후쿠시마 원자력 발전소 사고

福島第一原子力発電所事故
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고

개요

정식 명칭은 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고로, 비등수형 원자로로 구성된 해당 원자력 발전소에서 발생한 국제 원자력 사건 척도(INES) 7등급을 받은 원자력 사고다.

2011년 3월 11일 발생한 도호쿠 대지진에 의한 지진해일(쓰나미)로 노심냉각에 실패, 노심용융(멜트다운)이 일어난 사고다. 이 사고로 인하여 약 100경 베크렐 이상의 방사성 물질이 누출되었을 것으로 추정되고 있다. 노심용융이 발생한 원자로는 1호기, 2호기, 3호기로, 설계 결함으로 인해 지진해일에 대비하지 못하고, 직접적으로 지진해일을 맞아 비상 냉각계통의 전원을 상실하는 바람에 사고가 발생하였다. 반면 4호기의 경우 정기 점검 시기에 들어갔기에, 원자로의 핵연료를 비운 상태로 사고를 면했고, 5호기 및 6호기는 북쪽으로 떨어진 부지에 위치하여 지진해일의 1차 반사파를 받았기 때문에 6호기의 전원이 살아남아, 냉각계통 전원 상실은 피하였기에 화를 면하였다.

경과

2011년

3월 11일

14시 46분 도호쿠 대지진 발생

발생 직후 2분간(46분부터 48분까지) 각 중앙제어실에서 각 원자로의 긴급 정지와 비상 냉각장치용 발전기를 가동하게 된다. 5, 6호기는 비상 발전기만 가동했지만, 1, 2, 3호기는 긴급 정지 및 주 터빈 정지, 비상 발전기 가동 등의 조치가 이루어졌다. 이 중 1호기는 52분에 비상노심냉각장치까지 가동했다. 이 비상노심냉각장치는 원자로 격납용기 외부에 위치, 격납장치 내부의 열을 파이프로 빼내어 외부에 설치된 저온의 물탱크를 통과시켜 물로 재응축, 격납용기 내부를 냉각하는 장치로, 일본에서 쓰던 초기 비등수형 원자로에 장비되는 장치였다. 이로 인한 폐열 및 수증기는 격납용기를 둘러싼 건물에 달린 배관 2개를 이른다. 다만 냉각 장치의 작동으로 노심 온도가 많이 내려가면 절차상 원자로 보호를 위하여 냉각 장치를 정지하게 된다. 하여 1호기에서는 이 작업을 반복하였다.

이 시기 외부 전원망이 대지진으로 파괴되며 외부 전원 공급이 중단된다. 이 때문에 비상용 디젤발전기를 돌려 비상 전원을 확보하게 된다. 이후 후쿠시마 제1 원자력 발전소에 있던 담당자들은 일단 숨을 돌린다. 당장 대지진 발생 후의 조치는 일단 끝났다 생각했기 때문. 면진중요동에 있던 발전소장은 경과를 지켜본다. NHK에서는 마침 츠나미 경보를 전파하며, 후쿠시마 현에는 3 m 정도의 츠나미가 올 것으로 예상하였고, 소장은 5.7 m 높이의 방조제가 이를 막아줄 것으로 생각하여 당분간 추이를 지켜보게 된다.

15시 27분 도호쿠 대지진으로 인한 지진해일 제1파 도달

그러나, 지진해일이 미야기 현에 도달하면서, 지진해일의 규모가 상상을 뛰어넘는 것이라는게 밝혀진다. 통상적으로는 제1파가 가장 크지만, 도호쿠 대지진 자체가 연동형 지진으로 제1 붕괴의 규모가 제2 붕괴(본진의 가장 큰 파형)에 비해서 작았기 때문에, 제1파의 규모는 제2파보다는 작았다. 제1파로 인해 후쿠시마 해안에도 약 5 m가 넘는 지진해일이 도달하지만, 방조제에 의해 일단은 막히면서 일부 침수 정도의 피해만 발생하였다. 그러나 문제는 그 직후인데...

