[창간 기획] 원전, 지진 발생 사고 시 적극 대응 구축
[창간 기획] 원전, 지진 발생 사고 시 적극 대응 구축
  • 김병욱 기자
  • 승인 2019.09.10
  • 댓글 0
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국내 원전, 지진·해일 등 재해로부터 ‘안전’
국내 암반 위에 튼튼하게 시공
원자력발전소용 면진장치 개발
최대 지진해일에 안전 더해 건설
전기없이 작동하는 수소 결합기 설치
 

[투데이에너지 김병욱 기자] 지진으로 인한 원자력발전소에 사고가 발생하면 방사능이 유출될 우려가 있어 굉장히 위험하며 지진이 일어날 경우 건물이 무너지거나 인명피해도 함께 발생할 수 있다.
이에 원자력발전소를 건설할 때는 지진의 위험성까지 모두 고려해 건설을 시작한다. 한국수력원자력에 따르면 지진이 일어나면 건물이든 발전소든 주로 수평 방향으로 흔들리는 수가 많아 원자력발전소의 경우 지진의 진동에 흔들리더라도 원자로를 비롯한 내부기기와 배관에 문제가 생기지 않도록 구조물 자체를 단단하게 설계하고 있다.
일반 건물에 비해 벽과 기둥을 콘크리트로 두껍게 만들고 철근도 많이 넣어 진동에 잘 견디고 지탱할 수 있도록 하는 것이다.
특히 지난 2011년 3월11일 후쿠시마 원전에서 178km 떨어진 진원지로부터 지진이 발생했다.
지진이 발생함에 따라 설계된 대로 원자로에 정지봉이 삽입되고 디젤발전기가 기동되는 등 발전소 자동정지와 관련해 모든 정상적인 운전원 조치가 이뤄진 것으로 나타났다. 이에 반해 지진 발생 41분 후에 지진해일(쓰나미: Tsunami)이 발생하면서 상황은 완전히 바뀌게 된다.
지진해일에 의해 원전 1호기부터 5호기까지 모든 AC전원이 상실, 디젤발전기와 스위치기어도 침수됐다. 이어 원전사고가 발생하고 지금까지 일본은 수습에 여념이 없는 상황이다. 이에 후쿠시마 8년이 지난 지금 우리나라의 후속 조치와 지진 대응에 대해 살펴봤다.
-편집자 주

원자력발전소는 충분한 안전성이 요구되는 시설이기 때문에 부지조사 단계에서부터 모든 분야의 기술을 종합적으로 활용하고 있다.

특히 지질 및 지진조사는 부지조사 과정에서 가장 중요한 항목이다.

한국수력원자력에 따르면 원자력발전소는 원자력안전법 규정에 따라 발전소가 세워지는 부지의 반경 320km 이내 지역은 광역조사(문헌조사, 인공위성 및 항공사진 판독 등)를 수행한다.

또한 40km, 8km, 1km 이내의 지역은 기존 자료를 수집·검토하고 지질의 구조, 단층 분포, 암질 등을 확인하기 위해 지구물리학적 조사, 야외 지질조사, 단층 연대 측정, 해양물리탐사, 시추조사, 물리탐사, 트렌치 조사 등 단계적 정밀조사를 수행한다.

부지에서 예상되는 최대지진값은 부지 정밀조사 자료를 토대로 해 우리나라에서 발생한 모든 지진과 단층 등을 고려해 산정된다.

지진은 어떻게 발생하나

지진은 지각 내에 쌓인 에너지가 방출되는 순간에 에너지의 일부가 지진파 형태로 전달되는 자연현상이다.

지진은 지구 표면을 구성하고 있는 지각이 여러 조각으로 나눠진 지각판들의 상호운동과 관계가 있으며 대부분의 큰 지진들은 지각판의 경계부에서 많이 발생한다. 반드시 지각판 경계부에서만 지진이 발생하는 것은 아니다.

