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기술로는 사실상 '완전 안전원전'...한국형 3세대 원전 뜯어보니

[기획 : 그래도 원전이 희망이다]③ 한국형 원전 어디까지 왔나
한국형 3세대 원전 APR 1400..발전용량 40% 커졌으면서 안전도 10배 증가
다시 더 경제적이고 안전한 APR+로 진화...운영자의 안전태세, 전문성 등은 영원한 과제

(서울=뉴스1) 이동희 기자 | 2014-12-30 21:17 송고 | 2014-12-31 05:51 최종수정
한국형 3세대 원전 APR - 1400이 들어서는 신고리 3·4호기. 케이블 시험성적서 위조와 교체, 질소 누출로 인한 작업근로자 질식사 등 곡절이 많다. 새롭게 건설된 밀양송전탑이 여기에 물린다.(한국수력원자력 제공)

전기 없으면 못살면서도 전기만큼 생산방식을 선택하기 힘든 것도 없다.

석유 등 화석연료를 쓰는 화력발전은 발전효율은 괜찮아도 지구온난화를 유발하는 온실가스를 다량 배출하는 단점이 있다. 태양광, 풍력은 청정에너지라지만 한계가 너무 커 여전히 전기생산의 주류가 되기는 어려운 모습이다. 일조량, 입지 등 자연조건 제약 때문에 발전량을 안정적으로 키우기 힘들고 단가도 비싸다. 그러다보면 답은 원전밖에 없다는 식으로 귀결되지만 핵과 사고에 대한 공포감은 지구촌에서 흔쾌한 수용을 어렵게 하고 있다.

미국 스리마일 섬 원전사태, 러시아 체르노빌 원전사태, 일본 후쿠시마 원전 사태 등 굵직한 사고가 원자력 발전에 대한 트라우마를 재생산해왔다. 안으로는 납품비리,시험성적서 위조 등 부정행위가 원자력 발전에 대한 불신을 키워왔다. 핵과 원자로에 대한 막연한 공포, 원전 운영자에 대한 불신 등이 뒤죽박죽 섞여 상승작용을 일으키며 필요한 원전이 불필요의 벼랑으로 몰리고 있다.

핵분열 원리를 이용하는 원전은 안전의 측면에서 분명 '최선'의 발전방식은 아니다. 그러나 온실가스 발생이 매우 낮고 지구촌의 막대한 전기수요를 감당해 줄 정도로 효율이 큰 만큼  '차선'의 발전으로 수용하자는 현실론이 국제적으로 확산되고 있다. 그래서 어떻게 하면 대안발전을 고려해 원전을 적정한 규모로, 좀 더 안전하게 가질 것인가가 원전강국들의 주된 고민사항이 됐다.

원전이 갖는 독특한 안전리스크는 태생때부터 과학자·기술자들이 투쟁해왔고 그 흐름은 지금도 이어지고 있다. 그간의 있었던 사고의 교훈은 빠르게 원전설계와 관리에 녹아들며 원전 안전도를 높이는 역할을 해왔다. 

덕분에 기계적·기술적 측면에서는 이미 한국형 원전이 '완전 안전원전'수준에 도달했다고 해도 과언이 아니다. 오히려 원전 리스크 관리에 기계·기술보다 인적 요소, 그러니까 운영자의 안전의식, 태세, 도덕성, 전문성 등이 더 중요한 변수가 된 시대라고 보는게 맞다는 지적이 학계에서 나온다. 마치 아무리 좋은 성능의 신차를 가져도 운전자의 안전의식이 없으면 헌차를 조심스럽게 모는 것보다 사고날 확률이 더 높은 것과 같다.

◇ OPR 1000 →APR 1400 : 발전용량 40% 더 늘어났으면서..

