월성 1호기 압력관 교체 현황과 문제점
2009. 3. 30. 환경연합 에너지기후팀 양이원영 부장
1. 현황
○압력관이란?
- 캐나다에서 설계 제작된 캔두형 원자로의 1차 계통인 원자로 구성 부품 중 하나임(원자로 구성: 칼란드리아 용기, 압력관. 원자로관, 냉각재 공급자관)
- 원자로관 안에 위치하는 380개의 관으로 핵연료다발을 장전하고 있음
- 압력관 내부는 핵연료의 비등을 막기 위해 99기압의 압력과 310℃의 고온의 냉각재가 있지만 압력관 외부와 칼란드리아 용기 사이에는 감속재가 흘러서 대기압과 비슷한 기압과 80℃ 이하를 유지하므로 압력관은 내외부 온도와 압력 차이를 견디는 경계로 핵연료를 보호하는 역할을 하고 있음.
○교체 내용
- 계약자 : 캐나다 원자력공사(AECL)
- 시공하도급 : 한전 KPS
- 사업기간 : ‘06.5.30 ~ ’10.12.6 총 43개월 (교체기간 : ‘09.4 ~ ’10.11 총 20개월)
- 사업비 : 3,200억원
- 교체대상기기: 압력관(380개), 원자로관(380개), 냉각재 공급자관(760개) 및 관련기기(엔드피팅) 등 원자로 용기를 제외한 모든 부품
○압력관 교체를 왜 하려고 하나?
- 압력관은 핵연료 내의 핵물질 분열 시에 나오는 높은 에너지인 중성자선과 원자로 내의 높은 압력, 열을 견디고 있지만 이로 인해 두께 감소, 내경 증가 등과 함께 길이방향으로 늘어나게 됨
- 압력관 연신량(늘어난 양)이 허용치를 초과하면 베어링이 지지판을 이탈하게 되어 원자로 내 핵연료 등에 심각한 문제가 발생할 수 있음.
- 1986년 체르노빌 사고의 체르노빌 원자로도 월성 1호기의 캔두형 원자로와 같은 ‘positive void coefficient'를 이용하는 설계상의 특징을 가지며 노심 안쪽에 압력관이 있음. 체르노빌 사고의 원인이 압력관 파열에 의해 야기되었거나 그에 의해 증폭되었을 가능성이 있다는 지적이 있음.
- 압력관은 설계상 원전 평균 이용율 80% 운전 조건에서 30년간 운전할 수 있도록 제작되었음.
*이용율=(발전설비 용량-계획예방정비시간-비계획 정지일=실 발전량)/(총 발전량)
- 월성 1호기는 높은 이용율(86%)로 인해 압력관 연신량이 설계 수명보다 약 4년 일찍 제한치(76.2mm)에 도달했음.
- 압력관 연신량 증가로 인한 안전성 문제를 해결하기 위해서 그동안 문제가 생긴 압력관은 부분 교체하거나 미세 이동해왔음(‘94년에 3채널 교체, '07년 11월에 연신량이 72.05mm이 되어 81개를 미세이동 시켜 63.56mm로 줄임)
- 그러나 이번 교체 작업은 압력관만이 아니라 원자로 용기를 제외한 모든 부품을 교체하는 것으로 압력관의 연신량 최대 허용치를 확대할 뿐만 아니라 원자로관, 냉각재 공급자관의 능력을 향상시켜 사실상의 추가 수명 30여년을 준비하고 있다고 봄.
* 교체 후 주요 개선사항
1. 압력관 재질 취성 보강: 파괴인성을 개선하고 수소지연파괴(DHC) 가능성을 줄임.
2. 연신량 최대 허용치 확대: 슬리브의 길이를 증가시킴으로써 최대 허용 연신량을 76.2mm에서 98mm로 증대시킴.
3. 원자로관 열전달 능력 향상: 원자로관의 열전달 능력을 향상시킴.
4. 냉각재 공급자관 재질변경: 탄소강 배관의 감육을 개선하고 추가적인 관두께 여유도를 제공함.
○압력관 교체 허가 일정
2005. 2. 제 29차 원자력안전위원회에서 압력관 연신량 증가에 대한 대책을 수립․시행할 것을 의결함.
