐와관련된다양한시도가이루어졌기때문이다 어쨌든운전원이 시 분 에격리응축계통수조로부터방출되는수증기를관찰하지못하자수조내의냉각수가고갈된것으로판단하고밸브 를닫음으로써격리응축기를통한붕괴열제거기능은완전히멈추었다 이조치는응축기에서냉각되지않은증기가격리응축계통의배관을손상시켜방사성물질로오염된증기가대기로직접방출되는것을방지하기위한것이었다 그런데수증기가관찰되지않은것은수조냉각수의고갈때문이아니라 격리밸브등이닫혀서격리응축계통이제대로작동하지않았기때문이었을것이다 운전원은복잡하고다급한상황에서격리응축계통의상태를상부에제대로보고하지못하였다 이에따라 호기총괄지휘관은원자로가격리응축계통에의해냉각되고있는것으로생각하여적절한대응이지연되었으며 외부에서도원전내부상태를정확하게파악하지못하게만든중요한원인이되었다 년 월 일동경전력이조사한바에따르면 격리응축기 와 의수조에남아있는냉각수의양이각각 수준이었다 통상적으로 의냉각수가있을경우냉각수가추가공급되지않더라도 시간동안계통을운전할수있으므로 많은양의냉각수가남아있다는것은격리응축계통이노심냉각에크게기여하지못하고기능을상실했다는것을뜻한다 동경전력은 시 분 전원완전상실에따른비상사태를선언하고정부및관련기관에통보하였다 시 분경원자로광역수위지시계가작동하는것을인지했는데 광역수위지시계의수치가유효핵연료상단 기준 였다가 까지계속낮아진후 시 분경측정범위를벗어났다 운전원은격리냉각계통이제대로작동하지않는다고판단하고화재방호계통을통해냉각수를주입하는방법을조사하기시작하였다 시 분경에디젤구동소방펌프를기동하고 완전한암흑속에서도소방방호계통부터노심살수계통까지연결하기위해원자로건물내부의밸브들을정렬하였다 그러나원자로압력용기의압력이 로낮아질때까지원자로냉각수주입은이루어지지못하였다 시 분경급수펌프로부터보충응축수계통라인을통해냉각수를원자로에주입할수있도록수동으로밸브들을정렬하였다 시 분 주제어실계기의사용이불가능하여원자로건물의현장계기로원자로압력이 임을확인하였다 시 분 - 35 -
에는소형휴대용발전기를설치하여주제어실의전등이점등되었다 같은날 시 분후쿠시마현은발전소에서 이내지역의주민들에게대피명령을내렸다 시 분 주제어실에원자로수위가표시되었는데 유효핵연료상단에서 였다 이값은나중에신뢰성이없는것으로확인되었지만 원자로의상태를상당기간잘못이해하게만들었다 월 일 금 시 분 에일본총리는대피지역을반경 로확장하고 반경 이내의주민은대피소로대피할것을명령하였다 시 분 경에전원이일시복구되었다 계통의상태와운전방식을이해하게된운전원이격리응축계통 계열을재기동했지만 그후에도의도한대로는작동되지않은것으로판단된다 설령격리응축계통이다시작동했다고하더라도그이전의약 시간동안에는노심냉각이이루어지지않았고 이미대량의노심용융이진행되었을것이다 시 분 에원자로건물의방사선량률 이급격히증가하여접근이금지되었다 이는원자로용기가파손되고및격납용기도과압에의해일부손상되었기때문으로추정된다 시 분 에원자로건물북쪽통로의기밀식 출입문외부에서측정한방사선량률이 로상승하였고 주제어실의방사선량률도상승하였다 호기의경우쓰나미로인해모든교류전원과직류전원을함께상실하였고 이로인해핵심안전계통인고압냉각수주입계통 과격리응축계통이제대로작동하지못하였다 더욱이격리응축기의작동과관련해서는운전원의판단실수가있었을뿐만아니라 발전소책임자를비롯한거의모든의사결정자들이운전상태를오해하는커다란오류가있었다 또한원자로수위계의오작동도원자로내부상태의이해를어렵게했는데 그당시동경전력 및일본내부의핵심전문가들이원전상태를어떻게이해하고있었는지는분명하지않다 사고후이루어진다양한해석이나분석에따르면 호기는쓰나미가들이닥친이후약 시간동안냉각수주입이이루어지지않았으며 지진발생후수시간이지나면서부터용융이시작된것으로보인다 그리고대부분의노심이용융되었고 많은양이원자로용기하부헤드를뚫고격납용기의콘크리트바닥으로빠져나온것으로추정되며 이는사고원자로에대한사후조사과정에서도확인되었다 이후 월 일 시 분경부터해수가주입되었는데 수일후부터소방차를이용한담수공급이이루어지고외부전력망이복구됨에따라점차안정을찾게되었다 생명체가노출 피폭 되는방사선량의대표적인단위는시버트 이며 이는상당히큰값이어서일상생활에서는 인밀리시버트 가주로사용된다 방사선량률은단위시간당피폭선량을나타내며 μ 가흔히사용되는단위이다 미국에서는아직도재래식단위인렘 을사용하는데 시버트는 렘에해당한다 - 36 -
격납용기배기및수소가스폭발중대사고시격납용기는방사성물질의외부대량누출을막는최후의보루이기때문에 이를보호하기위해서는내부압력을적절하게제어해야한다 전원상실등으로원자로냉각시스템이제대로작동하지않거나격납용기냉각계통이작동하지않으면원자로의열이격납용기로방출되면서내부압력이증가하게된다 동경전력의중대사고관리전략에따르면 노심손상이일어나지않은상황에서는격납용기압력이최대운전압력에도달하게되면배기 를하도록되어있다 그러나노심이손상이진행되어배기시방사성물질의외부유출이예상되는경우에는최대운전압력의 배가될때까지배기하지않는다 격납용기의배기여부는발전소비상대응센터 의책임자가결정하는데 정부의사전허가가꼭필요하지는않더라도정부의동의를얻도록권고하고있다 호기의경우배기의필요성을정부에보고하여동의를얻었고 월 일오전 시기자회견을통하여국민에게알리고 오전 시 분까지주민대피를완료한후 시 분격납용기배기를시작하였다 파열판 (Rupture Disk) 배기굴뚝 소형밸브 솔레노이드밸브 IA ( 계장용압축공기계통 ) IA ( 계장용압축공기계통 ) IA ( 계장용압축공기계통 ) 솔레노이드밸브 소형밸브 대형밸브 대형밸브 솔레노이드밸브 IA ( 계장용압축공기계통 ) 압축공기실린더 원자로용기 드라이웰 (D/W) 압축공기실린더 솔레노이드밸브 웨트웰 ( 압력억제실 ) < 그림 3.13> 1 호기격납용기배기계통 [ 비상대응센터를일본에서는 긴급시대책본부 라부르고있다 - 37 -
격납용기압력이상승하고있다는것은임시발전기에의해제어실의일부조명이켜지고격납용기압력계기가작동하게된 월 일 시 분에야처음파악되었다 당시계기는 를가리키고있었는데 이시점에서이미높은방사선선량으로인해원자로건물의출입이통제되고있었다 사고초기에격납용기압력상승을조기에파악할수없었던것은초기대응을제대로취하지못하는하나의원인이되었다 격납용기배기는 월 일 시 분경까지도여러문제가복합적으로발생하면서성공적으로이루어지지않았다 배기작업이지연된원인으로는원자로건물의높은방사선량 전력공급이없는상황에서의배기시스템작동에관한비상절차서의미비 엔진구동용공기압축기와같은장비의준비부족등을꼽을수있다 월 일 시 분경원자로용기를감압함으로써원자로용기와격납용기의압력이약 로같아졌는데 여전히소방차펌프의압력을초과하는값이었다 이후격납용기를배기시키지않는한원자로용기의압력도낮출수없는상황이진행되었고 결과적으로 시 분경까지는원자로내부로의냉각수주입이불가능하였다 격납용기내부의고온 고압상태가오랫동안지속하면서격납용기드라이웰헤드밀봉부 가손상되거나다른관통부위 배관연결부등에서부분적인손상이발생했을가능성이높다 이때문에격납용기의수소가스가원자로건물내부로누출된후원자로건물상부에모여폭발을일으켰을가능성이높다 수소가스폭발과관련된기술적인내용은뒤에서다룬다 다 호기노심손상및중대사고진행 지진발생후쓰나미도달까지의상황 지진발생직후의진행은 호기에서와유사하다 원자로는자동으로정지되었으며 외부전 원의상실로원자로보호계통에전원공급이되지않자격납용기격리신호가발생하고주증기 격리밸브 가닫혔다 이어서비상디젤발전기가정상적으로기동되어안전계통에전기 를공급하였다 시 분에급수펌프가중단되었고 운전원들은정해진운전절차에따라노 심격리냉각계통 을수동으로기동하였다 원자로수위가증가하자 시 분에수동으 로 를중단했다가 시 분에수위를감시하면서재기동하였다 가닫히고증기가원자로에축적됨에따라 시 분경에원자로압력이상승하여 원자로고압력 신호가발생했는데 이때는 이외에도고압냉각수주입계통 이 건재하여노심냉각에사용할수있는상태였다 시 분경에는원자로가미임계 상태임 축력변화와관련된원자로상태는 미임계 임계 초임계 상태로구분할수있다 핵분열반응이진행되고있다면 미임계상태에서는시간에따라줄어들고 임계상태에서는일정하게유지되며 초임계상태에서는증가한다 원자로가일단정지된후미임계상태가유지된다면 핵분열반응이더이상일어나지않는다 - 38 -
을확인하였다 이즈음 원자로압력이상승하여안전방출밸브 의개방과폐쇄가반복되었다 그결과압력억제수조의온도가상승하여 운전원들은 시부터 시 분사이에잔열제거계통을이용하여압력억제수조를냉각하고 시 분부터는압력억제수조에살수를시작했다 시 분에원자로고수위가다시발생하여 가자동정지되었으나약 분후운전원들이수동으로재기동하였다 쓰나미도달이후의진행쓰나미에의해전원상실을일으키기까지는 호기의상황과흡사하다 시 분경모든 전원상실로주제어실의조명 계측및제어기능이상실되었으며 시 분경부터원자로수위를포함한모든운전변수들을운전원들이알수없게되었다 시 분에운전원들은 를수동으로기동했는데 실제작동여부를확인할수는없었다 도지하 층에있던 용 전원이침수되어작동할수없었다 해수펌프 격납용기냉각계통및잔열제거계통도쓰나미에의해파손되었고 이후원자로계통도조금씩침수되기시작했다 의작동여부를확인할수없었기때문에발전소장은 시 분에최악의경우비상노심냉각기능의완전상실에의한노심손상가능성이있음 즉 비상사태 을정부에보고하였다 운전원들은원자로수위지시계작동에필요한전원확보에최우선순위를두고노력을경주하고 격납용기배기및화재방호계통 또는소방펌프 를이용한노심냉각수주입수단을강구하기시작했다 시 분경에는 호기의노심수위가유효핵연료상단 아래로낮아질가능성이있다고정부에보고했다 시 분에작동된 호기노심수위지시계는 보다 높은값을표시했는데 호기에서와마찬가지로신뢰하기어렵다 한편 월 일자정무렵에는소방펌프를이용한냉각수주입경로가마련되어 원자로압력이 이하로떨어진다면냉각수를주입할수있는상태가되었다 한편격납용기감압의필요성이제기되어 월 일 시 분에동경전력사장이격납용기개방작업을승인하였으나 밸브위치와개방방법을파악하는데수시간이소요되었다 주제어실의스위치만누르면밸브가개방되는일반적인경우와는달리 이번에는수동으로밸브를개방해야하는데사전에이와관련된훈련이이루어지지않았기때문이다 월 일밤부터 일새벽까지 의작동여부를파악하기위한다양한노력이기울여졌고 시 분경에는드디어작동을확인할수있었다 또한 소형발전기를연결하여계측기일부를복구시키는성과도얻었다 다수의자동차배터리를연결한전원을이용하여주제어실계기판복구를시도했는데 월 일 시 분에 호기노심수위지시계를복구하고 시에는 호기의노심수위지시계를복구할수있었다 자위대의발전차량이 월 일 시 분현장에도착했지만케이블의규격이맞지않아사용할수없었다 월 일오전에는현장 - 39 -
