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노심 용융

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목차

1. 개요

노심 용융은 원자력 발전소의 사고로, 핵반응으로 발생하는 열이 제대로 제거되지 않아 원자로 노심의 연료 집합체가 녹는 현상이다. 이는 냉각재 상실, 압력 제어 상실, 제어 시스템 고장 등 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 노심 용융의 유형으로는 멜트다운, 멜트스루, 멜트아웃, 차이나 신드롬 등이 있다. 노심 용융은 원자로 시설의 파괴, 방사능 유출, 수소 폭발, 재임계 등의 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 이를 방지하기 위해 다양한 기술적, 제도적 대책이 마련되어 있다. 과거에는 스리마일섬, 체르노빌, 후쿠시마 등에서 노심 용융 사고가 발생했으며, 각 원자로의 설계에 따라 사고의 양상이 달라진다.

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노심 용융
개요
핵 발전소와 석탄 발전소 비교
핵 발전소(왼쪽)와 석탄 발전소(오른쪽)의 정상 작동 시 방사능 배출량 비교. 핵 발전소는 석탄 발전소보다 적은 방사능을 배출한다.
유형원자력 사고
원인냉각 손실
제어 손실
과도한 전력 급증
결과핵 연료 손상
방사성 물질 방출 가능성
상세 정보
설명노심 용융은 원자로 노심의 과열로 인해 발생하며, 핵연료가 손상되거나 녹는 사고이다.
방지 방법원자로 안전 시스템
비상 노심 냉각 시스템(ECCS)
관련 사고스리마일 섬 원자력 발전소 사고 (1979)
체르노빌 원자력 발전소 사고 (1986)
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 (2011)
추가 정보
참고 용어가압 경수로
비등수형 원자로
중수로
고속로
외부 링크
미국 원자력 규제 위원회멜트다운이란 무엇인가? 멜트다운은 예방 가능한가?
원자력 안전 기술 센터원자력 방재 기초 용어집: 색인

2. 노심 용융의 원인 및 과정

원자력 발전은 우라늄-235와 같은 핵분열 물질을 연쇄 핵분열 반응을 일으킬 수 있는 농도로 농축하여 열을 생산하고, 이 열을 전기에너지로 변환하는 과정이다. 노심 내 핵연료는 펠렛 형태의 연료봉으로, 냉각재와 제어봉에 의해 적절한 압력과 온도로 제어된다.

하지만 냉각수가 제대로 공급되지 않으면 노심 온도가 급격히 상승한다. 핵연료 피복재인 지르코늄합금은 고온에서 증기와 반응하여 급격히 산화되며 수소를 발생시키고, 이로 인한 발열 반응은 피복재와 연료봉의 온도 상승을 가속화한다. 결국 지르코늄합금 피복재와 UO2(이산화우라늄) 핵연료가 용융되며, 노심 구성 물질들은 공융 혼합 반응에 의해 더 낮은 온도에서 용해될 수 있다.

이 과정에서 원자로 압력 용기, 격납 용기, 원자로 건물 등의 구조물이 파괴될 수 있으며, 최악의 경우 대량의 방사성 물질이 외부로 방출될 수 있다. 경수로에서는 녹은 연료봉이 냉각수에 떨어지면 수증기 폭발이 발생할 가능성도 있다. 노심 용융은 원자력 발전에서 가장 심각한 사고로 간주된다.

노심 용융은 주로 냉각재 상실사고에 의해 발생하지만, 압력 제어 상실 사고, 제어되지 않는 출력 급증 등 다양한 요인이 작용할 수 있다. 현대 원자로는 심층 방어 안전 원칙에 따라 여러 계층의 안전 시스템을 갖추고 있지만, 이러한 시스템이 제대로 작동하지 않으면 사고가 발생할 수 있다.

노심 용융과 관련된 개념으로 연료봉 손상, 노심 손상, 연료 펠릿 용융, 멜트다운 등이 있다.

노심 용융의 주요 원인은 다음과 같다.[55]

# 원자로 냉각재의 냉각 능력 이상 감소 또는 상실 (냉각재 상실 사고)

# 노심의 이상 출력 상승에 대한 스크램 (제어봉 삽입에 의한 원자로 긴급 정지) 실패

# 노심 상태의 이상한 과도 변화

# 대지진이나 중량물 낙하에 의한 노심 손상 (고온에서 취약해진 피복관 손상 포함)

# 냉각수 유로 폐색으로 인한 냉각 능력 저하

이러한 상황을 방지하기 위해 이중화된 노심 냉각 기구와 비상 노심 냉각 장치(ECCS) 등이 설치되어 있다. 또한, 용융염 원자로와 같이 노심 용융을 일으키기 어려운 원자로 개발도 진행되고 있다.

2. 1. 냉각재 상실 사고 (LOCA)

냉각재 상실 사고(LOCA)는 냉각수(일반적으로 탈이온수, 불활성 가스, NaK, 또는 액체 나트륨)의 물리적 손실, 또는 냉각수의 충분한 유량을 보장하는 방법의 손실로 인해 발생한다. 냉각재 상실 사고와 압력 제어 상실 사고는 일부 원자로에서 밀접하게 관련되어 있다.[6] 가압수형 원자로에서는 냉각재 상실 사고가 정체된 냉각수의 과도한 가열이나 냉각재의 급격한 손실로 인한 후속 압력 제어 상실 사고로 이어져 노심에 "증기 기포"가 형성될 수 있다. 강제 순환 상실 사고의 경우, 가스 냉각 원자로의 순환기(일반적으로 모터 또는 증기 구동 터빈)가 노심 내 가스 냉각재를 순환시키지 못해 열 전달이 방해받는다. 하지만 강제 순환이 상실되어도 대류를 통한 자연 순환으로, 원자로가 감압되지 않는 한 연료는 차갑게 유지된다.[6]

어떤 이유로든 냉각수가 제대로 공급되지 못하면 원자로 내부 온도가 급격히 올라간다. 핵연료를 감싸고 있는 피복재인 지르코늄합금의 온도가 매우 높아지면 끓어오르는 증기에 의해 급격히 산화된다. 지르코늄합금 피복재는 고온에서 물(수증기)과 반응하여 급격하게 산화되면서 수소를 발생시키고 발열 반응을 동반한다. 이때 발생되는 산화열은 붕괴열의 수십 배에 달해 피복재와 연료봉의 온도 상승을 주도한다.

노심 용융은 대부분 냉각재 상실 사고에 의해 발생한다.

