원자력발전소

고리원자력발전소(古里原子力發電所, Kori Nuclear Power Plant)

원자력발전소(Nuclear power plant, NPP, 原子力發電所) 혹은 핵발전소(核發電所)는 원자력을 이용하여 발전을 하는 발전소이다. 물을 끓여 생성되는 수증기를 이용해서 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서는 화력발전소하고 기본 원리는 유사하지만 화력발전소의 경우 석탄, 가스, 석유 등 화석연료를 태워서 물을 끓이는 반면 원자력 발전에서는 핵분열에서 나오는 에너지를 이용해 물을 끓인다는 점에서는 발전 방식만 다르다. 줄여서 원전(原電)이라고도 한다.

개요

원자력발전소는 핵분열을 이용해서 발전하는 발전소를 말한다. 화력발전은 온실가스의 배출이 많지만 원자력 발전은 온실가스의 배출이 거의 없어 친환경에너지라고 한다. 에너지 효율면에서도 1그램의 우라늄으로 석탄 3톤, 석유 9드럼에 해당하는 열량을 낼 수가 있으므로 화력보다 에너지 효율이 높다. 하지만 발전과정에서 불가피하게 발생하는 핵물질 및 방사성 폐기물에서는 최소한 수백 년에서 수천 년 동안 위험한 방사성 물질이 뿜어져 나오기 때문에 아주 엄격하게 관리해야 한다. 현재 사용되는 연료로는 우라늄 235를 농축시킨 농축 우라늄과 천연 우라늄 등을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 혼합 산화물 연료(MOX 연료)가 시험 중에 있다.

원자력발전소는 방사능과 매우 밀접한 관계가 있고 사고가 나면 주변의 막대한 영역이 방사성 물질에 오염된다. 그러나 시설을 엄청나게 크게 만들 수 있고 안정적인 연료 수급만 가능하다면 kW당 발전 원가가 다른 발전소에 비해 적고 안정적으로 많은 전력을 공급할 수 있기에 여러 국가에 건설되어 있다. 원자력발전소의 전력 비중은 전 세계적으로 약 14~15%로 2015년 가장 많이 차지하는 국가는 프랑스로 76.3%를 차지하고 있으며 대한민국은 31.7%의 전력을 충당하고 있다. 전 세계에서 가장 많이 원자력 발전소를 운영하는 회사는 EDF로 영국, 프랑스 다 해서 혼자서만 78개의 원자로를 가동하고 있다. 2020년 세계에는 총 445개의 가동 중인 상업 발전 원자로가 있고 2019년 1년간 2657TWh의 전력을 생산했다. 실제 가동률은 70% 전후 가량이고 전 세계 상업 발전 전력의 약 10% 가 원자력으로 생산되며 이는 원자력발전소 1기당 연간 약 6TWh, 하루에 16.4 GWh이다. 1초당 전력으로는 680MW 상당하고 에너지로는 연간 21,500GJ(기가주울), 1일당 59GJ이다. 미국 가구 기준 연간 11.7 MWh으로는 약 50만 가구, 세계 기준 가구당 연간 3.5 MWh으로는 170만 가구에 전력을 공급할 수 있다. 원자력 발전소 에너지 단가는 메가와트시 (MWh) 당 $97-$136 정도이며 태양광은 $50-$60/MWh, 육상풍력은 $32-$62/MWh, 해상풍력은 $82-$155/MWh 정도이다.

원리

원자로에서 중성자가 우라늄같이 무거운 원자와 충돌하여 원자핵이 분열되고 2~3개의 중성자가 방출된다. 이 방출된 중성자들이 다른 원자들과 충돌하고 원자들의 중성자가 방출되고 그 중성자들은 다시 더 많은 원자들과 충돌한다. 이러한 과정을 연쇄반응이라 하며 질량-에너지 동등성에 의해 우라늄 원소가 핵분열을 진행하면서 잃은 질량만큼 막대한 열에너지가 발생해 원자로가 가열된다.

냉각수가 엄청난 열에너지를 품으면서 고온 고압의 수증기로 바뀌게 되고 이 수증기를 이용해 터빈을 돌려서 전기를 생산한다. 의외로 적지 않은 사람들이 착각하는 부분인데 원자력을 전기로 바로 바꾸는 것이 아니다. 원자력에서 열에너지를 얻고 그 열로 증기를 만들고 그 증기로 생기는 운동에너지로 터빈을 돌려 전기를 만드는 것이다. 에너지전환이 여러 단계 이루어지며 그 과정에서 손실되는 에너지 또한 분명히 있다. 열에너지를 얻는 과정 빼고는 화력발전과 원리가 똑같다. 차이점이라면 열에너지원이 불이 아니라 원자력이다.

구조

원자력발전소는 원자로와 터빈발전기 등의 핵심시설이 배치된 하나의 대형 구조물과 외부의 보조 시설로 구성된다. 가압경수형 원자력발전소는 원자로격납건물, 원자로보조건물 및 터빈건물로 이루어진 발전소 건물과 외부의 보조시설인 복합건물, 수처리건물, 비상발전기건물, 취수건물 및 냉각수 보관탱크들로 구성된다.

