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[전력시스템에서의 지진 대비 및 안전 대책 ②]
지진·해일의 피해를 극복한 오나가와 원자력 발전소
본고에서는 2011년 3월 11일에 있었던 지진·쓰나미 발생 시 오나가와 원자력 발전소가 후쿠시마 제1원자력발전소 규모에 버금가는 지진·해일의 습격에도 불구하고 냉온정지 상태에 이르게 된 주요 요인과 배경에 대해 소개한다.
정리 편집부
지진·해일 발생 시의 대응
플랜트 개요 오나가와 원자력 발전소(女川原子力發電所)는 태평양 연안의 오시카 반도(牡鹿半島)에 위치하며(센다이시에서 약 70km), 부지면적은 약 173만㎡이다. 1호기(52만 4천kW)는 1984년에 영업운전을 개시, 이어 2호기(82만 5천kW)는 1995년에, 3호기(82만 5천kW)는 2002년에 개시되었다. 전호기 모두 비등수형 경수로(BWR)로, 원자로 격납용기의 형태는 1호기가 마크 Ⅰ, 2호기와 3호기는 개량형 마크Ⅰ이다. 또 발전소의 부지 높이는 해발 14.8m이다. 지진이 발생했을 때 약 1590명(사원 약 330명, 협력회사 약 560명, 플랜트메이커 약 680명, 관람객 약 20명)이 발전소 구내에 있었다.
(1) 지진발생 2011년 3월 11일(이하, 「3.11」), 매그니튜드 9.0의 거대지진이 오후 2시 46분에 발생했다. 진원지는 발전소가 위치한 오시카 반도에서 태평양 측으로 약 130km 떨어진 지점이었다([그림 1] 참조). 지진으로부터 약 30분 후에 최초의 거대 쓰나미가 발전소에 도달했다. 쓰나미의 최대 높이는 약 13m(오후 3:29)였다.국토지리원에 따르면, 오시카 반도 일대가 지진 후 약 1m 침하했다는 점에서 쓰나미가 발전소에 도달했을 시의 부지 높이는 약 13.8m였을 것으로 추정된다. 그 때문에 쓰나미는 부지를 타고 넘어올 수 없었다.필자(도호쿠전력 상무이사, 와타나베 다카오·원자력부 부부장, 오보나이 아키요시)는 지진 발생 시 사무동에서 집무를 보고 있었는데 지금까지 경험한 적이 없는 지진의 크기와 긴 진동 때문에 지면이 꺼지는 것처럼 느꼈다. 필자를 비롯한 긴급 시 대응 멤버는 지진의 흔들림이 진정되자 안전모를 쓰고 사무동 3층의 긴급대책실로 집합했다. 의자에 앉자마자 대해일 경보 발령(오후 2:49)을 확인, 원자로 자동정지, 화재, 침수 등과 관련한 발전소 정보를 수집했다. 이때의 통신수단은 사내의 통신전화(마이크로파와 광케이블로 구성)와 위성전화뿐이었다(고정전화와 휴대전화는 지진 발생 후 머지않아 통신이 불가능해짐). 그래서 발전소 관련 정보를 본사에 전달하고, 본사는 정부 및 지자체 등의 기관에 통보연락을 실시했다. 또한, 오나가와 원자력 발전소로 통하는 도로도 지진과 해일의 피해로 끊기면서 발전소는 고립상태가 되었다. 발전소 인근의 주민들도 가옥 등에 피해를 입어 발전소로 피난을 요청해 왔다. 처음에는 PR(홍보) 센터에, 그 다음에는 발전소의 사무동에 피난민들을 수용하였는데 인원수가 점점 증가해 마지막에는 발전소의 체육관에 수용하기로 했다. 며칠 후 피난민의 수는 더욱 증가해 360명을 넘었고, 그곳에서 약 3개월간을 함께 보냈다([그림 2] 참조). 본사는 피난민들과 발전소 구내의 인원들에게 식량, 물, 담요 등을 제공하기 위해 헬기를 준비하였으며, 첫 번째 헬기가 다음날 오전 7시 44분에 물자를 싣고 발전소에 도착했다. 또 쓰나미경보의 해제를 앞두고 발전소 측에서 도로 복구에 착수하여 3월 15일 마을로 통하는 도로를 일부 개통할 수 있게 되었다. 이에 따라 다음날부터 발전소 인원의 일부가 차량으로 귀가할 수 있게 됨과 동시에 자위대에 의해 육로의 지원물자가 보급되기 시작했다.