2. 2. 압력 제어 상실 사고

압력 제어 상실 사고는 밀폐된 냉각재의 압력이 복원 수단 없이 일정 수준 이하로 떨어지는 현상이다. 가압수형 원자로의 경우, 냉각재의 열 전달 효율이 감소하거나, 연료 집합체를 둘러싼 절연 "증기 기포"가 형성될 수 있다. 붕괴열로 인한 "증기 기포"의 국소적 가열로 인해 "증기 기포"를 붕괴시키는 데 필요한 압력이 원자로 설계 사양을 초과할 수 있다. 다만, 비등수형 원자로에서는 비상 노심 냉각 시스템을 가동하기 위해 의도적으로 노심의 압력을 낮출 수 있기 때문에 이러한 현상이 발생할 가능성이 적다.[6]

감압 고장 시 가스 냉각 원자로는 노심 내 가스 압력을 잃어 열 전달 효율을 감소시키고 연료 냉각에 어려움을 겪게 된다. 그러나 적어도 하나의 가스 순환기를 사용할 수 있다면 연료는 차갑게 유지된다.[6]

2. 3. 기타 원인

노심의 이상 출력 상승, 노심 상태의 과도 변화, 지진이나 중량물 낙하에 의한 노심 손상, 냉각수 유로 폐색 등도 노심 용융의 원인이 될 수 있다.[55] 이러한 냉각 기능 상실은 발생해서는 안 되지만, 실제로 여러 차례 발생하고 있다. 이를 방지하기 위해 이중화된 노심 냉각 기구가 요구된다. 냉각재로 물을 사용하는 원자로는 긴급 시에 노심에 대량의 물을 주입하는 비상 노심 냉각 장치(ECCS) 등이 설치되어 있다. 용융염 원자로 등 노심 용융을 일으키기 어려운 타입의 원자로 개발도 추진되고 있다. 또한 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등 사고를 일으킨 원자로 조사 및 노심 용융 시의 핵연료 등의 거동을 예측하는 시뮬레이션 기법 개발을 통해 노심 용융 방지 및 사고 후의 원자로 해체 작업에 활용할 교훈을 얻고 있다.[55]

2. 4. 노심 용융 과정 (경수로 기준)

경수로(LWR)에서 노심이 손상되려면 두 가지 전제 조건이 만족되어야 한다. 첫째, 노심 내 열 제거 실패로 이어지는 제한 고장이나 복합적인 비상 조건이 발생하여 냉각수 수위가 낮아져 노심이 노출되고 가열되어야 한다. 둘째, 비상 노심 냉각 시스템(ECCS)이 고장 나야 한다. ECCS는 설계 기준 사고 발생 시 노심을 신속하게 냉각하고 안전하게 유지하도록 설계되었으며, 모든 원자로에 최소 두 개 이상 설치되어 있다. ECCS 구획 중 하나 이상이 작동하면 노심 손상은 발생하지 않는다.[7]

쓰리마일 섬 원자력 발전소 사고는 복합적인 비상 상황으로 인해 노심 손상이 발생한 사례이다. 잘못된 게이지 판독으로 인해 운영자가 비상 상황 동안 ECCS를 중단하는 잘못된 결정을 내렸고, 이는 몇 시간 후 노심 노출과 노심 손상 사고로 이어졌다. 만약 ECCS가 정상 작동했더라면 노심 노출과 손상을 모두 예방할 수 있었을 것이다. 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서도 비상 냉각 시스템이 작동 시작 후 몇 분 만에 수동으로 중단되었다.[7]

제한 고장이 발생하고 모든 ECCS 구획이 완전히 고장 나는 경우, 다음과 같은 6단계 과정을 거쳐 노심 용융이 진행된다.[8][9]

1. '''노심 노출''': 과도 현상, 혼란, 비상 또는 제한 고장이 발생하면 경수로는 자동으로 스크램(모든 제어봉 즉시 삽입)하고 ECCS를 가동하여 원자로 열 출력을 감소시킨다. 노심 노출은 연료봉이 냉각수에 더 이상 잠기지 않아 가열되기 시작하는 시점으로 정의된다.

2. '''사전 손상 가열''': 노심을 통과하는 2상 혼합물(증기와 물)이 없거나 노심에 물을 추가하여 물의 비등을 보상하지 않으면, 증기 환경에 있는 연료봉은 초당 0.3°C에서 1°C 사이의 속도로 가열된다.[8]

3. '''연료 팽창 및 파열''': 30분 이내에 노심 최고 온도는 110만°C에 도달하고, 연료봉의 지르칼로이 피복재가 팽창 및 파열될 수 있다. 이는 노심 손상의 첫 번째 단계이다. 피복재 팽창은 노심의 상당 부분의 흐름 영역을 막아 냉각수의 흐름을 제한할 수 있지만, 모든 연료봉이 동일한 축 방향 위치에서 팽창하지 않기 때문에 노심 전체가 막힐 가능성은 낮다. 이 경우 충분한 물을 추가하면 노심을 냉각시키고 노심 손상 진행을 멈출 수 있다.[8]

4. '''급속 산화''': 150만°C 이상에서 증기에 의한 지르칼로이의 급속 산화가 시작된다. 산화 과정에서 수소가 생성되고 많은 양의 열이 방출되며, 산화 속도가 지르칼로이 또는 증기의 공급에 의해 제한되지 않는 한 산화에 의한 전력이 붕괴열보다 커진다.[8]

5. '''잔해층 형성''': 노심 온도가 약 170만°C에 도달하면 용융된 제어 재료가 연료봉 하부 사이의 공간으로 흘러 들어가 응고된다. 170만°C 이상에서는 산화율 증가로 인해 노심 온도가 몇 분 안에 지르칼로이의 용융점 (215만°C)까지 상승할 수 있다. 산화된 피복재가 파손되면 용융된 지르칼로이는 용해된 UO2와 함께 아래로 흘러 노심의 더 시원하고 낮은 영역에서 얼어붙는다. 이전의 하향 흐름에서 응고된 제어 재료와 함께 이동된 지르칼로이와 UO2는 응집성 잔해층의 하부 껍질을 형성한다.[8]

6. '''코륨의 하부 플레넘으로 이동''': 노심 이동 시 원자로 용기의 하부 플레넘에 물이 존재하면, 용융된 노심 재료가 물속으로 방출될 때 다량의 증기가 발생한다. 용융된 노심 재료의 흐름이 물 속에서 빠르게 붕괴되면 증기 폭발의 가능성도 있다. 이동하는 동안 용융 물질의 산화되지 않은 지르코늄도 증기에 의해 산화되어 수소가 생성된다. 재임계는 제어 재료가 노심에 남아 있고 이동된 물질이 하부 플레넘의 붕산 미처리수에서 붕괴되는 경우 문제가 될 수 있다.[8]

코륨이 하부 플레넘으로 이동할 때, 원자로 압력 용기(RPV)의 하부 플레넘에 상당량의 물이 있으면, ''연료-냉각재 상호 작용(FCI)''으로 인해 1차 압력 경계가 파괴될 가능성이 있다.[10] 코륨은 2,200,000에서 3,200,000의 액체 금속-세라믹 공융물이고, 550,000에서 600,000의 액체 물로 떨어지면 극도로 빠른 증기 발생을 일으켜 1차 계통 또는 RPV에 심각한 구조적 파손을 일으킬 수 있다.[10]

미국 원자력 학회는 쓰리마일 섬 원자력 발전소 사고에서 약 3분의 1의 연료가 용융되었음에도 불구하고 원자로 용기 자체는 무결성을 유지하고 손상된 연료를 포함했다고 언급했다.[12]