2006. 6. 7. 캐나다 원자력공사(AECL)과 한수원(주)의 압력관 교체 계약 체결
2007. 7. 19. 한수원(주) 압력관 교체를 위한 운영변경허가 신청
2008. 7. 21~24. 원자력안전전문위원회 5개 전문분과에 심사 현황 보고
2008. 7. 1 폐압력관 저장시설 공사 시작( (주) 대우건설)
2008. 8. 4. 압력관 저장시설 설치 운영변경허가 승인
2008. 10. 6. 원자력안전전문위원회 5개 전문분과 심사 현황 서면보고
2008. 11. 안전성 심사 완료
2008. 12. 4. 원자력안전전문위원회 계통분과, 월성 1호기 압력관 교체 안전성 심사 결과(안) 의결
*의결 내용 - 원자로 시설의 설계 및 성능, 교체 장비 및 작업의 안전성, 방사선 방호계획, 방사성폐기물 관리, 품질보증계획 등이 관련 요건과 기술 기준을 만족함
- 최종적인 안전성 확인을 위하여 아래의 주요 공정마다 검사를 받고 합격한 경우에 운영하도록 허가조건 부과가 필요함(원자력법 제 104조)
▷압력관 교체공정, 기능시험, 수압시험, 연료장전 및 시운전 시험
2008. 12. 16. 원자력안전위원회 심의, 원안 의결
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<법적근거>
원자력법
제21조 (운영허가) ①발전용 원자로 및 관계시설을 운영하고자 하는 자는 대통령령이 정하는 바에 따라 교육과학기술부장관의 허가를 받아야 한다. 허가받은 사항을 변경하고자 할 때에도 또한 같다. 다만, 교육과학기술부령이 정하는 경미한 사항을 변경하고자 할 때에는 이를 신고하여야 한다. ②제1항의 허가를 받고자 하는 자는 허가신청서에 발전용 원자로 및 관계시설에 관한 운영기술지침서(이하 "운영기술지침서"라 한다)·최종안전성분석보고서·운전에 관한 품질보증계획서·방사선환경영향평가서(제11조제2항의 규정에 의하여 제출된 방사선환경영향평가서와 달라진 부분에 한한다) 및 교육과학기술부령이 정하는 서류를 첨부하여 교육과학기술부장관에게 제출하여야 한다. ③제13조의 규정은 제1항의 경우에 이를 준용한다. 이 경우에 제13조제3호중 "제17조"는 "제24조"로 본다.
원자력법 시행령
제34조 (변경허가의 신청) ①발전용원자로운영자가 법 제21조제1항 본문 후단의 규정에 의하여 그 허가받은 사항의 변경허가를 받고자 할 때에는 교육과학기술부령이 정하는 바에 의하여 그 변경허가신청서를 교육과학기술부장관에게 제출하여야 한다.
원자력법 시행규칙
제15조 (운영허가의 신청 등) ①영 제33조제1항의 규정에 의한 원자로시설운영허가신청서는 별지 제10호서식에 의한다. ②교육과학기술부장관은 법 제21조제1항 본문의 규정에 의하여 원자로시설의 운영허가를 하는 때에는 별지 제5호서식에 의한 원자로시설운영허가증을 신청인에게 교부하여야 한다. ③법 제21조제2항에서 "교육과학기술부령이 정하는 서류"라 함은 다음 각호의 서류를 말한다. 1. 원자로의 운전에 관한 기술능력의 설명서 2. 핵연료의 장전계획에 관한 설명서 3. 비상운전절차서의 작성시 적용할 기술적 근거 및 검증방법에 관한 설명서 ④제3항제1호의 설명서 작성에 대한 세부사항은 교육과학기술부장관이 정하여 고시한다. 제17조 (변경허가의 신청) ①영 제34조의 규정에 의한 원자로시설운영변경허가신청서는 별지 제11호서식에 의한다. ②제1항의 규정에 의한 신청서에는 제15조제1항의 규정에 의한 운영허가신청서 첨부서류중 변경에 관계되는 부분에 해당하는 서류와 원자로시설운영허가증을 첨부하여야 한다. |
○압력관 교체 추진일정(총 20개월)
2009. 4. 1. 원자로 정지 및 교체 작업 착수
5. 16. 연료 제거 완료
5. 24. 냉각재 배수 완료
8. 15. 냉각재 공급자관 제거 완료
12. 5. 압력관 및 원자로관 설치 완료
2010. 3. 17. 압력관 및 원자로관 설치 완료
6. 25. 냉각재 공급자관 설치 완료
8. 8. 연료 장전 완료
8~12. 시운전 및 발전 재개
○전체 압력관 교체 선례
- 교체 완료: 캐나다 피커링 1~4호기(‘87~’93)
- 교체 중: 캐나다 부루스 1, 2호기(‘07~), 캐나다 포인트레프르(‘08~)
- 교체 예정: 캐나다 부루스 3, 4호기, 한국 월성 1호기
* 피커링 발전소의 압력관 교체는 원자로 내 모든 부품의 교체를 통한 수명연장이 아닌 2호기의 압력관 파열사고로 인한 것임.
