[투데이에너지 김병욱 기자] 국내 원전의 안전 확보를 위한 원전 해체기술에 관심이 뜨겁다.
특히 재가동 승인 된 고리 원전 1호기의 해체가 강력히 추진돼야 한다는 지적이 잇따랐지만 실제 해체분야에 숙련된 전문인력 부족에 대한 지적도 일각에선 제기되기도 했다.
국내 원전 수는 세계 3위를 차지할 정도로 가동 중인 원전은 많고 건설·계획중인 원전도 많은 가운데 실제 설계수명이 다 된 원전이 발생하는 시기도 멀지 않은 상황이다.
원전의 안정적인 해체를 위해선 인력과 장비, 해체과정에는 원전분해, 제염, 기기철거 등 여러 절차와 다양한 도구, 장비 등이 필요한 것이 사실이다.
이에 본지에서는 원전 해체 기술, 해외 동향, 국내 기술현황 및 향후 계획에 대해 살펴본다.
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후쿠시마 원전 사고 이후 독일, 이탈리아, 일본 등이 원전의 단계적 포기 정책을 선언하는 등 원자력 정책의 변화와 세계적으로 원자력시설 해체에 대한 관심은 증가하고 있다.
우리나라에서도 초기 건설 원전을 중심으로 해체 시기가 조기에 도래할 가능성이 있어 국내 해체 문제를 해결하고 세계 해체시장에 진출하기 위한 해체 기술의 자립과 국제 경쟁력을 갖추는 것이 매우 시급한 상황이다.
문제권 한국원자력연구원 제염해체연구부장이 발표한 논문에 의하면 원자력시설 해체는 종합 엔지니어링 기술이 필요하며 핵심 기술로는 준비 기술, 제염 기술, 절단 및 철거 기술, 해체 폐기물 처리 기술 및 해체 환경 복원 기술 등으로 분류할 수 있다.
한국원자력연구원에서는 이 핵심 기술을 중심으로 향후 10년 이내에 국제 경쟁력을 확보할 수 있도록 기술 개발을 추진하고 있다.
■ 해체 준비 기술
효용 가치를 상실한 원자력시설을 주변 환경으로부터 영원히 퇴출시키기 위한 해체 방식에는 시설의 운전 정지 후 즉시 해체(immediate dismantling)하는 방식과 시설의 운전 정지 후 준비를 거쳐 일정 기간 동안 안전관리 후 해체하는 지연해체(delayed dismantling), 원자력시설을 콘크리트와 같은 화학적구조적으로 안정한 물질로 밀봉하는 영구 밀봉(entombment)방식이 있다.
원자력 시설을 해체하기 위해서는 시설의 운전 정지 후 시설의 특성을 분석하는 해체 기획 단계와 인허가를 받기 위한 해체 설계 단계, 시설을 직접 해체하거나 제염하는 해체 공사 단계, 부지 복원 후 부지를 규제 해제하는 환경 복원 단계를 거치게 된다.
시설의 영구 운전 정지에는 안전을 확보하기 위한사전 조치, 핵연료 제거 등 방사성 물질의 제거, 운전중 발생한 모든 방사성폐기물의 제거, 운전 중 사용한 가연성/독성 물질, 특수폐기물 등 특수 물질의 제거, 전력 장비의 격리 기술 등이 필요하다.
또한 해체 설계 및 인허가를 받기 위해서는 해체 계획 확정을 위한 해체 상세 시나리오 작성, 해체 시나리오에 따르는 작업 및 장비의 안전성, 기술성, 효율성 및 경제성 평가, 시설 3차원 가시화(visua lization),가상 공간 내에서 해체 작업의 모사, 해체 시나리오에 따르는 해체 작업자의 피폭량 예측, 기술 및 장비의 가용성 평가, 해체 폐기물의 관리 방안 등의 작업을 수행해야 한다.
이러한 기술들을 동원해 얻어진 최적의 시나리오에 따라서 해체 물량, 필요한 인력 및 수급 시기, 해체 작업 기간, 폐기물의 종류 및 양, 해체 비용(상세금액 및 수요 시기) 등을 예측해야 하며 해체 사업조직의 구성 등을 포함하는 관리적 측면도 고려해야 한다.
