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[학과뉴스] 후쿠시마 제1원전(FDNPS) 오염수 정화 체계에 대한 Overview

2023-06-27l 조회수 1274


언론을 통해 자의적으로 편집되어 의도가 왜곡되어 전달되는 경우가 너무 많아서, 적어도 본 포스팅에서는 정보 전달의 뉘앙스를 보다 확실하게 해두고자 기록해둡니다.

- 현재 시점에, 우리 나라 입장에서 TEPCO의 처리수 방류를 환영해야할 이유도 없고, TEPCO를 도와줄 이유도 없음.
- 하지만, 과학적인 분석들은 모두 방류에 대한 영향이 미미할 것이라는 결론을 향하고 있음.
- 방류를 둘러싼 가장 큰 문제는, 국민들이 막연히 불안해하고 있다는 것이며, 그 불안감 해소가 과학적/분석적 접근의 가장 큰 목적임.
- 충분히 합리적인 견지에서 판단했을 때, 방류에 따른 환경영향은 거의 없을 것으로 보임. 하루 빨리 국민들이 편안한 마음으로 일상 생활 하길 원함.

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<후쿠시마 원전 오염수 정화 시스템 개요>

  • 후쿠시마 원전 오염수(Contaminated water)

후쿠시마 원전 사고 당시 원자로 냉각 및 잔열 냉각을 위해 주입된 냉각수와 부지 내로 유입되는 지하수 및 빗물 등은 원자로 내외부에 존재하는 핵분열생성물(fission product) 및 잔해(debris) 등과 접촉하여 방사성 물질들을 포함하게 되고, 방사능을 가지게 됩니다. 이들은 방사성 물질에 의해 오염된 것으로 간주하고, 오염수(Contaminated water)로 분류하여 별도의 처리과정을 거치게 됩니다.


그림 1. 도쿄 전력의 후쿠시마 원전 주변 물 관리 체계에 대한 개괄적인 모식도
(출처: https://www.tepco.co.jp/en/decommision/planaction/waterprocessing-e.html)

위 그림은 도쿄 전력의 후쿠시마 원전 주변 물 관리 체계에 대한 개괄적인 모식도입니다.  후쿠시마 원전 주변의 물 관리는 후쿠시마 제1원전의 해체 및 복구 계획의 일환으로 이루어지는 작업 중의 하나이며, 여기서 이야기하는 “물”은 후쿠시마 원전 부지에 저장된 오염수 뿐만 아니라, 후쿠시마 원전 주변의 투수층(permeable layer)에 존재하는 지하수 및 원전 앞바다의 해수까지는 포함하는 개념으로, 다음과 같이 3가지 원칙에 따라 진행되고 있습니다.

  1. 오염원 제거
    세슘, 스트론튬 흡착 공정과, 다핵종제거설비(ALPS)에 의한 오염수 정화와 바닷물 공급을 위한 트렌치(지하터널)를 밀봉하고, 사고 당시에 생성되어 2, 3, 4호기 트렌치 내에 고여있던 오염수를 제거하는 작업에 해당됩니다. 오염수 정화 과정에 대해서는 다음 절에서 보다 자세하게 설명하겠습니다.
  2. 오염원에의 접근을 막기 위한 지하수 방향 전환
    우선, 산쪽에서 원전 부지 방향으로 향하는 지하수를 우회(bypass)시켜 오염도의 이상유무를 확인한 후 이를 항구로 방출합니다. 2022년 12월 말 기준으로, 우회를 통한 지하수 배출은 총 456회 진행되었습니다. 또한, 원전 주변 우물(sub-drain)과 차수벽 영역 내에 존재하는 우물(groundwater drain)에 존재하는 지하수들의 경우 약간의 방사능이 존재하므로, 이를 퍼내고(pumping) 정화하여 배출기준 만족 여부를 검사한 후 항구로 흘려보내게 됩니다. 2015년 9월에 sub-drain과 droundwater drain 시스템의 작동을 시작한 이래, 2022년 12월까지 모두 2,063회의 배출이 진행되었고, 배출 이전에 도쿄전력(TEPCO)과 제3자 검증을 통해 방류된 물들이 모두 배출 기준을 만족함을 확인하였습니다. 위에 기술한 방식대로 진행된 배출에도 불구하고 항구 주변 해수의 방사능 농도 감시 결과 큰 변화가 없는 것으로 나타났으며, 모두 원전 운영 및 WHO의 기준을 충분히 밑도는 것으로 보고되었습니다.
  3. 오염수의 누설 방지
    육상 및 해상 방향 차수벽 설치를 통해 깨끗한 지하수들이 오염되지 않도록 하고, 오염수가 바다로 누설되는 것을 방지하였습니다. 육상 차수벽의 경우 동토(涷土, frozen soil)벽이라고도 불리우는데, 1-4호기 주변을 둘러싸고 있는 1,500 m 길이의 벽에 내장된 파이프를 통해 냉각된 brine이라는 물질을 흘려보내어 주변의 흙을 얼려버림으로써 지하수의 통과를 방지하고 있습니다. 해상방향 차수벽은 직경 1.1 m, 길이 30 m의 철 파이프 594개로 구성된 약 780 m 길이의 벽으로, 2015년 10월에 완공되었습니다. 부지에서 흘러나온 지하수들이 바다로 흘러 들어가는 것을 막고 있으며, 앞서 언급한 sub-drain 및 groundwater drain 시스템을 통해 해상 차수벽 내로 유입된 지하수들을 퍼내고 있습니다.