 
(2) 냉온정지의 주요 시계열
1호기는 지진 발생 전 정격출력으로 운전 중 지진가속도 “대(大)”의 신호에 따라 원자로가 자동 정지되어 2대의 비상용 디젤발전기(이하, DG)가 자동 기동했다. 3월 11일 오후 2시 55분경 기동용 변압기가 정지되어 DG로부터의 전력공급이 개시되었다. 이것은 상용계의 고압전원반 소손에 의해 기동용 변압기가 정지, 비상용 고압모선의 전압이 저하됐기 때문으로 추정된다. 원자로 수위 제어는 원자로 격리 시 제어계에 의해 원자로 감압을 하지 못하고, 안전밸브에 의해 실시되어 3월 12일 0시 58분에 냉온정지 상태에 도달했다. 2호기는 정기검사 후 원자로 기동 중(3월 11일 오후 2시경)에 있었으며, 지진가속도 “대(大)”의 신호로 원자로가 정지하자마자 바로 냉온정지 상태에 이르렀다(3월 11일 오후 2시 49분). 3대의 DG는 자동적으로 기동했는데 외부전원을 이용할 수 있었기 때문에 대기상태를 유지했다. 쓰나미의 습격에 의해 원자로 보조기기 냉각계(이하, RCW)(B)와 고압 노심 스프레이 냉각계(이하, HPCW)의 기능이 상실되어 2대의 DG가 정지했다. 남은 RCW(A)는 정상 상태였기 때문에 다른 1대의 DG(A)를 이용할 수 있었다. 3호기도 1호기와 마찬가지로 정격출력으로 운전 중에 지진가속도 “대(大)”의 신호로 원자로가 자동 정지했다. 쓰나미 습격 후 터빈 보조기기 냉각계는 정지했지만, RCW는 영향을 받지 않았기 때문에 원자로의 감압과 냉각이 성공적으로 이루어져 3월 12일 오전 1시 17분에 냉온정지 상태에 이르렀다.
주요 설비피해
3기 모두 안전하게 정지했지만 적잖은 피해가 있었다. 1호기는 쓰나미로 인한 중유탱크의 도괴와 상용계의 고압전원반 단락에 의한 소손 발생, 2호기는 RCW 열교환기(B)와 HPCW 열교환기가 있는 원자로 건물 부속동이 일부 침수되어 2기의 DG가 정지했다.
(1) 중유탱크의 도괴 1호기 보조 보일러용의 중유탱크는 해발 약 2.5m(지반 침하 약 1m를 고려한 값)의 위치에 설치돼 있었기 때문에 쓰나미에 의해 도괴되어 중유가 항만으로 유출되었다. 쓰나미 습격 전의 잔유량은 약 600㎘일 것으로 추정된다. 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 대해일 경보가 해제된 후 오일펜스 및 유흡착 매트를 까는 등의 대책을 강구했다.
(2) 차단기 소손 3월 11일 오후 2시 57분경 화재경보가 1호기 중앙제어실에서 울려 퍼졌다. 즉시 소방서에 통보를 했으나 지진·해일피해로 인해 발전소로 향할 수 없다는 연락이 왔다. 그리하여 소내의 소방대원들이 소방복을 입고 현장점검을 위해 나섰다. 이 소방대는 원자력 발전소 사원과 협력회사원 10명으로 구성되어 터빈건물 지하 1층에 있는 상용계 고압전원반이 화재의 원인이며 대량의 연기를 발생시키고 있다는 것을 확인했다. 분말소화기를 이용하여 소화작업을 진행하였고, 3월 11일 오후 10시 55분에 진화가 완료되었음을 확인했다.상용계 고압전원반의 차단기는 매다는 형태의 구조이기 때문에 지진에 의해 심하게 흔들렸고, 아크가 발생하여 케이블의 절연피복을 녹여 대량의 연기가 발생한 것으로 추정된다. 이 소손된 차단기는 이미 내진형으로 갱신되었다. 한편, 안전계의 고압전원반은 내진성을 갖는 형태로 지진에 의해 영향을 받지 않았다.