또한 해체시 안전성 확보를 위해 해체 작업 중위험 요소 평가, 사고 및 비정상 운전의 원인 및 사고의 발전 시나리오 작성, 해체 기술 및 장비 위험도의정량적 평가 및 안전한 장비 선택, 산업 안전 확보 활동 계획 수립, 사고 영향 최소화 대책 수립 등의 기술이 필요하다.
해체 공사 작업 중 방사능에 의한 환경 영향 평가도 수행해야 하며 환경에의 방사능 안전성을 확보하기 위하여 정상 운전 및 사고시 방사성 물질의source term 계산, 정상 운전시 주민 피폭 선량 평가, 사고시 주민 피폭 선량 평가, 영향 최소화 계획 수립, 비상 대책 수립, 환경 감시 계획 수립과 같은 기술들을 필요로 한다.
해체와 관련해 EU 국가들은 Council Directory 97/11/EC에 규정된 환경 보호 요건에 따라서 평가보고서를 작성하고 있으며 미국은 USNRC가 발행한 regulatory guide에 의해 이를 수행하고 있다.
방사선 방호는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 작업자의 피폭량을 예측하고 이를 최소화하는 대책을 수립하는 것이며 다른 하나는 해체 작업을 수행하는 동안 수행돼야 하는 방사선 안전 관리 계획 수립으로서 모두 해체 설계시 이를 수행해야 한다.
세계의 모든 해체를 수행하려는 나라는 해체계획서를 작성해 규제 기관에 허락을 받는다.
이러한 해체계획서의 작성 시기와 인허가 시점 및 방법 등은 상이해 우리나라와 같이 해체 과정의 모든 부분을 해체 시작 바로 전에 일괄 허가하는 경우도 있으나 방사선 관리 구역과 아닌 곳을 구분해 허가하는 다단계 허가, 원자력 시설의 운영 도중에서부터 해체계획서를 제출 받아 정기적으로 보완하는 나라도 있다.
■ 향후 기술 개발 전망
해체 사전 기술은 연구로 1, 2호기 및 우라늄 변환시설 해체를 통해 대부분 확보하고 있으나 고방사능 및 상용 원전 시설 해체를 경험해 보지 않았기 때문에 이에 국제 협력을 통한 한 기술 확보가 필요하다.
또한 해체 작업의 안전성을 높이기 위한 해체 계획단계에서 대상물의 적합한 해체 절차를 확립해야한다. 특히 해체 공정에 대한 안전성 및 방사능 피폭 평가는 최적해체 공정 시나리오를 선정하는 데 있어서 매우 중요하다.
원자력 시설의 해체 작업은 타 산업 분야와 달리 사전에 해체 공정 평가 및 안전성 평가를 수행해 최적의 해체 공정을 도출함으로써 작업자 안전 및 해체 작업의 효율 향상을 도모할 수 있으므로 계획 단계에서 절실히 요구되는 기술이다.
해체 공정 평가는 해체 작업 전에 작업 환경을 3차원 가상 공간에서 다양한 해체 시나리오를 구현함으로써 최적의 해체 공정을 도출하며, 작업자에게 해체절차 및 공정을 정확히 인지시켜 실제 작업에서 발생될 사고의 위험을 미연에 방지하고 실제 해체시 보다 숙련된 작업을 수행할 수 있어 고방사능 시설 해체에 필요한 기술이다.
이와 더불어 해체 작업 공간 내에 고방사능 오염구역을 3차원으로 가시화함으로써 안전한 해체 작업경로를 설정하고, 작업자에게 시각적으로 오염 부위를 전달함으로써 이해도를 높이고 해체 절단 공정시방사화 준위에 따라 절단 부위를 설정해 폐기물 감량에도 도움을 줄 수 있는 기술이며 이에 대한 기술개발이 향후 경쟁적으로 이뤄질 것으로 보인다.
제염 기술제염이란 구조적 혹은 비구조적 재료 및 설비를 포함하는 시설 또는 지역으로부터 방사성 물질 및 또는 기타 유해 오염 물질의 제거나 저감을 위한 활동으로 정의될 수 있다.