위 과정들을 통해 2014년에는 하루 350 m3 (약 350 t)가량 원전 건물로 유입되던 지하수가 2020년경에는 하루 90 m3 (약 90 t)수준으로 줄어들었으며, 이는 강우량에 따라 약간씩 변동이 생깁니다. 오염수 발생량의 경우 2014년 기준 하루 470 m3 수준에서 2020년 기준 하루 140 m3 수준으로 감소하였습니다. 향후 추가적인 조치가 이루어질 경우, 오염수 발생량은 하루 50-70 m3 수준으로 감소할 것으로 예상하고 있습니다.

한국원자력학회 백원필 학회장께서 위 3가지 방식의 접근에 대하여 일목요연하게 정리해 놓으신 자료가 있어서 아래에 제시합니다.

그림 2. 도쿄 전력의 후쿠시마 원전 주변 물 관리 체계에 대한 모식도 (출처: 백원필, 후쿠시마 오염수 관련 외부 강연 자료)

 

  • 오염수 처리(treatment) 과정

일반적으로 다핵종제거설비(ALPS)를 통해 오염수를 처리한다고 알려져 있으나, ALPS가 TEPCO 후쿠시마 제1원전(FDNPS)에서 발생하는 방사능 오염수를 처리하기 위한 유일한 공정은 아닙니다. ALPS로 처리되기 전에, 방사성 물질에 의한 위험을 감소시키기 위해 세슘과 스트론튬이 먼저 세슘 흡착 장치(Kurion, SARRY, SARRY2)에 의해 제거됩니다. 그 후, 물은 역삼투막 시스템을 사용한 담수화(desalination) 과정을 통해 담수와 농축수로 분리됩니다. 담수는 원자로 주입에 사용되고, 농축수는 ALPS로 처리되어 FDNPS 내의 탱크에 저장됩니다 (이 과정 이후, 저장된 물은 “ALPS 처리수” 등으로 불립니다). 각 처리 과정과, 처리 후 방사성 물질의 농도는 다음 도표와 표에서 확인할 수 있습니다.

 

그림 3. 전체적인 FDNPS 오염수 처리 과정

 

표 1. 오염수 처리 전/후의 주요 방사성 물질 농도 예시

*ALPS (Multi-nuclide removal equipment), Units: Bq/L, 【】: Date of sampling

 

1. 세슘 흡착 장치를 이용한 세슘(Cs) 및 스트론튬(Sr)의 제거 과정

세슘(Cs)과 스트론튬(Sr)은 주기율표에서 서로 다른 그룹(세슘은 알칼리, 스트론튬은 알칼리 토금속)에 속하는 원소이며, 각각의 흡착제에 대한 제거 효율(세슘은 목표치가 약 1,000-100,000, 스트론튬은 약 10-1,000)이 다릅니다. 따라서, 일반적으로 세슘이 보다 많이 제거됩니다. 또한, 각 흡착제의 흡착 효율은 흡착제의 수명 동안 점차적으로 감소하므로, 물이 처리된 시기에 따라 세슘과 스트론튬의 농도 비율에는 어느 정도 변화가 발생할 수 있습니다.