원자력발전소 구조

• 원자로 격납건물 : 두꺼운 철근콘크리트 건물로, 내부의 정중앙에는 원자로가 위치한다. 만일의 사고 시 방사성 물질의 외부 누출을 방지하는 최후방벽 역할을 한다.
• 원자로 용기 : 핵연료를 장전하여 연쇄적인 핵분열반응이 일어나도록 하는 탄소강 재질의 금속 압력용기이다.
• 가압기 : 원자로의 냉각수가 끓지 않도록 약 150기압의 고압 상태를 유지시켜준다.
• 증기 발생기 : 원자로에서 전달된 열을 이용하여 2차 계통의 냉각수를 가열하여 증기를 발생시키는 장치이다.
• 터빈/발전기 : 증기에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
• 복수기 : 전기를 만들고 난 증기를 바닷물 또는 강물로 열교환 방식에 의해 냉각시켜 증기발생기로 다시 보낸다.
• 냉각재 펌프 : 원자로 냉각재를 순환시킨다.
• 원자로 보조건물 : 냉각재 계통의 운전을 지원하는 모든 보조계통들이 배치되는 격납건물 외부의 콘크리트 건물이다.
• 냉각탑 : 원전이 강이나 호수 옆에 설치되어 있는 경우 많은 양의 냉각수를 확보하는 것이 어렵다. 그런 대안으로 설치되어 있는 것이 바로 냉각탑인데 원자로의 열을 식히고 나서 그 냉각수의 열기를 순환시켜 재사용하는 설비다. 우리나라 모든 원전은 해안가 옆에 위치해 있어서 바닷물을 냉각수로 끌어다 사용하기 때문에 이런 냉각탑이 없다.

원자력발전소에는 약 200여 개의 각기 다른 기능을 가진 계통이 있습니다. 여기에는 사고를 사전에 예방하는 목적과 사고가 난다 하더라도 사고를 완화시켜주는 목적의 계통이 포함되어 있다. 그리고 방사선과 방사능 물질이 격납건물 외부로 방출되지 않도록 설계되어 있어 안전성을 확보하고 있다. 원자력발전소를 설계할 때는 동일 기능을 수행하는 기기나 계통들은 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나 물리적으로 분리하여 배치함으로써 다중 영향 사건(화재 등)이 발생했을 때 설비들이 동시에 기능을 상실할 가능성을 최소화하도록 설계한다. 동일한 원인으로 인해서 2개 이상의 기기나 설비가 동시 또는 짧은 시간 내에 고장이 나거나 기능을 수행하지 못하는 경우를 공통원인고장이라고 하는데 이런 현상은 주로 부식, 피로, 마모와 같은 기기 내부의 원인, 보수‧시험 중의 인적 실수, 보수‧시험 등을 위한 절차서의 결함, 부적절한 설계 및 설계상의 오류, 습기‧온도‧진동 등과 같은 환경적 요인으로 발생한다.

역사

미국에서 첫 연구와 논의가 시작되었으며 1951년 12월 20일 아이다호 국립연구소의 EBR-1에서 가능성을 타진하였다. 그러나 이전까지는 위험한 군용 기술 취급받았던 원자력은 1953년 12월 8일 아이젠하워 대통령이 UN 총회에서 연설한 평화를 위한 원자력 선언 이후 민간부문에서 평화적 이용이 공식화되었으며 이때를 원자력 발전의 효시로 본다. 최초의 전력망 송출은 1954년 6월 27일 소련의 과학도시이자 그 당시 비밀도시였던 오브닌스크 원자력발전소의 AM-1 (Атом Мирный, 로마자론 Atom Mirny. peaceful atom)이 해냈다. AM-1의 원자로 노형은 RBMK이다. 사실 RBMK도 여러 원자로 노형 중 제일 뛰어나다고 선정 받아 만들어진 원자로다. 그러나 오브닌스크는 과학적 목적이 크고 전력도 고작 6MW였다. 세계 최초의 상업적 목적을 달성한 원자력발전소는 또 미국이 아니고 영국의 콜더 홀 원자력발전소이다. 여기서 사용한 노형은 RBMK와 비슷한 마그녹스이다. 그러나 핵연료 재처리 단지 안에 건립되어 플루토늄 생산 목적이라는 것이 뻔히 보이는 원자로를 최초의 상업적 원자력발전소라 주장하기는 눈 가리고 아웅이라는 주장도 있다. 그래서 100% 상업적 원자력발전소는 미국의 쉬핑포트 원자력발전소라고 보기도 한다. 대한민국에선 박정희 대통령 재임 중 고리원자력발전소가 건설된 이후 지금까지 총 4곳의 원자력발전소가 건설되었으며 또한 삼척, 영덕에 추가 원자력 발전소 건립계획도 존재한다. 건립계획이 안 그래도 반대가 심한데 2011년에 일어난 후쿠시마 원자력발전소 사고 및 대한민국의 탈원전 때문에 추가 건립 논의는 중단되었다.

농축

천연 우라늄은 99%의 우라늄 238과 0.7 %의 우라늄 235를 포함하고 있다. 우라늄 238은 핵분열시키기 어려우므로 중수로를 제외한 다른 원자로들은 천연 우라늄을 농축하여 우라늄 235의 비율을 높이는 과정인 농축 과정이 필요하다.