연구용 원자로, 상업용 원자로 및 기타 핵물질 취급 시설 등 원자력시설의 가동 이력이 증가됨에 따라 개선 및 보수 작업이 빈번하게 요구되는 상황에서 작업 종사자의 방사선 피폭 저감을 위한 제염 기술의 필요성이 증대되고 있다.
또한 수명을 다한 원자력시설의 해체 시에도 작업 종사자의 피폭 저감을 위한제염이 요구됨은 물론 해체를 통해 발생된 대량의 방사성폐기물의 재활용 및 재순환을 통해 양을 줄이거나 폐기물의 취급을 용이하게 할 목적으로 제염이 이뤄진다.
제염은 오염 시설이나 지역으로부터 방사선적 위험성 및 피폭량을 어느 정도까지 감소시켜 공공의 보건 및 안전, 작업자의 보건 및 안전과 환경에 대한 보호를 목적으로 하며 제염 공정 적용 전·후의 방사선적 위해도를 분석함으로써 오염 시설 또는 지역의 오염 정도와 관련된 위험성을 결정하는 수단으로 사용될 수 있다.
■ 계통 제염 기술
원자력발전소 계통 제염은 해체를 위한 계통 제염과 가동중 계통 제염으로 분류된다.
해체를 위한 계통 제염의 목적은 첫째 시설 철거시 보다 비용이 많이 소요되는 로봇이나 기계손 대신에 작업자가 직접 처리하기 쉽게 하기 위한 작업 환경을 만들기 위해 방사선 준위를 낮추기 위함이다.
두 번째 목적은 해체 중 오염물이 공기 중으로 확산돼 나갈 가능성을 최소화하기 위한 것인데 특별히 고준위 방사성 입자들이나 액티나이드족 원소를 함유한 계통을 취급해야 할 경우이다.
세 번째 목적은 부품이나 구조물들의 방사선 준위를 충분히 낮춰 중저준위 방사성폐기물로 분류시킴에 의해 경제적으로 처분하기 위함이다.
가능하다면 완전히 비방사성 물질로 변환시킴에 의해 이들을 재사용한다.
가동중 계통 제염은 원자력발전소 정기 검사 기간에 수행되는데 피폭 저감을 통해 방사선 작업자 작업환경 보호를 목적으로 한다. 특히 고방사선장에서의유지 보수 작업이나 대규모 시설 교체 작업 전에 제염을 수행함으로써 방사선 작업자의 피폭 선량을 낮추고 공기를 단축시킨다. 해체를 위한 계통 제염과는 다르게 화학 제염 용액의 계통을 구성하는 금속 재질에 대한 건전성이 보증돼야 한다.
계통 제염에는 일반적으로 화학 제염 기술이 사용돼 진다. 화학 제염 용액은 계통 표면의 산화막 자체를 용해시키며 이와 함께 방사성 핵종도 제거됨으로써 제염이 이뤄진다.
발전소에 대한 전 계통 제염은 대부분 HP-CORD에 의해 이뤄지는 것으로 보고되고 있다.
복잡한 시설에 대해 적용하는 것이기 때문에 제염 효과를 높이기 위해서는 제염 사업 주관자와 발전소 관계자와의 유기적인 협조가 있어야 한다. 또한 해체를 위한 제염일지라도 일차 계통이나 보조 계통에 대한 건전성을 유지하는 것이 매우 중요하다.
제염 전후 계통 내부가 시각적으로 큰 차이를 보이며 제염에 의해 방사선 준위는 평균 50배 이상 낮아진다.
■ 제염 기술 전망 및 계획
원자력 시설의 노후화에 따른 대규모 유지 보수, 주기적 안전성 검사 및 수명 연장 등으로 계통 제염시장이 확대되고 있는 시점에서 원자력 시설 해체시작업자 피폭 저감 및 안전성 향상을 위한 해체 전 일차 계통 제염 기술의 확보가 무엇보다 필요하다.
원자력 시설 운영 및 해체를 위한 대표적인 제염기술로 DfD 공정, HP/CORD 계열 공정 등이 특허 기술로 상용화돼 있으나 DfD의 경우 고부식성 용액 및 제염 중 수소가스 발생으로 제염 시스템의 안정성문제와 이차 폐액 처리의 문제가 있고 HP/CORD의 경우 산화 제염제로 HMnO4 및 환원 제염제로 옥살산을 사용하는 다단계 공정으로 공정이 복잡하고 다량의 이차 폐액이 발생되는 문제점이 있다.