복구작업의우선순위가 호기격납용기의배기에맞추어져서 호기에대한복구작업은적극적으로이루어지지못하였다 월 일밤부터원전 호기에서방사성물질누출의징후가나타나면서작업환경이더욱악화되었고 특히 월 일 시 에는운전원들에게제어실및현장에서모두탄소필터가부착된마스크를착용하라는지시가내려졌다 그렇지만긴급복구작업은비교적순조롭게진행되어 월 일 시 분 임시케이블을사용하여이동식전원을 호기에연결하는데성공했다 시 분 호기에서수소가스폭발이발생할때운전원들은 호기대기액체제어계통의전원을복구하기위해현장에서작업중이었다 그러나폭발파편으로인해케이블과전원공급차량이손상되었으며 현장작업이연기되고 작업자들은비상대응센터 로대피했다 나중에인공위성사진을분석한결과에따르면 폭발로인해 호기의배출패널 이개방되면서원자로건물일부가손상되었다 다음날이동식전원차량을재기동하는과정에서발전기가손상되었는데 저전압전원은손상되지않았다 월 일오후에도원자로수위가 에의해계속유지되었으나 점차상황이악화하고있었고격납용기배기가필요한상황이예상되었기때문에 소방펌프에의한냉각수주입 화재방호계통을이용한해수주입등을준비하였다 월 일오전에는격납용기압력이설계압력근처로유지되는상태에서배기를시도했으나 격납용기압력이파단판 파열압력보다낮아서실제로배기가이루어지지는않았다 월 일 시 분 원전 호기원자로건물에서수소가스폭발이일어났다 이때문에 호기압력억제수조배기밸브의임시전원공급장치가훼손되고밸브는고장으로닫혔다 해수주입을위해준비된소방펌프와호스도폭발파편에훼손되었고 모든작업자가 로피신하여현장작업이중단되었다 월 일정오경에는원자로수위가감소하는경향이뚜렷하게나타났으며 이는 의기능이상실되어감을의미하였다 소방펌프로냉각수를주입하기위해서는원자로를감압시켜야하지만 압력억제수조가이미포화상태에도달하여격납용기압력을먼저낮추지않고서는원자로용기감압이나화재방호계통을통한냉각수주입이불가능한상태였다 월 일 시 분 에소방펌프와호스를이용하기위한준비를시작하여 곧이를이용한냉각수주입경로를확보했다 시 분 에원자로수위가감소하기시작했으며 시 분에운전원들은 기능상실로냉각수주입이중단되었다고판단했다 를재기동하기위해노력했으나실패하였고 격납용기감압에도온힘을기울였으나계속되는여진과대피로인해작업이지체되었다 월 일오후부터해수주입을시도하고격납용기배기를위한다양한수단을강구하였으나 월 일까지도큰성과를거두지못한것으로판단된다 - 40 -
월 일오전에는 호기원자로건물에서수소가스폭발이있었지만 호기의격납용기에서도큰소음이들렸다 후쿠시마제 원전의방사능준위가급격하게높아져서필수인원 명을제외한모든인원 약 명 이제 원전으로대피하였다 시 분에측정된격납용기압력은 였는데 이러한격납용기압력의하강 오전 시경들려온큰소음 배기배관의징후없음등을고려할때격납용기의건조한부분 즉드라이웰에서부분적인파손이발생한것으로추정된다 호기격납용기가높은압력및온도조건에서장기간유지되었기때문에관통부나플랜지등취약한부분에서손상이발생했을개연성이높다 특히 월 일급격하게높아진방사능준위는 호기에서격납용기로방출된방사성물질들이압력억제수조의물을거치지않고격납용기손상부위를통해바로대기로배출되었기때문으로추정된다 외부전원은 월 일복구되었고 월 일에는원자로해수주입을중단하고담수 주입으로전환하였다 동경전력은 호기에서는 가약 시간작동하고 그이후해수주입이이루어질때까지약 시간반동안냉각수주입이중단된것으로추정하고있다 이경우에도상당한양의노심이용융되고 일부는격납용기바닥으로재배치되었을것으로판단된다 호기에서는수소가스폭발이발생하지않았고원자로건물도비교적양호하게유지되었음에도 격납용기배기에실패하여다량의방사성물질을방출한것으로추정되기때문에 그원인과경과등에대해앞으로분석이필요한것으로판단된다 이에따라위원회에서는중대사고해석코드 컴퓨터소프트웨어 인 를이용하여 호기의중대사고경위를분석하여보았다 상세분석을위한정보가충분하지않은상황에서많은가정을도입하여수행하였으므로분석결과를전적으로신뢰하기는어려우나 전반적인사고진행을이해하는것에는도움이될것으로생각한다 분석결과 그림 에따르면 가정지되고약 시간후에노심용융이시작되고 최종적으로약 의노심이용융되었을것으로나타나고있다 본분석에서는 가정지되고 시간후부터소방차에의해냉각수가최대 정도의유량으로주입되는것으로가정하였다 또한 만약현재의심되고있는바와같이 호기격납건물의드라이웰이파손되었다면환경으로방출되는 분율은노심초기재고량의 정도인것으로나타나고있다 앞에서언급한바와같이본분석에는많은가정이사용되었으므로 향후관련정보를더확보하여추가분석을수행할계획이다 호기와 호기에서는격납용기배기가압력억제수조로부터이루어졌기때문에 많은양의방사성물질 특히방사성세슘 들이물에녹고일부만배출되었으나 호기에서는격납용기대기로부터방사성물질이외부로직접배출된것으로추정하고있다 원자력기구 에서는최근후쿠시마사고분석을위한국제협력프로그램인 을착수하였으며 일본이주관하고한국 미국 프랑스 독일 러시아 스위스 스페인이참여하고있다 - 41 -
(a) 원자로냉각재수위거동 (b) 용융노심물질질량 (c) 일차계통, 격납용기, 환경에서의 CsI 분포 < 그림 3.14> MAAP4 코드에의한 2 호기노심용융해석결과 - 42 -
라 호기노심손상및중대사고진행 지진발생후쓰나미도달까지의상황동일본대지진직후의상황은 호기와유사하다 모든제어봉이삽입되면서원자로가자동으로정지되었으며 소외교류전원상실에대응하여 대의비상디젤발전기가기동하여안전계통에전력을공급하였다 운전원들은지진에의한진동이멈추기를기다린후 시 분경원자로의자동정지를확인하였고 주발전기의높은진동때문에주발전기용터빈을수동으로정지시키고 터빈정지절차를원활히하기위해복수기의진공을해제하였다 시 분에는원자로가미임계상태임을확인하였다 시 분 운전원은원자로압력과수위를유지하기위하여노심격리냉각계통 을수동으로기동하였다 분뒤 원자로수위가높아져서 가자동으로정지되었는데 이에따라원자로압력이증가하여안전방출밸브 가자동개방되었고 배출된증기는압력억제수조로방출되어수온이상승하였다 운전원들은격납건물열제거계통을기동할필요성을느꼈지만 당시이미경보가발령된쓰나미가밀려왔다가후퇴할때펌프가손상될가능성을고려하여당분간펌프를기동하지않고 쓰나미도착한후에상황이어떻게변하는지를지켜보기로하였다 쓰나미도달이후의진행쓰나미로인해해수펌프 분전반및비상전력모선이침수되었으며 호기비상디젤발전기두대도침수되었다 시 분 호기의모든교류전원이상실되고 직류전원도상당부분훼손되었다 정상적인주제어실조명은완전히상실되었으나 직류분전반이침수되지않았으므로원자로압력 수위측정지시등을위한전원은사용가능한상태였다 호기운전원은손전등을사용하여원자로수위를포함한변수들을감시하였다 직류분전반이침수되지않았으므로직류전원으로운전되는고압냉각수주입계통 과노심격리냉각계통의운전이가능하였다 시 분 원자로수위가낮아진것을확인하고이를회복하기위해 를수동으로재기동하였다 이를통해원자로의수위를유지할수는있었지만저온정지상태에이르게할수는없었다 살아남은직류축전지 배터리 의수명을연장하여냉각계통을가능한한오래운전하기위해불필요한부하를차단하였으며 냉각수주입을위한다른대안도모색하였다 의운전이중단된후재기동하려면축전지가많이소모되므로원자로수위를감시하면서유량을조절하여운전이중단되지않도록했고 응축수저장탱크로우회하는시험배관도같이사용하였다 이에따라 원자로수위는유효핵연료상단으로부터약 높이에서유지되는것으로표시되었다 시 분 호기제어실의조명을회복하기위하여소형이동발전기가연결되었으며 이상태 - 43 -
는저녁내내유지되었다 월 일 시 분 가갑자기정지한후재기동이불가능하였다 운전원은 호기에냉각수주입을준비하기위해소방차를요청했으나 모든소방차들이심각하게진행중인 호기의사고를완화하기위해사용되고있었다 발전소외부소방차의사용은심각하게파괴된도로사정으로인해불가능하였다 가정지된 시간후인 시 분 낮은원자로수위에따라고압냉각수주입계통 이자동기동하여냉각수를주입함에따라노심수위가회복되기시작했다 운전원은원자로고수위에의한정지를방지하기위하여원자로수위계측기 고압냉각수주입계통유량제어기를감시하며 유량일부를 운전시의방법과동일하게응축수저장탱크로우회시켰다 시 분까지 원자로수위는유효핵연료상단으로부터약 까지회복되었다 가원자로로부터많은양의증기를배출시켰기때문에원자로압력이상당히감소하기시작했다 시 분 에원자로압력은 를지시하며계속낮아지고있었다 시경원자로압력은 범위에있었다 월 일 시 분축전지가모두소모됨에따라직류전원을공급받는계기는성능이떨어지거나계측불능상태가되었다 시 분부터 분까지사고관리를위해필요한드라이웰압력 압력제어실압력 압력제어실수위지시계 원자로수위지시계등이차례로사용불가능하게되었다 지시계상실에따라운전원들이원자로수위를실시간으로계측하는것이불가능하였으므로 충분한냉각수가주입되도록 주입유량설정치를증가시키고 의운전상태를유지하기위하여펌프출구압력과원자로압력을집중적으로감시하였다 는원래원자로가 에서 범위의고압에있을때짧은시간동안다량의냉각수를주입할목적으로설계되었지만 호기에서는원자로압력은 범위에머무르는상태에서낮은회전수로장기간운전되고있었다 의출구압력이점점감소하면서원자로압력에가까워졌다 운전원들은원자로수위를모르므로충분한냉각수가원자로에주입되고있는지판단할수없었고 정상에서벗어난조건에서장기간운전중인 기기의고장가능성도걱정하게되었다 또한 이들은제어반에서안전방출밸브의운전이가능한것으로판단하였으므로 수준인원자로압력을더낮춘다면디젤구동소화수펌프를이용하여냉각수를안정적으로주입할수있을것으로생각하였다 따라서운전조는원자로를감압한후디젤구동소화수펌프를이용하여냉각수를주입하기위해 를수동정지하기로결정하였다 이러한내용은발전소비상대응센터의일부구성원에게만통보되었는데 비상대응조직의책임자는해당내용을파악하지못하였고 결과적으로본부장과다른발전소구성원 동경본사에서는이사실을알지못했다 - 44 -