장점

• 에너지 안보

에너지 안보는 에너지의 중단 없는 확보이다. 에너지 안보는 에너지 공급방법의 기술성, 에너지 공급 안정성, 품질, 연료 확보 용이성 등에 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서 한 국가가 당면할 수 있는 대내외적 환경의 변화에도 불구하고 필요한 에너지가 우수한 품질로 안정적이며 지속적으로 공급될 때 에너지 안보가 확보된다고 한다. 또한 에너지 공급기술(방법) 및 에너지 생산에 필요한 연료 확보가 대내외 환경에 의존적이거나 에너지 생산에서 차지하는 연료의 역할 비중이 높으면 에너지 안보를 크게 낮추게 된다. 따라서 에너지 공급 기술의 독립성과 자립도가 매우 높아야 하며 연료 확보의 환경 의존성이 매우 낮아야 에너지 안보는 확실해진다. 1000MW 발전소 연간 연료 소요량은 원자력발전소의 발전단가에서 연료비가 차지하는 것은 10% 전후이며 연료 소요량 또한 화석연료에 비할 바가 아닐 정도로 적다. 이는 석탄 화력 대비 우라늄의 에너지 밀도가 엄청나게 크기 때문이다. 우라늄 1g은 석탄 3톤과 같은 양의 에너지를 생산한다. 에너지 밀도가 크기 때문에 국가 비상시를 대비한 연료 비축도 훨씬 쉽고 비용도 적게 든다. 또한 우라늄의 가격 변동은 화석연료에 비하여 상대적으로 적으며 연료비 비중이 작기 때문에 가격이 오르더라도 전력 단가에 미치는 영향이 적다. 우리나라 연간 에너지원 수입에서 차지하는 비중은 매우 미미하고 2015년에는 에너지 수입액 1,027억 불의 0.8%이다. 우리나라 경우 우라늄 연료의 장기 수급 프로그램을 통해 10년 이상 수요를 확보해 두고 있다. 나아가 원자력발전기술을 완전히 자립하여 국내 수요를 스스로 공급하고 있으며 2010년 12월 UAE에 우리가 개발한 원자로를 공급함으로써 기술 수준은 세계적이다. 우리의 원자력에 의한 에너지 안보의 우수성을 확인할 수 있는 명확한 증거이다.

• 친환경성

기후변화에 영향을 끼치는 대표적인 온실가스는 이산화탄소(CO2)이다. 따라서 CO2 배출량이 친환경성의 척도로 간주되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 원자력발전의 CO2 배출량은 단위 전력(kWh) 생산 당 석탄발전의 약 1/1000에 불과하며, 태양광의 1/5 수준, 풍력과 유사한 수준이며 수력발전 다음으로 적다. 원자력발전의 CO2 배출은 우라늄 채광, 정광, 전환, 연료 제조 등의 공정에서 발생되는 배출량으로 발전 중에는 배출이 제로이며 또한 석탄발전과 달리 미세먼지 방출도 제로이다. 원자력발전은 어느 발전 에너지원보다 친환경적이며 기후변화에 대응할 수 있는 최선의 에너지원임을 알 수 있다. 파리기후변화협약(COP21, 2015. 12)에 따라 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출 전망치(BAU) 대비 37%의 온실가스를 감축해야 한다. 에너지 생산,이용의 부문(발전, 산업, 수송, 상업, 가정 등) 중 특히 발전 부문에서 CO2 배출 감축량 부담이 가장 커서 원자력발전의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

• 경제성

타 발전원과 비교하여 원자력발전의 장점을 정량적으로 가장 확실하게 확인할 수 있는 비교인자가 전기 값의 가격 경제성이다. 2015년 원자력의 발전원가는 55원/kwh로 두 번째로 원가가 싼 유연탄의 83% 수준이며 가장 비싼 태양광의 23% 수준이다. 이는 원자력발전 운영에서 연료 비중이 10% 이내이며 우라늄 가격도 매우 낮은 수준으로 안정되어 있기 때문이다. 원자력발전의 사회적인 외부비용은 최소 약 6원/kwh에서 최대 28원/kwh로 추정된다. 나아가 원자력발전소 운전은 고장 등을 제외하고는 외부 요소에 의한 영향을 전혀 받지 않고 전기를 안정적으로 공급할 수 있으므로 경제성 확보가 매우 우수하다. 고장 등으로 인한 우리나라 원자력발전소의 불시 정지 횟수는 평균 0.3회/년으로 세계에서 가장 낮다.

단점

• 방사선피폭

원자력 에너지 이용에서 편익과 불편의 양면성을 가진 것이 방사선 이슈이다. 핵분열로 생성되는 다양한 핵분열파편들은 아주 높은 방사능을 가지고 있다. 원자력발전소가 정상상태일 때는 이들 핵분열파편들은 핵연료에서 빠져나올 수도 없고 철저하게 방호 및 차폐되므로 피폭에 대한 염려가 전혀 없다. 그러나 후쿠시마 원자력발전소 중대사고와 같이 핵연료가 용융되고 방어 및 차폐 수단이 상실될 경우에는 엄청난 양의 방사성물질과 강력한 방사선이 환경으로 방출될 수 있다. 즉 방사선 피폭 문제가 발생할 수 있는 것이다. 핵분열에서 나오는 원자력 에너지를 이용하자면 방사선 피폭 문제가 발생하지 않도록 철저하고 안전한 조치가 이루어져야 하므로 원자력 이용의 한 단점으로 인식되고 있다. 그러나 에너지가 낮은 방사선으로 의학적 진단, 치료, 비파괴검사 등 공업적 이용, 품종개량이나 멸균과 같은 농·생명학적 이용으로 많은 혜택을 보고 있다.