지각판 내부에서 작용하는 밀거나 당기는 힘 때문에 지각판 내부의 약한 암반대가 파괴되면서 지진이 발생하기도 한다. 지각판이 서로 충돌하는 판경계부에서 발생하는 지진을 ‘판경계 지진’이라 하고 지각판 내부에서 발생하는 지진을 ‘판내부 지진’이라고 한다.

특히 환태평양 지진대는 불의 고리라고 불리며 세계 대규모 지진의 80%가 일어나고 있다.
우리나라는 지리적으로 환태평양지진대로부터 약 600km 떨어진 유라시아판 내부에 위치하고 있어 대규모 지진 확률이 낮은 안전지대로 평가되고 있다.

원전, 내진설계 강화

원자력발전소는 일반 건물과 달리 부지조사 단계에서 분석한 부지 주변의 단층, 지질 및 지진 등 을 토대로 부지에 영향을 미칠 수 있는 ‘최대지진값’을 산정한 후 이 값에 안전여유도를 더해 내진설계 수준을 정한다. 우리나라 원자력발전소는 부지에서 예상되는 최대 지진과 충분한 여유도가 고려돼 큰 지진에도 충분히 견딜 수 있도록 내진설계가 돼 있다.

내진설계값은 gravity(중력)의 첫 글자를 따서 ‘g’라는 단위를 사용하며 우리말로는 ‘중력가속도’라고 한다. 우리나라 원자력발전소의 내진설계값은 0.2g 및 0.3g인데 이는 중력가속도 9.8m/s² 의 20% 및 30%의 크기를 나타낸다.

지진 발생 시 발전소의 가속도값(흔들림의 정도)은 지진 발생 위치, 깊이 등 다양한 조건에 따라 다를 수 있지만 일반인의 이해를 돕기 위해 개략적으로 규모로 나타낸다면 0.2g는 규모 6.5 정도의 지진에 해당하며 0.3g는 규모 7.0 정도의 지진에 해당한다.

원자력발전소는 지진으로 인한 피해가 발생할 경우 방사성물질이 외부에 누출될 수 있다는 최악의 상황을 가정해야 하므로 그 어떤 구조물이나 설비보다 더욱더 튼튼하고 정밀하게 시공해야 한다.

국내 원자력발전소는 자재 선정, 설비 및 기기 제작, 구조물 건설 등 각 단계별로 엄격한 품질관리를 시행하고 정부 규제기관으로부터 철저한 검사 및 점검을 받은 후 모든 공사를 수행하기 때문에 성능과 안전성을 신뢰할 수 있다. 특히 가장 중요한 원자로 건물은 단단한 암반 위에 건설하기 때문에 강한 지진에도 안전하게 견딜 수 있다.

후쿠시마 원전사고 후 국내 원전 개선 대책

일본 후쿠시마 원전사고 이후 국내 원전 안전성에 대한 국민 우려가 증가해 국내 원전에 대한 안전점검 실시 및 개선대책이 도출됐다.

한수원에 따르면 지난 2011년 3월~5월까지 한수원 자체 안전점검, 정부 주관 안전점검이 실시되고 같은 해 9월 안전점검 개선대책 50건이 확정됐다.

또한 2012년 2월 추가 개선대책 10건이 확정(국내외 후쿠시마 교훈 반영)돼 한수원의 56건 개선대책이 이행됐다.

주요 성과는 △고리원전 해안방벽 증축 등 초대형 지진해일에 대한 대응능력 확보(증축 완료) △비상 디젤발전기실 등 침수 방지용 방수문 설치(성능시험 및 인허가 진행 중) △방수형 배수펌프(이동형 디젤펌프) 2대씩 확보(전 원전 완료) △부지별 이동형 발전차 확보(전부지 확보 완료) △원자로 및 증기발생기 비상냉각수 외부주입유로 설치(월성 1, 신월성 1•2, 신고리 2 완료) △사용후연료저장조 비상냉각수 외부주입유로 설치(전 원전 완료) △전기 없이 작동 가능한 수소제거설비 설치(전 원전 완료) △방사성물질 여과배기 및 감압설비 설치(월성 1 완료) 등이 이뤄졌다.