월 일 시 분 원자로압력이 일때 운전조는 를정지시켰고 시 분사이에안전방출밸브를원격수동으로개방하려고시도했으나실패하여원자로감압이이루어지지않았다 나중에전원이복구된후에는밸브가작동된것으로볼때 밸브개방에실패한것은구동에사용되는축전지전원이부족했기때문으로추정되고있다 축전지상태를파악하지않고 를미리정지시킨것은 호기사고관리에서중요한실수로간주되고있다 가중단되고안전방출밸브가개방되지않음에따라 원자로압력이소화펌프배출압력 시 분 도달 이상으로빠르게상승하여냉각수주입이불가능해졌다 원자로압력은 시경에 였고 시 분에는 에도달하였다 또한 냉각수주입이이루어지지않음에따라노심노출이곧시작된것으로추정된다 이때고온의증기와핵연료피복재 지르코늄 간의반응이시작되어원자로용기내부에서다량의수소가스가생성되었다 시경원자로압력은 이었으며감압이시작될때까지 범위로유지되었다 시 분경잔열제거계통으로부터노심으로의방출밸브를닫고 수동으로압력억제수조의살수를기동하였다 의개방을위해서는 전원이필요했지만 당시후쿠시마제 원전에는충분한축전지가없었다 차량에서사용되는 축전지 개를직렬로연결하는등다양한노력끝에 월 일오후부터냉각수를주입할수있었다 이와함께계속상승하는격납용기배기를위한노력을경주했는데 전원및공기공급등의문제로크게지연되었다 격납용기의압력은 월 일 시경 시경 로계속상승하였다 월 일 시 분에는 호기원자로건물에서대형수소가스폭발이일어났다 이폭발로원자로건물상부가크게파괴되었고 명의작업자가부상을당했다 폭발로인한대량의비산파편물이다수의휴대용발전기들과임시전원공급케이블들을손상시켰고 소방차와호스들의손상으로인해해수주입이중단되었다 주제어실운전원의작업을제외하고모든작업이중단되었으며 작업자들은인원확인을위하여비상대응센터로대피하였다 사태가안정된후 시 분에새로운주입을위한라인을구성하고 소방차들이해수를 호기원자로에직접주입할수있도록배치되었다 소외전원은사고후 일이지난 월 일복구되었다 호기의중대사고진행과정은원자로정지후약 시간이지난시점인 월 일 시 분 기능이상실되면서본격화된것으로추정된다 약 시간 분동안원자로에냉각수주입이이루어지지않았으며 이에따라상당한양의핵연료가용융되어원자로하부로재배치되었고 일부는격납용기바닥으로방출된것으로추정되고있다 - 45 -
마 호기에서의사고진행 호기는 년 월 일부터정지된상태였고 내부구조물교체작업을위해모든핵연료가원자로에서제거되어사용후연료저장조 에보관되고있었다 원자로는지진당시헤드가제거되어분리된상태였고 냉각수온도는약 였다 지진과쓰나미이후 호기제어실운전원대부분은 호기를안정시키는데초점을맞추어노력하고있었다 호기 의붕괴열이높았지만 운전원들은 에냉각수를추가로공급하는등의즉각적인관심을기울이지않았다 그런데 월 일 시경 호기원자로건물에서수소가스폭발이발생하였다 이것은 에서의수소가스발생가능성을우려하지않았던대부분의사람에게예상밖의일이었다 호기원자로건물에서수소가스폭발이일어나자처음에는사용후연료저장조내의사용후연료들이노출되어공기와반응하면서수소가스를발생시킨것으로의심하였다 자연스럽게다른사용후연료저장조에서도냉각수고갈로인해사용후연료의안전성이위협받을가능성이제기되었다 따라서 호기의 에도물대포나헬리콥터를이용한냉각수공급이추진되었다 특히 호기사용후연료저장조는수소폭발로인해구조적인건전성이훼손된상태여서 냉각수공급뿐만아니라구조물보강필요성도제기되었다 나중의분석과검사를통해 호기 에서는냉각수수위가핵연료높이이하로떨어지지않았고 심각한핵연료손상도발생하지않았다는것이밝혀졌다 그렇지만지진등으로저장수조구조물에틈이생겼거나수소가스폭발이유사한영향을가져왔다면대량방사성물질의유출이충분히가능한상황이었다 호기수소가스폭발의원인과관련하여여러가설이있으나 가장넓게받아들여지는것은 호기배기관으로부터의배기가스역류와관련이있다 호기와 호기의격납용기의배기관은같은배기굴뚝을공부하며서로연결되어있다 그림 호기예비기체처리계통 의댐퍼 들은전력이나공기상실시개방되는 밸브였다 필터트레인상호연결배관은제외 또한 이계통은 호기연결배관에역류방지댐퍼를가지고있지않았다 이로인해 호기격납용기를배기시키는과정에서역방향유로를타고 호기예비기체처리계통을통하여 호기원자로건물로이동한것으로추정된다 년 월동경전력에서 호기예비기체처리계통필터들의방사능을측정했는데 배기굴뚝에가까운쪽에서높은방사능이측정됨으로써가설을뒷받침하였다 - 46 -
5 층남쪽배기덕트 4 호기원자로건물 4 층서쪽배기덕트 3/4 호기공용배기굴뚝 4 층동쪽배기덕트 SGTS SGTS 예비기체처리계통 (SGTS) 의출구쪽 ( 배기굴뚝과가까운쪽 ) 의방사능이높게측정됨 우측사진참고 SGTS 배기관합류부 배기굴뚝 3 호기 4 호기 < 그림 3.15> 4 호기예비기체처리계통을통한수소가스이동경로 [ 바 격납용기와수소가스생성및폭발 중대사고시노심에서의현상과수소가스생성원자로냉각수공급이부족하여노심 핵연료 이노출되면 노출부위에서는붕괴열이충분히제거되지못하므로핵연료봉의온도가급상승한다 그림 은온도상승에따라경수로 가압경수로 비등경수로 에서나타날수있는노심재료의용융및화학반응과노심손상거동을종합적으로예시하고있다 고온의지르코늄 합금피복재와수증기가반응하면다음과같이수소가스를발생한다 열에너지지르코늄 당약 의수소와약 의산화열 상온기준 이발생한다 발열반응이기때문에피복재온도가일정수준이상에도달한다음부터는산화현상이가속화되면서수소가스의생성량이증가할뿐만아니라 연료봉온도도계속상승하게된다 연료봉온도가상승하면이산화우라늄 소결체 안에있던기체상태의핵분열생성물이핵연료와피복재사이의간극 으로이동한다 이로인한연료봉내부압력증가로핵연료피복재가부풀어 어느임계점에도달하면피복재가파손되며 이때간극내에있던핵분열생성물 주로기체상태 이원자로냉각재로소량방출된다 - 47 -
< 그림 3.16> 원자로노심에서온도에따른노심손상거동 - 48 -
수소 농도 ( 체적 %) 시간 ( 초 ) < 그림 3.17> 과열노심에의냉각수주입속도에따른수소가스발생량비교 파손된피복재부위를통해수증기가연료봉안으로들어가면피복재의외부뿐만아니라내부에서도수증기와의산화반응이일어난다 이때산화열은피복재온도를더욱높여서산화반응을가속시키는데 피복재온도가 수준이되면상승작용이가속화되어결국용융으로이어진다 피복재로사용되는지르코늄합금이녹는온도는약 핵연료인 소결체가녹는온도는 수준이다 그런데일단피복재가녹고난후에는 가용융상태의지르코늄합금으로녹아들어가는현상 이나타나므로 원자로에서 는소결체자체의용융점보다훨씬낮은온도에서부터녹기시작한다고할수있다 한편 손상된노심을냉각하기위해서는원자로내부에냉각수를주입해야하는데 과열된노심에냉각수를주입하면수소가스가급격하게발생하므로 그위험성이지적되어왔다 관련실험자료를보여주는 그림 에서도볼수있듯이 노심을천천히냉각시킬때보다급격히냉각시킬때수소가스가많이생성된다 노심의용융이상당히진행된이후라도원자로에는상당한양의지르코늄이나다른금속물질들이남아있으므로 이문제는중대사고관리전략수립을어렵게하는요인이된다 수소가스폭발후쿠시마제 원전 호기에사용된 격납용기는 격납용기나가압경수로격납용기와는달리원자로출력에비해격납용기의체적이작으므로 중대사고 노심용융사고 시생성되는수소가스가격납용기로방출되기시작하면짧은시간안에폭발을 - 49 -
일으킬수있는농도에도달한다 따라서수소가스가격납용기로배출되기이전에질소가스를채워서폭발을방지하는개념을채택하고있다 그러나압력억제수조 웨트웰 가포화상태에도달한이후에는격납용기압력이매우쉽게상승하므로신속하게배기시켜야격납용기건전성을유지할수있다 매우가벼운수소가스의경우개방공간에서는빠르게흩어지지만 폐쇄공간에서는천장쪽에축적되어농도가높아진다 연소시에는발열량이매우커서화염온도가높고 다양한반응경로에의한반응속도가매우빠르며 폭발범위도넓다 또한 가벼운특성때문에공기중에서연소할경우열에너지의전달보다물질의확산이 배정도빨리진행되므로 일단연소가진행된후에는화염을소멸시키기가매우어렵다 공기중에서수소가스의연소는약 의농도에서부터시작되는데 낮은농도에서는불완전연소가일어나고 이상에서는완전연소가일어나며 이상의높은농도에서는폭굉 으로이어지는폭발적인연소반응이일어난다 따라서후쿠시마원전과같이원자로건물에수소가스제어설비가갖추어지지않은경우 일단상당한양의수소가스가방출된다음에는구조물의상부에포집되어폭발이일어나는것이필연적이라할수있다 이번사고에서는 차례의대형수소가스폭발이발생한원인은다음과같이정리할수있다 노심냉각이장시간이루어지지않아많은양의핵연료가용융하는단계에이르면서대부분의지르코늄합금피복재와노심내다른금속물질의산화로인해많은양의수소가스가생성됨 질소가스주입으로격납용기에서의수소가스폭발은억제되었으나 배기작업의지연또는실패로격납용기가장시간동안고온 고압상태로유지되면서취약한부분이일부손상되면서수소가스가원자로건물로누출되어건물상부에축적됨 격납용기배기과정에서도배관의취약부위를통해원자로건물로수소가스가누출되었을것으로추정되며 특히 호기수소가스폭발은 호기에서생성된수소가스가공통배기관을통해역류하여비롯된것으로판단됨 원자로건물상부는수소가스농도제어를위한설비가전혀없는밀폐공간이었으므로 수소가스농도가쉽게상승하여대형폭발을일으킴수소가스폭발에대한상세한평가를위해서는원자로내수소가스의생성량 원자로용기및원자로건물내수소가스의방출경로등에대한상세한평가를통한수소가스분포해석이이루어져야하며 구조물상부에축적된수소가스의폭발가능성 폭발에의한압력파의생성및구조물의건전성에대한평가등이필요하다 - 50 -