3. 노심 용융의 유형

노심 용융은 그 진행 정도와 결과에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있다. 핵연료 일부 또는 대부분이 녹아내리는 현상을 멜트다운melt down영어이라고 하며, 액화된 연료봉이 원자로 내부 격납용기를 뚫고 바깥으로 노출되는 현상은 멜트스루melt through영어라고 한다.[48][49]

녹아내린 핵연료는 매우 높은 온도로 인해 철 등의 금속보다 훨씬 뜨겁다. 따라서 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 격납 용기 바닥을 뚫고 연료가 외부로 유출될 수 있다. 연료 용융이 진행되어 압력 용기나 격납 용기 밖으로 누출되는 것을 멜트스루,[60][61] 건물 밖으로 누출되는 경우를 멜트아웃이라고 표현한다.[62]

차이나 신드롬은 멜트스루 이후의 상태를 과장하여 표현하는 블랙 유머의 일종으로, 녹은 핵연료가 지구 반대편의 중국까지 뚫고 간다는 의미를 담고 있다.[63][64]

3. 1. 멜트다운 (Melt Down)

핵연료 일부 또는 대부분이 녹아내리는 현상을 '''멜트다운'''(melt down)이라고 한다.[48]melt down영어 액화된 연료봉이 원자로 내부 격납용기를 뚫어 격납용기 바깥으로 노출되는 현상은 '''멜트 쓰루'''(melt through)라고 한다.[49] 노심 용융으로 인한 사고는 국제원자력사고등급(INES)에 의해 가장 위험한 단계인 5~7 등급으로 구분한다.

어떤 요인으로 인해 노심 냉각이 제대로 이루어지지 않으면, 운전 직후 핵연료가 가진 높은 수준의 잔열[40][41]과 붕괴열에 의해 노심 온도가 상승하여 핵연료로 사용되는 이산화 우라늄마저 녹게 된다.[42] 또한 연료봉에 사용되는 지르코늄 합금이 고온에서 물과 반응하면 대량의 열이 발생하고, 연료봉 및 연료 집합체가 파괴된다.

녹아내린 핵연료는 스스로 내는 열로 인해 철 등의 융점보다 훨씬 고온이 된다. 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 격납 용기 바닥까지 관통하여 연료가 외부로 유출될 수 있다.

연료 용융이 진행되어 압력 용기·격납 용기 밖으로 누출되는 것을 "멜트스루"[60][61](노심 관통), 건물을 빠져나와 외부로 누출되는 경우를 "멜트아웃"[62] 등으로 표현한다.

3. 2. 멜트스루 (Melt Through)

액화된 핵연료가 원자로 내부의 격납 용기를 뚫고 격납 용기 바깥으로 노출되는 현상을 '''멜트스루'''(melt through)라고 한다. 녹아내린 핵연료는 스스로 내는 열로 인해 철 등의 융점보다 훨씬 고온이 된다. 이 때문에 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 격납 용기의 바닥까지 관통하여 연료가 외부로 유출될 가능성이 있다.

체르노빌 원자력 발전소 사고에서는 압력관(경수로에서의 압력 용기)이 녹아 관통되었고, 고온의 연료가 다른 물질을 녹여가면서 용암 형태의 덩어리를 형성했다. 그 물체는 그 형태 때문에 "코끼리 발"이라고 불린다.

연료의 용융이 진행되어 압력 용기·격납 용기 밖으로 누출되는 것을 "멜트스루", 건물을 빠져나와 외부로 누출되는 경우를 "멜트아웃" 등으로 표현한다.

멜트스루 이후의 상태를 "차이나 신드롬"이라고 부르기도 한다. 이는 1960년대에 미국 원자력 위원회의 위탁을 받아 멜트스루에 의해 예상되는 사태를 검증한 연구자·기술자들이, 용융 연료가 기부의 콘크리트를 관통하여 지중으로 낙하를 계속하는 사태를 나타내기 위해 사용하기 시작한 단어로, 1979년에 미국에서 공개된 동명의 영화로 인해 널리 알려지게 되었다. 미국에서 녹아내린 연료가, 용융을 멈출 방법 없이 땅을 녹여가며 가라앉아, 그대로 지구의 중심을 지나 반대편의 중국까지 뚫고 지나간다는 의미의 블랙 유머이지만, 지리상으로는 미국의 대척지는 중국이 아니고, 또한 현실적으로는 녹은 핵연료가 지구를 관통하는 일은 일어날 수 없다.

3. 3. 멜트아웃 (Melt Out)

녹아내린 핵연료는 스스로 내는 열로 인해 철 등의 융점보다 훨씬 고온이 된다. 이 때문에 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 압력 용기뿐만 아니라 원자로 격납 용기의 바닥까지 관통하여 연료가 외부로 유출될 가능성이 있다. 그 결과 대량의 방사성 물질을 포함한 연료가 용기 밖, 더 나아가 발전소 밖으로 누출되면 막대한 피해가 발생할 수 있다.

연료의 용융이 진행되어 압력 용기·격납 용기 밖으로 누출되는 것을 "멜트스루"(노심 관통), 건물을 빠져나와 외부로 누출되는 경우를 "멜트아웃" 등으로 표현한다.

3. 4. 차이나 신드롬 (China Syndrome)

핵연료 용융 사고의 일종인 '''차이나 신드롬'''은 원자로 운전 사고의 일종으로, 원자로의 노심 부품이 심각하게 녹아내려 격납 용기를 관통하고 건물 외부로, (비유적으로) 지각과 맨틀을 관통하여 지구 반대편, 즉 "중국"에 도달하는 것을 특징으로 한다.[30][31] 이 표현은 은유적인 것으로, 실제로는 노심이 수 킬로미터 두께의 지구 지각을 관통할 수 없으며, 설령 지구 중심부까지 녹아내린다 하더라도 중력의 반대 방향으로 다시 올라갈 수도 없다. 또한, 물질 뒤에 생기는 어떠한 터널도 엄청난 지압에 의해 닫힐 것이다.

"차이나 신드롬"이라는 용어는 1960년대에 미국 원자력 위원회의 위탁을 받아 멜트스루(노심 관통)로 인해 예상되는 사태를 검증한 연구자·기술자들이 사용하기 시작했다. 이들은 용융 연료가 기부의 콘크리트를 관통하여 지중으로 낙하를 계속하는 상황을 묘사하기 위해 이 용어를 사용했으며, 1979년 미국에서 개봉된 동명의 영화를 통해 널리 알려지게 되었다. 이는 미국에서 녹아내린 연료가 용융을 멈추지 않고 땅을 녹여가며 가라앉아, 지구 중심을 지나 반대편의 중국까지 뚫고 지나간다는 의미의 블랙 유머이다. 그러나 지리적으로 미국의 대척지는 중국이 아니며(인도양 남부(본토), 아프리카 남부(하와이주), 남극 대륙의 일부, 인도양, 대서양 남부(알래스카주)가 실제 대척지), 현실적으로 녹은 핵연료가 지구를 관통하는 일은 일어날 수 없다. 즉, 차이나 신드롬은 노심 용융에 의한 피해의 심각성을 과장되게 표현한 것이다.

