1. 개요
조요([ruby(常陽, ruby=じょうよう)])
일본 이바라키현 히가시이바라키군 오아라이마치에 위치한 ( 도쿄 위쪽으로 약 100km) 고속 증식로. 미쯔비시, 도시바, 히타치, 후지전기가 건설했고 일본원자력연구개발기구(Japan Atomic Energy Agency, JAEA)에서 관리하고 있는 실험용[1] 고속증식로이다. 또 하나의 고속증식로인 몬주의 프로토타입으로 만들어졌다.
뉴턴은 몬주가 일본에서 유일한 고속증식로라고 소개함으로서 조요를 흑역사 취급하였다.
2. 규격
- 형식: 나트륨 냉각형 고속증식로 (Sodium Cooled Fast Breeder Reactor)
- 열 출력: 140MW(14만 KW)
- MK-I: 노심이 50MW, 75MW
- MK-II: 노심이 100MW
- MK-III: 노심이 140MW
- 원자로 격납용기: 내경 28m, 높이 54.3m, 두께 12-27mm의 탄소강철. 완전밀폐구조
- 원자로 용기: 내경 3.6m, 높이 10m, 두께 25mm의 스테인리스
- 쿨러: 냉각기 건물에 공기 냉각기 4대. 실험용 원자로라 발전 설비는 없다.
3. 연료교체 기록
- MK-1: 1977년 4월 24일~1982년 1월 1일
- MK-2: 1982년 11월 22일~1997년 9월 12일 (5만 시간 연속운전 달성)
- MK-3: 2003년 7월 2일~현재
4. 개요
1971년 착공에 들어가 1977년 첫번째 증식로인 Mark-I가 1977년에 완공됐으며 그 후 연구 목적으로 Mark-II, Mark-III가 만들어졌다. 현재는 Mark-I, Mark-II는 이미 폐로되었고, FR 형식인 Mark-III가 2003년에 가동을 시작해 2007년 가동을 중지 후 2022년 현재에 이르고 있다.Mark-I이 FBR 형식의 고속증식로로서 이를 이용해 핵연료를 증식시킬 수 있는 기술이 연구되었다. 그 후 Mark-II, Mark-III가 FR 형식으로 만들어졌으며 고속 중성자를 이용해도 핵연료가 증식되지 않는 고속로로서 개발되었다.
2003년부터 운용되기 시작한 Mark-III는 2007년에 MARICO-2라 불리던 측정 장치 윗부분이 파손된 사고가 발생, 운용이 중지되었다. 때마침 2011년에 일어난 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인해 원자력 발전에 대한 규제가 강화되었으며, 여러 기준에 미흡한 부분이 해결되지 않아 현재까지 운용 및 상업적 가동이 막힌 상태가 되었다.
2022년 현재, 2024년 재가동을 위해 심사 중이다.
5. 사건 발생
이 사고는 2가지 설계 결함 및 작동 불량에 의한 사고라 할 수 있다. #
문제가 일어난 이유는 크게 3가지로 볼 수 있는데,
- 연료봉 집합체의 머리 부분을 잡아올리거나 내릴 때 쓰이는 걸개의 설계 불량으로 걸개와 연료봉 집합체의 분리가 불가능
- 연료봉 집합체의 중량 측정 불량
- 중량 측정 결함에 의한 측정 장치의 잘못된 동작
위 사진이 조요에서 사용 중인 연료봉 집합체. 오른쪽의 작은 연료봉들이 집합체 안에 들어가게 된다.
연료봉 집합체.
5.1. 사건 발생 과정
1. 측정 장치의 설계 결함으로 인해 연료봉 집합체와의 분리 불가MARICO-2로 불리던 이 측정 장치는 연료봉 집합체를 노심에서 끌어올려 중량을 재거나 사용된 연료량의 측정, 온도 측정 등의 측정 장치를 하나로 모은 것으로써 격납용기 뚜껑에 기둥처럼 내려와있는 형태를 하고 있다.
위 그림에서 용기 한가운데 있는 것이 제어봉과 밀폐벽 등등의 기능을 가진 상부 제어 기구. 그림에는 없지만 연료봉 교체기가 따로 존재해 위 개폐기에 함께 물려있다.
기둥처럼 생긴 이 측정 장치는 원래 MARICO-1이라는 모델을 베이스로 만들어졌는데, Mark-I 및 Mark-II에서 별 문제 없이 사용된 모델이었다. 3번째 노심인 Mark-III에서는 몇 가지 기능이 추가된 MARICO-2가 설계되었으나 기본적인 형태나 크기는 MARICO-1과 동일했다. 그러나 MARICO-1은 사실 설계에 문제가 있었으나 만들어진 시제품은 설계도와 차이가 있었으며, 이것이 문제 없이 쓰여진 이유였다. 즉 MARICO-1은 설계도대로 만들어지지 않았기 때문에 문제가 없었던 것.