사 사용후연료저장조냉각문제 사고전상황 후쿠시마제 원전에서는호기별사용후연료저장조 공용사용후연료저장조및부지내건식저장시설에사용후연료를저장하였다 원자로에서사용된핵연료는최소한 개월이상원자로건물상부에위치한호기별저장조에보관하고 붕괴열과방사능이어느정도낮아진다음공용저장조로이송하여장기간보관한다 호기별저장조와공용저장조는사용후핵연료집합체들을대량의물속에잠기게하여붕괴열제거와방사선차폐를달성하는습식 저장시설이다 후쿠시마제 원전은당초공용저장조에서충분히냉각된사용후연료는로카쇼무라에건설되는재처리시설로이관할계획이었으나 로카쇼무라시설이지연됨에따라사용후연료운반용기를이용하여부지내에건식저장시설을운영하게되었다 표 은사고당시호기별저장조에보관되어있던핵연료집합체의수와저장조의냉각수량을요약하고있다 저장조는평상시지속적으로냉각하면서붕괴열을제거하지만 수조내에많은양의냉각수가있으므로사고나고장으로외부냉각이이루어지지않더라도적어도수일동안은연료봉들이노출되지않고견딜수있다 그러나수조구조물의붕괴또는균열등다른요인으로냉각수가유실되는경우에는연료봉이공기에노출되면서급격한산화반응을일으킬수있다 특히 호기의경우원자로정비를위해노심에있던모든연료봉들도저장조로옮겨와서다른저장조에비해집합체의수도많고열부하도컸기때문에수소가스폭발후한동안사용후연료저장조의안전성에대한큰우려를불러일으켰다 한편 후쿠시마제 원전부지내사용후핵연료집합체의약 인 개가공용사용후연료저장조에있었다 이공용저장조에는저장용량의 에달하는많은핵연료집합체들이저장되어있었으나 각집합체의붕괴열이매우낮은수준이었기때문에안전에대한큰우려는없었다 건식저장시설에는 개의저장조에 개의사용후핵연료집합체가저장되어있었는데 이들은별도의냉각시스템을필요로하지않는다 < 표 3.3> 사고당시호기별사용후연료저장조의상태 구분 1 호기 2 호기 3 호기 4 호기 5 호기 6 호기 핵연료집합체수 ( 개 ) 사용후연료저장조 노심내 400 548 548 0 548 764 사용후연료 292 587 514 1,331 946 876 새연료 100 28 52 204 48 64 냉각수의양, m 3 1,020 1,425 1,425 1,425 1,425 1,500-51 -
사고후상황후쿠시마제 원전각호기의사용후연료저장조가사고발생시점부터안정화되기까지의과정은다음과같다 호기대지진과쓰나미에의해모든교류전원이상실되고해수펌프의기능도상실되면서 사용후연료저장조의냉각기능과냉각수보충기능을상실하였다 월 일 호기의수소가스폭발에의해원자로건물이파손되었고건물천정의일부가저장수조의위쪽으로떨어졌다 이후콘크리트펌프트럭에서저장조로물이살수되고 이어서정화계통및담수수원에서배관을통해저장조에냉각수를주입하면서수위가유지되어핵연료노출은일어나지않았던것으로추정된다 년 월 일이후대체냉각시스템을구성하여작동함으로써안정적인수조온도를유지하게되었다 호기다른호기들과마찬가지로대지진과쓰나미에의해사용후연료저장조의냉각기능과냉각수보충기능을상실하였다 월 일 호기원자로건물의수소가스폭발로 호기원자로건물의배출패널이손상되었다 월 일이후저장조냉각시스템및정화시스템배관을통해해수를주입하였으며 월 일부터해수주입이담수주입으로대체되었는데 저장조에서의핵연료노출은일어나지않았을것으로추정된다 호기는원자로건물에서수소가스폭발이없었기때문에다른호기들에비해빠른 월 일대체냉각시스템을구성하여작동함으로써안정적인수조온도를유지하게되었다 호기다른호기들과마찬가지로대지진과쓰나미에의해사용후연료저장조의냉각기능과냉각수보충기능을상실하였다 월 일의 호기수소가스폭발로의해원자로건물의외벽이모두파손되었으며 다량의잔해가사용후연료저장조로떨어졌다 월 일자위대의헬리콥터를이용하여원자로건물의상부에해수를살수하기시작하였고 같은날살수트럭을통한살수도시작되었다 월 일콘크리트펌프로냉각수를주입하기시작하였고 월 일에기존의저장조냉각및정화시스템배관을통한냉각수주입을시작하였다 이와같은노력으로저장조의수위가유지되어핵연료노출은일어나지않았을가능성이매우높다 그렇지만수소가스폭발시원자로건물의파편들이저장조로떨어질때사용후연료가일부손상되었을가능성을배제할수는없다 월 일이후대체냉각시스템을구성하여작동함으로써안정적인수조온도를유지하게되었다 - 52 -
호기다른호기들과마찬가지로대지진과쓰나미에의해사용후연료저장조의냉각기능과냉각수보충기능을상실하였다 월 일의 호기수소가스폭발로원자로건물의상부벽과다른부분이파손되었다 월 일부터자위대살수트럭이정기적으로담수를살수하였고 월 일임시냉각수주입시설을이용한냉각수주입을시작하였다 저장조의물을채취하여방사능핵종을분석한결과와촬영된영상들에근거할때 수조내의사용후핵연료는대부분건전한것으로평가되었다 그렇지만수소가스폭발시원자로건물의파편들이저장조로떨어질때사용후핵연료가일부손상되었을가능성을배제할수는없다 월 일에는저장조의바닥에지지구조물을보강하는작업을완료하여지진에대비한안전성을강화하였다 월 일이후대체냉각시스템을구성하여작동함으로써안정적인수조온도를유지하게되었다 사고확대억제및안정화 가 초기대응을통한사고확대억제 일본은 년사이에원자력발전소중대사고관리전략을수립하였는데 비등경수 로에서채택한핵심내용을 표 에요약하였다 또한 핵심적인중대사고관리전략을 그림 에예시하였다 < 표 3.4> 일본의비등형경수로중대사고대응전략 안전기능관리목표노심손상방지노심손상완화 원자로 / 격납용기냉각수주입 격납용기열제거 원자로감압냉각수대체주입격납용기배기잔열제거계통복구 자동감압계통소방수계통, 냉각수여과계통, 냉각수보충계통강화된배기계통 (Hardened Vent System) 잔열제거계통복구 수소가스폭발방지격납용기내폭발방지격납용기질소주입 SBO 시전기공급전기공급인접호기와의전력망연결등대체전력계통 - 53 -
한편 후쿠시마제 원전에는카시와자키 카리와원전시설에화재를일으킨 년니가타지진후속조치의하나로 발전소내화재대처능력을키우기위해 대의소방차가구비되어있었다 이소방차들은원자로저압주입을위한대체냉각수원으로도사용하게되어있었다 그렇지만지진과쓰나미의영향으로단한대만사용가능하였고 냉각수주입을위한유로를확보한다음에도소방차의방출압력이원자로압력을극복하지못하여냉각수주입이쉽지않았다 몇번의시행착오를거친후소방차와화재방호계통을활용하는임시시스템을구성하여해수를주입하였다 사고초기에운전원들이해수주입을적극적으로고려하고최선을다했는지에대해서는일부논란이있다 사고관리전략에따라 호기격납용기로의질소주입과원자로내부및격납용기로의냉각수 초기에는해수 주입이지속시도되었다 여기서노심으로의냉각수주입은주로노심살수계통 을통하였으므로 원자로용기하부가일부손상되어냉각수가계속유실되었더라도부분적으로는노심냉각기능을할수있었을것이다 그리고비등경수로는노심손상과정에서제어봉도손상될가능성이높으므로 해수에중성자흡수물질인붕소 를섞어서주입한것으로보고되고있다 사고초기원자로 격납용기 사용후연료저장조로의냉각수주입을위해소방차 임시펌프 콘크리트펌프트럭 헬리콥터등이다양하게시도되었고 이과정에서일본자위대가위험을무릅쓰고큰역할을하였다 배기굴뚝 중대사고관리 대체전원 (Alternate Power Source) 다른호기 대체노심주입 / 격납용기살수 (Alternate Core Injection / Containment Spray) 여과수저장탱크 강화된배기계통 (Hardened Scrubbing Vent) 원자로공동주입 (Pedestal Injection) 잔열제거계통펌프 해수펌프 바다 < 그림 3.18> 중대사고관리전략의예시 - 54 -
쓰나미직후냉각기능이상실되어노심용융이진행된것으로평가되는 호기의경우는원자로건물에서수소가스폭발이발생한 월 일저녁부터해수주입을시작하였으므로 그이후에는원자로용기내부와격납용기에분산된노심잔해물 에서방출되는붕괴열을계속제거했을것으로보인다 이어서 호기노심으로의해수주입이 월 일낮부터시작되었는데 해수주입에도불구하고 월 일 시 분수소가스폭발이발생하였다 주입된해수가초기에는손상된노심의냉각에기여하지못했을수도있고 냉각에는기여했지만수소가스생성이계속되었을수도있다 또는 그림 에서보는바와같이갑작스러운냉각수주입으로인해오히려수소가스생성이급격하게증가시켜서수소가스폭발을촉진시켰을수도있다 호기에대한해수주입은가장늦은 월 일저녁부터시작되었다 호기에서는수소가스폭발이발생하지않았으나 격납용기의고온 고압상태가오랫동안유지되면서배기가이루어지지않았기때문에 월 일아침에부분적인손상이일어난것으로추정되고있다 월 일부터는발전소상황이더악화되지않고소강상태를보였다 월 일부터 일까지전호기에외부전력망이연결되었고 일까지주제어실의조명이복구되었다 또한 월 일부터는해수를대신하여담수를주입하게됨으로써초기의긴박했던상황에서벗어났음을상징한다 앞에서한설명은주로노심냉각에초점을맞추었다 그런데실제현장에서는터빈건물로유출된다량의방사능오염수관리등다른역무들이다수있었다 그림 는사고초기다양하게취해진수습조치들을잘보여주고있다 냉각 RPV 및 SFP 로의냉각수주입 원자로건물 수소가스폭발방지 PCV 로의질소가스주입 전원공급복구 소외전원 방사성물질확산방지 해양및대기 냉각수축적량제어 임시저장시설등 오염수유출방지 균열보수 < 그림 3.19> 후쿠시마사고시초기수습조치요약 - 55 -
