일본 핵발전소 폭발에 따라 각국 핵물리학자들의 관심이 고조되고 있다. 미국의 과학잡지 ‘사이언스’는 14일 온라인판을 통해 일본 원전폭발과 관련한 심층적인 의문을 제기해 과학계의 눈길을 잡아끌고 있다.

전문가들이 제기한 의문은 3가지다. 첫째, 후쿠시마 원전 2호기가 격납고 분출(폭발)없이 냉각될 수 있는가?, 둘째, 연료 저장시설이 피해를 입었나?, 셋째, 왜 후쿠시마 반응로 시설이 갖춘 4가지 냉각 방법이 모두 실패했는지이다.

일본 정부는 후쿠시마 원전 시설 폭발에 따라 핵 위기를 포함한 여러 까다로운 난제들에 대해 고심하고 있는 상태다. 한 장소에 있는 다수의 반응로에서 부분적이거나 전체적인 멜트다운에 직면하고 있기 때문이다. 원전 전문가들이 이번 문제에 대해 고심하는 이유이기도 하다.


후쿠시마 원전 2호기가 격납고 분출(폭발)없이 냉각될 수 있는가?

후쿠시마 원전시설의 핵반응로가 폭발하는 동안, 전문가들이 가장 심각하게 바라본 문제는 2호기의 멜트다운을 방지하는 것이었다. 2호기는 냉각수의 수위 레벨이 연료봉이 공기 중에 노출될 정도로 낮아 이미 멜트다운이 시작됐을 수 있기 때문이다.

반응로에 물을 채우는 것은 반응로의 안전 온도를 유지하고 시작되었을지도 모르는 멜트다운을 멈추게 하는 극단적인 방법이다. 이는 물을 가열시켜 증기를 만들어내 반응로 내부의 압력을 증가시킨다.

과거 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)의 선임정책고문을 맡았던 로버트 알바레즈(Robert Alvarez)에 따르면 반응로 과열을 중단시키기 위해 원전시설 직원들이 바닷물을 원자로에 공급하는 방식을 택한 것은 ‘최소한의 나쁜 선택(the least bad option)’이다. 이 방법은 반응로를 불능으로 만들어 폭발 위험을 제거하기 때문이다.

그러나 알바레즈는 발표 1시간 뒤 바닷물 공급 방법은 실패한 방법으로 나타났다고 밝혔다. 이는 반응로 내 압력을 줄일수 있는 증기 배출구에 문제가 생겼기 때문으로, 결국 반응로의 운행정지 효과는 얻지 못했다.

연료 저장시설이 피해를 입었나?

지진으로 흔들린 1호기와 3호기의 폭발은 산소와 반응하는 증기상태의 고온 수소에 의해 일어났다. 폭발은 30미터 깊이의 냉각수 풀에 피해를 주었을 것으로 예상된다. 연료봉은 이 풀에 의해 화재를 방지하고 방사성 핵종(radionuclides)에서 풀어지지 않도록 수년동안 냉각돼 왔다.

그러나 원자로 외부가 폭발한 뒤 3호기를 찍은 위성사진을 보면, 연료통이 떨어져 있고 여러 콘크리트 구조물이 피해를 입은 것으로 보인다. 이 풀은 거대하고, 1미터 두께만큼의 콘크리트와 철로 된 철근 콘크리트로 만들어져 있다.

과학자들의 의문은 이 부분이 손상됐는지에 맞춰져 있다. 또 위성사진에서 볼 수 있는 증기터빈날개에서 연료 풀에 사용된 물이 새어 나왔는지를 궁금해 하고 있다.

풀에 가둬둔 물이 부족해지면, 이는 연료가 온도를 높이는데 소비되고 연료봉의 불길을 잡을 수 있도록 싸 놓은 지르코늄이 벗겨지게 된다. 지르코늄 화재는 엄청난 양의 방사성 세슘이 사용된 연료로부터 튀어나와 연기의 일부분으로 대기 중에 분출되게 만든다.

왜 후쿠시마 반응로 시설에서 4가지 냉각 방법이 실패했나?

과학자들의 마지막 의문은 왜 후쿠시마 원전의 반응로 시설에서 4가지 냉각 방법이 실패했는지에 대한 것이다.

지진으로 흔들렸는지 쓰나미로 인해 물이 반응로 시설로 들이닥쳤는지는 정확히 파악이 안됐으나, 냉각수 흐름을 유지하는 평상적인 펌프 시스템이 피해를 입었다.

이에 대비한 두 번째 대안으로 디젤로 가동되는 펌프 시스템이 있었으나, 이 시스템은 원활하게 가동되지 못했다.

세 번째 백업 장치는 증기가 냉각을 위한 물 역할을 하게 하는 것이다. 하지만 이 역시 실패했거나 여러 원자로에서 짧은 시간동안에만 그 효과를 내는데 그쳤다.

결론적으로, 이동식 발전기로 부터 외부 전기를 가져오는 노력도 실패한 것으로 보인다. 마지막 실패의 이유는 “불명확하다”고 미국 핵학회 공보위원회(American Nuclear Society’s public information committee) 회원이자 은퇴한 핵엔지니어 하워드 쉐퍼(Howard Shaffer)는 말했다.

발전소의 전자 시스템에 문제가 발생했다는 것도 하나의 가능성이 될 수 있다. 확실해 보이는 이 원인을 해결하자면 지진과 쓰나미를 염두에 둔 핵반응 발전시설의 디자인을 사전에 고려했어야 한다고 과학자들은 입을 모으고 있다.