15시 35분 도호쿠 대지진으로 인한 지진해일 제2파 도달

제2파는 15 m가 넘는 규모의 지진해일이었고, 비상용 디젤 발전기 등 주요 시설이 침수되기 시작한다. 36분에는 6호기의 비상 발전기 3대 중 2대가 침수되었으며, 37분부터 41분까지에 걸쳐서 1 ~ 5호기의 외부 전원이 상실되기 시작한다. 이 중 1호기, 2호기에 대해서는 1호기가 먼저 외부 교류 전원 공급이 끊기며 전교류전원상실로 인한 스테이션 블랙아웃(SBO)을 선언하였다. 다만 담당자들은 비상노심냉각장치의 밸브가 열려있으니 폐열이 냉각장치를 그래도 통과할 것이라고 추정하였을 뿐이었다. 같은 중앙제어실을 공유하던 2호기에서는 외부 전력계 없이도 작동하는 격리계 냉각수 주입 장치(RCIC)를 가동시킨다. 그러나 가동 직후 2호기마저도 외부 교류 전원을 상실하며 스테이션 블랙아웃을 선언한다. 이후 계속 여진이 발생하면서 사태 정리가 계속 늦어지게 된다. 이미 이 시기 소장은 원자력 사고를 예감하였고, 도쿄 전력 본부에 비상 전원을 위한 전원차의 지원을 요구한다. 그러나, 지진으로 인한 교통망 마비로 인해 전원차의 지원이 계속 늦어지게 된다.

16시 44분 1호기 비상노심냉각장치의 문제 확인

그러나 1호기의 비상노심냉각장치에 문제가 생기게 된다. 앞서 말한 건물 외부에 달려있는 폐열의 방출구("돼지코")를 확인한 결과, 김이 뿜어져 나오는 게 아니라, 미약하게 뿜어져 나오는 것을 확인, 비상노심냉각장치가 과열되면서 냉각기능에 문제가 있는 것을 발견하게 된다. 이 시점에 비상용 배터리가 잠깐 동작하면서 원자로 내부의 수위가 확인되었는데, 16시 42분 시점에서 정상 수위보다 약 90 cm 저하된 상태였다. 약 8분 후인 50분 시점에서 약 120 cm 저하된 상태, 즉 8분마다 수위가 30 cm 내려가는 것으로 엄청난 수위 저하 속도를 보이기 시작했다. 정상 수위는 연료봉에서 약 340 cm 위에 있었으므로, 이 시점에서 이미 멜트다운은 예고되어 있던 상황. 단순 계산으로도 연료봉에서 약 220 cm 정도 남았던 16시 50분 시점에서 약 1시간만에 연료봉이 노출된다는 계산이 나오게 된다. 실제로는 과열된 물 때문에 더 빨리 내려갔을 것으로 추정된다. 또한 1호기에서는 비상용 배터리가 잠깐 잠깐씩 들어왔다 나갔다 하는 과정에서 비상노심냉각장치가 제대로 작동하지 않았음을 확인하였고, 이미 사고는 점점 더 진행되기 시작한다.

17시 29분 1호기 노심용융 시작

이 시점에서 이미 1호기의 수위 하강은 끝을 보였고, 결국 핵 연료가 공기 중에 노출되면서 과열로 인해 연료봉이 녹아내리기 시작한다. 또한 이후 노심용융물은 원자로 밑에 있는 계측용 파이프 내부를 녹이고 파이프 내부에 남거나 격납용기 바닥으로 떨어졌을 것으로 추정된다. 17시 50분경에 담당자들이 1호기 격납용기 출입구에서 방사선을 검측하였던 상황.

그러나 이 시각 이후에도, 정작 일본 정부에서는 상황 파악을 제대로 하고 있지 못하던 상황이었다. 지진 수습에도 바빴다고는 하지만, 일단 1차적으로 도쿄 전력의 책임자들이 후쿠시마에서 무슨 일이 일어나고 있는지 제대로 알려 하지 않았던 점이 가장 큰 문제였다. 19시 47분경 일본 정부 관방장관은 "원자로에는 문제가 없다"고 발표하기까지 한다.

20시 50분 후쿠시마 현청에서 원전 반경 2 km 이내 거주 주민에게 대피령을 내림

21시 23분 일본 정부에서 원전 반경 3 km 이내 거주 주민에게 대피령을, 10 km 이내 주민에게는 외출 금지령을 내림

당국자들은 후쿠시마 현청에 이 사실을 전파했고, 현청에서는 방사능이 누출될 것을 우려한다며 대피령을 내린다. 일본 정부에서도 비슷한 대응으로, 사태를 최대한 크지 않아보이게 말하며 주민들을 대피시킨다.

21시 51분 1호기 격납용기 출입구에서 1.2 mSv/h 계측

1호기 출입구에서 시간당 1.2 mSv의 높은 방사선량이 검측된다. 이 정도 방사선량은 1시간 조사되는 것만으로 이미 높은 방사선량에 노출된다 여겨지는 항공근무자들의 연간 방사선 조사량에 도달하는 것이며, 하루 있는 것만으로 전신 CT 스캔을 받는 수준에 도달하는 량이다. 이후 1호기에는 출입금지 조치가 이루어진다. 담당자들은 멜트다운이 일어났다고는 생각하면서도, 일단 가능한 부정하려 애쓰지만 이미 사태를 막을 수는 없단 걸 알았고, 격납용기 바깥으로의 누출이라도 막으려하기 시작한다.