특히 설계기준을 초과하는 강진발생을 가정해 일정규모 이상의 지진이 감지될 경우 원자로가 자동정지하도록 설비가 개선됐다.

대형해일 발생을 전제로 고리원전 해안방벽을 높여 타 원전부지 높이 수준(10m)으로 증축하고 비상전력계통 등 주요설비의 침수를 방지하기 위해 방수문을 설치 중이다.

대형해일로 원전부지가 침수되고 다수 호기에서 동시에 전력공급이 중단되는 최악의 상황을 가정, 이동형발전차량을 확보하고 사용후연료저장조 냉각계통 기능 상실에 대비해 소방차 등을 이용한 냉각수 보충방안을 마련했다.

그럼에도 불구하고 모든 냉각기능이 상실돼 원자로 핵연료가 용융되는 최악의 경우를 전제로 수소폭발방지용 피동형 수소제거설비를 설치했다.

특히 중대사고 시 격납건물 내 과도한 압력상승 방지 및 방사성물질을 여과해 배출할 수 있는 여과배기설비를 설치했다.

다수호기 동시사고 등 최악의 방사능 재난에도 효과적으로 대응할 수 있도록 비상대응시설의 개선과 함께 비상대응조직 구성 및 비상발령 기준 등을 방사선비상계획서에 반영, 원전인근 주민 보호를 위한 방호약품 등을 추가로 확보했다.

국내 지진에너지 흡수장치 개발

한수원은 강진에도 원전 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원전용 면진장치를 국내 최초로 개발했다.
면진장치란 지진에너지를 흡수해 구조물에 전달되는 충격을 감소시키는 장치로 구조물 자체가 지진을 견디는 내진과는 다른 개념이다.

한수원은 프랑스와 일본에 이어 전세계에서 3번째로 상업원전용 면진장치 개발에 성공하는 쾌거를 거둠으로써 터키 등의 강진(强震)지역 원전수출에서 우위를 점하게 됐다고 밝혔다.

이번에 개발한 면진장치는 우리나라에서 발생 가능한 최대 예상지진보다 에너지가 20배나 큰 리히터규모 7.3정도(최대지반가속도 0.5g)의 지진이 발생하더라도 지진에너지를 흡수해 구조물에 전달되는 충격을 현저히 감소시킬 수 있어 원전구조물 및 설비의 안전성 확보에 크게 기여할 수 있는 것으로 평가됐다.

한수원은 산업통상자원부, 한국에너지기술평가원이 주관하는 국책과제인 ‘수출형 원전대비 면진장치 국산화 개발’을 통해 면진장치를 개발한 뒤 국내외 전문기관에서 실증실험을 성공적으로 마쳤다.

총 40여종의 까다로운 성능검증을 수행해 원전 적합성을 입증했으며 7건의 특허를 출원하는 성과를 올렸다.

국내 원전 내진설계는

내진설계 기준은 그 지역의 지진활동도(빈도, 규모)에 따라 결정된다.

판경계에 위치해 우리나라보다 큰 지진이 자주 발생하는 일본이나 미국 서부의 경우 우리보다 내진설계 기준이 높지만 우리나라와 지진활동도가 유사한(판 경계에서 떨어져서 위치한) 미국 중동부나 유럽과 비교할 때 국내 내진설계 기준은 동일하거나 더 높은 수준이다.

원전은 엄격한 설계 특성으로 인해 많은 내진설계 여유도(Design safety margins)를 가지게 되며 이로 인해 예기치 않았던 설계초과 지진에도 발전소의 안전정지계통 및 주요 계통에 피해 없이 안전하게 유지된 사례가 있다.

원전에서 사용하는 내진설계 기준은 일반 건축물과는 다른 개념이다.

건축법은 ‘붕괴방지와 인명 안전’을 내진성능 목표로 하지만 원안법은 ‘안전기능이 손상되지 않는 정상가동’을 목표로 한다.

가령 동일하게 규모 6.5로 설계됐다고 하더라도 건축물은 규모 6.5 지진이 왔을 때 인명 보호를 목적으로 하기 때문에 건물에 균열이 가고 주거기능이 훼손되는 것이 허용된다.

