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안전의 조건

  • 2014.06.24.
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프랑스는 총 58개의 가동원전을 보유하고 있는 원전대국으로, 국가 전력의 80%를 원자력발전으로 생산 합니다.

프랑스의 원자력안전규제청(ASN)은 2006년 독립 행정기관으로 출범, 우리나라와 2012년 안전규제 협력약정을 체결해 협력 관계를 유지하고 있습니다.

우리나라의 원자력 안전규제는 ‘원자력안전위원회’가 책임지고 있습니다.

원자력안전위원회는 원자력 및 방사선 안전관리와 핵안보에 관한 여러 가지 일을 관리, 결정하고 있습니다.

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원자력발전소에는 두 명의 감독관이 상주하고 있습니다.

한 사람은 원자력발전의 안전 운영을 관리하는 주재관이고, 다른 한 사람은 방사능 방재 관련 업무를 감독 관리하는 방재관입니다.

주재관발전소 현장의 안전운전 시험과 점검을 입회하는 현장 감독으로 원자력안전위원회에서 파견하는 전문 감독관입니다.

예를 들어, 주재관은 비상디젤발전기와 같은 발전소 내 주요 안전 기기들의 성능을 정기적으로 시험하고, 이상 상황이 발생할 경우 제일 먼저 현장을 조사해 보고하는 역할을 합니다.

반면 방재관발전소의 비상 상황 발생 시 주민들을 안전하게 대피시키는 일과, 비상 상황을 가정한 방사능방재훈련 및 해당 교육을 실시합니다.

 

원자력발전소의 안전을 직접적으로 지켜주는 장치에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

 

 

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원자력발전소는 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기를 이용해 전기를 생산합니다.

이것만 보면 원자력발전의 원리는 화력 발전소와 비슷하지만 ‘안전’에 있어서는 두 가지 다른 큰 특징이 있습니다.

①원자력발전소는 원자로를 정지한 후에도 엄청난 열이 발생하므로, 원자로를 냉각시켜 핵연료의 온도 상승에 의한 손상을 막아야하고, ②방사성물질이 외부로 누출되지 않도록 조심해야 합니다.

 

이러한 안전을 보장하기 위해 원자력발전소에는 2개의 계통이 존재합니다.

계통이란 ‘시스템’을 의미하는데, 영어로 ‘프라이머리(primary)’를 의미하는 1계통은 가장 중요하면서도 기본적인 시스템으로 구성되어 있습니다.

원자력에너지를 생산하는 원자로와 가압기, 증기발생기와 냉각재펌프, 출력 제어봉 등이 그것입니다.

1계통은 두꺼운 콘크리트 벽의 격납건물 안에 설치돼 있는데, 건물 내벽을 강철판으로 차폐해 방사능이 투과하지 못하도록 원천 차단하고 있습니다.

 

2계통은 발전기를 통해 전기를 생산하고, 이때 생성된 증기를 다시 물로 되돌리는 시스템입니다.

전기 생산에 필요한 터빈과 발전기, 증기를 물로 되돌려주는 복수기 등의 설비가 여기에 해당됩니다.

그리고 1계통과 2계통에서 사용되는 물은 안전을 위해 각 계통 안에서만 순환되도록 하고 있습니다. 

 

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원자로는 쉽게 말해 불을 피우는 가마입니다. 나무나 종이를 넣어 난로에 불을 피우듯, 원자로는 우라늄을 넣어 핵분열 시 발생하는 열로 전력을 생산합니다.

이때 핵분열이 일어나는 곳이 원자로의 중심인데, 이것을 ‘노심’이라 부릅니다.

노심에는 여러 다발로 묶인 핵연료봉이 있는데, 이 연료봉 안에는 농축 우라늄 분말이 들어 있습니다.

 

핵분열 과정에서 튀어나오는 중성자는 빛의 속도로 움직입니다.

이때 핵분열이 계속해서 일어나게 하려면 중성자의 속도를 늦춰줘야 하는데, 그 역할을 하는 것이 바로 감속재입니다.

감속재가 중성자와 충돌하면 중성자의 에너지 속도를 줄여주는 반응을 일으킵니다. 

따라서 감속재는 중성자와 충돌하되, 중성자를 흡수하지 않는 물, 흑연, 베릴륨, 산화베릴륨 등을 재료로 사용하는데, 이 가운데 안전성과 경제성이 높은 물이 주로 사용되고 있습니다. 

 

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제어봉은 원자로의 온도가 지나치게 높아지는 것을 막는 자동제어장치입니다.

제어봉은 원자로 내부에 직접 들어가기 때문에 중성자를 흡수하기 쉬운 은, 붕소, 하프늄 등을 스테인리스강으로 감싸 제작합니다.

제어봉은 정상 운전 중에 원자로 출력을 높이거나 일정하게 유지시키는 조절제어봉과, 원자로 내의 중성자 수를 부분적으로 제어하는 부분제어봉, 이상 발생 시 원자로를 안전하게 정지시키는 정지제어봉으로 다시 나뉩니다.

 

가압기는 말 그대로 압력을 더하는 장치입니다.

가압경수로는 원자로 내부를 순환하는 1차 냉각재로 물을 사용하는데, 이때 원자로 내부의 1차 냉각재가 완전한 수증기 상태로 바뀌지 않도록 하는 것이 가압기입니다.

즉, 물이 높은 온도에서도 완전히 수증기화 하지 않도록 압력을 높여주는 것인데, 이는 압력이 낮아지면 물의 비등점이 낮아지는 원리를 거꾸로 이용한 것이라 볼 수 있습니다.

 

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원자로의 폭발을 일으키는 것은 우라늄이 아니라 ‘수소’입니다. 발전소의 원료로 사용되는 우라늄-235는 원자로 파열 사고 발생 시 고열로 녹아내리는 것이 특징입니다.

이를 ‘멜트다운’이라고 합니다.

반면 일본 후쿠시마 원전에서와 같이 최악의 사고 발생 시 원자로 내부에서 폭발을 일으키는 것은 1계통에서 발생되는 수소입니다.

 

원자로에 들어가는 핵연료를 감싸는 외피는 지르코늄이라는 금속으로 만들어지는데, 지르코늄은 높은 온도에서 잘 견디고, 물에 오래 담가 둬도 녹슬지 않는 특징이 있습니다.

이 때문에 이 금속은 중성자와 맞닿거나 방사선을 쬐어도 변하지 않는 핵연료봉 재료로 사용되고 있습니다.

그러나 후쿠시마 원전사고처럼 지진과 해일로 원자로 안의 물이 줄어드는 일이 생기면, 이 핵연료봉이 물 밖으로 노출되고, 원자로의 고온을 견디지 못해 녹아내리게 됩니다.

특히 지르콘은 고온의 수증기와 만나게 되면 수소를 대량으로 발생시킵니다.

따라서 발전소에 수소제거설비가 설치되어 있지 않으면 원자로에서 대량으로 발생한 수소가 결국 격납건물을 폭발시키게 됩니다.

이를 달리 말하면 최악의 순간 원자로 폭발을 막아주는 최후의 안전핀이 바로 수소제거설비라 할 수 있습니다.

 

지금까지 각종 원자력 안전장치에 대해 알아보았습니다. 다음에는 원자력발전소의 안전을 위한 방어체계와 원자력시설의 설계 원칙에는 어떤 것들이 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

 

※ 참고: 원자력안전정보공개센터

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