 

2. ALPS를 통한 처리 과정

ALPS는 세슘 흡착 및 담수화 설비를 통해 처리된 농축수 ("스트론튬 처리수"라고 일컬어짐)를 처리하기 위해 설치되고 운영됩니다. 설치 일자별로 기존 ALPS (250 m3/일 x 3계열(A, B, C)), 추가 설치된 ALPS (250 m3/일 x 3계열(A, B, C)) 및 고성능 ALPS (500 m3/일 x 1계열) 세 가지 유형의 ALPS가 있으며, 각각 장비 구성 및 처리 용량은 약간 다르지만, 주로 흡착을 통해 삼중수소를 제외한 각 방사성 물질들의 “규제 농도 한도 대비 농도 비율”의 합이 1 이하가 되도록 제거하는 측면에 있어 동일한 성능을 갖추고 있습니다. 다음 그림에서 ALPS 처리 흐름의 예시를 보여주고 있습니다 (자세한 내용은 “REIA”로 알려져 있는 “Radiological Environmental Impact Assessment”의 Attachment II-2 참조바람) [1]. ALPS는 화학 물질을 이용한 공침(co-precipitation)반응을 통해 흡착 억제 물질이나, 악티늄 등을 제거하고, 메쉬 크기 0.02 μm의 cross-flow 필터를 이용하여 슬러리들을 물리적으로 제거합니다. 그리고, 흡착탑(adsorption tower)에 충진된 활성탄 및 기능성 물질 흡착제를 사용하여 흡착함으로써 방사성 물질들을 물리적/화학적으로 제거하게 됩니다. 물리적인 필터를 통해 슬러지도 제거되므로, 처리된 물에는 슬러지가 포함되어 있지 않습니다. 아래 그림에 보이는 바와 같이, 흡착탑은 처리될 물에서 제거해야 할 핵종에 따라 다양한 종류의 흡착제로 충진되며, 효율적인 운영을 위해 여러 흡착탑에 동일한 흡착제를 사용하여 회전목마식(merry-go-round, 같은 과정을 여러 번 반복하여 순환하는 방식)으로 운영됩니다.

그림 4. 다핵종제거설비(ALPS)의 오염수 처리 흐름 예시[1]

 

3. ALPS의 방사성 핵종 제거 능력

ALPS가 작동하는 기간동안, 흡착제의 성능을 모니터링하기 위해 ALPS의 입출구(inlet/outlet)를 포함하여 각 위치에서 약 1주에 한 번씩 주기적으로 시료채취(sampling)가 이루어지고, 주요 7개 핵종(Cs-134, Cs-137, Co-60, Sb-125, Ru-106, Sr-90 and I-129) 및 Mn-54, Tc-99, 전알파(gross alpha) 및 전베타(gross beta)에 대한 분석이 이루어집니다. 핵종 제거 능력 감시 절차에 대한 보다 자세한 사항을 아래 도식에 나타내었습니다.

그림 5. ALPS의 핵종 제거 능력에 대한 감시 절차에 대한 모식도 및 세부 내용 [2]

 