지난 2009년 우리나라는 400억달러 규모의 아랍에미리트(UAE) 원전 프로젝트를 수주하면서 세계에서 여섯 번째로 원전 수출국에 이름을 올렸다. 1978년 부산광역시 기장군에 선진국 설움 받아가며 고리1호기를 지은지 거의 30년만이다. 당시 정치경제적 격변기 속에서 결정되고 세워진 고리1호기는 시공만 국내 건설사들이 맡았지 원자로 등 핵심장비와 부품은 모두 해외에 의존한 ‘수입품’이었다.

UAE 수출에 들어간 모델이 한국형 3세대 원전 APR-1400이다. APR(Advanced Power Reactor)은 PWR (Pressurized Water Reactor) 즉 영어글자 그대로 원자로에서 압력을 가해 데운 물로 다시 다른 물을 끓여 증기를 만든다는 의미의 ‘가압경수로’를 일컫는다. 1400은 1400메가와트의 발전용량을 의미한다. 국내에서는 건설중인 신고리 3,4호기, 건설예정인 신고리 5,6호기, 신한울 1~4호기 등 8기에 연이어 설치된다.

한국형 원전 진화의 코드는 경제성과 안전성이다. APR-1400의 기본 구조는 종전의 한국형 2세대 원자로인 OPR-1000과 같다. 하나의 원자로에 두 개의 증기발생기가 양옆으로 수직으로 서 있다. 여기에 원자로에 들어가는 1차 냉각수를 돌리는 펌프가 증기발생기당 2대, 원자로에 압력을 가하는 가압기(PZR)가 1대 설치돼 기본 얼개를 이룬다.

APR-1400은 OPR-1000 운영경험을 바탕으로 경제성과 안정성을 높인 3세대 신형원전이다. 한국수력원자력, 한국전력기술, 한국원자력연구원, 두산중공업 등 산학연 합동으로 개발한 것이다.

설계용량은 기존 OPR-1000의 100만킬로와트(1000메가와트)에서 140만킬로와트로 40% 늘었다. 이유는 간단하다. 원자로 안에 핵연료를 더 넣었기 때문이다. 핵연료 필렛을 담은 핵연료다발(가로 세로 16개)이 OPR-1000에서는 177개 들어가지만 APR -1400에서는 그보다 약 40% 많은 241개가 장전된다.

그러다 보니 원자로가 좀더 통통해졌다. OPR -1000에서는 내부지름 414cm, 두께 20.5cm 이던 원자로 압력용기 크기가 APR -1400에선 462.92cm, 두께 23cm가 됐다. 덩치가 커진 만큼 원자로에서 데워지는 냉각재 유량과 증기발생기의 전열표면적도 각각 약 30%, 58% 많아졌다. 원자로 파워가 올라가서 발전을 더 할 수 있게 된 것이다.

설계수명은 40년에서 60년으로 크게 늘었다. APR-1400 원자로 용기 두께가 늘어난데다 용기 제조기술이 발달돼 원자로 가동에서 오는 피로현상에 대한 내성이 커졌기 때문이다. 기존 40년을 기준으로 설계된 원자로도 그 이상 쓸 수 있음이 확인된 자신감도 반영됐다. OPR이나 APR이나 원자로 용기는 두산중공업에서 비철금속들이 약간 섞인 저탄소강을 단조로 용접없이 통으로 제작한다. 그 안에 부식에 강한 스테인레스 스틸이 부착된다.

한국형 3세대 원전 APR -1400의 설치 조감도 © News1

한국형 3세대 원전 APR 1400의 설치 조감도 © News1

◇ OPR 1000 →APR 1400 : 안전도는 10배 더 증가


APR-1400은 안전성과 관련해 눈에 띄게 설계를 보강했다. 원전사고에서 ‘중대사고’(severe accident)라는 개념이 있다. 냉각수 부족으로 노심이 녹아내리는(melting –down) 사고 이상의 큰 사고를 통칭하는 개념이다. 이 중대사고를 예방하고 징후를 완화, 차단하는 것이 안전설계의 기본정신이다.

원자로는 어떤 사고든지 핵연료가 물에 잠겨있고 냉각만 되면 안전하다. 그래서 원전 안전설계의 중심엔 항상 냉각시스템이 자리잡고 있다.