* 피커링 2호기가 1983년에 경보도 울리지 않은 상태로 압력관이 파열되면서 원자로 냉각이 실패하게 되는 큰 사고가 발생하여 유사한 사고를 방지하기 위해 1, 2호기의 압력관을 교체하는 데에 당시 비용으로 7억 달러(약 7천억원)가 들었고 4년 동안 폐쇄되었음.
* 젠틀리 2도 1995년에 같은 이유로 전체 압력관을 교체하기로 되어 있었으나 경제적인 문제로 인해 압력관을 교체하는 대신 원자로관과 압력관 사이의 ‘garter springs'라 하는 지지대를 접합시켜서 파열을 막아보는 시도를 함.
* 이와 같은 방식은 포인트 레프르 발전소에도 적용되었으나 최근 전체를 교체하게 되었고 부르스 핵발전소도 교체할 여력이 없어서 폐쇄 논쟁이 있었고 냉각재 배관에도 문제가 생겨 건설비용(18억 달러)의 두 배(30억 달러)에 달하는 비용을 들여 배관을 교체했음.
○ 캔두형 핵발전소의 수명연장 선례
- 중수를 사용하고 농축하지 않은 우라늄을 사용하며 가동 중에 일상적으로 핵연료 부분적으로 교체 할 수 있어 핵물질 유출이 상대적으로 쉬운 것을 특징으로 가지고 있는 캔두형 가압중수로(PHWR)는 설계상의 결함으로 인해 압력관 파열, 냉각배관 부식 등의 문제가 심각해 종주국인 캐나다 이외에는 인도, 파키스탄, 한국, 아르헨티나, 루마니아가 소수 이용하고 있어 세계 핵발전소의 5%를 차지하는 수준이라 가동 경험이 부족하며 수명연장 경험도 없음.
- 월성 핵발전소도 1999년에 냉각배관 부식 등의 안전성 문제로 국정감사에서 지적되었으며 잦은 중수 누출 사고와 단층 영향으로 인한 부등침하 등의 안전성 문제가 발생함.
- 가동 중에 압력관 교체 등의 안전성의 문제가 생긴 것으로 인해 가동 중지 기간이 길어져 폐쇄 시기가 설계수명보다 10여년 정도 늘어난 피커링 발전소를 제외하고는 캔두형 발전소 중에 설계 수명을 다한 뒤 수명이 다시 연장된 사례는 아직 없음.
- 압력관 교체 작업 중인 포인트 레프르 발전소도 가동한 지 20년 만에 하는 교체작업임.
- 캐나다 이외의 나라에서 압력관 전체를 교체하고 수명연장을 준비하는 나라는 한국이 처음임.
*출처: ‘Cost drivers for the assessment of nuclear power plant', IAEA. Sep. 2002. (단위: Gwe)
- 세계적으로 가압 중수로(PHWR)의 비중이 적고 가동 연도도 상대적으로 적은 것을 확인할 수 있음.
*출처: ‘Canadian Nuclear Program Information & Control 2005', AECL, May. 2005.
- 부르스와 포인트 레프르에 이어 월성 1호기가 수명이 다했음을 보여주고 있는데 앞선 발전소들이 압력관 교체 작업을 하고 있고 월성 1호기들이 준비 중에 있음.
*출처: ‘Canadian Nuclear Program Control and Instrumentaion 2007', AECL, May. 2007.
- 캐나다 전력공사(AECL)는 부르스와 포인트 레프르 발전소와 함께 월성 1호기를 수명연장 할 계획임을 밝히고 있으며 젠틀리 2와 엠발스도 압력관 교체를 통해 수명연장을 기대하고 있음을 확인할 수 있음.
2. 문제점
○ 조기 노후화에 대한 책임과 처리 문제
- 압력관 조기 노후화는 한수원(주)와 월성발전본부 측이 월성 1호기를 설계상의 이용률(80%)보다 높은 이용률(86%)로 전력을 생산해오면서 발생한 문제로 그로 인해 약 4년간 일찍 핵심 부품 중의 하나가 수명이 다한 것임.