국내의 경우에는 유기산 착화제를 기조로 하는 증기발생기 수실 제염 및 RCP 펌프 제염 등 일차 계통기기의 부분 제염 기술만을 확보하고 있는 상태이다.
이러한 현 상황을 고려해 중장기적인 원자력 연구개발 사업을 통해 원자력발전소 전 계통 표면 제염시유기산 착화제를 사용하지 않음으로써 이차 폐기물의 발생량 저감 및 처리의 단순화가 가능하다.
일차 계통 내부 표면에 형성돼 있는 스피넬 구조의 부식 생성물 피막 내 오염원을 효과적으로 제거함으로써 제염 성능이 매우 우수하고 친환경적인 세계적 기술 우위의 독창적 화학제염 기술을 2016년까지 개발할 목표로 연구를 추진하고 있다.
일차 계통 제염 기술 개발과 함께 원자력 시설의 해체 또는 대규모 보수시, 구조적 적용이 어려운 대형 기기 및 대면적 제염을 위해서는 적용이 용이하고 이차 폐기물 발생이 최소화되는 제염 기술의 확보가 요구되고 있다.
이를 위해 프랑스, 미국, 영국 등에서는 거품을 이용한 제염 기술 개발 연구가 비교적 활발하게 진행되고 있으나 국내의 경우 관련 연구가 전무해 그 기반이 매우 취약한 상태에 있다.
이러한 현 상황을 고려해 거품의 안정성 증진을 통한 제염 효율 증대와 이차 폐기물의 양을 더욱 저감하고 이차 폐기물 처리의 용이성을 증진시키기 위해 나노 크기의 고체 입자 및 유체 등을 용매에 균일하게 분산시켜 제염제와 혼합함으로써 기존 기술에 비해 성능이 향상된 복합 유체(complex fluid)를 사용하는 고효율, 저폐기물 발생의 나노 복합 유체제염 기술 개발을 추진하고 있다.
유기성 착화제가 포함되지 않는 국내 고유의 친환경적 일차 계통 화학 제염 기술 및 나노입자를 포함하는 신개념 나노 복합 유체 제염 기술개발로 작업자 피폭 저감화와 기존 화학 제염 기술대비 제염 공정 단순화 및 제염제의 안정성 증진을 통한 이차 폐기물 최소화 및 처리 단순화에 의한 공정 적용 비용최소화로 경제적 이득 효과뿐만 아니라 화학 제염 기술의 적용성 증대 및 국제 경쟁력 확보를 통한 기술수출 신성장 동력 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
원격 해체 기술
원자력 시설 해체 환경 내부는 고방사화로 인해 작업자 접근이 불가능해 원격 해체가 필수적이다.
원자력 시설은 여러 가지 형상과 재질로 구성된 설비와 구조물로 구성돼 있다.
또한 해체 작업은 비반복적이고 비정형화된 작업이 많은 특징을 지니고 있기 때문에 기능을 만족하는 원격 해체 기술이 필요하다.
■ 해외 기술 개발 현황
일본의 동력시험로(JPDR: Japan Power De monstration Reactor) 해체 실증 시험에 사용하기 위한 해체 기술의 개발이 1981년에 실시됐다.
일본 JAEA(Japan Atomic Energy Agency)에서는 원격 해체 로봇 기술로서 마스터(master)형과매니플레이터(manipulator)형의 원격 해체 조작 시스템(JARM, Japan Remote Manipulator)을 개발했다.
일본 최초의 상업용 원자력발전소인 Tokai 흑연가스냉각로는 2001년 12월 해체 작업에 착수했다.
이 발전소는 약 10년의 안전 저장 후 해체 작업이 수행됐으며 해체를 안전하고 효율적으로 시행하기 위해서 마스터 암(master arm) 해체 장치를 개발했다.
영국의 개량형 가스냉각로(WAGR)용 매니플레이터형 원격 해체 장치는 1986년에 개발을 시작했으며 1996년에 완성, 원격 조작 시험을 했다.
영국 Sellafield의 WAGR(Windscale Advanced Gas-cooled Reactor)은 영국 원자력청에서 건설한 발전소로 18년간 가동한 후 1981년에 최종 정지했다.