이와 관련 APR -1400에서 주목되는 안전설계는 비상냉각수 안전주입계통(SIS)이다. 보통 원자로는 1차 냉각수 누출에 대비해 농도 4400ppm의 붕산수를 담은 '안전주입탱크(SIT : Safety Injection Tank)를 갖고 있다. 이 격납건물 안에 있는 이 탱크가 OPR- 1000에서는 2개지만 APR- 1400에서는 4개로 늘었다.

APR- 1400에서는 안전주입 노즐이 바로 원자로 용기에 설치돼 탱크에서 직접주입이 가능하다. SIT는 질소를 이용해 50기압의 비교적 높은 기압을 유지함으로써 원자로내 냉각수가 줄어들 때 자동으로 노내로 붕산수가 흘러들게 돼 있다.

OPR-1000에서는 증기발생기에서 열을 내리고 다시 돌아가는 경로인 저온관(cold-leg)에 비상냉각재가 주입되도록 돼 있지만 그 중간과정이 생략됐다. 경로가 단축된 만큼 비상냉각의 효율은 높아지고 중대 사고 확률도 덩달아 줄어든 것이다.

또 기존 OPR 1000에서 격납건물 밖에 있던 재장전수탱크(RWT : Refueling Water Tank)를 격납건물안으로 끌어들여 격납건물 콘크리트외벽과 내벽에 사이 고리형 원통으로 만들었다(IRWST). 이 탱크가 안으로 들어오며 격납건물의 밀폐성이 높아져 중대사고를 예방하거나 징후에 대응하는 능력이 높아졌다.

IRWST에 있는 붕산수는 비상냉각수로 쓰이기도하고 핵연료 교체 때도 사용된다. 또 감압을 위해 가압기에서 나온 증기를 냉각, 응축하는 역할도 하고 원자로 중대사고 위험이 있을때 원자로를 외부에서 냉각하는 역할도 상정됐다.

그리고 SIT에 유량조절장치(FD)를 도입, 비상시에 원자로에 비상냉각재가 효율적으로 공급되도록 하는 등 이중삼중의 안전장치를 만들었다.

원자로 감압계통과 관련해 APR- 1400은 가압기에 있는 감압밸브 구조를 바꿨다. 원자로내 압력이 설정압력 이상으로 크게 높아질 때 OPR- 1000에는 마치 밥통처럼 스프링이 달린 밸브가 자동으로 열려 압력을 빼도록 돼 있다. APR -1400에서는 원자로 내 압력이 필요이상으로 높아질 때 파일럿 밸브라는 또다른 밸브를 통해 감압밸브를 자동 또는 수동조작할 수 있도록 하여, 안정적으로 압력을 낮추도록 했다(POSRV). 스프링에 의존하는 감압밸브가 임의로 열렸다 닫혔다하며 냉각재가 누출될 위험을 그만큼 줄인 것이다.

이외 촉매를 써서 격납건물안에 수소농도가 일정수준을 못넘어가게 하는 피동형 수소재결합기(PAR), 중대사고때 원자로 하부 헤드의 제어, 계측케이블이 지나가는 공간에 물을 채워 냉각을 도우는 보조개념도 도입했다.

이같은 안전장치 때문에 원전 사고 중 가장 위험한 멜트다운, 즉 원자로의 냉각수가 빠져 노심이 녹아내릴 확률이 연간 10만분의 1회에서 연간 100만분의 1회로 크게 낮아졌다. APR- 1400 원자로와 증기발생기 등 핵심 장치는 다시 6mm의 스테인레스 강판내벽과 120cm의 철근콘크리트 외벽으로 이뤄진 돔형의 구조물로 보호되고 있다.