- 높은 이용률은 그만큼 많은 전력을 생산․판매했다는 의미이며 월성 1호기는 애초 수명 상의 경제적 이득을 충분히 확보했다는 의미임.
- 결국, 본전 일찍 뽑고 수명 일찍 다한 것이니 무리한 가동으로 인한 조기 노후화에 대한 처리는 조기 중단이 합리적인 수순임
- 핵심부품 교체로 설계 수명보다 가동을 연장하기 위해서는 그에 맞는 절차를 밟아야 함.
○ 수명 연장 위한 수순을 은폐하고 허가 절차를 무시하는 한수원(주)의 도덕적 해이 문제
- 한수원(주)는 압력관 교체를 위한 이번 가동 중단이 수명연장을 위한 것이 아닌 안전성 확보를 위한 것이라고 강변하고 있음.
- 그러나 한수원(주)가 월성 1호기를 턴키(turn-key) 방식으로 공급한 캐나다 전력공사(AECL)와 압력관을 비롯한 원자로 전 부품을 교체하기로 계약한 때부터 AECL은 연례 보고서와 소식지, 보도자료 등을 통해 캐나다 부르스, 포인트레프르와 함께 한국의 월성 1호기 수명연장 준비를 착실히 지원하고 있다고 밝히고 있음.
- 원자력법에 의하면 수명연장을 위해서 사업자는 주기적안전성평가 보고서, 주요기기에 대한 수명평가 보고서 및 운영허가 이후 변화된 방사선 환경영향 평가보고서를 수명기간 만료일로부터 최소 2년 전에 관련 기관에 제출하도록 되어 있음.
- 2012년 11월 수명이 완료되는 월성 1호기가 수명연장을 위해 제출하는 안전보고서 제출 시한인 2년 전은 2010년 11월로 압력관 교체 작업이 완료되는 시기와 맞물리므로 이번 가동 중단은 압력관 교체 이외에도 수명연장을 위한 관련 보고서 작성을 위한 작업임을 예상할 수 있음.
- 원자력안전위원회의 압력관 연신량 증가에 대한 대책 수립 요구에 따라 압력관 교체를 위한 운영변경허가 신청을 했지만 교체작업은 압력관만이 아닌 원자로관과 냉각재 배관 등 관련 부품 전체를 교체하는 것으로 사실상 수명연장 작업을 시작했다고 볼 수 있음.
- 또한, 사업자로서 무리한 경제적 부담을 감수하고 관을 교체하면서 손해를 보는 것을 기대하기 어려움.
- 압력관을 교체하게 되면 월성 원자력 본부 측은 막대한 비용을 지출하게 되고 이를 만회하기 위한 수명연장 시도는 당연한 수순으로 보임
- 허가 나기 전에 먼저 돌이킬 수 없는 막대한 비용을 들이고 이 매몰비용(sunk cost)을 허가를 얻는 데에 이용한 방식은 한수원(주)가 늘 해오던 방식임.
- 경제학적인 측면에서도 합리적인 선택을 할 때 매몰비용은 고려해서는 안 되는 비용이며 사업자가 감당해야하는 것이지만 한국전력공사의 자회사인 한수원(주)는 공기업이므로 경제적 적자는 결국 국민세금으로 충당할 수밖에 없는 구조라서 그동안 주요한 압력수단이 되어 왔으며 한수원(주)의 도덕적 해이를 보여주는 관행임.
- 이런 관행이 다시 되풀이 되지 않도록 하기 위해서라도 압력관 교체 작업은 중단하고 수명연장을 전제로 맺은 계약은 해지해야 전체 비용 대신 약간의 위약금의 손해만을 보게 됨.
*참고: 압력관 교체에 따른 경제적 문제
- 2012년 11월 수명 완료 시점을 앞두고 2년 안전 가동을 위해 3,200억원 부담 + 𝜶
- 2년 추가 안전 가동으로 전력 판매를 예상한 수입: 약 4,688억원
- 월성 1호기 가동을 위한 고정 지출(2008년 한수원(주)의 지출은 영업수익의 82.6%였음): 약 3,871억원
- 2년 추가 안전 가동을 통한 법인세전 총 예상 이익: 약 817억원
- 2008년 한수원(주)의 단기 순이익은 3,523억임.