• 붕괴열

핵분열로 생성된 핵분열 생성물들은 높은 방사능을 가진 방사성물질들로 방사붕괴를 하면서 많은 방사선(α, β, γ선 등)을 방출한다. 이들 방사선들의 운동에너지는 핵연료 내부에서 운동마찰로 열에너지로 전환된다. 원자로가 정지되어 핵분열이 일어나지 않아도 운전 정지 전에 이미 생성된 핵분열파편들은 안정된 원소로 변환될 때까지 방사붕괴를 하므로 계속해서 열이 발생하는 것이다. 이를 붕괴열이라 하는데 붕괴열은 최대 원자로 정격출력의 ~7%에 이르고 시간에 따라 급격하게 줄어든다. 그러나 만일 붕괴열을 냉각을 통해 노심에서 제거하지 않으면 엄청난 열이 누적되어 핵연료 피복재를 녹이고 궁극적으로 핵연료 자체를 녹이는 용융 상태로 만들 수 있다. 바로 후쿠시마원전의 사고가 되는 것이다. 따라서 원자로 운전이 정지되어도 붕괴열을 지속적으로 제거하여 원자로를 일정 온도 이하로 유지시켜야 한다. 붕괴열의 문제가 원자로의 안전과 직결되는 단점이라 할 수 있다.

• 방사성폐기물

원자력 에너지를 이용하는 과정(연료 물질 취급, 發電, 진단·치료, 산업 이용, 연구 등)에서 발생하는 방사성폐기물을 관리하는 문제가 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 인체 및 환경에 심각한 위해를 끼칠 수 있는 방사선을 방출하기 때문이다. 특히 고준위 방사성폐기물로 구분되는 사용후 핵연료(SNF, Spent Nuclear Fuel)관리가 핵심과제로 SNF의 방사능이 자연의 천연우라늄 수준으로 감소하는데 약 10만 년 이상이 걸릴 정도로 높은 방사선을 방출하기 때문이다. 또한 사용후 핵연료가 방출하는 핵분열 생성물들의 방사붕괴로 인한 붕괴열은 처분장 크기를 결정하는 핵심 인자이다. 현재 사용후핵연료를 안전하게 처리, 저장, 처분하기 위한 관리 기술 개발과 처분 부지 확보에 국가적 노력이 진행되고 있다. 중·저준위 방사성폐기물은 원자력 에너지 이용과정에서 많은 양이 발생한다. 이들은 고화, 압축 등의 특별한 공정을 거쳐 용기에 담아 경주의 중·저준위 방사성폐기물 처분장에 저장, 처분된다. 경주 중·저준위 방사성폐기물 처분장은 200리터 규모 용기 10만 드럼 저장·처분에 58,000㎡의 면적이 소요되었으며 향후 70만 드럼까지 저장, 처분하는데 총 0.406k㎡ 면적이 필요한 것으로 분석되고 있다.

원자력발전소 안전성

원전의 기본안전 원칙

원자력발전소는 안전의 관점에서 중요하게 다루어야 할 2가지의 특징적인 요소를 갖는다. 하나는 에너지의 생성과정에서 방사성물질이 발생하는 것이며 다른 하나는 원자로가 정지된 이후에도 핵연료에서 방사성핵종의 붕괴에 의한 붕괴열이 오랜 시간 동안 발생한다는 것이다. 따라서 원자로의 반응도 제어, 핵연료의 냉각, 방사성물질의 격납은 원전의 3가지 기본 안전기능으로 분류하고 있으며 심층방어 개념에 따라 원자로 보호계통과 공학적안전설비의 설치를 통해 이러한 안전기능을 수행하게 된다.

국제원자력안전그룹(INSAG)은 1999년 'INSAG-12' 보고서 '원전의 기본안전원칙'에서 원전 안전성 확보에 관한 이해를 돕기 위한 체계를 제시하였다. 이는 원전의 3가지 안전목표, 안전 관리에 관한 3가지 원칙, 심층방어에 관한 3가지 원칙 그리고 9가지 기술적인 원칙들로 구성된다.

안전 목표

• 일반원자력안전목표 : 원전에 효과적인 방어책을 수립, 유지함으로써 개인과 사회, 환경을 보호할 것
• 방사선방호목표 : 정상운전에 의한 방사선 영향은 제한치 이내에서 합리적으로 낮추고 사고에 의한 영향의 완화를 보장할 것
• 기술안전목표 : 사고를 예방하고, 만약의 사고 시에도 설계에서 영향이 없도록 하며, 중대사고 발생 가능성을 극히 낮음을 보장할 것

안전 원칙

• 안전관리 원칙 : 안전문화, 운영조직의 책임, 규제 및 검증
• 심층방어 원칙 : 심층방어, 사고예방, 사고완화
• 일반기술 원칙 : 입증된 공학의 활용, 품질보증, 자체평가, 상호검토, 인적요소, 평가 및 검증, 방사선방호, 운영경험 및 안전연구, 운전 우수성
• 세부 원칙 : 부지선정, 설계, 제작과 건설, 시운전, 운전, 사고관리, 해체, 비상대응

주기적 안전성평가

주기적 안전성평가에서 다루는 주요 평가 항목은 최초 12개 항목이었으나 2014년 2개 항목이 추가되었다.