덕분에 APR 1400은 내진력도 강화됐다. 현재 가동중인 우리나라 원전 내진설계기준은 규모 6.5지만 APR -1400은 이보다 큰 규모 7.3이다.
© News1

 
◇ APR 1400 → APR +:  더 경제적이고 더 안전

최근에는 APR -1400에서 한걸음 더 나아간 150만킬로와트(1500메가와트)급 APR+가 원자력안전위원회로부터 표준설계인가를 취득했다. 후쿠시마 원전사태를 계기로 외부전기 공급이 없어도 냉각수 공급이나 환기가 이뤄지도록 하는데 많은 고민이 가해졌다.

가장 눈에 띄는 것은 원전 사고때 노심을 냉각시키기 위해 증기발생기에 들어가도록 예비돼 있는 보조급수계통을 전기가 없어도 가능토록 한 것이다.

피동형 보조급수시스템(PAFS : Passive Auxiliary Feed Water System) 부르는 이 설비는 중대사고로 원전이 전기를 공급받지 못해 전기나 터빈으로 돌아가는 증기발생기 주펌프를 가동하지 못할 경우 평소 터빈으로 가던 증기를 별도의 냉각탱크로 흐르게 변경하여 물로 냉각한 후 다시 증기발생기로 되돌리는 무동력 장치다. 여기에 부착된 보조펌프가 증기발생기에서 나오는 증기로 가동되기 때문에 전기가 없어도 계속 2차 냉각수를 순환시키면서 원자로를 냉각시키는 역할을 하게 된다.


◇ 불행과 人災 합작...후쿠시마 원전의 비극

원자로는 지진 등으로 비상정지해도 냉각수 공급만 원활하면 안전하다. 후쿠시마 제1원전은 지진과 그 이후의 쓰나미로 그것이 안됐다.

지진으로 원전 가동은 자동으로 멈췄지만 쓰나미로 비상발전기가 물에 잠겨 못쓰게 되는 바람에 펌프로 냉각수를 공급할 수 없었다. 운이 없었던지 외부전기를 공급하는 장치는 망가졌고 비상 디젤발전기도 하필 지하에 있어 쓰나미의 희생양이 됐다. 발전소가 전기가 없어 냉각수 공급이라는 해야할 일을 못하는 황당한 일이 벌어진 것이다.

최대 13m의 쓰나미를 예상해 건설한 후쿠시마 원전에 15m의 쓰나미가 덮쳤다. 다음은 재앙이었다. 냉각수 밖으로 노출된 연료봉이 고열로 녹아 내리며 강철로 된 원자로에 균열이 발생했다. 방사능 섞인 증기와 냉각수가 밖으로 샌 것이다. 고열로 녹아내린 연료피막 지르코늄이 수증기와 만나며 수소를 발생시켰다. 이것이 뚫린 원자로에서 나와 상부의 핵연료건물에 모이며 언론에 방송된 것과 같은 폭발을 일으켰다.

재앙을 빚은 후쿠시마 원전은 비등경수로라 하여 우리나라의 가압경수로와 다르다. 가압경수로는 원자로에서 압력을 가해 고온으로 가열한 물을 배관을 통해 증기발생기로 이동시켜 별도의 일반물(경수)를 펄펄 끓여 2차적으로 증기를 만든다.

보통 물이 100도에 끓지만 압력을 높이면 100도이상 되어도 온도만 오를 뿐 끓지 않는다. APR -1400에서는 150기압을 가해 1차 냉각수를 290~320도로 올린다. 증기발생기에서 2차냉각수를 끓인 1차 냉각수는 다시 원자로로 돌아가 처음의 과정을 반복한다. 원자로에서 가열되는 1차 냉각수는 터빈을 돌리는 일 없이 원자로와 증기발생기를 순환만 할 뿐이다.

그러나 비등경수로는 증기발생기라는 장치가 없다. 말하자면 커피포트처럼 원자로에서 바로 물을 끓여 증기를 만들고 이를 터빈을 돌리는 데 쓴다. 바로 끓인 물을 쓰기 때문에 힘은 세지만 방사능 섞인 증기가 새여 나올 확률이 가압경수로보다 크다.

