후쿠시마 원전사고의 기술적 평가
BWR(비등수형 원전의 구조)

Mark-1형 격납 용기
原子炉建屋 ; 원자로 건물 耐圧ベント ; 내압 벤트
使用済み燃料 ; 사용필 연료 格納容器 ; 격납 용기 圧力逃し弁 ; 압력 줄이기 안전판 圧力容器 ; 압력 용기 ベント管 ; 벤트관 圧力抑制室 ; 압력 억제실

원자로 압력 용기 내의 물속에 핵연료가 들어 있어 제어봉을 뽑으면 핵반응이 일어나
대량의 열이 발생하고, 물이 증발해 수증기가 된다. 그림에는
나타내지 않았지만, 그 수증기(증기)를 터빈으로 흘려보내어 증기의 힘으로 터빈을 회전시켜 전기를 일으킨다.
지진이나 사고가 일어나면 제어봉이 대번에 삽입되어 핵반응이 멈추지만, 붕괴열(원자로 정지 직후는 약 7%, 1시간 후에는 1% 가까이까지 떨어지지만, 1개월 뒤에도 아직 큰 열량이 있다.)이 있으므로 사고가 없어도 장시간 물로 계속 식힐 필요가 있다.
또, 원자로 건물 내에는 많은 냉각용의 펌프나 그것을 움직이는 전동기(모터)가 있다. 원전은
보통 공장과 마찬가지로 외부(예를 들면 다른 화력발전이나 원자력 발전)로부터
전기를 얻지 않으면 전동기가 움직이지 않고 사고가 나게 된다. 후쿠시마 사고의 개요를 이하에 조목별로
적는다.
1. 지진이 나서 철탑이나 변전 설비가 망가져 외부 전원이 없어졌다. (외부 전원 상실)
2. 제어봉이 들어가 핵반응이 멈추었다. 그러나 외부 전원이 없어졌기에 즉시 복수 대 있는
비상용 디젤 발전기가 가동해 전기를 보내 전동기를 돌려 냉각을 계속했다.
3. 지진이 난 지 약 50분 후, 높이 약 15 m 이상의 쓰나미가 밀려와 비상용 디젤 발전기나 배전반 등이 수몰 해 전 전원 상실 사고(스테이션 블랙 아웃이라고 한다.)가 났다.
4. 교류는 거의 모든 동력, 직류는 계기의 작동이나 표시와 조명에 필요하지만, 극히 일부를 제외하고 전 전원 상실이 되었기 때문에 원자로의 냉각을 할 수 없게 되었다.
제어실은 캄캄해지고 계기도 모두 사라져 버렸다.
회중전등 등으로 도면을 찾고 차의 배터리(직류 전원)를
조달하는 등 하여, 계기(특히 원자로의 수위 등)를 가끔 볼 수 있었지만, 매우 어려운 상황이 되었다.
5. 본래는 전기가 없어도 원자로의 증기로 자연 순환 냉각을 할 수 있는 비상용 복수기(IC : (1호기에만 있다.))나, 마찬가지로
증기로 구동할 수 있는 격리 시 냉각계(RCIC)가 움직여 겨우 어떻게 냉각을 하고 있었다.
6. 그런데 1호기에서는, IC는 쓰나미로 전원이
상실했을 때 배관의 밸브가 자동적으로 닫혀 버려 거의 냉각할 수 없었다. 2호기, 3호기도 이윽고 RICI를 구동하는 증기가 오지 않게 되어 멈추어
버렸다.
7. 각각의 호기마다 원자로의 압력을 낮추어, 저압으로 원자로에 물을 넣는 저압계의 긴급
노심 냉각 장치로 냉각을 하려고 했지만, 이들은 전원이 없으면 움직이지 않는다. 게다가 원자로의 압력을 낮추는 릴리프 안전밸브도 생각대로 작동하지 않고, 이윽고
물이 증발해 핵연료가 공기 중에 나와 버렸다. 핵연료가 공기 중에 나와 냉각을 할 수 없게 되면 방대한
붕괴열로 단시간(예를 들면 1시간 등) 내에 연료가 녹아서 떨어져 노심 용융(멜트다운)에 이른다.
8. 멜트다운을 하면 녹은 핵연료나 주위의 금속이 용융 데브리가 되어 원자로(압력 용기)의 강판을 용융 ・ 관통해 격납 용기의 콘크리트 바닥에 떨어졌으나 그래도 냉각을 하지 못하고 콘크리트를
침식하면서 사고가 진행되었다.
9. 노심용융을 하기 시작하자 핵연료의 피복관(지르코늄)이
수증기와 반응해 대량의 수소가 나왔다. 수소는 원자로 압력 용기에서 격납 용기 안으로 나와 격납 용기
내에 고인다. 운전 시는 격납 용기 내에 반드시 수소를 넣어 산소가 없는 상태로 하고 있기 때문에 격납 용기 안에서는
수소는 타지 않는다. 그러나 고온이 된 격납 용기의 플랜지 등에서 수소가 새어 원자로 건물 내에 충만해
원자로 건물 상부에서 수소 폭발을 일으켰다.
