후쿠시마 원자력발전소 사고

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개요

지금까지 전 세계적으로 발생한 중대사고로는 우리에게 잘 알려진 미국의 스리마일아일랜드 원전사고, 구 소련의 체르노빌 원전사고, 그리고 최근에 발생한 일본의 후쿠시마(Fukushima) 원자력발전소 사고가 대표적인 사례가 될 수 있다. 여기에서는 후쿠시마 원자력발전소에서 발생한 중대사고를 중심으로 사고의 원인과 전개과정, 그리고 사고의 영향과 교훈을 살펴보기로 한다[1]].


발생

  • 일시: 2011년 3월 11일 2:46 PM (JST)
  • 위치: 일본 후쿠시마현 후타바정 (N37.4215,E141.0329)

원자력발전소 개요와 사고 전 운전조건

후쿠시마 제1원자력발전소(Fukushima Daiichi 원전)는 후쿠시마현 후타바군 오오쿠마쵸와 후타바쵸에 위치하고 있으며, 6기의 비등형경수로가 설치되어 운영되고 있다. 사고가 발생한 2011년 3월 11일 후쿠시마 제1원자력발전소의 1~3호기는 정격출력으로 정상운전 중이었고, 4~6호기는 정기검사로 핵연료가 원자로에서 인출되었거나(4호기) 장전이 완료된(5호기 및 6호기) 상태였다. 4호기는 대규모 보수공사 관계로 원자로 압력용기 안에 있던 핵연료가 모두 사용후핵연료 저장수조에 이송되었으며, 사용후핵연료 저장수조에는 6,375개의 사용후핵연료가 저장되어 있었다. 아래 표는 후쿠시마 제1원자력발전소의 현황을 요약하고 있다.


후쿠시마 제1원자력발전소 현황[1]

사고의 발생과 진행

2011년 3월 11일 14시 46분 동경 북동쪽으로 370km에 위치한 도호쿠(東北) 지방 부근 해저에서 규모 9.0의 지진이 발생하였다. 진앙지로부터 150km 거리의 해변에 위치하고 있는 후쿠시마 제1발전소는 매우 높은 강도의 지진이 감지되어 운전중인 발전소 3기가 모두 자동으로 정지되었다(14시 46분). 지진의 발생에 따른 원자로의 자동정지는 정상적으로 이루어진 것이었으나, 문제는 후쿠시마 제1발전소 인근의 송전 철탑 등이 심각한 손상을 받아 발전소가 소외전원을 공급받을 수 없는 상황이 발생한 것이었다.

이러한 상황에서 지진 발생 약 52분 후(15시 38분) 후쿠시마 제1발전소에 14~15m 높이의 쓰나미(Tsunami, 지진해일)가 도달하였다. 이렇게 높은 쓰나미는 부지고(높이)가 10m인 후쿠시마 제1발전소의 모든 발전소 건물을 약 4~5m 깊이로 침수시켰다. 침수로 인하여 상대적으로 보조건물의 낮은 위치에 설치된 비상디젤발전기, 무정전설비와 배전반이 침수됨으로써 발전소에 비상전원을 공급할 수 없는 상황이 초래되었다(15시 42분). 발전소의 소내･외 전원이 모두 상실한 발전소의 전원 완전상실(Station Blackout)로 분류하는 사고가 발생한 것이다.

후쿠시마 제1발전소 1~4호기가 소외 전력망과 비상전원(디젤발전기, 배터리)의 사용이 불가능한 상황에서, 운전원은 임시 배터리를 주제어실에 설치하고 최소한의 발전소 상황파악과 제어를 시도하였다. 또한 사고 후 10여일 만에 발전소로 공급되는 송전망과 연결되었으나 발전소 전력계통의 심각한 손상으로 장기간 전원공급이 불가능한 상태였다. 이에 따라 발전차를 이용하여 임시 전원을 사용하였고, 1~4호기의 비상냉각을 위한 냉각수는 소방차를 이용하여 주입하였다. 5호기와 6호기의 경우 쓰나미에 의한 피해가 상대적으로 약하였고, 이들 호기가 공용으로 사용하는 1대의 비상디젤발전기가 운전가능하였기 때문에 전원 공급으로 최소한의 운전이 가능한 상태였다. 또한 3월 25일 이후 발전소로 소외전원을 공급함으로써 신속하게 안정화되었다.

수소폭발에 의한 원자로건물 파손

후쿠시마 제1발전소 1~3호기는 지진발생 전 정격출력으로 운전중에 있었기 때문에 원자로정지 후 다량의 붕괴열이 발생하는 상태임에도 전원상실로 냉각수의 주입이 불가능함에 따라 원자로의 핵연료가 적절하게 냉각되지 않았다. 이에 따라 노심에서 냉각수가 증발하고 노심이 노출(고온에서 핵연료 용융으로 진전)되면서 다량의 증기와 수소가 발생하여 격납용기 내부의 압력을 증가시켰다. 압력이 증가하면 격납용기가 파손될 우려가 있어 1호기의 경우 제일 먼저 증기방출을 실시하였다.

증기가 격납용기 밖으로 방출되면 원자로건물 내부를 거쳐 외부로 방출하게 되는데, 방출되는 증기에 수소가 섞여 있었고 수소가 원자로건물의 상부에 모여서 일정농도 이상에 이르게 되었다. 대기압 하에서 수소체적이 약 4%를 넘으면 연소가 일어나고 약 15%를 넘으면 폭발이 일어나게 된다. 2011년 3월 12일 15시 36분 1호기 수소폭발로 원자로건물 상부가 파괴되었다. 또한 3호기는 3월 14일 11시 1분 수소폭발을 일으켜 원자로건물이 심하게 파손되었고, 2호기는 3월 15일 6시 10분 수소폭발을 일으켜 격납용기 아래쪽이 파손되었다.