• 1 : 원자로시설의 설계에 관한 사항
• 2 : 안전에 중요한 구조물·계통 및 기기의 실제 상태에 관한 사항
• 3 : 결정론적 안전성분석에 관한 사항
• 4 : 확률론적 안전성평가에 관한 사항
• 5 : 위해도 분석에 관한 사항
• 6 : 기기검증에 관한 사항
• 7 : 경년열화(經年劣化: 시간경과 또는 사용에 따라 원자력발전소의 계통·구조물·기기의 손상을 가져올 물리적 또는 화학적 과정을 말한다)에 관한 사항
• 8 : 안전성능에 관한 사항 9)원자력발전소 운전경험 및 연구결과의 활용에 관한 사항
• 10 : 운영 및 보수(補修) 등의 절차서에 관한 사항
• 11 : 조직·관리체계 및 안전문화에 관한 사항
• 12 : 인적 요소(원자로의 운전에 필요한 구성인원 등의 상태에 관한 사항을 포함한다)에 관한 사항
• 13 : <원자력시설 등의 방호 및 방사능 방재 대책법> 제20조에 따른 방사선비상계획에 관한 사항
• 14 : 방사선환경영향에 관한 사항

안전설비 설계원칙

• 다중성 : 발생할 수 있는 기기 또는 계통의 고장에 대비하여 안전기능의 수행에 필요한 수량보다 여유 있게 기기 또는 계통을 설치하는 것이다.
• 다양성 : 기기나 계통이 다중성을 확보하더라도 작동 원리가 같을 경우 공통원인고장에 의하여 한꺼번에 작동이 되지 않을 수 있으므로, 작동원리가 서로 다른 기기나 계통을 설치하는 것이다. 예로써 보조급수계통을 전동기 구동 급수펌프와 증기터빈 구동 급수펌프로 설치하여, 전원이 상실되더라도 작동원리가 다른 증기터빈 구동 급수펌프는 그 기능을 수행할 수 있도록 설계하는 것이다. 또한 원자로 정지를 위하여 원자로 제어봉의 삽입과 이와 작동 원리가 전혀 다른 중성자 흡수체인 독물질의 주입을 위한 설계를 하는 것이다.
• 독립성 : 어느 한 기기 또는 계통의 사고가 동일한 기능을 수행하는 다른 계통 또는 기기에 영향을 미치지 않도록 물리적, 전기적으로 상호 분리되도록 설계하는 것이다. 화재, 홍수 등의 외적 요인으로 동시에 기능을 상실하는 가능성을 방지하기 위하여, 설비 간에 충분한 거리를 유지하거나 차단벽을 설치하여 물리적으로 격리하는 것이다. 또 다중성 개념으로 설치된 계통이나 기기에 각각 별개의 독립된 전원을 공급하도록 설계한다.
• 고장-안전성 : 계통이나 기기가 고장이나 전원 상실 등으로 그 기능을 상실했을 경우 외부에서 특별한 조치가 없어도 자동적으로 안전에 유리한 상태로 작동되게 설계하는 것이다.
• 연동장치 : 일부 계통과 기기는 미리 설정한 조건에서만 작동하도록 하여 운전원의 오작동 등에 의한 사고의 발생 가능성을 배제할 수 있도록 설계하는 것이다.

심층방어 또는 다중방어

• 심층방어(defence in depth): 원자력 시설의 안전성을 확보하기 위한 기본 개념으로서, 원자력 시설의 사고나 재해로부터 대중 및 환경을 보호하기 위하여 여러 단계의 다중화된 방어수단을 구비하는 전략을 의미한다. 심층방어는 원래 군사용어로, 최전선에서 후방에 이르기까지 다단계의 방비 대책을 마련한다는 의미이며 '다중방어' 또는 '다층방어'라고도 한다. 어떤 단일한 인적오류 또는 기계적 고장이 발생하더라도 발전소와 방벽 자체에 대한 손상을 방지함으로써 방벽들을 보호하고 다중 고장에 의한 사고 발생 가능성을 극히 낮추게 된다. 일반적으로 다중방벽은 5개의 물리적 방벽을 다단계 방호는 5단계 방호 전략을 지칭한다.
• 다중방벽 : 심층방어를 구현하기 위해 방사성 물질이 외부 환경으로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 여러 겹의 물리적 방벽을 설치한 것을 의미한다. 이러한 방벽의 구체적인 설계는 방사성 물질의 특성이나 정상 운전에서 벗어나 방벽을 손상시킬 수 있는 개별 원자로의 특성에 따라 달라진다. 일반적으로 경수형 원전에서 물리적 다중방벽은 핵연료 펠릿(제1방벽), 핵연료피복재(제2방벽), 원자로냉각재 압력경계(제3방벽), 격납건물 내부철판(제4방벽), 격납건물(제5방벽)로 구성된다. 제한구역으로 설정된 지역은 물리적인 방벽은 아니지만, 일반인의 거주가 허용되지 않는 의미에서 가상의 방벽 역할을 수행하는 것으로 생각할 수도 있다. 물리적 다중방벽은 연속적으로 방사성 물질을 제한하는 수단을 제공하며, 이들이 손상되지 않고 제 기능을 수행할 수 있을 경우에만 운전이 허용된다. 5개의 물리적 다중방벽들 중에서 어느 하나라도 건전성을 유지하면 방사성물질의 대량 외부 유출은 발생하지 않는다. 그러나 아무리 많은 방벽을 갖추고 있더라도 방벽의 건전성을 절대적으로 보장할 수 없음을 인식하는 것이 중요하다. 따라서 물리적 방벽의 각각은 충분한 여유도를 가지고 보수적으로 설계하고, 방벽에 영향을 미칠 수 있는 발전소의 운전 변수들을 제어 및 감시함으로써 그 건전성을 지속적으로 유지해야 한다.
• 다단계 방호 : 발전소가 정상상태에서부터 심각한 사고 상황에 이르기까지 단계별 예방 및 완화를 위한 목표와 이를 달성하기 위한 수단을 제시하는, 심층방어의 구체적인 이행전략을 의미하는 개념이다. 다음표는 IAEA의 국제원자력안전그룹(INSAG)에서 제시한 다단계 방호의 개념 5단계이다.