I. 냉 각 II. 억 제 III. 감시 제염 IV. 여진대책 IV. 환경개선 과제 (1) 원자로 (2) 연료수조 (3) 축적된오염수 (4) 지하수 (5) 대기및토양 (6) 측정, 저감, 공표 (7) 쓰나미, 보강등 (8) 생활 / 직장환경 (9) 방사선 / 의료 (10) 직원훈련 / 배치 중장기적과제에의대응 담수 주입 담수주입 초기조치 (2011/4/17 시점 ) STEP 1 (3 개월정도 ) 최소한의냉각수주입에의한핵연료냉각 누출되어축적된물의재사용검토및준비 방사능이높은오염수의이동 방사능이낮은오염수의보관 질소충전 작업환경개선 주입작업신뢰성향상 / 원격작업 순환냉각시스템 ( 열교환기설치 ) 보관 / 처리시설설치 보관시설설치 / 제염처리 비산방지제뿌리기 잔해물철거및관리 냉각수순환냉각 ( 개시 ) 지하수오염확대방지 지하수차단벽방식검토 안정적 냉각 안정적냉각 보관장소 확보 해양오염확대방지 비산 억제 발전소내외부방사선량모니터링확대, 충실화및공표 여진 / 쓰나미대책의확충및다양한방사선차폐대책준비 4 호기사용후연료저장조지지구조물설치 작업원의생활및직장환경개선 방사선관리및의료체제개선 STEP 2 (2011 년내 ) 냉각수순환에의한노심냉각 ( 계속 ) 질소충전 ( 계속 ) 원격조작에의한주입작업 열교환기능검토및이용 시설확충 / 본격적수처리시설검토 제염 / 염분처리 ( 재이용 ) 등 폐슬러지등의보관및관리 해양오염확대방지 ( 저장 / 처리시설확충및하수펌프복구 ) / 지하수차단벽설계및착수 비산방지제뿌리기 ( 계속 ) 잔해물철거및관리 ( 계속 ) 원자로건물커버설치 (1 호기 ) 각호기에대한보강공사검토 2011/12/16 요원의계획적육성및배치시행 중기안전성확보방안 잔해물제거 (3,4 호기원자로건물상부 ) 원자로건물컨테이너검토 격납용기가스관리시스템설치 본격적제염의검토및개시 저온정지상태 더욱안정적냉각 오염수전체축적량감소 해양오염확대방지 비산 억제 ( 계속 ) 제염 재해확대방지환경개선충실건강관리충실선량관리충실 중기안전확보방안기반시설운영계획 중장기로드맵작성 중기적과제 (~3 년정도 ) 저온정지상태의유지계속 질소충전 ( 계속 ) 구조재부식파손방지 핵연료제거작업개시 본격적수처리시설설치 축적오염수처리계속폐슬러지등의보관 / 관리폐슬러지등의처리연구 해양오염확대방지 지하수오염확대방지 지하수차단벽구축 비산방지제뿌리기 잔해물철거및관리 잔해물철거 / 커버설치 (3,4 호기 ) 원자로건물컨테이너설치작업개시격납용기가스관리시스템설치 환경모니터링계속제염작업계속 다양한차폐대책계속 각호기보강공사 작업원생활 / 직장환경개선 방사선관리및의료체제개선 요원의계획적육성및배치시행 시설운영계획에기반한대응 < 그림 3.20> 후쿠시마사고복구로드맵 (2011.12.16 기준 ) - 56 -
원자로건물커버 ( 대책 5,50,54,55,84) 완전한성능의건물컨테이너 ( 대책 50,56) 사용후연료저장조에대한외부로부터의냉각수주입 ( 대책 18,22,28) 원자로에의한증기발생량의저감 ( 대책 4) 필요할경우 Step-1 대응책의유지 강화 ( 대책 17) 증기 / 수조수샘플링및방사성물질측정 ( 대책 19) 사용후연료저장조의순환냉각 ( 대책 23,24,25,27) 탱크 염분제거 수처리시설 제염 흡착 기름성분분리 배관 (Piping) 펌프 (Pump) 열교환기 / 수처리시설저준위오염수의보관 처리 ( 대책 33,34,35,40,41,44,46) 질소가스주입 ( 대책 2,11,15) 격납용기가스관리 ( 대책 86) 원자로건물 최소냉각수주입에의한냉각 ( 대책 7,12,14) 처리된물의재이용 ( 대책 45) ( 순환냉각수에의한냉각실시 ) 고준위오염수의처리 ( 대책 31,38,43) 보관 : 탱크, 메가플로트처리 : 제올라이트에의한제염 격납용기배기 ( 여과기활용 ) ( 대책 10) 핵연료상단까지냉각수채움 ( 대책 3,9) 열교환기 원자로격납용기 원자로용기 폐슬러지등의보관 관리 ( 대책 81) 본격수처리시설의검토 ( 대책 82) 터빈건물 증기터빈 고준위오염수의보관 ( 대책 30,32,37,39,42) 추가설치탱크 열교환기들의설치 ( 대책 13) 펌프로담수주입 ( 대책 1) 복수기 차수벽 하수를퍼올려서처리 ( 대책 36) 지하수오염확대의방지 ( 대책 66,67) 지하수차단벽설치검토 ( 대책 68,83) 작업자의생활 직장환경개선 ( 대책 74,75) 현장작업환경개선 ( 대책 76) 압력억제실 누출부위의밀폐 ( 대책 6,16) 소외전원연결의다양화 ( 대책 8) 쓰나미대책의확충 ( 대책 69,70) 각호기의보강공사검토 ( 대책 71) 다양한방사선차폐대책 ( 대책 72,73) 비산방지제뿌리기 ( 대책 47,48,52) 잔해물철거및관리 ( 대책 49,53,87) 오염된토양에대한대책의검토 ( 대책 51) 내진성평가 ( 대책 20) 지속감시 ( 대책 21) 4 호기사용후연료저장조하부지지구조물설치 ( 대책 26) 고준위냉각수유출의방지 ( 대책 29) 해양오염확대의방지 ( 대책 64) 고준위오염수의격리 ( 대책 65) 방사선관리및의료시스템강화 ( 대책 77,78,79,80) 직원의계획적훈련및배치이행 ( 대책 85) 모니터링계속및강화 ( 대책 55~62) 본격적제염검토및개시 ( 대책 63) < 그림 3.21> 사고복구를위한주요대응조치요약 (2011.12.16 기준 ) - 57 -
나 원전안정화노력 즉각적인사고대응이어느정도이루어진 년 월 일 동경전력은사고발전소를안전하게복구하기위한로드맵 이후부터 복구로드맵 이라지칭 을발표하였다 이복구로드맵은다음 가지핵심목표를천명하고있다 단계 개월 방사선량을점진적으로감소시킴 단계 개월 방사성물질의방출관리를통하여방사선량을크게낮춤위의목표로냉각 완화 방사능감시및제어 등세분야에서즉각적으로취해질조치들을계획하였다 이로드맵은계속수정 보완되었는데 월부터여진등에대한대책과환경개선분야가추가되었다 동경전력이 단계가모두종결되었음을선언한 년 월 일기준의최종복구로드맵 을 그림 사고복구를위한주요대응조치를 그림 에요약제시하였다 향후조치계획 또한 후쿠시마원전의해체를포함한중장기로드맵 이 그림 에나와있다 현재격납용기및원자로내부상태에대한이해가부족하고 외부적으로도지진이나쓰나미의재발생등다양한위협요인이있으므로 로드맵의이행과정에서현실을반영한지속적인수정이필요할것으로예상한다 동경전력은 호기의사용후연료저장조에대한구조물보강작업을꾸준히수행하고 년 월에는 호기의저장조가대형지진에대해안전하다고발표하는등앞으로발생가능한지진및쓰나미등에대한대비작업을진행하고있다 반면에규제기관인원자력안전보안원이 년 월후쿠시마원전의저온냉각상태를유지하기위한동경전력의계통보수계획이적절치못함을지적하고이에대한대처계획을제출하도록요구하는등아직도많은부분에서추가노력이필요한상황으로판단된다 - 58 -
2011.12 2 년이내 10 년이내 30~40 년후 1,2 단계 Step-1,2 < 안정상태달성 > 저온정지상태 방사성물질방출대폭억제 제 1 기 (Phase 1) 제 2 기 (Phase 2) 제 3 기 (Phase 3) 사용후연료저장조의핵연료봉을인출하기시작할때까지의기간 (2 년이내 ) 사용후연료저장조내의핵연료인출개시 (4 호기, 2 년이내 ) 발전소전체로부터의추가적방출및사고후발생한방사성폐기물 ( 수처리 2 차폐기물, 파편물 ) 에의한방사선영향을낮추어부지경계에서의유효선량을연간 1mSv 이하로낮춤 원자로냉각, 축적오염수처리의안정적계속및신뢰성향상 핵연료파편물제거를위한연구개발및제염작업착수 방사성폐기물처리 처분을위한연구개발착수 전호기의사용후연료저장조안에있는핵연료인출완료 건물내부제염, 격납용기손상부수리및충수 ( 수장 ) 등핵연료파편물제거를위한준비를완료하고, 파편물제거를개시 (10 년이내목표 ) 원자로냉각의안정적인계속 건물에축적된요염수처리의완료 방사성폐기물처리 / 처분을위한연구개발을계속하고, 원자로시설해체를위한연구개발에착수 폐지조치를끝낼때까지의기간 (30~40 년후 ) 핵연료파편물제거를완료 (20~25 년후 ) 원자로시설해체완료 (30~40 년후 ) 방사성폐기물처리및처분시행 요원의계획적육성 ( 훈련 ) 및배치, 동기부여대책, 작업안전확보를위한조치 ( 계속시행 ) < 그림 3.22> 후쿠시마제 1 원전의제염 / 해체를위한중장기로드맵 - 59 -
방사성물질방출및확산가 방사성물질방출정보 4. 환경영향및비상대응 대기중방사성물질방출후쿠시마사고로인해외부로방출된방사성물질의총량을정확히알수는없으나 중대사고해석코드를이용하여방출량을산출하거나 발전소주변지역에서측정된방사성오염으로부터방출량을역계산하는방법으로추정할수는있다 일본정부는 년 월 일후쿠시마사고를국제원자력사고등급 상의 등급사고로발표하면서 대기로방출된방사성핵종의총량을 로추정한바있다 표 참조 원자력안전 보안원 은중대사고해석코드인 를이용하여계산하였고 원자력안전위원회 는환경모니터링관측자료에근거하여 시스템으로방사선원항 을역추정하였다 그이후에도방사성물질의방출이계속되었으나 그양은상대적으로매우작으므로계산에큰영향을미치지않는다 < 표 4.1> 후쿠시마사고에대해추정된방사성물질방출량 34) 구 분 방사성핵종방출량추정치 [ 단위 : PBq = 10 15 Bq] 기관 발표일 비활성기체 I-131 Cs-134 Cs-137 INES 환산 NISA 2011.4.12-130 - 6.1 370 JAEA/NSC 2011.4.12-150 - 12 630 JAEA/NSC 2011.5.12-150 - 13 670 NISA 2011.6.6-160 18 15 770 JAEA/NSC 2011.8.22-130 - 11 570 NISA 2012.2.16-150 - 8.2 480 JAEA 2012.3.6-120 - 9 480 TEPCO 2012.5.24-150 - 13 670 ( 참고 ) IRSN ( 프랑스 ) 2000 200 30 - ( 참고 ) 체르노빌사고시방출량 6500 1800-85 5200 국제원자력사고등급 은원자력사건 사고시의소통을원활하게하기위하여사건 사고의심각성 노심손상 방사능누출 사망자발생여부및숫자 에따라 등급부터 등급까지로정의한것이다 과거사고중에서체르노빌사고는 등급 사고는 등급으로평가되었다 원전사고시다양한종류의방사성물질이방출되지만 넓게확산되고많은피해를주는대표적인원소가 과 이다 따라서이두원소가대표적으로다루어지며 방출총량을표현할때 환산량이흔히사용한다 는반감기가 일이므로곧소멸되지만 의반감기는 년이어서오랫동안영향을미친다 환산량을구할때 방사능에는 배를곱하여사용한다 - 60 -