4. 노심 용융의 영향

노심 용융은 원자로 및 주변 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 주요 영향으로는 원자로 손상, 방사능 유출, 수소 폭발, 재임계 등이 있다.

현대 원자로에서는 부분 또는 전체 노심 용융이 발생하더라도 원자로의 격납 구조물 내부에 억제되도록 설계되어 있다. 따라서 (다른 주요 재해가 발생하지 않는다고 가정할 때) 노심 용융은 원자로 자체를 심각하게 손상시키고, 전체 구조물을 고방사성 물질로 오염시킬 수 있지만, 노심 용융만으로는 상당한 방사능 누출이나 대중에게 위험을 초래하지 않는다.[24]

노심 용융 사건이 발생하면, 원자로 압력 용기(RPV)의 한 지점 또는 영역이 다른 영역보다 더 뜨거워져서 결국 녹게 된다. 녹으면 코륨이 원자로 아래의 공동으로 쏟아져 들어간다. 비록 공동은 건조하게 유지되도록 설계되었지만, 여러 NUREG 등급 문서는 운영자에게 핵연료 용융 사고 발생 시 공동에 물을 채우도록 권고한다. 이 물은 증기가 되어 격납 건물에 압력을 가한다. 자동 물 분무 장치는 많은 양의 물을 증기가 자욱한 환경에 펌핑하여 압력을 낮춘다. 촉매 재결합기는 수소와 산소를 빠르게 물로 되돌린다. 코륨이 물에 떨어지는 것의 긍정적인 효과 중 하나는 냉각되어 고체 상태로 돌아간다는 것이다.

격납 건물 내의 광범위한 물 분무 시스템은 비상 노심 냉각 시스템(ECCS)과 함께 재활성화되면, 운영자가 격납 건물 내에 물을 분무하여 바닥의 노심을 냉각시키고 낮은 온도로 낮출 수 있게 한다.

이러한 절차는 방사능 유출을 방지하기 위한 것이다. 1979년 스리마일 섬 원자력 발전소 사고에서, 사고가 진행되는 동안 발전소 부지 경계선에 서 있는 가상의 사람은 약 200mrem의 방사선량을 받았을 것이며, 이는 가슴 X-레이와 CT 스캔 사이의 방사선량이다. 이는 현재 방사성 핵종 유출을 방지하기 위해 활성탄과 HEPA 필터로 개조되었을 통제되지 않은 시스템의 가스 배출 때문이었다.

그러나 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고에서는 이러한 설계가 실패했다. 후쿠시마 제1원자력 발전소 운영자들의 제어 유지 노력에도 불구하고, 1~3호기의 원자로 노심은 과열되었고, 핵연료가 녹아내렸으며, 세 개의 격납 용기가 파손되었다. 수소가 원자로 압력 용기에서 배출되어 1, 3, 4호기 원자로 건물 내부에서 폭발이 발생하여 구조물과 장비가 손상되고 인명 피해를 냈다. 방사성 핵종은 발전소에서 대기 중으로 유출되어 육지와 바다에 침착되었다. 바다로 직접 유출되는 경우도 있었다.[14][15]

코륨의 자연적인 붕괴열이 결국 격납 벽으로의 대류 및 전도와 평형을 이루면서, 물 분무 시스템을 중단하고 원자로를 안전 저장 상태로 만들 수 있을 만큼 충분히 냉각된다. 격납 건물을 밀봉하여 극히 제한적인 외부 방사능 유출과 압력 해소가 가능하다. 핵분열 생성물이 붕괴되기까지 약 10년이 지난 후, 격납 건물을 재개방하여 제염 및 해체할 수 있다.

4. 1. 원자로 손상

원자력 발전에서 어떤 이유로든 냉각수가 제대로 공급되지 않으면, 원자로 내부 온도가 급격히 상승한다. 이로 인해 핵연료를 감싸고 있는 피복재가 산화되고, 결국 핵연료와 피복재가 용융되기 시작한다. 노심의 구성 물질들은 각자의 용융 온도에서 녹는데, 공융 혼합 반응에 의해 핵연료나 피복재의 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 용해되기도 한다.

이러한 노심 용융은 원자로 압력 용기, 원자로 격납 용기, 원자로 건물 등의 구조물도 파괴할 수 있다. 경수로의 경우, 녹은 연료봉이 냉각수에 떨어지면 급격한 증발로 인해 수증기 폭발이 일어날 수 있다. 이는 최악의 경우 대량의 방사성 물질 방출로 이어질 수 있어, 노심 용융은 원자력 발전에 있어 가장 심각한 사고로 간주된다.

녹아내린 핵연료는 스스로 내는 열로 인해 철 등의 융점보다 훨씬 고온이 된다. 이 때문에 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 압력 용기뿐만 아니라 원자로 격납 용기의 바닥까지 관통하여 연료가 외부로 유출될 가능성이 있다. 그 결과, 대량의 방사성 물질을 포함한 연료가 용기 밖, 더 나아가 발전소 밖으로 누출되면 막대한 피해가 발생할 수 있다.

연료의 용융이 진행되어 압력 용기·격납 용기 밖으로 누출되는 것을 "멜트스루"(노심 관통), 건물을 빠져나와 외부로 누출되는 경우를 "멜트아웃" 등으로 표현한다.

4. 2. 방사능 유출

녹아내린 핵연료는 스스로 내는 열로 인해 철 등의 융점보다 훨씬 고온이 된다. 이 때문에 즉시 냉각하지 않으면 원자로 압력 용기가 손상되거나, 원자로 압력 용기뿐만 아니라 원자로 격납 용기의 바닥까지 관통하여 연료가 외부로 유출될 가능성이 있다. 그 결과 대량의 방사성 물질을 포함한 연료가 용기 밖, 더 나아가 발전소 밖으로 누출되면 막대한 피해가 발생할 수 있다.[59]

연료의 용융이 진행되어 압력 용기·격납 용기 밖으로 누출되는 것을 "멜트스루"(노심 관통)[60][61], 건물을 빠져나와 외부로 누출되는 경우를 "멜트아웃"[62] 등으로 표현한다.

체르노빌 원자력 발전소 사고에서는 압력관(경수로에서의 압력 용기)이 녹아 관통되었고, 고온의 연료가 다른 물질을 녹여가면서 용암 형태의 덩어리를 형성했다. 이 덩어리는 그 형태 때문에 "코끼리 발"이라고 불린다.

4. 3. 수소 폭발

Zircaloy|지르칼로이영어 피복재는 고온에서 물(수증기)과 반응하여 산화되며 수소를 발생시킨다. 이 반응은 발열 반응으로, 피복재와 연료봉의 온도 상승을 가속화한다.[66]

발생한 수소는 냉각을 위해 주입된 물에서 발생한 산소와 섞이거나, 원자로 내 압력이 낮아졌을 때 균열 등으로 유입된 산소와 혼합될 수 있다. 또한, 원자로 격납 용기의 증기압이 높아져 밀폐재의 내압 한계를 넘으면 수증기 등과 함께 건물로 누출되어 공기와 섞여 폭발할 우려가 있다. 원자로 내부에서 수소 폭발이 발생하면 용기나 건물을 크게 파괴하여 사태를 더욱 악화시킬 수 있다.