23시 50분 1호기 격납용기내 압력 600 kPa 계측

그러나 그 것도 잠시, 1호기에서 23시 50분 계측한 결과 이미 원자로 격납용기의 설계한도압력을 돌파하였다는 것이 밝혀진다.

3월 12일

0시 6분 1호기 비상방출 준비 지시

이대로 두었다가는 1호기 격납용기가 폭발해버린다는 사태를 낳을 수 있다고 판단한 소장은, 격납용기 내부의 압력을 낮추기 위해 비상방출을 준비할 것을 지시한다. 비상방출은 비등수형 원자로의 격납용기 하단을 둘러싼 물 파이프를 한 번 거쳐, 방사능 누출을 그나마 저감하여, 발전소 외부의 방출 파이프를 통해 내보내는 것이다. 즉 이미 이게 떨어진 상황에서 방사능 누출은 기정화되어 있던 것. 비상방출을 위해서는 직접 사람이 격납용기로 다가가 밸브를 열 필요가 있었다. 작업자들에게는 연간 방사선치를 무시한 채, 80 mSv로 한계를 맞춰둔 선량계를 지급하였다. 비상방출 준비 지시가 내려진 이후, 비상방출은 수 시간 이후에 이루어진다.

비슷한 시각, 비상용 발전차가 도착했으나 이어지는 여진과 지진해일 경보로 인하여 야간 작업에 실패하고, 주간으로 작업이 미루어진다.

4시경 소화수를 1호기에 주입 시도

이 시각에 도쿄 전력 본점 및 총리실과의 연락이 닿지만, 이미 현장에서는 멜트다운 및 비상상황이 일어났다고 알리고 있음에도 도쿄 전력 본점 및 총리실에서는 사태를 어떻게든 숨기고자하는 의도로 현장의 인식을 무시하기 시작한다. 발전소장의 유고록에도 "이미 현장과 도쿄 간에는 엄청난 인식차가 있다는 것을 깨달아 버렸다"하는 것이 쓰여있을 정도.

5시 44분 일본 정부에서 원전 반경 10 km 이내 거주 주민에게 대피령을 내림

6시경 일본 국무총리가 후쿠시마로 출발해, 7시에 도착하여 이야기를 나눴지만, 발전소장은 이후 유고록에서 아무 소용이 없었다고 이야기한다.

8시 3분 1호기 비상방출 지시, 그러나 실패함

그러나 작업자들이 접근했을 시점에 이미 조사당량은 900 mSv/h에 도달, 인간이 7시간 서있는 것만으로도 치사량에 도달하는 수치를 기록하였다. 작업자들은 결국 비상방출에 실패하게 된다.

8시 13분 5호기와 6호기가 비상 전력을 공유하게 됨

이 조치로 다행히 5호기의 멜트다운은 막게 되었다.

11시 36분 3호기 RCIC 격리계 비상 냉각수 주입 계통 정지

8시간 정도 버틴다는 비상전원도 오래가지는 못했고, 3호기에서 결국 문제가 발생하게 된다.

12시 35분 3호기 비상노심냉각장치 가동

격리계 장치가 멈춘 후, 비상전원을 연결하여 고압수 주입 계통(HPCI)를 가동하게 된다. 시간당 약 20톤의 속도로 물을 주입하였다. 그러나 이 당시 소방차에 의한 고압수 주입 계통이 완전하게 작동되지 않았다는 것이 뒤늦게 밝혀진다. 배관 도중의 분기부에서는 펌프가 작동해 물을 멈춰야하지만, 이 펌프가 멈추면서 총 4개소에서 물이 새는 바람에 실제로 물이 들어간 양은 얼마 되지 않는다고.

14시 1분 1호기 비상방출 시작

그나마 격납용기 채로 폭발하는 것을 막았다는 의의는 있으나, 이 조치로 외부에 방사성 누출이 본격적으로 시작된다.

15시 36분 1호기 원자로 건물이 수소폭발

이 시기 작업자들은 외부에서 전원 연결을 하고, 원자로 내 고압주수 환경을 구축하기 시작하였다. 그러나 원자로 건물 내에 쌓인 수소가 폭발하면서 작업자들의 안전이 우려되었고 작업이 중단된다. 또한 이 폭발로 인해 다량의 방사능 물질이 누출되었으며(비상방출로 이미 누출된 상황이었지만), 2호기 원자로 건물 외벽이 손상되었다. 이는 나중에 방사능 물질의 누출을 가속화시키는 원인이 되었다. 중앙제어실에도 방사선량이 증가하면서 최소한의 인원만 남긴 채 대피하게 된다.