단계	운전상태	목표	핵심수단
1단계	정상운전	비정상상태와 손상의 방지	수적인 설계, 고품질 건설 및 운전
2단계	예상된 운전사태	비정상상태의 제어와 손상의 탐지	제어 및 보호계통, 감시설비
3단계	설계기준사고	설계기준 이내로 사고를 제어	공학적 안전설비 및 비상운전절차
4단계	설계기준초과 및 중대사고	심각한 발전소 상태의 제어- 사고 진전의 방지 - 중대사고 결과의 완화	추가적 안전설비 및 사고관리
5단계	중대사고 후 상태	방사성물질의 대량방출에 의한 방사선 피해의 완화	소외 비상대응

공학적 안전설비

공학적 안전설비는 원자력 발전소에 사고가 발생할 때 원자로를 정지시키고 안전 정지 상태를 유지하며 방사성 물질이 외부 환경으로 유출되는 것을 방지하는 안전기능을 수행하는 설비이다. 기능에 따라 크게 비상노심냉각계통, 격납건물 계통, 보조급수계통, 주제어실 거주성 계통, 핵분열생성물 제거 및 제어계통으로 구분할 수 있다. 대한민국의 표준형 원전의 경우 비상노심냉각계통은 고압안전주입계통, 저압안전주입계통, 안전주입탱크, 재장전수탱크로 구성되며, 격납건물계통은 격납건물 살수계통, 가연성 기체제어계통, 격납건물 격리계통으로 구성된다. 보조급수계통은 전동기구동 및 터빈구동 펌프로 구성되며, 주제어실 거주성계통은 주제어실 비상공기조화계통 및 방사선감시계통으로 구성된다.

안전설비는 능동 안전계통과 피동 안전계통으로 구분되는데, 능동 안전계통은 안전기능을 수행하기 위해 기계적 움직임을 수반하며, 피동 안전계통은 기계적 움직임 없이 중력, 축적된 가스 압력, 자연대류 등의 자연법칙에 의해 안전기능을 수행한다. 제3세대 원전까지는 능동 안전계통에 의해 원전의 안전성을 확보하였으나, 제3세대 이후 원전은 대부분 피동 안전계통으로 원전의 안전성을 확보하고 있다.

안전해석

안전해석은 원자력 발전소에서 일어날 수 있는 잠재적 재해를 평가하여 안전기준의 충족 여부를 확인하는 해석으로서, 안전해석코드를 이용한다. 안전해석은 크게 결정론적 안전해석과 확률론적 안전해석으로 구별되는데, 원전안전성평가는 결정론적 안전해석으로 수행되며, 확률론적 안전해석은 보조수단으로 활용된다. 안전해석코드 개발, 운용 및 검증 기술은 원전안전성평가의 핵심기술이다.

• 결정론적 안전해석 : 원자력 발전소에서 발생할 수 있는 사고의 현상 및 진행 과정을 물리적으로 계산, 분석하여, 발전소의 설계가 안전하고 사고 시 허용기준을 만족하는지 평가하는 것이다. 사고는 그 결과의 심각성에 따라 3단계로 나뉘는데, 사고의 진행 현상을 분석하기 위하여 개발된 사고해석용 컴퓨터 코드를 이용하여, 원자로 및 관련계통의 복잡한 거동, 외부로 누출된 방사성물질에 의한 피폭량을 계산함으로써 결정할 수 있다.
• 확률론적 안전해석(PSA) : 노심 및 격납건물 손상의 발생빈도를 추정하고, 그에 따라 누출되는 방사성 물질이 인근 주민의 건강에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 방법이다. 원래 미항공우주국(NASA)에서 우주선의 안전성평가를 위해 개발된 방법으로서, 1970년대 말 미국에서 최초로 원전의 새로운 안전성평가 기법으로 적용되었으며(WASH-1400 보고서), 1978년에 발생한 미국 스리마일(TMI) 원전사고를 정확히 예측하여 각광을 받기 시작하였다. 1980년대 이후 전 세계적으로 기존의 결정론적 안전해석을 보완하는 수단으로 광범위하게 활용되고 있다. 한국은 2001년 발표된 중대사고 정책에 따라, 모든 가동 및 건설원전에서 최소한 2단계 이상의 PSA를 수행한 바 있으며, 현재 PSA 수행의 단계 및 범위는 점점 확장되는 추세이다. 평가 범위는 3단계로 구분된다. 노심손상빈도를 평가하는 1단계, 노심손상 이후 격납건물 손상빈도를 평가하고, 격납건물 외부로의 방사성 물질 누출빈도를 평가하는 2단계, 누출된 방사성 물질이 인근 주민의 건강에 미치는 방사선학적 영향을 정량적으로 평가하는 3단계가 그것이다. 이 외에도 사고 발생 원인에 따라 내부사건과 외부사건, 사고 발생 시 원전의 출력에 따라 전출력과 정지, 저출력 PSA로 구분한다.