분석 결과는 TEPCO의 처리수 포털 사이트에 게시되며 [2], ALPS 처리 이전 및 이후 각 핵종의 농도를 보여주는 그래프가 분기마다 업데이트됩니다. 방사선 환경 영향 평가(REIA)의 “Appendix II-3"에 나와 있는 것처럼, ALPS는 2019년 이후로 안정적으로 운영되어 왔으며, 각 핵종은 ALPS의 성능 요구 사항에 따라 안정적으로 적절히 제거되었습니다 (2019년 이전 상황은 REIA " Appendix II-7"에 설명되어 있음). 아래 그림은 기존 및 추가 설치된 ALPS에서의 Cesium-137 농도 변화의 예시를 보여줍니다. 최근 몇 년간, 처리 이전에 방사성 물질의 농도가 일본 규제 기준의 규제 농도 한도를 초과하더라도, ALPS의 성능 요구 사항인 규제 농도 한도를 훨씬 밑도는 수준으로 충분히 정화되어 왔습니다. 아래 그림에서, 빨간 원은 처리 이전을, 파란 사각형, 녹색 삼각형 및 노란 마름모는 A부터 C 시스템의 출구에서 처리 후를 나타냅니다. 하얀 사각형, 삼각형 및 마름모도 출구에서의 결과를 나타내며 이들은 감지 한도 이하인 경우입니다.


그림 6. 시간별 ALPS 처리 전/후의 Cs-137 농도 추이 [1]

또한, ALPS 출구에서 현재까지 약 1년마다 채취한 샘플을 통해, ALPS에 의해 제거되어야 하는 62개의 핵종들에 대한 분석 및 평가를 수행하여 ALPS의 정상 작동 여부를 평가하고 확인하였으며, 연도별 분석 결과에 대한 엑셀 파일을 확보한 바, 이를 함께 첨부합니다. 62개 핵종들에 대한 연도별 세부 분석 결과는 첨부된 파일을 참조하기 바랍니다.

TEPCO의 "처리수 포털 사이트(Treated Water Portal Site)"에서 확인할 수 있는 아래 그림과 같이, 탱크에 저장된 ALPS에서 계속 처리하고 있는 처리수의 70%는 각 방사성 물질들의 “규제 농도 한도 대비 농도 비율”의 합이 1 이상으로 규제 기준을 초과하는 방사성 물질을 포함하고 있다고 말할 수 있습니다 [3]. 이는 당연히 처리 중인 물이기 때문이기도 하지만, 주로 2019년 이전에 처리된 물이 탱크에 포함되어 있기 때문이기도 합니다. 이 물은 당연히 재정화(2차 처리)된 후 측정 및 확인 시설(measurement and confirmation facility)로 이송될 예정이며, 측정 및 확인 시설에서 분석 및 평가하여 그 결과가 규제 기준을 충족하는 것으로 확인된 경우에만 희석 후 방출될 예정입니다.

그림 7. TEPCO의 "처리수 포털 사이트(Treated Water Portal Site)"에서 실시간으로 확인할 수 있는 ALPS 처리수 현황 [3]

 

REIA의 Appendix II-4에도 설명되어 있는 바와 같이, TEPCO는 ALPS에 의한 2차 처리가 적합한 핵종 제거 성능을 보이는지 확인하기 위하여 앞서 언급한 62개 핵종에 대한 제거 여부를 통해 ALPS의 2차 처리 성능 시험을 수행하였습니다. 시험 결과, ALPS가 제거 성능을 가지고 있음이 확인되었으며, 삼중수소를 제외하고, 처리 전 1보다 큰 값을 나타내었던 “각 방사성 물질들의 규제 농도 한도 대비 농도 비율의 합”은 2차 처리 후 1보다 훨씬 낮은 값을 나타내며 핵종 제거 성능이 적합함을 보여주었습니다 (J1-C 그룹: 처리 전 2,406 → 처리 후 0.35; J1-G 그룹: 처리 전 387 → 처리 후 0.22) [4]. 해당 2차 처리의 결과는 제3자에 의해서도 분석되었으며, 그 결과가 TEPCO의 분석과 일치함을 보여주었습니다 (J1-C 그룹, 처리 후 0.28) [5].

탱크 재사용 이슈와 관련하여, 탱크 재사용으로 인한 교차 오염을 방지하기 위해서는 2차 처리를 거친 물은 원칙적으로는 깨끗한 탱크에 저장되어야 하나, FDNPS에 추가로 탱크를 계속 설치할 공간이 없음으로 인해, 실제 2차 처리는 물을 배출하기 직전에 수행되고, 2차 처리 후의 물은 측정 및 확인 시설로 이송될 예정이라고 합니다.