후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고에서는 원자로 압력 용기에서 배출된 수소가 원자로 건물 내부에 축적되어 폭발, 건물과 장비를 손상시키고 인명 피해를 냈다.[14][15]

이러한 수소 폭발을 방지하기 위해 원자로 격납 용기의 압력을 낮추는 벤트(배기) 외에 정적 촉매식 수소 재결합 장치로 수소를 산소와 결합시켜 수증기로 제거하거나, 수소 연소 장치(이그나이터)로 노심 손상 시 단시간에 발생하는 다량의 수소를 계획적으로 연소시키는 등의 대책이 시행된다.

지르코늄과의 반응 외에도, 경수로에서는 핵분열 반응이나 핵 생성 물질에 의해 생기는 방사선에 의해 감속재나 냉각수가 방사선 분해되어 수소와 산소가 발생한다. 통상 운전 시에는 설치된 배가스 재결합기에 의해 물로 되돌려진다.[67]

4. 4. 재임계

녹아내린 핵연료는 형상, 배치, 물(반사재나 감속재 역할을 하여 반응을 증폭시킴)의 존재 여부에 따라 다시 임계에 도달할 수 있다.[68]

임계 상태가 되면 더 많은 열과 방사선이 방출되어 상황이 더욱 악화된다. 이를 방지하기 위해 중성자 흡수재(붕소 등)를 투입하여 재임계를 막아야 한다.[68]

5. 노심 용융 방지 대책

노심 용융을 막기 위한 다양한 대책이 마련되어 있다. 우선, 냉각재 상실 사고에 대비하여 비상노심냉각계통(ECCS, Emergency Core Cooling System)이 안전 설비로 갖춰져 있다.[7] 그러나 이 장치가 작동하지 않을 경우 사고로 이어질 수 있으므로, 이중화된 노심 냉각 기구가 필요하다.[14][15]

경수로의 경우, 긴급 상황 발생 시 노심에 대량의 물을 주입하는 비상 노심 냉각 장치(ECCS)가 설치되어 있다. 또한, 용융염 원자로와 같이 노심 용융 가능성이 낮은 원자로 개발도 진행 중이다.[15]

후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고와 같은 실제 사고 원자로를 조사하고, 노심 용융 시 핵연료 등의 움직임을 예측하는 시뮬레이션 기술 개발도 노심 용융 방지 및 사고 후 원자로 해체 작업에 도움을 주기 위해 이루어지고 있다.[14]

5. 1. 기술적 대책

원자력 발전에서 냉각 기능 상실은 원래 있어서는 안 되는 사태이지만, 일본 국내외에서 여러 차례 실제로 발생하고 있다. 이를 방지하기 위해 이중화된 노심 냉각 기구가 요구된다.[14][15]

냉각재로 물을 사용하는 원자로는 긴급 시에 노심에 대량의 주수를 하는 비상 노심 냉각 장치(ECCS) 등이 설치되어 있다.[7]

용융염 원자로 등 노심 용융을 일으키기 어려운 타입의 원자로 개발도 추진되고 있다.

또한, 노심 용융 방지 및 사고 후의 원자로 해체 작업에 활용할 교훈을 얻기 위해, 사고를 일으킨 원자로의 조사(후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등) 및 노심 용융 시 핵연료 등의 거동을 예측하는 시뮬레이션 기법 개발도 이루어지고 있다.[14][15]

경수로(LWR)의 노심이 손상되기 전에 발생하는 두 가지 전조 현상은 다음과 같다.

  • 노심 내 열 제거 실패로 이어지는 제한 고장(또는 복합적인 비상 조건의 집합)(냉각 손실). 낮은 수위는 노심을 노출시켜 가열되도록 한다.
  • 비상 노심 냉각 시스템(ECCS)의 고장. 모든 원자로에 ECCS가 최소 두 개 이상 설치되어 있다. ECCS의 각 구획(사본)은 설계 기준 사고에 단독으로 대응할 수 있다. 최신 원자로는 ECCS 구획이 최대 4개까지 있다. 이는 중복 또는 이중화의 원칙이다.


Three Mile Island 사고는 노심 손상으로 이어진 복합적인 비상 상황의 집합이었다. 잘못된 게이지 판독 값(오류 또는 오해석)으로 인해 운영자가 비상 상황 동안 ECCS를 중단하라는 잘못된 결정으로 이어졌다. 후쿠시마 사고 당시에도 비상 냉각 시스템은 작동을 시작한 지 몇 분 만에 수동으로 중단되었다.[7]

제한 고장이 발생하고 모든 ECCS 구획이 완전히 고장 나는 경우, 다음과 같은 6단계의 과정을 거쳐 완전 용융될 수 있다.

1. '''노심 노출'''

2. '''사전 손상 가열'''

3. '''연료 팽창 및 파열'''

4. '''급속 산화'''

5. '''잔해층 형성'''

6. '''(코륨) 하부 플레넘으로의 이동'''

현대 러시아 원자력 발전소에는 격납 건물 바닥에 "노심 포집 장치"가 있다. 녹은 노심은 "희생 금속"의 두꺼운 층에 닿도록 설계되었으며, 이 층은 녹아서 노심을 희석시키고 열 전도성을 증가시킨다. 마지막으로 희석된 노심은 바닥에서 순환하는 물에 의해 냉각될 수 있다. 그러나 이 장치에 대한 전면적인 시험은 지금까지 없었다.[13]

서방 국가의 원자력 발전소에는 밀폐된 격납 건물이 있다. 격납 건물은 압력 방출 밸브와 필터를 통해 방사성 핵종을 배출하지 않고 압력을 질서 있게 해소하도록 설계되었다. 수소/산소 재결합기도 격납 건물 내에 설치되어 가스 폭발을 방지한다.

CANDU 원자로는 연료를 둘러싼 두 개의 저온 저압 수계(즉, 감속재 및 차폐 탱크)를 가지고 있으며, 이는 백업 열 싱크 역할을 하며 노심 용융 및 노심 파괴 시나리오를 방지한다.[21]

6. 원자로 유형별 노심 용융 특성

경수로(LWR) 외에도 다양한 유형의 원자로가 존재하며, 이들은 각기 다른 기능과 안전 특성을 보인다. 특히, 진보된 형태의 원자로들은 본질적으로 안전할 가능성이 높다.

CANDU 원자로는 캐나다에서 개발된 중수-우라늄 설계 방식이다. 연료/냉각 채널 주변에 두 개의 대형 저온 저압 물 저장소를 갖추고 있다. 첫 번째는 대량의 중수 감속재(냉각수와 별도 시스템)이고, 두 번째는 경수로 채워진 차폐 탱크(칼란드리아 금고)이다. 이러한 백업 열 제거원(heat sink)은 연료 용융을 방지하고(감속재 사용), 감속재가 끓어 넘칠 경우 원자로 용기 파손을 막는다(차폐 탱크 사용).[21] CANDU 원자로에서는 연료 용융 외에 칼란드리아가 비임계 구성으로 변형되는 등의 다른 고장 모드가 발생할 가능성이 높다. 모든 CANDU 원자로는 표준 서구형 격납 건물 내에 위치한다.