원자력 안전문화

원자력 안전문화란 용어는 1986년 체르노빌 원전사고의 원인에 대하여 국제원자력기구를 중심으로 국제적인 전문가들의 논의 과정에서 처음으로 등장했다. 1988년 국제원자력기구가 발간한 '원자력발전소 기본안전원칙(INSAG-3)'에서 안전문화를 가장 우선적인 안전원칙으로 제시하면서 공식화되었으며, 1991년 '안전문화(INSAG-4)'에서 안전문화의 개념을 정의하고, 효과적인 안전문화를 실천하기 위한 특성들을 제기하였다.

국제원자력기구는 'INSAG-4' 문서에서 안전문화를 원자력 안전을 최우선으로 고려하는 조직과 개개인의 품성과 자세가 결집된 것으로 정의하였으며 안전문화가 조직체제와 각 경영계층의 책임, 조직체제에 속하는 각 계층 종사자의 태도의 두 가지 일반적인 요소로 구성되며, 조직체제와 책임은 정책차원과 관리자차원으로 구성된다고 제시하였다.

미국은 2011년 안전문화 정책성명을 공표하여, 안전문화를 ‘인간과 환경의 보호를 보장하기 위해 다른 경쟁적인 목표들보다 안전성을 우선적으로 강조하는 경영진과 각 개인들의 집단적 약속에 기인하는 핵심가치와 행위’로 정의했다. 그리고 경영층의 안전가치와 이행, 문제파악과 해결, 개인의 책임, 작업절차, 지속적 학습, 문제점을 제기하는 환경, 효과적 의사소통, 존중의 업무환경, 의문을 제기하는 자세 등 9가지를 바람직한 안전문화의 속성으로 제시하였다.

원전의 수명 및 계속운전 제도

원자력발전소의 수명은 운영허가기간 또는 설계수명기간으로 구분할 수 있다. 운영허가기간이란 원자력사업자가 규제기관으로부터 인‧허가 절차에 따라 운영을 허가 받은 기간을 의미한다. 설계수명기간은 발전소 설계에서 설정한 운영의 목표기간으로, 발전소의 안전과 성능 기준을 만족하면서 안전성 평가에 의하여 설정된 운전 가능한 최소한의 기간을 의미한다. 설계수명 기간은 발전소의 기기공급 기관과 설계기관의 기술과 경험에 의하여 결정되며, 실제 운전 가능한 기간은 정비와 보수, 관리, 고장 이력 등의 운영 경험과 환경 조건에 따라 달라질 수 있다. 계속운전이란 운영허가(설계종료)가 만료된 원자력 발전소의 안전성을 원자력발전법으로 규정한 기술 수준에 따라 평가하여 만족한 경우, 운영허가기간 만료일 이후에도 운전을 계속하는 것을 말한다.

원전의 일반적 설계수명은 경수로는 40년, 중수로는 30년이며 최근 설계의 보완과 강화된 재료의 사용 등으로 60년 수명의 신형 원자로도 개발되었다. 미국 NRC(원자력규제위원회)는 설계수명은 최초 원전운영 허가기간으로 기술적인 문제가 아닌 원자력 시설의 경제성과 독과점규제 측면에서 설정된 기간으로 정의하고 있다. 예컨대, 미국의 원전 운영허가기간이 40년으로 제한된 것은 기술적 제한보다는 당초 투자자금의 회수 등을 고려하여 60년을 주장한 전력사업자의 주장과, 독점금지의 이유로 20년을 주장한 법무부 주장 간 타협의 산물이다라는 것이다. 1956년 세계 최초의 상업용 원자력 발전소인 영국 콜더홀 원전이나 미국 원전 첫 설계수명은 개발자가 제시한 기계수명을 근거로 작성되었으나, 원자력 기술의 발전과 경험 축적과 함께 원자로의 수명 연장이 안전에 무리 없다는 판단이 되자, 수명연장을 하였다. 콜더홀 경우는 50년까지 연장을 받았다.