10. 1호기, 3호기, 4호기(3호기로부터 수소가 역류한 것으로 보인다. 1~3호기는 운전 중이었고 4호기는 운전하고 있지 않았다.)가 수소 폭발했지만, 2호기는 1호기의
폭발로 원자로 건물의 블로우 아웃 패널(건물의 압력이 올랐을 때 열리는 큰 뚜껑)이 우연히 열려 버려 수소가 밖으로 나와 버렸기 때문에 폭발을 면했다.
11. 수소 폭발은 원자로 건물에 흘러나오고 있던 방사능을 멀리 날려
버리고 부지 내의 오염을 확산시켜 작업을 곤란하게 했지만, 격납 용기는 고온 때문에 샜을 뿐, 고농도의 방사능은 격납 용기 내에 머물고 있었다. 사실, 2호기는 수소 폭발은 일으키지 않았지만, 다른 호기보다 많은 방사성
물질을 대량으로 낸 것이 알려져 있다. 방사능 오염의 문제는, 수소
폭발도 중요하지만, 격납 용기가 부서진지 어떤지가 훨씬 중요하다.
(주 : 「방사능이 나왔다」 등으로 표현하는 일이 있지만, 정확하게는
「방사성 물질이 나왔다」가 맞는 말이며, 방사능이란 방사성 물질에서 방출되는 방사선의 능력을 말한다. 단, 너무 엄밀하게 말하려고 하면 이해하기 어렵게 되므로 애매하게
표현하기도 한다)
12. 전원 상실이나 배관 파단으로 원자로를 냉각할 수 없게 되는 「설계
기준 사고」(구체적으로는 냉각재 상실 사고 : 배관이 끊겨 원자로의 물이 없어지는 사고를 내어도)를 상정해 긴급 노심 냉각계(ECCS)를 갖추고 있다. ECCS는 고압계, 저압계의 펌프를 갖추고 있고, 원자로에 물을 보낼 수 있게 되어 있다.
그러나, 후쿠시마 사고는 전원이 없어졌을 뿐 아니라 원자로를
냉각하는 데 필요한 장치가 몇 군데나 가동하지 않았다. 구체적으로는,
①1호기 IC를 사용할 수
없었다. 전원 상실로 절로 밸브가 닫혔다. (혹시 배관 파단이
있었다?)
혹은, 사고의 후단에서는 수소가 충만해 IC가 멈추었다.
어쨌건 IC가 일하지 않았다.
②원자로의 수위를 재는 수위계가 격납 용기 내의 온도가 올랐기에 잘못된
수위를 나타내고 있었다. 원자로의 수위는 가장 중요한 파라미터이지만,
그것이 오표시를 하였고 그것도 사고 후 반년 이상이나 지나서 알았다. 수위계는 중대한 결함을
갖고 있다.
③원자로의 압력을 떨어뜨리는 방출 안전밸브(SR판)가 작동하지 않았다. 원인은
격납 용기의 압력이 설계 기준
이상이 되어 있었기 때문에 SR판의 작동이 저해된 것에 의한다.
사고의 직후는 원자로의 압력이 높지만, 가능한 한 빨리
원자로의 압력을 낮추어 저압계의 ECCS로 원자로를 식히게 되어 있는데 원자로의 압력을 낮추는 데에
실패했다. (그러나, 저압계의 ECCS는 원래부터 전원이 없으면 작동할 수 없다.)
④ 원래 설치된 ECCS가
기능하지 않았기 때문에 배터리 등을 준비하여 SR판을 열어 겨우 어떻게 원자로의 압력을 떨어뜨리는 데에
성공했다. 응급 대책으로 외부에 있는 소방차의 호스와 연결해 원자로에 물을 넣는 데에 성공했다. 그러나 실제로는 복잡한 배관이 되어 있어 펌프의 축봉부 등 (생각하지
못했던 형태로)에서 원자로 이외의 곳으로 냉각수가 가 벼려 원자로에는 상정한 양의 몇 분의 1의 물 밖에 들어 있지 않았다.
이것도 사고 후 몇 개월(몇 년?)이나 지나고 나서 알았다.
13. 격납 용기가 방사성 물질을 가둘 수 없었다.
① 배관 파단 등이 일어나면 원자로에서 나온 열은 격납 용기의 압력
억제 풀 내(S/P)에 증기로서 흘러들어, S/P의 물의
온도가 오른다. S/P의 물은 해수 냉각 펌프로 냉각하는 구조가 되어 있지만, 쓰나미로 해수 냉각계 펌프가 작동하지 않고 격납 용기의 온도・압력이 상승했다.
② 격납 용기는 사고 시에 원자로에서 나온 방사성 물질을 가둔다.
사고가 일어나면 핵의 용기의 벽(강철제의 셸)을 관통하고 있는 100 이상 있는 배관의 격리판이 자동적으로 닫혀 방사성 물질을 가둔다(격리
기능이라고 한다).