월 일이후원전의상태에대한이해가높아지고상세한환경모니터링결과가확보됨에따라방사성물질방출량이수정발표되었는데 표 에는추정값의변화과정을보여주고있는데 후쿠시마사고에서방출된방사성물질의양이대체로체르노빌사고시의약 수준임을나타내고있다 또한 등외국에서도일본발표와는다른방출량추정결과를발표하기도했다 현재유엔방사선영향과학위원회 에서주관하여방사성물질의대기및해양확산평가와관련한국제협력활동이진행되고있으므로조만간후쿠시마사고의방사성물질방출량에대한국제적공감대가이루어질것으로예상한다 방사성물질의해양방출후쿠시마사고에서방출된방사성물질로인근해역도크게오염되었다 해양의오염은주로방사성물질로오염된냉각수가바다로직접방출되거나 대기중으로누출된방사성물질이태평양방향으로이동하면서해수면에침적하면서발생하였다 전체적으로는후자의영향이더컸으리라추정되지만 원전인근해역에서는지표면이나발전소시설내의오염수가해양으로직접방출된데따른영향이두드러졌다 방사성오염수는 월 일발전소부근연안에서처음관측되었고 월 일 일사이에는인근해역에서 과 의농도가높게측정되었을뿐만아니라계속증가하였다 오염수의직접적인해양누출은대부분지진에의해발생한구조물의균열이나부주의때문이었다 표 는여러기관에서평가한방사성물질누출량을요약하고있다 표 방사성물질해양방출추정치 웹사이트 발표기관 일본원자력연구개발기구 방출량평가 (10 15 Bq) 평가대상기간 I-131 Cs-134 Cs-137 2011.3.21 ~ 4.30 11.4-3.6 프랑스 IRSN 2011.3.21 ~ 7 월중순 - - 27 동경전력 (2012.5.24.) 2011.3.26 ~ 9.30 11 3.5 3.6 나 방사능모니터링자료 후쿠시마제 원전지역 지진의영향으로후쿠시마제 원전주변에서운영중이던많은방사선계측기들이기능을상실했으므로 사고초기에는이동차량을이용하여후쿠시마원전지역의방사선 - 61 -
량률 을측정하였다 그결과를 그림 에나타내었는데 격납용기배기나손상 또는수소가스폭발등에따라선량률이순간적으로급격하게상승하곤하였다 한편 원전정문에설치된계측기가사고후에도정상작동하였음을사고에대한초기수습후에알게되었다 정문과서문에서측정된공간방사선량률변화와 년 월기준으로부지경계에서의선량률을 그림 에예시했다 정문에서의선량률은 호기격납용기손상과 호기수소가스폭발이발생한 월 일시간당 m 까지증가했다가그이후에는계속감소하는추세를보이고있다 그림 과 그림 는매우유사한방사선량률을보여준다 동경전력과문부과학성은대기 해양및토양에서방사성물질분포와선량률을지속해서모니터링해왔으며 주요모니터링위치를 그림 에제시하였다 그림 는원전부지에서 월 일과 월 일측정된방사선량률을보여주는데 한달사이에상당히감소한것을확인할수있다 또한 호기근처의방사선량률이상대적으로낮은것으로보아 사고직후안전성에대해많은우려를자아내었던 호기사용후연료저장조의핵연료집합체들은거의손상되지않았을것임을유추할수있다 < 그림 4.1> 사고초기후쿠시마원전에서이동차량에의해측정된방사선량 웹사이트 - 62 -
m 단위 : m 최대선량률 11,930 μsv/h 서문 정문 3/11 4/1 4/22 5/13 6/3 6/24 7/15 8/5 8/26 9/16 10/7 10/28 11/18 12/9 12/30 1/20 < 정문및서문에서측정된공간선량률변화 > < 부지경계에서의 2012 년 1 월 26 일선량률 > < 그림 4.2> 후쿠시마제 1 원전정문등에서측정된공간방사선량의변화 웹사이트 < 그림 4.3> 후쿠시마원전주변모니터링위치 - 63 -
(a) 2011 년 3 월 23 일 (b) 2011 년 4 월 23 일 < 그림 4.4> 후쿠시마원전부지내측정된공간방사선량도 웹사이트 - 64 -
원전주변지역의오염일본문부과학성은여러기관과공동으로 년 월 일부터 월 일까지원전으로부터반경 이내의 개측정지점에서공기중 과 의농도를지속해서측정하고그값을웹사이트를통해공개하였다 원전의북서쪽에서 과 의농도가다른지역보다높게측정되었는데 이는방사성물질이많이누출된 월 일의풍향이북서쪽으로형성된것과관계가있다 또한 간이선량계를장착한이동차량을이용하여반경 이내지역에서 월 일부터공간선량률을계속측정하였다 일본문부과학성 과미국에너지부 는 월 일부터 일까지원전반경 내의공간방사선량률과토양에침적된 과 의오염지도를작성하였다 그림 주로원전북서쪽으로많은양의방사성물질이확산한것으로확인되었는데 이는 월 일의강우때문에많은양의세슘 이지표면에침적되었기때문으로추정된다 월 일을기준으로원전에서 떨어진곳에서가장높은방사선량률은시간당 μ 수준이었다 한편 그림 은 년 월 일을기준으로좀더넓은영역에서측정 분석된세슘의침적량을보여주고있다 한국원자력연구원에서개발한대기확산모델 의결과에서도후쿠시마원전의북서쪽으로많은양의방사성물질이지표면에침적된것으로산정되었다 우리나라기상청의수치예보자료와 를이용하여 의지표면침적계산결과를 그림 에나타내었다 그림에서와같이 호기의격납건물손상이발생한 월 일에풍향이동풍에서남동풍으로변화하였고 또한 월 일에는남동풍및강수에의해많은양의방사성물질이북서쪽의지표면에침적되었다 에의한계산은많은가정을포함하고있지만 그결과가일본문부과학성과미국에너지부에서관측한 의농도분포와 그림 비교하여유사한패턴을나타내고있다 일본정부는 월 일후쿠시마원전주변에대한 월 일부터 월 일까지의누적방사선공간선량값을측정하여발표하면서 원전반경 지역을경계구역으로지정하여출입금지구역으로설정하였다 그림 은사고후 일간의누적공간선량을기준으로평가한 년간의방사선피폭선량추정치를보여준다 여기서보여주는값은사고직후부터해당지역에서 년간거주할때외부피폭 에의해예상되는선량이라할수있다 그런데이지역에실제로거주할경우에는분진등의흡입에의한내부피폭도일어날수있고 빗물이고여국부적으로높은방사능을보일수도있기때문에 피폭량이증가할가능성이있다 반면에주거지역을중심으로효과적인제염이이루어진다면 실제피폭량을 그림 의값보다크게줄일수도있다 오염지역에실제로거주할경우외부피폭 뿐만아니라방사성물질을흡입하면서내부피폭 도일어날수있다 - 65 -
(a) 공간방사선량 (msv/h) (b) 지표면에침적된 Cs-134 와 Cs-137 (Bq/m 2 ) < 그림 4.5> 일본문부성과미국에너지부가공동개발한후쿠시마주변지역오염지도 (2011.4.29. 기준 ) - 66 -
(a) 공간방사선량 (msv/h) (b) 지표면에침적된 Cs-134 와 Cs-137 (Bq/m 2 ) < 그림 4.6> 일본문부성과미국에너지부의 2 차공동측정오염지도 (2011.5.26. 기준 ) - 67 -
(a) 후쿠시마원전반경 80 km 내바람과강수기상예보자료 (b) 원전반경 80 km 내 Cs-137 지표침적량 < 그림 4.7> 원자력연구원 LADAS 에의해평가된방사성물질침적량분포 해양내핵종농도측정동경전력과문부과학성은후쿠시마제 원전으로부터후쿠시마주변해역으로누출된방사성핵종을모니터링하였다 주로후쿠시마제 원전반경 이내해역과연안을중심으로방사능농도를측정하고있는데 반경 이내에서 개지점 그리고 이외의해역에서 개지점등총 개지점에서방사능농도를측정하고있다 - 68 -
< 그림 4.8> 4 월 21 일까지의선량자료를근거로한 2012 년 3 월까지의피폭선량예측 웹사이트 후쿠시마제 원전 호기배수로남쪽해수에서관측한방사능농도를 그림 에나타 내었다 모두고농도의오염수가방출된 월 일 일사이에가장높은 농도를보였고 월 일이후에는전체적으로농도가감소하는추세를보이고있다 < 그림 4.9> 후쿠시마원전해역에서측정된방사성핵종농도 - 69 -
사고비상대응 가 일본의원전사고비상대응체제 원자력재해대응과관련한일본의법령및규정체계는 그림 와같다 재해대책기본법 년최초제정 과원자력재해대책특별조치법 년 월제정 에따라방재기본계획이수립되며 이를기반으로국가 원자력사업자및지역의방재업무계획이수립된다 일본은원자력재해의특성에따른기술적 전문적사항을반영한 원자력발전소등주변의방재대책에대해 란지침을 년 월에발행하여운영하였다 이지침은 년 월의도카이무라 핵연료공장핵임계사고후속조치를반영하여 년 월에 원자력시설등의방재대책에대해 일명 방재지침 로개정되었다 법에서정한기준을초과하는원자력재해가발생하는경우 원자력긴급사태 가선언되고 총리를본부장으로하는 원자력재해대책본부 가발족된다 또한도 부 현등지방정부에도재해대책본부가설치된다 아울러 긴급사태응급대책실시구역에 원자력재해현지대책본부 를두도록하였다 원자력재해대책특별조치법에따른원자력재해현지대책본부와재해대책기본법에따른지방정부재해대책본부가정보교환및상호협력을할수있도록 원자력재해합동대책협의회 를조직하여 현장비상대응센터 이후 또는 오프사이트센터 라함 에설치하여운영하도록되어있다 원자력재해에대한중앙정부 지역 사업자및전문기관을포함한전체적인대응조직체계는다음 그림 과같다 < 그림 4.9> 일본의방사능방재관련법및계획체계 - 70 -
< 그림 4.10> 원자력재해대응조직운영체계 오프사이트센터에설치되는원자력재해합동대책협의회는그산하에총괄반 홍보반 발전소반 플랜트반 방사선반 의료반 주민안전반 운영지원반을두어실제업무를수행한다 이러한업무의수행을위하여설치되는설비에는 주요정보의영상표시시스템 화상회의시스템 긴급시대책지원시스템 긴급시신속방사능영향예측네트워크시스템 방사선감시시스템 기상정보시스템 각종통신시스템 위성통신포함 방사선측정및방호기자재류등이포함된다 주민의료대책과관련해서는 언제라도 어디에서라도 누구라도최선의의료서비스를제공받는다 는기본이념을달성할수있도록원자력시설종사자와지역주민이차별없이평등한치료를받을수있는체계의구축을시도하고있다 그림 은원자력재해에대비한일본의의료대응체계를보여준다 한편 원전사업자도긴급사태가발생하는경우본사 본점 와현장 발전소 에비상대응기구를설치하여운영한다 본사와발전소에는원전운영자가사고를수습하기위한비상대응센터 가설치되는데 그림 후쿠시마사고시에는내진성능과방사선차단시설을갖춘면진건물에발전소비상대응센터가설치되어사고수습에큰역할을하였다 라고도하며 일본에서는 긴급시대책본부 라는용어를사용하고있다 - 71 -