반면 원전은 규모 6.5의 지진이 왔을 때 건물의 균열 등 구조물의 손상없이 안전기능이 평상 시와 동일하게 정상 작동돼야 한다.

국내 원전은 일본 후쿠시마 원전사고 이후 원전의 지진안전성을 높이기 위해 설계기준을 초과하는 지진에도 안전할 수 있도록 기존에 건설된 원전의 안전유지계통에 대해 내진성능을 최근 원전 수준으로 향상했다.

세계적으로 지진에 의한 원전 안전정지계통의 손상이나 방사능 누출 등의 치명적인 사고가 발생된 사례는 없다. 지난 2011년 동일본 대지진 시 후쿠시마 원전사고는 지진 때문이 아닌 쓰나미(지진해일)로 발전소가 침수되고 전력 공급이 상실돼 발생된 사고다.

지진해일(쓰나미, tsunami)은 해저에서 발생한 지진, 해저화산, 해안부근 지반 붕괴에 의한 토사의 유입등에 의해 생성된 파도를 말한다.

쓰나미의 ‘tsu’는 항구, ‘nami’는 파도를 의미한다. 이 용어는 일본 산리쿠 연안(1896년 6월)에서 발생한 지진해일 피해가 알려지면서 세계 공통어로 사용하게 됐다.

우리나라 원자력발전소는 국내에서 발생가능한 최대 크기의 지진해일을 평가한 후 그 값에 여유도를 반영하고 그 보다 높은 위치에 발전소를 건설하기 때문에 지진해일에 안전하다.

대규모 지진은 지각이 지속적으로 충돌하는 판경계 지역에서 발생하고 있다. 우리나라는 판내부 지역에 있어 지진의 빈도가 크지 않고 대규모 지진의 가능성도 희박하다. 국내 학계에서도 규모 6.5 이상의 지진이 발생하기 어렵다는 것이 일반적인 견해다.

내진 설계보다 초과된 지진 발생 시

원전의 설계 기준은 인명보호와 붕괴방지를 목표로 하는 일반건축물과 달리 구조물이 손상되지 않는 정상가동을 목표로 한다.

이에 내진설계를 초과하는 지진이 발생해도 체르노빌과 같은 대량 방사능 유출사고는 일어나지 않도록 지어졌다.

실례로 지난 2007년 일본의 가시와자키 가리와 원전은 설계기준(0.28g)을 약 2.4배 초과한 지진에도 발전소가 안전하게 유지됐으며 2011년 미국의 노스애나 원전 또한 설계기준(0.12g)을 약 2배 이상 초과하는 지진동(0.255g)이 발생했으나 안전정지계통에 손상없이 발전소가 안전하게 유지된 사례가 있다.

또한 현재 국내 원전은 세계적인 수준의 내진설계가 돼 있으며 발전소별 평가를 통해 지진에 대한 원전 안전성을 더욱 높이기 위해 핵심설비의 내진성능을 보강(0.3g)했다.

후쿠시마와 같은 원전사고가 국내 발생 가능성은

우리나라 원전(PWR: 가압경수로)과 일본의 후쿠시마 원전(BWR: 비등경수로)은 원자로의 종류가 다르며 구조적으로 격납용기 내부 체적이 우리나라 원전이 일본 원전에 비해 5배가량 크다.

일본과 같은 지진 및 지진해일이 발생할 경우 우리나라 원전이 훨씬 더 안전하다.

일본 원전은 원자로 내의 냉각수를 직접 끓여 발생한 수증기로 터빈을 운전하지만 우리 원전
은 그렇지 않기 때문에 외부로 방사능이 누출될 가능성이 훨씬 적다.

만약 원자로심이 녹아 수소가 발생하더라도 국내 원전은 전기 없이 동작하는 수소 결합기가 있어 수소폭발이 일어나지 않는다.