영국의 개선형 가스 냉각 원자로(AGR)는 극단적인 상황이 아니면 냉각 상실 사고나 노심 손상에 취약하지 않다. 상대적으로 불활성인 이산화탄소 냉각재, 냉각재의 큰 부피와 높은 압력, 원자로의 높은 열 전달 효율 덕분에 제한적인 고장 발생 시 노심 손상까지 며칠이 걸린다. 냉각재 흐름을 복구하면 노심 손상을 막을 수 있다.

최근에는 납 또는 납-비스무트 합금과 같은 중금속 액체를 원자로 냉각재로 사용하는 방안이 제안되고 있다.[22] 핵연료와 중금속 액체의 밀도가 유사하여 부력에 의한 고유의 수동 안전 자기 제거 피드백 메커니즘이 개발되었다. 이는 특정 온도 임계값을 초과하면 팩형 베드가 주변 냉각재보다 가벼워져 벽에서 멀어지게 함으로써, 용기 구조를 위협하는 온도를 방지하고 재임계 가능성을 줄인다.

MKER은 RBMK의 후손으로, 기존 원자로의 장점을 극대화하고 심각한 결함을 개선한 현대적인 러시아식 채널형 원자로이다. MKER은 재장전 중에도 가동을 유지하여 가동 중단이 드물고(가동률 최대 97-99%), 감속재 설계로 덜 농축된 연료를 사용하며 연소율이 높다. 중성자 특성은 민간용으로 최적화되어 연료 증식 및 재활용이 우수하며, 흑연 감속은 경수 감속보다 더 나은 중성자 특성을 제공한다. 노심의 낮은 출력 밀도는 열 조절을 크게 향상시킨다. 부품 품질 개선, 첨단 컴퓨터 제어, 포괄적인 수동 비상 노심 냉각 시스템, 강력한 격납 구조, 음의 보이드 계수, 신속 작동 셧다운 시스템 등 일련의 개선을 통해 MKER의 안전성은 서방 3세대 원자로와 유사한 수준이 되었다. 수동 비상 냉각 시스템은 전동 펌프 대신 자연 현상을 이용하여 노심을 냉각하며, 격납 구조는 심각한 스트레스와 압력을 견딜 수 있다. 냉각수 채널 파이프 파손 시에는 해당 채널을 물 공급으로부터 격리하여 전체 고장을 방지한다.

VVER은 가압 경수로, 흑연 대신 경수를 감속재로 사용하고 반응도에 대한 음의 공극 계수를 갖는 등 RBMK보다 훨씬 안정적이고 안전하다. 일부는 충분한 격납 용기를 갖추고 건설되었고, 일부는 양질의 비상 노심 냉각 시스템(ECCS)을 갖추고 있으며, 일부는 국제 수준의 제어 및 계측 장비로 업그레이드되었다. 현재 세대 VVER(VVER-1000부터)은 서방 국가와 동등한 수준의 계측, 제어 및 격납 시스템으로 건설되었다.

그러나 VVER-440 V230과 같은 특정 구형 VVER 모델은 높은 수준의 우려를 야기한다.[23] VVER-440 V230은 격납 건물이 없고 압력 용기(RPV)를 둘러싼 증기를 가둘 수 있는 구조만 갖추고 있는데, 이는 얇은 강철로 되어 있어 서방 기준에 크게 미흡하다. ECCS가 없고, 6개의 증기 발생기 루프는 불필요한 복잡성을 더한다. 압력 용기 내부는 물에 노출된 일반 합금강이어서 원자로가 물에 노출되면 녹이 발생할 수 있다. 다만, VVER의 원자로 수질 정화 시설은 1차 냉각 루프 내부의 녹(RPV 부식 생성물)을 처리하기 위해 건설되었다. 이 모델은 부적절한 공정 제어 시스템을 가진 것으로 간주된다.

일부 설계 개념은 용융 저항 및 작동 안전성을 강조한다. 1970년대 후반과 1980년대 초 스웨덴에서 설계된 PIUS(공정 고유의 궁극적인 안전성)는 설계상 노심 손상에 강한 경수형 원자로(LWR)이지만, 아직 건설된 유닛은 없다.

전개 가능한 전기 에너지 원자로는 재해 지역 및 군사 임무에서 전력 생산을 위한 TRIGA의 대규모 이동형 버전이며, TRIGA 전력 시스템은 소규모 및 원격 지역 사회에서 사용할 소규모 발전소 및 열원으로서 제안되었다. 이들은 우라늄 지르코늄 수소화물 연료를 사용하여 TRIGA의 안전 특성을 공유한다.

수소 감속 자기 조절 핵 전력 모듈은 TRIGA와 화학 및 안전성이 유사하며, 우라늄 수소화물을 감속재 및 연료로 사용하여 극도의 안전성과 안정성을 가진다.

액체 불화 토륨 원자로는 토륨과 불소염의 공융 혼합물로서 노심이 자연적으로 용융된 상태를 유지하도록 설계되었다. 따라서 용융된 노심은 이 원자로의 정상적이고 안전한 작동 상태이다. 노심 과열 시 금속 플러그가 녹고, 용융 염 노심은 임계 상태가 아닌 구성으로 냉각될 탱크로 배출된다. 노심이 액체이고 이미 녹아 있기 때문에 손상될 수 없다.

미국의 일체형 고속로 및 러시아의 BN-350, BN-600, BN-800과 같은 첨단 액체 금속 원자로는 모두 열용량이 매우 높은 나트륨 금속을 냉각재로 사용한다. 따라서 SCRAM 없이 냉각 상실을 견딜 수 있으며, SCRAM 없이 방열 상실을 견딜 수 있어 본질적으로 안전하다.

6. 1. 경수로 (LWR)

경수로(LWR)는 가압 경수로(PWR)와 비등수형 경수로(BWR) 두 가지 유형이 있으며, 냉각재 상실 사고에 취약한 편이다.

경수로의 노심이 손상되기 전에는 다음과 같은 두 가지 전조 현상이 발생한다.

  • 노심 내 열 제거 실패(냉각 손실): 낮은 수위는 노심을 노출시켜 가열되도록 한다.
  • 비상 노심 냉각 시스템(ECCS)의 고장: ECCS는 설계 기준 사고 발생 시 노심을 신속하게 냉각하고 안전하게 유지하도록 설계되었으나, 이것이 작동하지 않으면 사고가 발생한다.


제한 고장이 발생하고 모든 ECCS 구획이 완전히 고장나는 경우, 다음과 같은 6단계의 과정을 거쳐 노심 용융이 진행된다.[8][9]

1. '''노심 노출''' – 원자로가 자동 정지(SCRAM)되고 ECCS가 가동되지만, 연료봉이 냉각수에 더 이상 잠기지 않아 가열되기 시작한다.