< 그림 4.11> 원자력재해의료대응체계 발전소긴급시대책본부 ( 비상대응센터 ) 본부장 = 발전소장총괄관리발전소비상대응센터의각반응급복구계획의입안및조치사고확대방지에필요한운전상의조치 지원인원및기자재등 본사긴급시대책본부 중요한사항에대해서는화상회의등으로확인 / 이해 본부장 = 사장총괄관리본사비상대응센터의각반응급복구의총괄사고확대방지대책의평가 < 그림 4.12> 원전사업자비상대응조직 - 72 -
나 후쿠시마사고시의비상대응조치 후쿠시마사고가발생한후일본정부 지자체 동경전력등은앞에서소개한법령및조직체계에따라비상대응조치를취하였다 사고가급박하게진행되는상황에서다수기관과인원이동원되어야했을뿐만아니라초대형지진과쓰나미라는최악의환경속에서상당한혼란이있었지만 각자최선을다하여사고수습을위해노력하여비상대피와긴급의료조치등이비교적효과적으로이루어졌다 사고대응및수습과정에참여한각주체들의활동이적절했는가에대해서는사고당시부터지금까지다양한논란이있으나 정확한정황이나사실의확인이어려운부분이많아서본보고서에서는구체적으로다루지않는다 다만 후쿠시마원전인근에설치되었던오프사이트센터가방사성물질차단설비미흡등으로기능을발휘하지못하여원자로재해현지대책본부를후쿠시마현청에설치할수밖에없었다는점과제 원전의비상대응센터 그림 는방사성물질차단시설을갖춘면진건물에설치되어사고수습에결정적인기여를했다는점만언급하고자한다 표 은사고직후부터이행된정부의비상대응조치들을요약하고있다 원자력긴급사태가선언된 월 일저녁부터 월 일오후까지원전상태가심각해짐에따라주민대피구역이반경 에서시작하여 로계속확대된것을알수있다 반경 지역에대해서는 월 일옥내대피지시가내려졌으며 월 일에는자발적대피권고가내려졌다 이후원전주변지역의방사성오염에대한상세한측정이이루어졌으며 그결과를반영하여 월 에는반경 구역을 경계구역 으로지정하였고 월 일에는반경 외부의방사성오염이높은지역은 계획적피난구역 으로 그주변일부지역을 긴급시피난준비구역 으로설정하였다 그림 참조 월 일긴급시피난준비구역이해제되고 월 일에는후쿠시마제 원전에대한원자력긴급사태가해제되었다 오염지역의제염작업등이진행됨에따라 년 월 월 월 월각각피난구역을재조정하였다 년 월말기준으로설정되어있는피난구역을 그림 에예시하였다 < 그림 4.13> 후쿠시마사고시비상대응센터가설치된면진건물과내부 - 73 -
표 사고초기시간별대응상황 일시 주요상황 2011-3-11 14:46 지진발생에따라원자력재해대책본부설치 (NISA) 2011-3-11 15:42 후쿠시마제 1 원전 1,2,3 호기 : 원재법제 10 조 ( 비상통보 ) 에근거한신고 ( 모든교류전원상실 ) 를받아원자력재해대책본부와현지대책본부를설치 2011-3-11 16:00 원자력안전위원회는임시회의를개최하고긴급대응조직의설치를결정 2011-3-11 16:36 후쿠시마제 1 원전 1,2 호기 : 원재법제 15 조 ( 원자력긴급사태 ) 에해당하여총리대신에보고 2011-3-11 18:08 후쿠시마제 2 원전 1 호기 : 원재법제 10 조 ( 비상통보 ) 에따른신고 2011-3-11 18:33 후쿠시마제 2 원전 1,2,4 호기 : 원재법제 10 조 ( 비상통보 ) 에따른신고 2011-3-11 19:03 총리대신원재법제 15 조 2 항에따라 원자력긴급사태 선언하고원자력재해대책본부와현지대책본부를설치 2011-3-11 20:50 후쿠시마제 1 원전반경 2 km 이내주민소개 ( 피난 ) 지시 2011-3-11 21:23 - 후쿠시마제 1 원전반경 3 km 이내주민소개 ( 피난 ) 지시 - 후쿠시마제 1 원전반경 10 km 이내주민옥내대피 ( 피난 ) 지시 2011-3-12 05:22 후쿠시마제 2 원전 1 호기 : 원재법제 15 조 ( 원자력긴급사태 ) 에해당 2011-3-12 05:32 후쿠시마제 2 원전 2 호기 : 원재법제 15 조 ( 원자력긴급사태 ) 에해당 2011-3-12 05:44 후쿠시마제 1 원전반경 10 km 이내주민소개 ( 피난 ) 지시 2011-3-12 06:07 후쿠시마제 2 원전 4 호기 : 원재법제 15 조 ( 원자력긴급사태 ) 에해당하여총리대신에보고 2011-3-12 07:45 원재법제 15 조 2 항에따라총리대신은후쿠시마제 2 원전에대해원자력긴급사태를선언 - 후쿠시마제 2 원전반경 3 km 이내주민 ( 피난 ) 지시 - 후쿠시마제 2 원전반경 10 km 이내주민옥내대피지시 2011-3-12 18:07 후쿠시마제 2 원전반경 10 km 까지주민소개 ( 피난 ) 범위확대 2011-3-12 18:25 후쿠시마제 1, 제 2 원전반경 20 km 로주민소개 ( 피난 ) 범위확대 2011-3-13 06:39 후쿠시마제 1 원전 3 호기원재법제 15 조 ( 원자력긴급사태 ) 에해당 2011-3-15 일본정부후쿠시마제 1 원전주변 20~30 km 지역에옥내대피지시 2011-3-25 일본정부후쿠시마제 1 원전 20~30 km 반경주민에게자발적소개 ( 피난 ) 권고 2011-4-21 후쿠시마제 1 원전반경 20 km 구역을경계구역으로설정하고허가없이출입을금함 2011-4-22 방사능측정결과를반영하여반경 20 km 외부에계획적피난구역과긴급시피난준비구역을설정 2011-9-30 긴급시피난준비구역해제 2011-12-26 후쿠시마제 2 원전원자력긴급사태해제선언 2012-3-30 경계구역및계획적피난구역개정 ( 카와우치, 타무라, 미나미소마지역 ) 2012-6-15 이타테지역의계획적피난구역개정 2012-8-10 나하라지역의경계구역및계획적피난구역개정 2012-12-10 오쿠마지역의경계구역및계획적피난구역개정 - 74 -
월 일설정된피난구역 월 일긴급시피난준비구역해제후 < 그림 4.14> 후쿠시마제 1 원전주변의경계구역등설정 경제산업성웹사이트 - 75 -
<2012 년말기준 > 피난지시해제준비구역 (2012/7/17~) 거주제한구역 (2012/7/17~) 거주제한구역 (2012/4/16~) 피난지시해제준비구역 (2012/4/16~) 귀환곤란구역 (2012/7/17~) 귀환곤란구역 (2012/4/16~) 귀환곤란구역 (2012/12/10~) 계획적피난구역 경계구역 피난지시해제준비구역 (2012/12/10~) 피난지시해제준비구역 (2012/4/1~) 후쿠시마제 1 원전 거주제한구역 (2012/12/10~) 피난지시해제준비구역 (2012/4/1~) 범례 피난지시해제준비구역거주제한구역귀환곤란구역 경계구역계획적피난구역 거주제한구역 (2012/12/10~) 피난지시해제준비구역 (2012/4/1~) < 그림 4.15> 후쿠시마제 1 원전주변에설정된피난구역의최근상황 경제산업성웹사이트 - 76 -
그림 에서각구역의의미는다음과같다 귀환곤란구역 예상되는연간방사선량이 이상으로서 년경과시에도 이하로내려가기어려운지역 원칙적으로출입이금지되며 국가가토지매입을검토 거주제한구역 예상되는연간방사선량이 로서수년안에 이하로낮출수있는지역 일시적인방문만허용되며 제염으로선량이더낮아져야만귀환이가능 피난지시해제준비구역 예상되는연간방사선량이 이하인지역으로 조기귀환을위한제염 도시기반복구 고용대책등을조속하게시행하여 생활환경이정비되면단계적으로거주허용 작업종사자및주민의방사선피폭 가 사고복구에참여한작업종사자의피폭 사고이전 일본에서는원전사고시긴급작업종사자의방사선피폭선량한도를최대 까지인정하고있었다 월 일일본후생노동성은비상상황에서의피폭선량한도를 로상향조정했는데 이는국제방사선방호위원회 와세계보건기구 가인정하는비상시작업자에대한최대허용선량 보다는낮은값이다 년 월부터는선량한도를연간 로다시낮추었다 후쿠시마제 원전에서사고대응및후속조치이행에참여한작업종사자들의피폭선량을정확하게파악하는데는약간의어려움이있다 특히 쓰나미로인해방사선측정기들이많이유실되어그룹별로선량계를사용해야하는등개인별선량평가에불확실성이개입되어있기때문이다 작업자피폭과관련된다수의보도와관련자료들이있는데 동경전력이 년 월까지방사선구역에서복구작업에참여한총 에대한피폭선량 외부및내부피폭포함 을평가한결과는다음과같다 초과 명 동경전력 협력업체 초과 이하 명 동경전력 협력업체 초과 이하 명 동경전력 협력업체 초과 이하 명 동경전력 협력업체 초과 이하 명 동경전력 협력업체 동경전력 - 77 -
초과 이하 명 동경전력 협력업체 초과 이하 명 동경전력 협력업체 이하 명 동경전력 협력업체 년복구작업종사자의평균피폭선량은 이며 동경전력 협력업체 최대피폭선량은동경전력직원은 협력업체직원은 인것으로평가하였다 이상피폭자의선량은 으로평가되었는데 대부분요오드 을흡입한영향으로알려져있다 년들어서는원전부지의방사선량준위가크게떨어졌기때문에 를초과하는피폭자의수는거의증가하지않고있다 그러나손상된원전에대한조사와오염물제거작업등이본격화됨에따라 이하의피폭선량을갖는작업종사자의수는계속증가하고있다 나 지역주민의피폭 원전주변지역주민의피폭선량평가는다양한방법으로이루어지고있으며 대부분의내용이후쿠시마현홈페이지 에공개되고있다 후쿠시마현에서는사고직후인 년 월 일부터현내의료진등의도움을받아각지역에서긴급피폭검사를실시해왔는데 건강에영향을미치는사례는보고되지않았다 년 월 일까지긴급피폭검사를받은주민은모두 명이었으며 그중 인 명은 년 월에검사를받았다 한편 원자력재해대책본부는 년 월 일부터 일사이 에후쿠시마원전에서 이상떨어진지역중비교적방사선량이높은곳에서만 세어린이 명에대한갑상선간이검사를수행한바있다 측정조건이갖추어진 명중에서 는검출되지않았으나 는 μ 는 μ 이상 최고값 μ 으로나타났다 이에따라즉각적인의료조치는필요하지않은것으로판단되었으나 장기적인추적조사가필요할것으로보인다 후쿠시마현주민들에대해서는전신계측기 를이용한내부피폭조사도이루어졌다 년 월말까지약 명에대해이루어진 및 오염검사결과 건강에의미있는영향을줄수있는방사선량준위는측정되지않았고 가장높은평가결과는 수준으로나타났다 일본원자력안전위원회회의자료 - 78 -