또한 후쿠시마와 같은 전원상실을 대비하기 위해 1단계 내부축전지 전원공급 2단계 발전소 내 이동형 발전차 및 펌프차 사용 3단계로 인접 발전소와 외부기관으로 부터 대용량 발전차를 공급 받아 원자로를 안전하게 냉각시킬 수 있는 비상시스템을 이미 갖추고 있다.

국내 원전 지진에 안전한 이유

원자력발전소의 원자로 격납건물은 단단한 암반을 굴착해 조밀하게 철근을 설치하고 콘크리트를 타설해 튼튼하게 짓는다.

단단한 암반층에 지은 원자력발전소는 지진이 발생했을 때 토사 지반에 건설된 건물에 비해 30~50% 정도의 진동만 전달되므로 안전하다.

원자력발전소의 주요 기기와 설비는 정밀 내진 해석 또는 진동대 시험 등의 엄격한 내진 검증을 통과해야만 설치 또는 시공할 수 있다. 내진 검증은 운전기준지진(5회)과 안전정지지진(1회)에 설비들이 정상적으로 작동하는지를 엄격하게 확인하는 절차다.

또한 원자력발전소는 원자로 건물을 비롯한 주요 구조물과 기기 등에 지진 계측기 등 최첨단 감시체계를 갖추고 안전하게 운영하고 있다.

또한 지진의 크기에 따라 경보 발령, 원자로 안전 정지 등의 비상 대응 절차를 마련해 지진 발생에 철저히 대비하고 있다.

큰 지진이 발생할 경우 안전하게 원자로를 정지할 수 있도록 원자로 격납건물(Reactor Building: R/B) 등 주요 건물과 기기에 지진감시설비를 설치해 발전소 주제어실에서 실시간으로 감시하고 있다.

발전소 지진감시설비와는 별도로 한수원은 발전소 주변 지역에 총 13개소의 지진관측소를 운영하고 있으며 관측 결과는 기상청, 한국지질자원연구원, 한국원자력안전기술원 등과 네트워크를 구성해 상호 공유하고 있다.

후쿠시마 지진은

한국수력원자력 중앙연구원에 따르면 후쿠시마 원전의 기준 지진동은 설계당시 0.18g이었으나 2006년 니가타 지진 이후 설비를 보강해 0.5g로 강화됐다. 그러나 실제 지진은 수평방향 첨두 지반 가속(PGA: Peak Ground Acceleration)이 0.56g였으며 수직방향 첨두지반 가속이 0.31g로 수형방향 첨두지반 가속이 기준지 진동을 초과했다.

지진해일대비 방벽의 설계기준 높이가 6.1m이었으며 사고 후 건물에 있는 물의 흔적으로 평가한 결과 실제 지진해일의 높이는 대략 14∼15m로 확인됐다.

후쿠시마 원전의 지진에 대한 설계근거는 지난 1978년에 발행된 지진설계지침으로써 일본안전위원회 규제지침(NSCRG:L-DS-I.02)이 발행된 이후 후쿠시마 원전의 설비가 보강됐다.

지진해일의 경우 초기 운영허가 시 규제 지침에는 지진해일의 효과를 설계에 반영해야 한다고만 언급했을 뿐 지진해일 평가 방법이 부재했다.

지난 2006년 도쿄전력은 규제지침과 기술지침을 반영해 후쿠시마 원전에 대한 지진해일을 재평가한 결과 6.1m로 결정했다. 이 지침에서 발전소 주변 지역의 단층에 의한 지진해일 평가는 해안방벽의 높이를 고려하지 않았으며 실제 큰 규모의 지진이 발생하자 수많은 단층들이 복합적으로 작용해 예상보다 훨씬 높은 지진해일이 발생하게 됐다.

결과적으로 지진해일을 과소평가했기 때문에 설계기준초과 지진해일에 대해서는 속수무책이었다. 안전설비의 대부분이 전원을 이용해야 하지만 지진해일에 의해 모두 이용 불가능해 엄청난 결과를 가져오게 됐다.

이 사고 이후 국내 원전은 지진해일 대비하기 위해 해안 방벽, 주요 안전설비실의 방수문 설치 등 다각적인 방어전략을 실행하고 있다.


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