MARICO-2를 제작하는 업체가 바뀌고, 기본적인 부분은 MARICO-1과 동일한 설계로 만들어진 MARICO-2는 설계도대로 오차가 발생, 결국 연료봉 집합체를 적절히 분리하지 못한 사고가 벌어졌다. 사고 발생 후 조사에 착수한 원자력연구개발기구는 MARICO-1의 실제 사이즈와 MARICO-2 설계도의 사이즈를 비교한 후 MARICO-1의 전제적인 사이즈에 약 1~2mm 정도 오차가 있었다는 사실을 파악하게 된다. 즉 설계에 문제가 있었다는 사실과 설계도대로 만들어지지 않은 MARICO-1의 문제로 조요는 이후 운용에 커다란 문제점에 봉착한다. Mark-III가 도입되던 시기는 상업용으로의 전환이 검토되던 시기였다.
결국 설계 미스로 인해 MARICO-2의 걸개가 연료봉 집합체에 걸려 중간에 빠지지 않게 되었고, 이 상태에서 다음 #2, #3으로 이어진다.
2. 중량 측정의 결함
측정 장치(MARICO-2)는 연료봉 집합체를 들어올린 상태인지 아닌지를 알기 위해 측정 장치 자체의 중량을 여러 번 재는 방법을 썼다. 연료봉 집합체를 들어올린 상태에서 무게를 잰 다음 측정 장치만큼의 무게를 다시 빼면 연료봉 집합체가 들려있는지 아닌지 상황이 나오는 식.
용기 내에는 냉각을 위해 액체나트륨이 가득 차있고 이것은 물과는 다르게 안이 보이지 않는다. 액체 나트륨이 용기 내부에 가득 차있는 상태에서 측정 장치의 상황을 파악하기에는 무게를 측정하는 방식이 가장 확실했던 것.
노심 안을 감시할 수 있는 라이브 카메라도 장착된 상태였으나 측정 장치의 잘못된 움직임에 의해 파손된 상태였다. 때문에 모니터링 시스템은 물론 컨트롤룸에서도 이 문제를 인식한 사람은 없었다.
3. 측정 장치의 잘못된 동작
시스템상 연료봉 집합체를 노심에 삽입한 후 MARICO-2를 들어올린 후 측정 장치가 옆으로 회전했다. 그러나 실제로는 #1 및 #2의 결함으로 인해 MARICO-2에 연료봉 집합체가 걸린 상태였다.
정확한 무게 측정에 실패, 연료봉 집합체가 실제로 걸려있음에도 다른 연료봉 집합체를 들어올리려 회전한 탓이었다. 이로 인해 연료봉 집합체의 윗부분이 잘리면서 노심 아래로 추락, ㄱ자로 구부러지며 노심에 걸린 상태가 되었다.
또한 측정 장치와 노심 사이는 3~30cm 정도로 공간이 매우 좁은데 추락한 부분을 그냥 놔두면 다른 연료봉에도 심각한 문제를 초래할 가능성이 있었다.
좀 더 자세한 조사 결과, MARICO-2의 회전으로 잡아뜯긴 연료봉 집합체는 머리 반쪽이 잘린 상태에서 나머지 부분이 구부러져 노심에 걸쳐있는 상태였고, 이 걸친 윗부분이 측정 장치와 연료봉 교체 장치에 걸려서 움직일 수도 없다.
대충 이런 상태다.
담당 엔지니어는 물론 이를 보고 받은 총리도 멘붕... 이 감동의 멘붕은 몬주로 이어진다.
5.2. 문제점
- 원자로 내부의 핵연료 24%를 빼낼 수 없는 상태. 측정 장치와 연료 교체 장치를 움직일 수 없기에 그렇다.
- 움직이려면 일단 측정 장치 전체를 들어내야 하는데 이것 자체가 엄청나게 어렵다. 프랑스에서 한 번 성공하긴 했다.
- 연료봉 집합체도 특수 장치를 이용해 빼내야 하는데 머리가 구부러진 상태로 걸쳐있는 걸 아무것도 안 보이는 상태에서 빼는 것도 엄청나게 어렵다. 콜라 안에 바늘을 걸쳐놓은 것과 비슷하다. 빼낼 때에는 액체 나트륨의 수위를 낮춘 후 진행되겠지만 이러면 냉각이 안 되기에 상당히 위험하다.
- 연료봉 집합체에 있던 고정핀(집합체 머리 부분을 고정하기 위한 핀)이 무려 6개나 아래로 빠졌기 때문에 이것도 찾아야 한다. 이 핀들이 어디 구석에 가서 막히거나 해서 액체 나트륨 대사에 방해가 된다던지 하면 진짜 복구는 불가능하게 될 가능성이 있다.