따라서, 격납 용기는 압력이 올랐을 경우에도 가스나 수증기를
배출하는 「안전판」은 원래 붙이지 않았다. (보일러는 옛날 자주 폭발 사고를 내었기에 보통, 가압으로 파괴되지 않도록 안전밸브를 5개나 혹은 6개나 붙이고 있다.)
③ 그러나, 격납 용기를
냉각하는 격납 용기 스프레이나 S/P의 해수 냉각계가 기능하지 않으면 격납 용기의 압력・온도가 올라 버려 방치하면 격납 용기가 파괴되어 버린다. 따라서, 일본에서는 1992년
이후, 과혹 사고 대책으로서 격납 용기에서 수증기 등을 내는, 격납
용기 벤트를 설치했다.

PCB 벤트 방법 개요(1F1),
→ 랩쳐 디스크 → 배기통
④ 격납 용기 벤트는 압력 억제실(일단
풀 물속을 뚫어 방사능을 줄이고 나서 낸다)로부터 벤트 하는 웨트 웰 벤트와 직접 드라이 웰로부터 내는
드라이 웰 벤트가 있다.
사고 때는 될 수 있는 대로 웨트 웰 벤트를 우선시켜야 하지만, 그리할
수 없으면 드라이 웰 벤트가 된다. 후쿠시마 사고에서는 실제로 양쪽 다 사용되었다.
⑤다만, 벤트 하기에 즈음해
위 그림의 MO210판과 AO판 1 또는 AO판 83의
어느 쪽이든 하나를 열려고 했지만 좀처럼 할 수 없었다. 2개의 밸브가 열리면 그 후, 랩쳐디스크에 일정 압력이 가해져 열릴 것이지만, 실제로 벤트 할
수 있었는지 어떠했는지 분명하지 않은 호기도 있다. 이러한 단순한 구조이지만, 단 2개의 판(밸브)조차 온전히 열지 못 하는 일이 일어난다는 것을 후쿠시마 사고로 알았다. 이것이
상정을 넘는 과혹 사고의 실태다.
결국, 외부 전원 상실
⇒ 전 전원 상실 ⇒ 증기 구동의 냉각 장치가 작동한다
⇒ 각각의 장치가 기능을 잃고 정지 ⇒ 원자로 내의 핵연료가 헛불 때기 ⇒ 멜트 다운 ⇒ 수소 폭발로 건물 파괴 ⇒ 격납 용기 벤트 ⇒ 격납 용기 누설로 되어, 1호기~3호기는 모두 멜트다운했다.
14. 그러나, 그래도 후쿠시마
사고는 중간 정도의 사고였다. 미국 쓰리 마일 사고보다 훨씬 대규모 오염이 되고, 구 소련 체르노빌에 다음가는 규모가 되었지만, 후쿠시마 사고가 그
정도로 수습된 것은 우연한 일이다.
①만약, 몇 개의 격납
용기가 폭발하는 대규모 파괴가 되면, 주위에 사람이 접근하지 못하게 되어, 각 호기의 멜트 다운의 진행이 빨라지고, 동시에 사용필 연료 풀의
냉각도 할 수 없게 되고, 간토 일원이 대규모로 오염되어, 도쿄・요코하마까지 피해가 확대할 가능성이 있었다.
② 피난 인구가 3,000만이니 4,000만이니 하는 규모가 되면 국가 존망의 위기다.
이 최악 시나리오가 칸 전 수상의 요청으로 사고의 진전 중에 전 원자력 위원회 위원장에 의해 작성되고
있었다. 특히, 4호기의 사용필 연료는 통상보다 대량으로
저장되어 있고, 또한 원자로 건물이 수소 폭발로 망가져 있어, 재차
지진이 왔을 때는 사용필 연료 풀의 바닥이 빠져 대량의 연료가 용융해 엄청난 양의 방사성 물질이 나올 것이 염려되었다.
제8강에서는 후쿠시마 사고의 기술적인 문제점을 정리하여, 현재 재가동을 향해 준비하고 있는 안전 대책이 어디까지 되어 있는가를, 또
그렇다 할지라도 사고를 확실히 방지하는 것이 곤란하다는 것을 설명한다.
기술 용어로 중요한 말은
비등수형(BWR), 가압수형(PWR), 원자로 혹은 원자로 압력 용기(압력 용기), 긴급 노심 냉각계(ECCS), 원자로 격납 용기(격납 용기), 드라이 웰, 웨트
웰, 압력 억제 풀(사프렛션프르), 격리판(격납 용기의 벽에 붙어 있는 판으로 사고 때에 닫아 격납
용기를 격리한다), 방출 안전밸브(SR판:원자로 감압한다), 격납 용기 벤트, 내압 벤트(격납
용기 벤트이지만, 고압을 견딜 수 있도록 배관을 강화한 것이다), 웨트
웰 벤트, 드라이 웰 벤트, 비상용 복수기(IC), 원자로 수위계, 등등.