2. '''사전 손상 가열''' – 연료봉이 증기 환경에 노출되어 0.3°C/s에서 1°C/s 사이의 속도로 가열된다.[8]

3. '''연료 팽창 및 파열''' – 연료봉의 지르칼로이 피복재가 팽창 및 파열되어 노심의 흐름 영역을 막아 냉각수의 흐름을 제한할 수 있다.[8]

4. '''급속 산화''' – 증기에 의한 지르칼로이의 급속 산화로 수소가 생성되고 많은 양의 열이 방출된다.[8]

5. '''잔해층 형성''' – 용융된 제어 재료와 지르칼로이, UO2가 노심 하부에서 응고되어 잔해층을 형성한다.[8]

6. '''(코륨) 하부 플레넘으로의 이동''' – 용융된 노심 재료가 하부 플레넘의 물과 만나면 증기 폭발이나 수소 생성을 일으킬 수 있다.[8]

코륨이 하부 플레넘으로 이동할 때 원자로 압력 용기의 하부 플레넘에 상당량의 물이 있으면, 극도로 빠른 증기 발생으로 인해 1차 계통 또는 RPV의 심각한 구조적 파손을 일으킬 수 있다.[10]

미국 원자력 학회는 쓰리마일 섬 원자력 발전소 사고에서 약 3분의 1의 연료가 용융되었음에도 불구하고 원자로 용기 자체는 무결성을 유지하고 손상된 연료를 포함했다고 언급했다.[12]

VVER은 가압 경수로이며, 감속재로 경수를 사용하고 반응도에 대한 음의 공극 계수를 갖기 때문에 RBMK보다 훨씬 안정적이고 안전하다. 그러나 일부 구형 VVER 모델(VVER-440 V230)은 격납 건물이 없고 ECCS가 없어 높은 수준의 우려를 야기한다.[23] VVER-440 V213 모델은 비교적 포괄적인 ECCS 시스템을 갖추고 있으며, 일부는 서방식 계측 및 제어 시스템으로 업그레이드되어 안전성이 향상되었다. 1970년대에 핀란드는 대용량 전체 격납 시설과 세계 최고 수준의 안전 기능을 갖춘 VVER-440 V213 모델 2기를 건설하여 세계에서 가장 진보된 VVER-440이 되었다. VVER-1000 유형은 적절한 서방식 격납 시설, ECCS 및 계측, 제어 시스템을 갖추고 있다.

비등수형 경수로의 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고에서는 가압수형 경수로의 '전형적인' 멜트다운과는 달리, 용융 노심-콘크리트 상호작용(MCCI)이 거의 일어나지 않았다.[53][54]

6. 2. 중수로 (CANDU)

CANDU 원자로는 캐나다에서 개발된 중수-우라늄 설계 방식이다. 연료/냉각 채널 주변에 적어도 하나, 일반적으로 두 개의 대형 저온 저압 물 저장소를 갖도록 설계되었다. 첫 번째는 대량의 중수 감속재(냉각수와 별도의 시스템)이고, 두 번째는 경수로 채워진 차폐 탱크(칼란드리아 금고)이다. 이러한 백업 방열판은 연료가 처음부터 용융되는 것을 방지하기에 충분하며(감속재 방열판 사용), 감속재가 결국 끓어 넘칠 경우 원자로 용기가 파손되는 것을 방지하기에도 충분하다(차폐 탱크 방열판 사용).[21] 연료 용융 외에도 칼란드리아가 비임계 구성으로 변형되는 것과 같이 CANDU에서는 용융보다는 다른 고장 모드가 발생할 가능성이 높다. 모든 CANDU 원자로는 표준 서구형 격납 건물 내에 위치해 있다.

6. 3. 가스 냉각로 (AGR)

영국에서 개발된 개선형 가스 냉각 원자로(AGR)는 극단적인 상황을 제외하고 냉각 손실 사고나 노심 손상에 매우 취약하지 않다.[1] 상대적으로 불활성인 냉각재(이산화탄소)를 사용하고, 냉각재의 큰 부피와 높은 압력, 그리고 원자로의 비교적 높은 열 전달 효율성으로 인해 제한적인 고장 발생 시 노심 손상까지 며칠이 걸린다.[1] 냉각재 흐름을 복구하면 노심 손상을 방지할 수 있다.[1]

6. 4. 고속 증식로 (FBR)

최근에는 납 또는 납-비스무트와 같은 중금속 액체를 원자로 냉각재로 사용할 것을 제안하고 있다.[22] 핵연료와 중금속 액체의 밀도가 유사하기 때문에, 부력에 의한 고유의 수동 안전 자기 제거 피드백 메커니즘이 개발되었다. 이는 특정 온도 임계값을 초과하여 팩형 베드가 주변 냉각재보다 가벼워지면 팩형 베드를 벽에서 멀어지게 하여, 용기의 구조적 완전성을 위협할 수 있는 온도를 방지하고 허용 가능한 베드 깊이를 제한하여 재임계 가능성을 줄인다.[22]

6. 5. 기타 원자로

경수로(LWR)와는 다른 기능과 안전성을 가진 여러 유형의 원자로가 있으며, 이 원자로들의 진보된 형태는 본질적으로 안전할 가능성을 가지고 있다. 노심 용융에 대한 일부 설계 개념은 용융 저항 및 작동 안전성을 강조한다.

수소 감속 자기 조절 핵 전력 모듈은 우라늄 수소화물을 감속재 및 연료로 사용하는 원자로로, TRIGA와 화학 및 안전성이 유사하다. 이러한 극도의 안전성 및 안정성 특성으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다.

액체 불화 토륨 원자로는 토륨과 불소염의 공융 혼합물을 사용하며, 노심이 자연적으로 용융된 상태를 유지하도록 설계되었다. 따라서 용융된 노심은 이 유형의 원자로에서 정상적이고 안전한 작동 상태를 반영한다. 노심이 과열되면 금속 플러그가 녹고, 용융 염 노심은 임계 상태가 아닌 구성으로 냉각될 탱크로 배출된다. 노심이 액체이고 이미 녹아 있기 때문에 손상될 수 없다.

미국의 일체형 고속로와 러시아의 BN-350, BN-600, BN-800과 같은 첨단 액체 금속 원자로는 모두 매우 높은 열용량을 가진 나트륨 금속을 냉각제로 사용한다. 따라서 SCRAM 없이 냉각 손실을 견딜 수 있으며, SCRAM 없이 방열 손실을 견딜 수 있어 본질적으로 안전하다는 자격을 갖는다.

CANDU 원자로는 연료를 둘러싼 두 개의 저온 저압 수계(감속재 및 차폐 탱크)를 가지고 있어 백업 열 싱크 역할을 하며, 노심 용융 및 노심 파괴 시나리오를 방지한다.[21] 액체 연료 원자로는 연료를 탱크로 배출하여 정지시킬 수 있다. 이는 추가적인 핵분열을 방지할 뿐만 아니라 정적으로 붕괴열을 제거하고, 핵분열 생성물(정지 후 가열의 원인)을 점진적으로 제거한다.