대한민국은 2005년 9월 원자력법 시행령(제42조 2~5)과 동법 시행규칙(제19조의 2~3)을 개정하여 계속운전의 법적 근거를 처음으로 마련하였다. 원전사업자가 원전 계속운전 인·허가를 신청하기 위해서는 설계수명 기간 만료일을 평가 기준일로 하여, 평가기준일로부터 5년 내지 2년 이전에 평가보고서를 원자력안전위원회에 제출하여야 한다. 원자력안전위원회는 평가보고서를 제출받은 경우에 업무 위탁기관인 한국원자력안전기술원에서 18개월 이내에 심사하고, 그 결과를 원전 운영자에게 통보한다. 한국의 계속운전 안전성 평가 기준은 2005년 9월에 국제원자력기구(IAEA)가 제시한 국제적 안전기준(10년 주기 주기적안전성평가(PSR))을 토대로 도입되었다. IAEA는 가동원전의 안전수준 저하를 방지하고 일정 주기로 수행하는 제도를 마련하는 것이 효과적 방안이라는 전제 하에 주기적안전성평가(PSR)제도에 관한 안전지침을 개발하여, 이를 원전 운영국이 적극 활용하도록 권장하였다. 따라서 2016년 기준으로, 안전성 평가 기준은 IAEA PSR 기준인 원자로시설의 설계사항 등 14개 분야 68개 항목을 평가하도록 되어 있고, 추가로 미국 NRC 운영허가 갱신기준인 주요기기 수명평가 및 방사선환경영향평가로 10개 분야 77개 항목을 법적 최소 항목으로 평가하도록 되어 있다.

원전사고

1979년 3월 28일 미국 펜실베이니아주 해리스버그 시에서 16km떨어진 도핀 카운티의 서스쿼해나 강 가운데 있는 스리마일섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 부주의로 인하여 냉각수의 공급이 중단되는 바람에 노심용융 사고가 발생했다. 불행 중 다행히도 원자로 주위에 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 둘러 쌓여져 있었으며 비상노심냉각장치가 자동으로 작동했기 때문에 체르노빌보다는 피해 규모가 작긴 했지만 원자력 종주국으로서의 이미지에 먹칠을 한 꼴이 되고 말았다.

1986년 4월 26일 현재의 우크라이나와 벨라루스 국경 근처 체르노빌에서 북서쪽으로 약 18 km 떨어진 곳에 위치한 체르노빌 원자력 발전소의 경우 가동 실험 중 원자로를 제어하지 못하는 상황이 발생하여 노심용융이 발생했다. 체르노빌 원자력 발전소의 기종인 RBMK에는 스리마일하고는 달리 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 없었으며 당시 운전원들이 실험을 하기 위해 비상노심냉각장치를 일부러 꺼 놓은 상태였기 때문에 스리마일보다 피해가 더 컸으며 당시 원자로 화재를 진압하기 위해 헬기로 원자로 주위에다 콘크리트도 쏟아 붓고 액체질소를 사용하여 진압하는 등 갖은 수단과 방법을 모두 동원했는데도 불구하고 화재진압에만 무려 14일이나 걸렸다. 당시 사태 수습에 나섰던 공익근무요원들하고 화재진압에 나섰던 소방대원들까지 모두 핵물질에 피폭되어 사망하고 말았다. 게다가 화재진압에 사용되었던 헬기 등 군 장비 등은 모두 핵물질의 오염으로 인해 우크라이나 벌판에 방치되어 있는 상태다.

2011년 3월 11일 도호쿠 지방 9.0의 지진이 발생함에 따라 후쿠시마 제1 원자력발전소에서는 원전 안전을 위해서 자동으로 원자로 1-3호기가 긴급정지되었다. 4호기는 분해점검, 5-6호기는 정기검사로 발전정지 중이었다. 원자로 주변의 송전선로와 변전시설 등이 지진으로 인해 쇼트되거나 무너져내리면서 외부 전력이 차단되었다. 이에 원자로를 안전하게 정지 상태로 유지하는 데 필요한 안전계통에 전력을 공급하는 비상용 디젤 발전기가 1호기부터 6호기까지 모두 가동되었으며 운전 중이던 1~3호기의 노심에서 발생하는 열을 제거하기 위한 비상노심냉각계통이 정상적으로 작동하였다. 그러나 지진발생 약 50분 후 높이 15m(컴퓨터 분석은 높이 13.1m)의 지진 해일이 발전소를 덮쳤다. 발전소 설계 당시 예상했던 지진 해일의 높이 5m를 훨씬 초과하였다. 이에 지하에 설치된 비상용 디젤발전기가 침수되어 정지하였고 발전소 내의 모든 전기시설 역시 손상되었다. 후쿠시마 제1 원전은 원자로 안전을 위한 최소 전력마저도 없는 블랙아웃 상태에 빠졌고 이로 인해 원자로 냉각을 위한 냉각수 펌프 가동을 할 수 없게 되었다. 이에 따라 냉각수가 급속히 증발하여 원자로 내부 온도 및 압력이 상승하게 되었다. 결국 원전전원완전상실사고(Station Black Out, SBO)가 선언되었다. 이 사고로 인해 대기, 토양, 고인 물, 바다, 지하수에 방사성 물질이 누출되었다. 체르노빌 원자력 발전소 사고와 함께 국제 원자력 사고 등급(INES)의 최고 단계인 7단계, 즉 심각한 사고(Major Accident)를 기록하였다. 10만 명 이상의 피난 주민이 발생했으며 발전소 반경 20km 이내 피난구역에 살던 주민들은 이주했다.

참고자료

• 〈원자력 발전소〉, 《위키백과》
• 〈원자력 발전소〉, 《나무위키》
• 〈원자력 발전소〉, 《네이버 지식백과》
• "Nuclear power plant", Wikipedia

같이 보기

• 발전
• 원자력발전
• 우라늄
• 화력발전

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