만약 후쿠시마 원전이 가압경수로 였다면 좀 달랐을 지 모른다. 게다가 수소가스가 차는 환경에서도 빨리 바닷물을 퍼서 격납실 안으로 밀어넣지 못한 대응도 문제로 지적된다. 후쿠시마 원전은 예측하지 못한 불행, 원자로 문제, 사후 대응 등 여러요인이 겹쳐 재앙이 됐다.

후쿠시마 원전사태를 계기로 우리나라 원전에도 많은 보강투자가 이뤄졌다. 특히 어떤 경우라도 발전소에 전기가 끊겨 냉각수 순환이 막히는 것을 막기 위해 국내 4개 모든 원전본부(고리·한빛·월성·한울)에 약 3200kw급 이동용 발전차량까지 배치했다. 이로써 각 원전은 한전에서 공급받는 정규선로 외에 비상디젤발전기, 대체교류비상발전기, 이동형 발전차 등 이중 삼중 안전장치를 확보했다.

그러나 설비들에 대한 프로급 관리와 운영의 전문성 문제는 별도의 도전과제로 늘 남아있다. 2012년 2월9일 고리1호기가 계획정비에 들어가면서 정전되면서 냉각수 유통이 중단된 적이 있다. 전력이 복구되는 데는 약 12분이 걸렸다.

원자력안전위원회에 따르면 2월11일로 예정됐던 계획정비를 2월9일로 무단으로 변경하면서 혼선이 생겨 전력공급이 중단됐는데 하필 비상디젤발전기가 작동하지 않아 문제가 됐다. 더욱이 현장 간부들이 정전사고와 연이은 비상디젤발전기 고장을 은폐했다는 사실까지 적발되며 파문이 커졌다. 이를 계기로 원전에 대해 규제기관의 24시간 원격감시체계가 마련됐다.

중동 UAE에 수출된 APR-1400© News1

◇프랑스 EPR 1600 vs. APR 1400

역사적으로 우리나라가 자립기술을 갖게 된 것은 전남 영광의 한빛 3-4호기를 발주하면서다. 전세계적 원전 건설 기근 속에 매출이 급했던 미국의 컴버스천 엔지니어링(CE)을 휘어잡아 설계기준 이전을 전제로 공사를 맡겼다.

이때 익힌 기술을 바탕으로 1990년대 들어 본격적인 한국형 원전인 OPR-1000을 건설하고 차세대 원자로를 개발하기 시작했다. 이 시기에는 그동안 건설되지 않았던 중수로형 원전도 3기(월성 2-3-4호기) 더 건설됐다. 한국은 OPR-1000이 적용된 한울 3-4호기(1999년), 한빛 3-4호기(2002년), 한울 5-6호기(2005년) 등이 잇달아 준공되면서 기술자립기를 지나왔다.

2000년대 들어 차세대 원자로인 APR-1400의 개발을 끝내면서 프랑스에 이어 두 번째로 3세대 원자로를 건설한 국가가 됐다.

전세계적으로 우리보다 빨리 3세대 가압경수로 건설에 도전한 국가는 프랑스다. 프랑스는 전기의 80%를 원전에 의존하고 있을 정도로 원전강국이다. 프랑스가 개발한 3세대 가압경수로는 ‘EPR-1600’으로 이를 현재 핀란드 올킬로우토 섬에 건설하고 있다.

APR-1400은 EPR-1600보다 용량은 적으나 kw당 건설비용은 저렴하다는 평가다. EPR-1600의 설비용량은 160만kw이지만 kw당 건설비용은 259만원으로 APR-1400(205만원)보다 약 50만원 이상 비싸다.

현재 한수원은 APR-1400의 미국 원자력규제위원회(NRC) 인증을 추진하고 있다. NRC로부터 인증을 받으면 최대 시장인 미국 시장 진출이 허용된다.

(참고) 이 글중 한국형 원전의 기술적 설명에는 한국전력기술 양재영 박사께서 많은 도움을 주셨습니다.




tigerkang@

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