EBR II 모델과 같은 특정 원자로 설계[25]는 노심 용융에 면역이 되도록 명시적으로 설계되었다. 1986년 4월 체르노빌 사고 직전에, 1차 펌프의 전원을 끄는 방식으로 냉각재 펌핑 전력 손실을 시뮬레이션하여 시험했다. 설계대로라면 온도가 적절한 작동에서 요구하는 것보다 더 높아지자 약 300초 만에 자체적으로 정지했다. 이는 비가압 액체 금속 냉각재의 비등점보다 훨씬 낮았으며, 단순한 대류만으로도 핵분열 생성물 방사능의 열을 처리할 수 있는 충분한 냉각 능력을 갖추고 있었다.

7. 과거의 노심 용융 사고 사례

1966년 미국의 페르미 1호기 사고, 1969년 스위스의 뤼상 원자력 발전소 사고, 1979년 미국의 스리마일섬 원자력 발전소 사고, 1986년 소련 (현 우크라이나)의 체르노빌 원자력 발전소 사고, 2011년 일본의 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등이 대표적인 노심 용융 사고 사례이다.[61]

특히, 2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진 및 쓰나미로 인해 발생한 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고는 1호 원자로 내 연료 대부분이 용융되는 등 심각한 피해를 초래했다.[28][29] 이 사고는 대한민국에도 큰 영향을 미쳐 원자력 안전에 대한 경각심을 높이는 계기가 되었으며, 더불어민주당의 탈원전 정책 추진에 영향을 주었다.

1979년에 발생한 스리마일섬 원자력 발전소 사고는 "부분 노심 용융"이라고 불렸으며,[27] 이 사고로 인해 2호기는 완전히 해체되었고 영구적으로 가동이 중단되었다. 1986년에 발생한 체르노빌 원자력 발전소 사고는 멜트 쓰루 사고였다.[61] 체르노빌 4호 원자로는 시험 실패 후 원자로 전체가 노심 용융되었다.

7. 1. 미국

1966년 페르미 1호기에서 부분 용융 사고가 발생하여 원자로를 수리해야 했지만, 이후 완전 가동을 달성하지 못했다.[26] 1979년 스리마일 섬 원자력 발전소 사고는 언론에서 "부분 노심 용융"이라고 불렀으며,[27] 그 결과 2호기는 완전히 해체되었고 영구적으로 가동이 중단되었다. 1호기는 2019년까지 가동되었다.[61]

연도사고국가
1966년페르미 1호기 사고미국
1979년스리마일 섬 원자력 발전소 사고미국[61]


7. 2. 소련/우크라이나

1986년 소련 (현 우크라이나) 체르노빌 원자력 발전소 사고는 멜트 쓰루 사고였다.[61] 체르노빌 4호 원자로는 시험 실패 후 원자로 전체가 노심 용융되었다.

소련이 설계한 RBMK 원자로(러시아어: ''Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy'', 대용량 채널형 원자로)는 러시아 및 기타 구소련 국가에서만 발견되었으며 현재 러시아를 제외한 모든 곳에서 가동이 중단되었다. RBMK 원자로는 격납 건물이 없고, 본질적으로 불안정하며(위험한 출력 변동을 유발하는 경향이 있음), 서방 안전 기준에 따라 심각하게 부적절하다고 여겨지는 비상 냉각 시스템(ECCS)을 갖추고 있었다.

RBMK의 비상 노심 냉각 시스템은 하나의 분할만 가지고 있으며, 해당 분할 내에 중복성이 거의 없었다. RBMK의 대형 노심은 서방의 소형 경수로 노심보다 에너지 밀도가 낮지만, 냉각하기가 더 어려웠다. RBMK는 흑연으로 감속된다. 고온에서 증기와 산소가 모두 존재하면 흑연은 합성 가스를 형성하고, 수성 가스 변환 반응으로 인해 생성된 수소는 폭발적으로 연소된다. 산소가 뜨거운 흑연과 접촉하면 연소될 수 있었다. 제어봉은 중성자의 속도를 늦추고 연쇄 반응을 가속화하는 물질인 흑연으로 팁을 처리했다. 물은 냉각제로 사용되지만 감속재로 사용되지는 않았다. 물이 끓어 없어지면 냉각은 손실되지만 감속은 계속되었다. 이는 반응도의 양의 보이드 계수로 칭한다.

RBMK는 위험한 출력 변동을 일으키는 경향이 있었다. 제어봉은 원자로가 갑자기 가열되어 움직일 때 갇힐 수 있었다. 중성자 흡수성 핵분열 생성물인 제논-135는 노심에 축적되어 저출력 운전 시 예측할 수 없이 연소되는 경향이 있었다. 이로 인해 중성자 및 열 출력 등급이 부정확해질 수 있었다.

RBMK는 노심 위에 어떠한 격납 건물도 갖추고 있지 않았다. 연료 위에 있는 유일한 실질적인 고체 장벽은 노심의 상부, 즉 상부 생물학적 차폐재인데, 이는 제어봉이 관통하고 온라인 상태에서 재연료 공급을 위한 접근 구멍이 있는 콘크리트 조각이었다. RBMK의 다른 부분은 노심 자체보다 더 잘 차폐되어 있었다. 급정지(SCRAM)에는 10~15초가 걸렸다. 서방 원자로는 1~2.5초가 걸렸다.

운전 직원에 특정 실시간 안전 모니터링 기능을 제공하기 위해 서방의 지원이 제공되었다. 이것이 비상 냉각의 자동 시작으로 확장되는지는 알려지지 않았다. 서방에서 안전 평가에 대한 교육이 제공되었으며, 러시아 원자로는 RBMK에 존재했던 약점에 대응하여 발전했다. 그럼에도 불구하고 많은 RBMK가 여전히 가동되고 있었다.

냉각수 손실 사건이 노심 손상 전에 중단될 수 있지만, 노심 손상 사고가 발생하면 방사성 물질이 대량으로 방출될 가능성이 높았다.

2004년 EU에 가입하면서 리투아니아는 유럽 원자력 안전 기준과 완전히 호환되지 않는 것으로 간주된 이그날리나 이그날리나 원자력 발전소의 두 RBMK를 단계적으로 폐지해야 했다. 리투아니아는 이를 비사가스 원자력 발전소에서 더 안전한 원자로로 대체할 계획이었다.

다수의 소련 해군 원자력 잠수함이 노심 용융 사고를 겪었는데, 여기에는 K-27, K-140, 그리고 K-431이 포함된다.

7. 3. 일본

2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진 및 쓰나미로 인해 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고가 발생하여, 발전소 6기 중 3기의 원자로에서 노심 용융이 발생했다. 1호 원자로 내 연료 대부분이 용융되었다.[28][29] 이 사고는 대한민국에도 큰 영향을 미쳐 원자력 안전에 대한 경각심을 높이는 계기가 되었다. 특히, 더불어민주당은 이 사고를 계기로 탈원전 정책을 더욱 강력하게 추진하게 되었다.

7. 4. 기타 국가


  • 1969년 스위스 뤼상 원자력 발전소에서 사고가 발생했다.[61]

참조

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