비상대응과 사고수습

일본 정부는 3월 11일 19시 3분에 방사선비상을 선포하고, 21시 23분부터 발전소에서 반경 3km 지역의 주민에 대한 소개(Evacuation)를 시작하였으며 10km 이내의 주민에 대하여 옥내 대피하도록 하였다. 3월 12일 5시 44분에는 10km 반경의 주민에 대한 소개가 시작되었으며, 18시 25분에 소개 지역을 20km, 그리고 3월 25일에 30km로 확장하였다.

후쿠시마 제1발전소 1~3호기 수소폭발 이후 더 이상의 노심손상을 막기 위해 해수 주입이 결정되고, 소방설비를 이용해서 해수를 주입하기 시작했다. 해수의 주입은 소금이 축적되면서 노심의 유로를 막거나 주입하는 노즐을 막을 우려가 있으며, 부식성이 강해 기기나 구조물의 건전성 저하를 야기할 수 있다. 사고 초기 담수공급이 불가능한 상황에서 해수를 주입하였으나, 이후에는 담수를 자위대 보급선과 미군 바지선 등으로 공급받으면서 담수주입으로 전환하였다.

2011년 3월 말부터 외부전력 복구 작업이 순차적으로 완료되면서 엔진을 이용해서 펌프를 가동하던 방식을 전동모터를 이용한 펌프가동으로 전환하여 냉각수를 주입하였다. 사고 초기 원자로와 격납용기로 주입된 냉각수가 발전소 건물 하부에 모여 해양 등의 환경으로 방출되었으나, 사고 수습이 진행되면서 주입된 냉각수를 다시 정화하고 냉각하여 재순환하는 시스템이 운영되고 있다.

사고의 교훈

후쿠시마 원자력발전소 사고는 지금까지 지진, 쓰나미, 홍수, 태풍 등의 외부사건에 대응할 수 있도록 발전소를 설계하고 운영하여 왔으나 예상을 초월하는 외부사건의 가능성과 이로 인한 대형사고로의 진전을 현실적으로 보여준 사고이다. 또한 지금까지 단일 발전소의 대형사고와는 달리 동일한 위치에서 다수 호기가 공통원인에 의하여 동시에 대형사고를 야기하였다는 점에서 그 성격을 달리하고 있으며, 원자력안전에 대한 많은 시사점을 제공하고 있다. 사고 발생과 전개, 수습과정을 통하여 안전과 관련된 현안을 간추려 보면 다음과 같다.

  • 외부사건에 대응할 수 있는 발전소의 설계
  • 중대사고의 예방과 완화를 위한 발전소의 안전설계 및 운영
  • 전원완전상실 등의 비상상황에서의 소외 대응체계
  • 심각한 사고 상황에서의 비상대책
  • 동일부지에 다수호기 운전 안전성
  • 중대사고 상황에서의 사용후핵연료 냉각
  • 중대사고 상황에 대처할 수 있는 발전소 운전원의 교육･훈련
  • 방사성물질의 방출을 초래하는 사고 후의 방사능 감시
  • 비상상황에서 대중에 대한 방사선방호
  • 비상상황에서의 의사소통

방사능 누출

사고초기에 환경으로 누출된 방사능의 량은 다음표와 같이 추정된다.[2] 사고 원자로의 131I 의 2-8%가 초기에 누출되었으며, 137Cs 의 1-3% 가 누출되었다. 휘발성이 약한 핵종(예. 90Sr, 239Pu )의 초기 누설은 무시할 정도이다. 초기누출의 80%는 태평양에 확산되거나 침착되었다.

방사능 환경 누출량
핵종 초기누출량 비고
대기 누설
131I 100 ~ 500 PBq 반감기 8일
137Cs 6 ~ 20 PBq 반감기 30년
133Xe 500 ~ 15,000 PBq 반감기 5.2일
해양 누설 (직접)
137Cs (134Cs 포함) 3.5 ~ 5.6 PBq 134Cs 반감기 2 년
131I 9 ~ 13 PBq
129I 7 ~ 8 GBq 반감기 1570 만년
90Sr 0.04 ~ 1 PBq 반감기 28.8년
3H 0.3 ~ 0.7 PBq 반감기 12.3년
Pu negligible
대기에서 침착
137Cs(134Cs 포함) 5 - 11 PBq
131I 57 ? 100 PBq

폭발이 동반된 체르노빌사고와 달리 후쿠시마사고에서는[footnote 1] 휘발성이 낮은 Ru, Ba, La, Ce 등 핵분열생성물은 사고초기에는 거의 방출되지 않았다. [2]

각주

  1. ↑ 사고초기에 건물상단의 핵연료저장고에서 수소폭발이 있었으나, 이는 원자로심의 폭발은 아니다.


참고문헌

  1. ↑ 1.0 1.1 김효정, “원자력 안전해석”, 정기획출판사. pp.842, 2016. 6.
  2. ↑ 2.0 2.1 UN, Sources, Effects and Risks of Ionization Radiation, UNSCEAR 2020/2021 Report, Vol. II Scientific Annex B (2022)


이 자료의 최초 작성 : 김 효정(GINIS) kimhhoj@gmail.com, 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr

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