(3) 원자로 건물 부속동 지하 3층의 일부 침수
앞에서 기재된 바와 같이 부지가 쓰나미보다 높았기 때문에 쓰나미가 부지를 타고 넘어 오지는 않았지만, 2호기의 원자로 건물 부속동이 일부 침수됐다.처음에는 밀려오는 강한 파도에 의해 해수펌프 조위계(潮位計) 발신기의 튜브박스 뚜껑이 부서져 해수펌프실(B)이 침수됐다. 다음으로 이 해수가 배관과 케이블의 관통부 틈새로 흘러들어 트렌치(케이블 터널, cable tunnel)를 통과하면서 최종적으로 RCW 펌프(B)와 HPCW 펌프 등이 설치되어 있는 원자로 건물 부속동 지하 3층이 일부 침수되었다([그림 3] 참조). 이 RCW 계통과 HPCW 계통이 DG의 기관냉각에 사용되고 있었기 때문에 2대의 DG를 사용할 수 없게 되었다. DG 자체는 원자로 건물 부속동 1층에 설치되었기 때문에 쓰나미의 피해를 받지 않았다. 한편, RCW 펌프(A)는 RCW 펌프(B)와 다른 장소에 설치되었고, 수밀(水密) 도어에 의해 구획되었기 때문에 큰 피해를 받지 않아 DG(A)를 사용할 수 있었다.원자로 건물 부속동 지하 3층의 RCW 펌프(B)와 HPCW 펌프가 설치되어 있는 공간은 최대 약 2.5m까지 침수되었다. 8대의 가설펌프를 이용하여 해수의 방사능을 측정, 방사성 물질이 포함되어 있지 않음을 확인하고 나서 건물 밖으로 배수했다.
냉온정지의 주요인
첫 번째로 전원의 확보를 꼽을 수 있다. 각 호기 모두 지진·해일 후 DG 사용이 가능했고, 또 외부전원도 1회선 사용할 수 있었다. 다음으로 부지 높이가 최대 쓰나미 높이보다 높았다는 점, 그리고 내진 여유도 향상 공사를 적절히 실시하고 있었다는 점 등을 들 수 있다.
(1) 부지 높이의 결정 경위 1호기의 설치허가서를 제출할 때 즈음에 쓰나미 대책이 중대과제라는 인식으로부터 토목공학 등의 대학교수를 포함한 사내 위원회를 1968년에 설치해 여러 차례 논의를 거듭해왔다. 당시는 현재와 같은 쓰나미 수치 시뮬레이션 기술이 아직 없었던 시대였기 때문에 토목기술자가 문헌조사(1896년의 메이지 산리쿠 지진해일, 1933년의 쇼와 산리쿠 지진해일 등 과거의 쓰나미 기록) 및 청취조사를 실시하여 최대 쓰나미가 약 3m라는 것을 알아냈다. 그러나 상기의 사내 위원회에서는 「메이지 산리쿠 지진해일이나 쇼와 산리쿠 지진해일보다 진원이 남쪽에 있는 지진, 예를 들면 869년의 조간(貞觀) 쓰나미 및 1611년의 게이초(慶長) 지진에 의한 쓰나미의 파고는 더욱 커질 수도 있을 것이다」 등의 논의를 바탕으로 부지 높이를 14.8m로 결정했다.또한, 부지 높이를 결정한 후에도 적절한 쓰나미 높이를 예측하여 그 예측치가 부지 높이를 넘지 않는 것을 확인했다. 1987년에 2호기의 설치허가를 신청할 시 조간(貞觀) 쓰나미의 흔적조사를 센다이 평야 등에서 실시하고, 또 게이초(慶長) 쓰나미 등을 모델로 한 수치 시뮬레이션 기술을 적용한 결과, 예측평가치는 9.1m가 나왔다. 2002년에는 토목학회의 기술에 의한 수치 시뮬레이션을 실시한 결과 예측평가치는 13.6m가 나왔다. 이것은 작년의 쓰나미와 매우 근사한 값이었다. 또 1987년도의 쓰나미 예측평가치가 9.1m가 되었을 때 부지의 법면을 콘크리트로 보강하였는데 이 보강은 3월 11일 당시의 쓰나미에 있어서도 유효했으며 법면의 붕괴 등은 없었다. 쓰나미 대책 검토 시에는 밀려오는 파도뿐만 아니라 밀려 나가는 파도에 대해서도 고려했다. 원자로의 제열(열제거)을 실시하는 원자로 보조기기 냉각 해수펌프 등은 밀려 나가는 파도 발생 시에도 약 40분간 송수가 가능하도록 취수로 구조를 설계했다.