18시 25분 일본 정부에서 원전 반경 20 km 이내 거주 주민에게 대피령을 내림

10 km 이내 대피령이 떨어진지 13시간 후, 2·3호기 비상방출 준비에 돌입하고 추가적인 방사능 누출이 우려되어 대피령을 확대하였다.

19시 4분 1호기 해수 주입 개시

펌프카를 건물 소방 라인에 연결하여 첫 해수 주입을 시작했다. 20시 45분 부터는 붕산수를 혼합하여 주입한다.

3월 13일

2시 42분 3호기 비상노심냉각장치 수동 정지

전날 가동했던 비상노심냉각장치 중 고압 주수계가 별 효과가 없었다고 판단했다. 수동 정지 후 다른 냉각 방법을 강구했으나 실패하였고, 비상냉각노심장치 재가동도 실패해 3호기의 냉각능력이 상실되었다.

9시 20분 3호기 비상방출 시작

냉각능력의 상실로 압력이 상승하여 안전장치가 작동하였다. 압력용기 내부 증기가 격납용기로 방출되었고, 격납용기 압력 해소를 위해 비상방출이 진행되었다.

9시 25분 3호기 붕산수 투입 시작

후일 검토에서는 배관 균열로 누수가 심해 큰 효과는 없었을 것 이라고 추측했다.

10시 15분 2호기 비상방출 시작

3월 14일

11시 1분 3호기 원자로 건물이 수소폭발

폭발로 3호기 해수 주입이 2시간 30분 동안 지체되었다.

13시 25분 2호기 RCIC 격리계 비상 냉각수 주입 계통 정지

19시 57분 2호기 해수 주입 시작

냉각능력을 상실한지 4시간이 넘어서야 해수 주입이 시작되었다.

3월 15일

6시 10분 4호기 원자로 건물이 수소폭발

3호기 비상방출 라인을 공유하고 있어, 3호기 비상방출 때 해당 라인을 통해 3호기의 수소가 유입되었다고 추측하고 있다.

3월

• 3월 12일
  • 04시 경 : 소화 라인을 통해 민물을 1호기에 주입
  • 05시 44분 : 정부에서 후쿠시마 원전 반경 10km 이내 대피령
  • 08시 13분 : 5호기와 6호기가 비상 전력을 공유하게 됨
  • 11시 36분 : 3호기 냉각계통 정지
  • 12시 35분 : 3호기 비상노심냉각장치 가동
  • 15시 36분
    • 1호기 원자로 건물에서 수소폭발
    • 2호기 외벽이 폭발 후폭풍으로 손상
  • 18시 25분 : 정부에서 후쿠시마 원전 반경 10km 이내 대피령
  • 20시 45분 : 1호기에 붕산 주입 시작
• 3월 13일
  • 02시 42분 : 3호기 비상노심냉각장치 수동 정지
  • 09시 25분 : 3호기에 붕산 주입 시작
  • 14시 40분 : 3호기 출입구에서 높은 방사선이 검출 (멜트다운이 시작된 것으로 보임)
• 3월 14일
  • 11시 01분 : 3호기 원자로 건물에서 수소폭발
  • 20시 경 : 2호기의 멜트다운이 시작된 것으로 보임
• 3월 15일
  • 06시 10분 : 4호기 원자로 건물에서 수소폭발
  • 11시 정각 : 정부에서 후쿠시마 원전 반경 20km ~ 50km 이내 외출 금지령
• 3월 20일 15시 46분 : 1·2호기 관리용 전력 복구
• 3월 21일 11시 36분 : 5·6호기 관리용 전력 복구
• 3월 22일 10시 35분 : 3·4호기 관리용 전력 복구
• 3월 24일 : 3호기 터빈 건물 지하에 방사능 오염수가 고여있음이 확인 됨
• 3월 28일 : 발전소 지하에 방사능 오염수가 고여있음이 확인 됨

4월

• 4월 2일 : 2호기 취수구를 통해 고농도의 오염수가 바다로 유출되는 것이 확인 됨
• 4월 4일 19시 03분 : 도쿄전력이 방사능 농도가 낮은 오염수 1만톤을 바다에 내다 버림
• 5월 11일 : 3호기 취수구를 통해 고농도의 오염수가 바다로 유출되는 것이 확인 됨
• 12월 16일 17시 정각 : 정부와 도쿄전력이 냉온 정지를 달성했다고 선언