 

 

4. 바다로 방출하기 이전 방사성 물질에 대한 측정 및 평가 절차

처리수의 희석 및 방출이 이루어지기 전에, 규제 기준을 충족하는지 확인하기 위한 분석 및 평가가 적절한 절차에 의해 선행됩니다. 특히, (필요한 경우 2차 처리 후) 희석 및 배출이 이루어지기 전에 TEPCO는 ALPS 처리된 물 한 배치(batch)를 측정 및 확인 시설(measurement and confirmation facility)로 한 번 이송합니다. 측정 및 확인 시설은 독립적으로 운영되는 3 개의 시리즈(series)로 구성되어 있으며, 한 시리즈는 10개 탱크로 구성되어 총 10,000 m3 용량의 물을 담을 수 있습니다. 각 배치(batch)마다 교반기(agitator)와 순환기(circulator)를 사용하여 각 탱크 그룹 내에 존재하는 물들에 대해 충분한 수준의 균질화(homogenization)를 수행한 후 시료(sample)를 채취하여 방사능 농도를 측정하고 평가하게 됩니다. 교반 및 순환에 의한 균질화 작업의 유효성에 대한 검증은 시약을 이용한 실험 및 다른 데이터들을 통해 이루어졌습니다 [6]. 시료 채취 절차에 대한 예시를 도식화하여 아래 그림에 나타내었습니다.

그림 8. 측정 및 확인 시설(measurement and confirmation facility)에서 시료 채취 절차 예시

 

측정 및 평가 결과를 얻어 규제 기준 충족 여부를 확인하기 이전에는, ALPS에 의해 처리된 물은 배출되지 않습니다. 투명성을 확보하기 위해, 각 배치에 대한 측정 및 평가 결과는 측정 및 평가가 완료된 후 TEPCO의 웹사이트에서 공개되며, 동일한 샘플은 제3자에 의해서도 측정 및 평가되어 결과가 TEPCO의 웹사이트에 공개되도록 계획되어 있습니다. TEPCO와 TEPCO와 계약을 체결한 제3자뿐만 아니라, 처리수에 대한 일본 정부의 기본 정책에 따라, 일본 정부와 계약되어 있는 일본 원자력학회(JAEA)에서도 동일한 샘플에 대한 측정 및 평가를 수행합니다. 그 결과는 일본 정부 및 JAEA의 웹사이트에 공개될 예정입니다.

 

또한, IAEA는 희석 이전의 ALPS 처리된 물 샘플을 수집하여 분석하였습니다. 그 결과는 최근(2023년 5월) IAEA의 5번째 보고서를 통해 공개되었으며, 알려진 바와 같이, “다른 여러 나라의 분석 기관과의 독립적인 교차 검증(ILCs, interlaboratory comparisons) 및 숙련도 검정(PTs, proficiency tests)을 통해 도쿄 전력에서 제시한 분석 결과와 방법론에 문제가 없다고 판단하였으며, 가장 먼저 방류될 것으로 예상되는 K4-B 저장조의 처리수에서 기준치 이상의 방사성 핵종이 검출된 바가 없다”고 발표하였습니다. 또한, IAEA 보고서에서는 “IAEA 주도로 이루어진 교차 검증 결과는 향후 방류에 따른 환경 영향 평가의 기준이 될 것이며, 방류 후에도 계속 진행될 방사능 감시 결과에 대한 교차 검증 및 숙련도 검정 과정을 통해 도쿄 전력에서 제시할 자료들의 객관성 및 진실성이 담보될 수 있도록 하겠다”고 하였습니다. 해당 교차 검증 과정에는 IAEA 산하의 3개 연구소 (Nuclear Sciences and Applications Laboratories) – IAEA Marine Environment Laboratories, Radiometrics Laboratory (RML), Monaco; Terrestrial Environmental Radiochemistry Laboratory (TERC), Seibersdorf, Austria; Isotope Hydrology Laboratory (IHL), Vienna, Austria – 와, 제3자 검증을 위하여, Analytical Laboratories for the Measurement of Environmental Radioactivity (ALMERA) 네트워크 소속의 195개의 멤버 연구소들 중 공기, 물, 토양, 침전물, 초목 시료에 대한 방사성 핵종 판별 역량과 체계를 갖춘 것을 입증한 4개 연구소 – Spiez Laboratory (LS – Labor Spiez), Switzerland; Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), France; Los Alamos National Laboratory (LANL), United States of America; Korea Institute of Nuclear Safety (KINS), Republic of Korea – 가 참여하였습니다. KINS는 이들 4개 연구소 중의 하나로 우수한 방사성 핵종 분석 및 측정 역량을 세계적으로 입증하고 있는 연구소들 중 하나입니다. ALPS 처리수 방류와 관련된 IAEA의 활동들에 대한 내용은 다른 문서를 통해 별도로 다시 정리할 수 있도록 하겠습니다.