벨기에의 유로케믹(Eurochemic)의 재처리 시설에서는 콘크리트 구조물의 절단 및 제염을 위해 원격 조작형 전동, 유압식 파워 Brokk 80을 사용했다. 이 매니플레이터에는 76×215×1,500cm 크기의 소형 반출 시스템이 있어 작은 문도 통과할 수 있다. 매니플레이터 팔에는 해체된 콘크리트, 모래 등을 제거하는 삽이 구비돼 있다.
미국에서는 연구 시설의 해체 및 환경 복원 계획이 1980년대에 시작됐으며 해체, 시료 채취 및 상황 조사를 위한 극한 원자로 해체 및 조사 로봇이 개발됐다.
■ 국내 기술 개발 현황
국내 일반 산업체에서는 중하중물 취급에 대한 일부 기술 개발됐지만 원자력시설 특성상 작업자의 직접 접근이 어렵고 고하중인 해체 대상물을 원격에서 고정밀로 제어하는 기술은 미흡한 실정이다. 현재 한국원자력연구원에서는 고방사화로 인해 작업자 접근이 불가능한 원자력시설 해체 환경 내부를 원격에서 해체하는 기술을 개발하고 있다.
이번 기술개발의 특징은 고하중 취급이 용이하고 방사선저항성이 우수하며 고정밀 제어가 가능한 고하중의 해체 대상물 이송 작업을 원격으로 수행할 수 있는 원격 해체 시스템의 핵심 부품인 고하중 구동 장치와이를 정밀 제어할 수 있는 기능을 갖고 있다.
또한 한국원자력연구원에서는 이러한 핵심 기술을 바탕으로 원자로 압력용기, 증기발생기 등 고방사능원자력시설 핵심 대형 설비 해체를 위한 원격 매니플레이터, 이송 장치, 모니터링 장치 등 신뢰성이 높은 원격 해체시스템을 개발할 계획이다.
■ 향후 기술 개발 전망
해외 원자력 선진국에서도 중하중물 취급 및 원격제어 기술 개발 경험은 보유하고 있으나 고방사능 해체 대상물에 대한 고하중 및 고정밀 제어 기술은 미흡한 상태이다.
최근에 원자력 선진국에서는 원자로노내 구조물 해체시 방사선에 대한 저항성, 방사성미립자에 의한 방사능 오염시의 제염 용이성, 수중 및 공기 중에서의 양용성, 취급 중량 대비 성능 향상, 다기능성, 조작의 용이성, 고신뢰성, 안전성, 보수 용이성 등을 고려해 기술 개발을 추진하고 있다.
특히 작업자 피폭 저감 및 안전성 향상을 위해 고방사능 대형 설비를 원격으로 절단하는 장비와 이를 이용한 해체 시스템 개발에 주력하고 있다.
원자력시설 원격 해체 기술은 고방사능의 극한 환경에서는 작업자 접근이 불가능하기 때문에 대형 설비를 해체하는 데 있어서 작업자 보호 및 사고 예방을 통한 작업 효율성을 높이기 위해 반드시 필요한 기술이다.
원자력 선진국은 해체 경험을 통해 상업적 기술을 확보하고 있는 추세이다.
국내 원자력시설 해체 시장의 잠식을 막고 확대일로에 있는 세계 원자력시설 해체 시장에 참여하기 위해서는 국내의 확보된 원자력시설 해체경험과 기술력을 바탕으로 독창적인 원격 해체 핵심기술을 개발, 원자력시설 해체분야에서 기술적으로 선도해 나가야 한다.
일본 후쿠시마 원전의 중대 사고를 계기로 국내외적으로 수명을 다한 원자력시설의 해체의 필요성이 대두 되고 있어 이를 위한 제염 해체 핵심 기술의 확보가 무엇보다도 시급한 실정이다.
특히 후쿠시마와 같은 중대사고시에도 적극적으로 대처할 수 있는 비상 대응기술을 확보함으로써 원자력의 안전성과 대민 수용성을 보다 높일 수 있을 것이다.
국내 원전의 해체를 대비하기 위해서도 국내 원전의 특성에 맞는 해체기술의 개발이 선행돼야 한다.