(2) 적절한 준비 상기의 요인들뿐만 아니라, 사전에 준비를 철저히 해둔 것이 큰 역할을 했다. 먼저, 2005년 8월 16일에 발생한 미야기현 앞바다 지진의 연구결과를 근거로 안전확인 지진동(최대 가속도 580갤)을 책정해 시설의 안전평가를 실시했다. 또 2006년도의 내진심사 지침 개정 및 2007년도의 니가타현 주에쓰 앞바다 지진의 연구결과를 바탕으로 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 2008년에서 2009년에 걸쳐 안전상 중요설비에 대한 내진 여유도 향상 공사를 실시했다. 구체적으로는 배관 및 케이블의 서포트 추가 및 개조작업을 실시했다. 개조 부분은 합계 약 6600개소(1~3호기)에 이른다. 이어 2007년도의 니가타현 주에쓰 앞바다 지진 발생 당시 사무동에 설치된 긴급대책실의 문이 변형되어 발전소 사원들이 안으로 들어가지 못했던 타사의 교훈을 잘 살펴 면진구조의 신관 건설을 2009년부터 개시했다. 또 이 신관 건물의 완성까지 큰 지진이 발생할 가능성(리스크)를 고려하여 기존 사무동의 내진보강공사를 함께 실시해 2010년에 마무리되었다. 그리고 계산기 및 통신기구도 지진에 대비해 확실하게 고정시켰다. 그리하여 3월 11일의 지진재해 시는 신관 건물의 완성 전이었으나, 기존의 사무동 안에 설치된 긴급대책실에서 적절한 대응과 조치를 취할 수 있었다(신관은 2011년 10월에 준공). 또 평소부터 훈련을 정기적으로 실시해 오고 있다는 점도 크다. 방사선 관리구역에서 발생하는 화재대응훈련을 지역 소방서와 함께 정기적으로 실시해 오고 있다는 점, 또 운전원이 전원상실훈련을 비롯한 각종 사고대응을 운전훈련 시뮬레이터로 실시해 오고 있다는 점 등이 크게 작용하여 실제 화재 및 전원상실 발생 시 매뉴얼에 따라 신속히 대응할 수 있었던 것으로 보인다.
새로운 안전대책
3.11 대지진과 쓰나미에는 적절하게 대응할 수 있었지만 한층 더 강화된 안전대책이 필요하다. 오나가와의 3.11 대응훈련과 후쿠시마 제1원자력발전소의 사고 대응 훈련을 반영시켜 참혹한 대사고를 다시는 일으키지 않겠다는 결의하에 대책 마련에 힘쓰고 있다.
이하에 그 개요를 소개한다.
(1) 쓰나미 높이·지진동의 재평가 3.11 대해일의 연구결과를 바탕으로 한 쓰나미 높이의 재평가와 여유도 확보가 필요하여 쓰나미 파원(波源)으로서 플레이트간 지진과 플레이트 내 지진 및 불확실성을 고려한 재평가를 실시했다. 이 평가결과로부터 기준 해일로 해발 약 23.1m의 쓰나미를 상정함과 동시에 해발 약 29m의 방조제 건설을 실시하고 있다([그림 4] 참조). 또 3.11 대지진 등의 연구결과를 바탕으로 기준 지진동(Ss)에 대해서도 재평가가 이루어져 플레이트간 지진을 고려한 Ss-1(수평 640갤)과 해양 플레이트 내 지진과 부지 주변의 활단층에 의한 지진을 고려한 Ss- 2(수평 1000갤)를 설정했다. 이 재평가 결과를 바탕으로 현재 새로운 내진 여유도 향상 공사를 실시 중이다.
 (2) 주요 안전향상대책 첫 번째로 설계기준의 대상에 대해 새로운 깊이를 더한 대책 마련이 필요하다. 구체적으로는 자연현상(토네이도, 화산 등)에 대한 대책 강화, 발전소 내에서 발생할 것으로 상정되는 내부 화재 및 내부 일수(溢水)에 대한 적절한 대책 등이 있다. 두 번째로는 중대사고를 방지하는 대책 및 만일 중대사고가 발생했을 경우의 영향 저감 대책이다. 후쿠시마 제1원자력발전소 사고의 교훈으로 △전원의 강화 △냉각기능의 향상 △밀폐 기능의 강화 등이 주요 대책으로 꼽힌다.
① 전원의 강화로는 전원차(400kVA)와 대용량 전원장치(공랭식, 5000kVA×3유닛)를 배치함과 동시에 가스터빈 전원차(4500kVA×2유닛) 및 직류전원장치의 증강 등을 계획하고 있다.
② 냉각기능의 향상으로는 원자로가 고압일 경우 주수(注水) 가능한 터빈구동의 냉각수 펌프 증강, 원자로가 저압일 경우에는 주수 가능한 주수펌프의 증강, 그리고 원자로의 붕괴열을 제거하기 위해 기존의 원자로 보조기기 냉각계(RCW) 등을 사용할 수 없는 경우에도 대응할 수 있도록 가반형의 원자로 보조기기 대체 냉각 열교환기 유닛 등을 배치할 예정이다.
③ 밀폐 기능의 강화로는 가령 원자로 노심에 현저한 손상이 발생하더라도 주변 환경에 미치는 방사성 물질을 최소화하기 위해 격납용기 필터벤트(filter vent)를 설치할 예정이다. 필터의 제거효율은 입자상 방사성 물질(세슘 등)에 대해 99.9% 이상을 목표로 하고 있다.
<Energy News>
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