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복구 완전 불가?
몬주의 제어봉 빼는 게 easy였다면 이건 SUPER ULTRA VERY HARD 정도. 2011년 중순부터 이를 빼내기 위한 특수 장치의 설계 및 제작에 들어갔으며 2014년부터 제거 작업이 시작될 예정이다.
대충 어림 잡아 보면 원자로 뚜껑을 덮을 더 큰 새 뚜껑, 측정 장치를 들어올리기 위한 크레인, 연료봉 집합체를 빼낼 특수 장치, 고정핀 제거용 특수 장치, 그 외 측정 장치, 관측 장비, 사전 실험, 예행연습 등등... 오래 걸리면 걸렸지 더 빠르게는 안 될 듯하다.
사실 '원자로 운전정지 중'이라는 말들을 많이 사용하는데 원자로에 있어 운전정지란 원자로 내에 아무것도 들어있지 않을 때에만 사용할 수 있지 실제로는 다르다. 다시 말해 '운전정지'는 '전력을 생산하지 않는 상태'를 뜻하는 것이지 원자로 내에서 연료는 평소대로 타고 있고 냉각재도 평소대로 돌고 있는 상태다.
때문에 지금의 조요 원자로도 마찬가지로 연료는 타고 있고 냉각제도 그대로 돌고 있다. 단지 저것들을 빼낼 때까지는 뭘 해보고 싶어도 못한다는 것이 좀 다를 뿐.
조요 원자로가 몬주 원자로보다 위험한 상태인 것은 분명하다. 몬주는 걸렸던 것을 빼냈기 때문에. 단, 그것이 어떻게 위험한 상태이며 어떤 부분을 신경 쓰고 있어야 할지 분명히 알아둘 것은 알아둬야 할 것이다.
그래도 2014년 상기 문제점들이 복구되었다. 그리고 처음부터 실험용이었기 때문에 몬주가 폐쇄되더라도 조요는 그대로 사용할 예정이다.
5.3. 복구 과정
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2009/07/22
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용기 전체를 밀폐하기 위한 특수 커버, 측정 장치와 연료봉 집합체를 끌어올리기 위한 장치, 수용 장치 등등의 설계 및 제작 돌입.
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2014/05/22
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5년간의 준비 과정(용기 전체를 밀폐하기 위한 특수 커버, 측정 장치와 연료봉 집합체를 끌어올리기 위한 장치, 수용 장치 등)을 끝내고 본격적인 복구 작업 개시. 여기까지 7년이 걸렸다.
복구 작업은 1. 특수 장치로 용기 폐쇄, 2. 측정 장치 제거, 3. MARICO-2 제거, 4. 새로운 특정 장치와 MARICO-x 투입 순으로 진행되며 2014년 10월까지 끝낼 예정이라고 한다.
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2014/11/28
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독립행정법인 원자력연구개발기구는 노심 상부 구조 전체의 교환 작업과 그에 관련된 장치를 모두 복구했다고 발표했다.
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2015/06/25
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노심 상부 기관의 교환과 측정용 실험 장치의 회수를 완료함으로써 연료 교환에 관련된 기능을 복구했다.
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2017/03/30
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원자력연구개발기구는 고속증식로에 관련된 신 규제 기준에 필요한 적합성 확인을 위해 원자력 규제위원회에 증식로 설치 변경 허가 신청서를 제출했다.
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2017/05/22
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이 날 열린 회의에서 증식로 설치 변경 제안서의 내용 수정이 필요하다는 결론이 내려졌다. 변경된 제안서를 다시 제출해서 심사 받으라는 뜻으로 새로운 규제 기준에 필요한 자료를 추가할 예정이다.
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2018/10/26
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이 날 원자력연구개발기구는 지적 받았던 내용을 수정, 추가한 원자로 설치 변경 허가 신청서를 제출했다. - 열 출력과 설비의 적합성
- 신 규제 기준에 따른 적합성
① 방사능 물질이 방출된 문제점에 대한 대책
② 자연 현상
③ 설계 기준에 맞는 시설물
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2022/05/31
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원자력위원회는 2022년 5월 31일, 원자력개발기구의 조요 고속증식로와 토카이 재처리 시설를 시찰했다. 2018년 이후 4년만의 시찰이었으며 원전 재가동을 위한 평가 항목에 이 결과를 반영할 예정이라 한다.
6. 참고 사항
1977년에 발행된 우표. 누가 기획했는지 정말 감탄할 만하다(...)
- 2010년 1월 22일, 원자로 부속 건물에서 화재 발생. 피폭을 당한 사람은 없다고 한다.