 

5. 바다로 방출하기 이전 측정되고 평가되어야 할 목표 핵종에 대한 재설정 여부

TEPCO의 저장 탱크에 있는 ALPS 처리수의 주요 7개 핵종 및 C-14, Tc-99, 전베타(gross β) 측정 결과, 앞에서 언급한 62개 핵종, 그리고 C-14, 삼중수소, 이렇게 64개 핵종 외에 다른 핵종의 존재를 의심할 만한 징후나 변동치는 나타나지 않았다고 합니다. 전알파(gross α) 계수값은 여전히 “감지불가” 상태로 유지된 것으로 보고하였습니다. 64개 핵종 외에도, 원자력 시설의 해체 및 매설 연구에서 중점 대상이 될 수 있는 핵종들이 개별적으로 분석되었으며, 측정 결과, 저장 탱크에 있는 ALPS 처리수에서는 다른 핵종들이 검출되지 않음을 다시 한 번 확인하였다고 합니다. 위의 결과는 ALPS의 제거 성능이 규제 기준을 만족하며, ALPS 처리수에 실질적으로 존재할 수 있는 핵종은 7개의 주요 핵종, C-14 및 Tc-99임을 다시 한 번 확인해 준 결과라고 합니다.

하지만, 일본 정부의 원자력 규제 기관(NRA) 및 IAEA의 관측 결과를 고려하여 TEPCO는 최근해양 배출 전에 측정 및 평가할 대상 핵종을 재선정하였습니다. ALPS에 의해 제거되는 핵종인 62개 핵종과 C-14 중, 원자로 건물 내에 고여있는 물에 미량으로만 존재하는 39개 핵종을 제외하고, ALPS 처리 이전 물에서 검출된 5개 핵종을 추가하여 측정 및 평가할 대상 핵종을 29개로 변경하였습니다. (삼중수소는 ALPS로 걸러지는 것이 아니므로, ALPS의 성능 확인과는 별도로 평가하게 되는데, 삼중수소까지 포함하면 모두 30개 핵종입니다.) 해당 5개 핵종은 비록 ALPS 처리수에서는 검출되지 않으나, 세슘 흡착 장치와 ALPS 처리가 이루어지지 않은 원자로 건물 내의 고인 물에 실질적으로 농도가 높거나 잠재적으로 존재할 수 있는 핵종의 존재 가능성을 다시 한 번 확인하기 위해서 추가되었습니다. 한편, TEPCO는 처리수 배출 이전에 상기 29개 핵종과 삼중수소 이외에도, 재선정 과정에서 제외된 39개 핵종에 대해서도 측정 및 평가가 이루어질 계획이라고 밝혔습니다.

 

<참고문헌>

[1] https://www.tepco.co.jp/en/hd/newsroom/press/archives/2023/pdf/230214e0101.pdf

[2] https://www.tepco.co.jp/en/decommission/progress/watertreatment/images/exit_en.pdf

[3] https://www.tepco.co.jp/en/decommission/progress/watertreatment/alps01/index-e.html#amount

[4] https://www.tepco.co.jp/en/decommission/progress/watertreatment/images/201224.pdf

[5] https://www.tepco.co.jp/en/decommission/progress/watertreatment/images/20210624.pdf

[6] https://www.tepco.co.jp/en/hd/decommission/information/committee/pdf/2022/alps_22022501-e.pdf#page=3

 

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