명 < 그림 4.16> 후쿠시마어린이들에대한갑상선간이검사결과 (2011 년 3 월 ) 후쿠시마현홈페이지 한편후쿠시마현에서는주민의외부피폭평가를위한조사를대대적으로실시하고있다 여기서는설문조사를통해파악된주민의이동경로와방사성물질확산및외부방사선량에대한 시뮬레이션결과를함께활용하여주민의피폭선량을추정한다 년 월발표된선행조사결과에의하면 사고후 개월에대해추정할수있는최대외부피폭선량은 였으며 이상이 이하 가 이하로나타났다 이결과는설문에대한답변이계속회수됨에따라지속적으로수정되어발표되고있다 다 세계보건기구의임시평가 최근세계보건기구 에서는후쿠시마원전사고로인한방사선영향에대한예비평가결과를발표하였다 년 월까지입수된자료를사용하여건강영향을과소평가하지않도록주의를기울여분석한결과를제시하고있는데 후쿠시마현지역에주민에대한방사선영향예측결과를다음과같이요약할수있다 방사선의영향을가장크게받은지역을제외하면 후쿠시마현내에서조차사고에의해예측되는리스크가낮고 관찰가능한수준의암발생률증가가예상되지않는다 방사선량이매우낮기때문에후쿠시마현의일반대중에게서결정론적영향이나타날것으로예상되지않는다 배아의성장이나임신결과에영향을미치기에는방사선량이매우낮아서임산부피폭으로인한자연유산 출산전후사망 선천성결함 인지장애의증가가나타날것으로예상되지 후쿠시마현홈페이지의관련자료 - 79 -
않는다 후쿠시마현에서방사선량이가장높은곳에서피폭된영아에게나타날수있는최대영향은방사선에노출되지않았을경우예상되는기준값 과비교하여다음과같이예측된다 남자영아의생애기간백혈병리스크는기준값의약 까지증가할수있다 여자영아의생애기간유방암리스크는기준값의약 까지증가할수있다 여자영아의생애기간고형암 리스크는기준값의약 까지증가할수있다 여자영아의생애기간갑상선암리스크는기준값의약 까지증가할수있다 기준발생률이낮기때문에개인의암리스크가실제로크게증가하는것은아니다 예를들어선량이가장높은지역여자영아의갑상선암리스크증가는 수준이다 위의예측은후쿠시마현에서가장큰피폭을받은지역의영아에대한것이며 두번째로피폭을받은지역에서는생애기간암리스크증가율이각각 수준으로낮아진다 또한유아이거나성인인경우에는영아에비해리스크증가가낮다 예측되는영향은방사선피폭량이줄어들수록현저하게낮아지며 특히일본이외국가에서인지가능한영향이나타날것으로예측되지않는다 방사성제염활동 후쿠시마사고로방사성물질에오염된지역은매우넓으며 연간예상되는피폭선량이 를초과하는지역이약 를초과하는지역이약 인것으로알려져있다 일본정부는방사성오염으로인한대중의방사선피폭을최소화하기위하여 제염작업을적극적으로추진하고있다 제염작업을추진하기위한기본정책 이 년 월 일원자력재해대책본부에의해결정되었다 핵심내용은 이상의연간선량이예상되는구역에대한제염작업은중앙정부가주도권을갖고추진하여신속하고단계적으로 이하로감소시키고 연간선량 의지역에대해서는피폭선량을 이하로감소시키기위하여지자체가제염계획을수립하고시행하는것이다 중앙정부는지자체에전문가를파견하고 지자체에의해수행되는제염작업에대한재정적지원을제공한다 기본정책이담고있는장기목표는 이하의연간피폭선량을실현하는것이다 잠정적인목표는 년내에연간피폭선량을최소한 를감소시키는것이며 최우선적으로어린이들의환경 학교 운동장등 에대한철저한제염을수행하여 년이내에연간피폭선량을 까지감소시킬목표를갖고있다 또한 고방사능오염지역의경우에는지역차원의제염을수행하지만 슬러지가모여진배수구또는낙수홈통과같은핫스팟이확인된저방사능 - 80 -
오염지역의경우에는국부적인제염을수행하도록권고하고있다 기본정책에는 년 월말까지거주지역주변의빌딩 도로 농지 숲및들판을정화하고이를통해제거된오염토양은임시저장부지로이송하는내용을포함하고있다 따라서피난민들이집으로귀환하는시간은상기제염작업들이완전히종료되는시점이될것으로예상된다 일본정부는후쿠시마원전사고에의해영향을받는농토를어떻게복원할것인가에대한방안을시험하여왔으며 표토제거및심경 과같은가장효과적이라고알려져있는기술에역점을두었다 현재중앙정부는제한구역및계획적피난구역에서의제염실증프로젝트를수행하고있다 이를통해서다양한제염방법에대한유효성이시험되고있으며 이들결과를기초로안전하고 효율적이며 성능이우수한제염활동을수행하기위한가이드가확립될것이다 이러한가이드를사용하여일본정부는지방정부와협력하여 년말전에대규모제염활동을계획하고추진할예정이다 일본정부는 년도에제염을위해 억엔 환경복원및재건축프로그램에 조 억엔 기타작업으로 조 억엔의예산을책정하였다 년 월말부터본격적인제염프로젝트가제한구역및계획적피난구역내의 개지자체에서수행되고있다 년 월 일환경성에서는새로운구역분류에따른제염로드맵을발표하였다 그림 구역 1 피난지시해제준비구역 (20 msv/y 이하 ) 2 거주제한구역 (20~50 msv/y) 연간방사선량및면적 10~20 msv ( 학교는 5~20 msv) 42 km 2 5~10 msv 30 km 2 1~5 msv 30 km 2 20~50 msv 72 km 2 2011 회계년도 2012 회계년도 2013 2014 모델사업에의한기술실증 공공기관들에대한선행제염 방사선모니터링 기타검사등 주민의동의를획득하고임시저장시설을건설하는즉시착수 3 귀환곤란구역 (50 msv/y 이상 ) >50 msv 92 km 2 모델사업시행 기술의효과성, 작업자안전성등에대한모델사업결과평가 제거된토양의임시저장시설 설계 부지조사및건설 ( 주민동의획득즉시 ) 운전 < 그림 4.17> 환경성이수립하여시행중인제염로드맵 일본환경성웹사이트 40) http://www.env.go.jp/jishin/ - 81 -
향후풀어야할숙제중의하나는제염및환경복구과정에서발생하는폐기물저장문제이다 이를위해서거주민의동의를확립한폐기물중간저장시설의건설이시급하게필요하다 제염작업에의해서발생된오염토양 침전물 그리고다른폐기물은현재다양한방법으로임시저장되어있으며 이러한임시저장시설에 년정도저장해두고중간저장시설로옮기어 년동안저장을하고후쿠시마현밖에있는최종처분장으로옮길계획이다 한국내영향 국가환경방사선자동감시망을통해감시되고있는한국의환경방사선량률은지역과자연현상에따라평상시대략 μ 범위에있다 후쿠시마사고이후에도평상범위를벗어나는이상치는없었으며 방사선량관점에서본다면우리나라에미친영향은거의무시할수있다고판단된다 한편 전국 개지방의대기환경시료를매일채집하고 비가오면바로빗물시료를채취하여방사성핵종을정밀분석한결과 후쿠시마원전의영향으로추정되는 등이극미량으로검출되었으며 일부지역의대기에서는 가검출된바있다 월 일부터 월 일까지는후쿠시마사고에기인한방사성물질이지속적으로검출되었으나 월 일부터 일간일부지역의대기에서방사성세슘이검출된이후에는더이상검출되지않았다 그림 에 월 일부터 월 일까지주요도시에서측정한공기중 의농도를나타내었다 은 월 일군산에서최대 과 은 월 일부산에서각각최대 로검출되었으며 빗물의경우 이 월 일제주에서최대 와 은 월 일제주에서각각최대 로나타났다 수돗물에대해 차에걸쳐조사한결과 과 은검출되지않았으며 해양환경시료 해수및해양생물 에대한매월분석결과도평소수준으로나타나고있다 토양방사능분석결과 은검출되지않았으며 과 도과거강대국핵실험결과로평상시검출되는수준이었다 후쿠시마사고로인한한국국민의피폭선량은무시할수있다 년 월 일 일사이에국내에서관측한 과 의농도가그대로유지된다고하더라도연간피폭선량이 수준에불과하였다 이러한선량을기준으로개인의리스크를평가하는것은과학적으로무의미하며 특히한국인이연간자연방사선에의해피폭되는선량인 와비교하면더욱미미한값이다 한편 후쿠시마주변아동의갑상선피폭사실이발표된이후우 - 82 -
리나라어린이의갑상선암발생증가를우려하는언론보도로인해국민들의불안감이증폭되었었다 그러나국내에서측정된 의양이미미하다는점과 체르노빌원전과의거리가한국과후쿠시마간거리와비슷한스웨덴북부지역에대해체르노빌사고이후실시된연구에서백혈병과갑상선암의초과발생이없었던점을고려할때 후쿠시마원전사고와관련하여한국어린이의갑상선암발생률증가를우려할필요가없다 사고오염수의해양방출영향과관련하여 한국은 년 월까지해양방사능상시감시프로그램을수립하여운영하였다 동 서 남해로의방사성물질유입가능성을확인하기위하여 월 일부터 월 일까지근해 개지점과원해 개지점에대한해수시료와해양생물 어류 종 패류 종 해조류 종 을현장채취하여방사성핵종을분석하였다 월에는국립수산과학원및수산자원사업단의협조로표층해수 개 층별해수 개 해양생물 종을채취하여방사능을조사하였다 해양시료및해양생물에대해측정된방사능은사고이전평상시의준위를나타냄으로써 후쿠시마사고가국내해양환경에특이한변화를가져오지않은것으로확인되었다 < 그림 4.18> 국내공기중측정한 Cs-137 농도 - 83 -
5. 후쿠시마사고의원인과교훈 사고발생및악화의주요원인가 사고의근본원인 일본고유의자연재해특성고려미흡후쿠시마제 원전사고가발생하고효과적으로대응하지못한근본적인원인은원전의설계 건설 운영과정에서지진과쓰나미가빈발하는일본고유의자연환경특성을적절하게고려하지못한데있다 건설당시적용된부지설계기준에서지진에의한최대지반가속도를 쓰나미의최대파고를 로설정했다는것은미국에서개발된원전을일본에도입하면서일본고유의지질학적특성을적극적으로반영하지않았음이명백하다 대형지진이거의없는한국원전들에대한설계기준지진가속도가 였음을보더라도 는지나치게낮은값이다 한편 쓰나미와관련해서는 년의조간쓰나미를포함하여해당지역의과거기록조차제대로검토되지않았음이밝혀졌는데 일본의다른원전들도대체로쓰나미에대한대비가미흡했던것으로밝혀지고있다 원전위치 < 그림 5.1> 일본의대형쓰나미기록및원전위치 과거의쓰나미최대파고및영향범위 (2004 년말기준 ) 그림 은 년 워크숍에서발표된일본의과거쓰나미기록과원전위치를 보여준다 후쿠시마지역의최대파고는 이하로평가되고있는데 년의조간쓰나미기록은반영되지않은것으로보임 인접지역에서는 이상의쓰나 - 84 -