○ 교체 작업에 대규모 높은 준위의 방사성 폐기물 대량 발생
- 교체 작업으로 인해 발생하는 고체폐기물 총량: 약 360톤(압력관 23, 원자로관 8.7, 원자로관삽입체 0.8, 엔드피팅 155, 냉각재 공급자관 170)의 교체 부품과 핵연료 4,560다발
- 고리 1호기가 수명연장을 위해서 교체한 증기발생기가 2차 계통의 부품이라서 방사선에 의한 오염 정도가 낮은 중준위 폐기물이었다면 월성 1호기에서 교체하는 압력관은 핵연료를 둘러싼 1차 계통의 부품이라서 중준위 보다 높은 준위의 폐기물이 다량 발생하게 됨.
- 이로 인해 일부 폐교체관을 중저준위 저장고에 보관하지 못하고 월성발전본부 측은 사용후 핵연료 건식저장소 옆에 별도의 폐기물 저장소를 작년 7월부터 건설하고 있음.
- 폐압력관의 준위 기준이 확인되어야 함: 일반적으로 핵폐기물은 출처에 상관없이 절대방사선량과 발열량에 따라 저준위-중준위-고준위 폐기물로 분류하는데 한수원(주)와 월성발전본부 측은 교체된 폐압력관 등이 중저준위 폐기물보다 높은 방사선준위를 나타내고 있다고만 밝힐 뿐 절대 방사선량에 대해서는 공개하고 있지 않으면서 중저준위 폐기물로 분류하고 있음.
*폐기물 구분 기준
저준위 핵폐기물 : 핵물질에 오염된 작업복, 장갑 등(40베크렐/g)
중준위 핵폐기물 : 폐로와 재처리과정에서 나오는 중간 방사능 세기의 폐기물(4,000베크렐/g 이하)
고준위 핵폐기물 : 사용후 핵연료와 재처리 후 나오는 가장 높은 방사능 세기의 폐기물(4,000베크렐/g 이상)
○ 압력관 교체에 따른 피폭 문제
- 원자로 전면의 방사선량 측정결과(‘07.12)가 캐나다 포인트 레프르 원전에 비해 1.7배가 높은 선량을 나타내고 있다고 보고하고 있으나 절대 방사선량에 대해서는 공개하고 있지 않음.
* 방사선원: 칼란드리아 내면의 방사화에 의한 코발트 60, 크세논 등 다양한 방사성 동위원소
- 원자로의 부품 교체 작업에 납 차폐 등 안전 조치를 취한다고 하지만 높은 방사선 환경 속에서 작업하는 노동자들은 방사선 노출의 위험에 놓임.
- 다량의 사용후 핵연료와 높은 준위의 폐기물 발생으로 인한 노동자와 주변 지역이 방사선 노출의 위험에 놓임.
- 작업자 1인당 피폭선량은 연간 법정선량한도인 50m시버트 보다 낮은 20m시버트로 설정했으나 국제적 권고치의 일반인의 기준치가 1m시버트인 것을 감안하면 여전히 높은 수치임.
3. 참고자료
‘Cost drivers for the assessment of nuclear power plant', IAEA, Sep. 2002.
‘Canadian Nuclear Program Information & Control 2005', AECL, May. 2005.
‘Canadian Nuclear Program Control and Instrumentaion 2007', AECL, May. 2007.
‘CANDU Life Extension - Maximum Value For Our Investment', AECL, Feb. 2006.
'AECL AWARDED MAJOR RETUBING CONTRACT FOR KOREAN CANDU REACTOR', AECL Press Release, June. 7. 2006.
'Heavy Water Reactors: Status and Projected Development', IAEA, 2002
'Nuclear power plant ageing and life extension: Safety aspects', IAEA BULLETIN, 4/1987
'CANDU Services - MAximizing Plant Performance and Reducing Costs', AECL, 2006
'Nuclear Knowledge Management Strategies in Canada', AECL, IAEA-CN-123/01/O/02
'Impacts of nuclaer power plant life management and long-term operation', P Kovacs, NEA news 2006
AECL Annual Report 2006~2008
‘월성 1호기 압력관 교체 안전성 심사현황 및 향후 계획’, 원자력안전전문위원회제93차원자로 계통분과회의, 2008. 7. 24
‘월성 1호기 압력관 교체 안전성 심사결과(안)’, 원자력안전전문위원회제94차원자로 계통분과회의, 2008. 12. 4
제 38차 원자력안전위원회 개최결과, 2008. 12. 17
'캐나다에서의 반핵운동의 상황과 전망;CANDU의 아시아지역 수출문제에 대해', 고든 에드워드, 1997
‘월성중수로 구조적 결함 논평’, 환경연합, 1999
‘핵공학 개론’, 한국원자력학회
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