시사위크|대전=박설민 기자  1986년 4월 26일 새벽 1시 23분, 우크라이나 북서부 체르노빌 발전소의 제4호 원자로가 폭발했다. 야간조 원자로 안전 시험 중 발생한 사고였다. 유출된 방사능 물질은 500경~1,200경 베크렐. 일본 히로시마에 투하된 원자폭탄 ‘리틀보이’의 400배가 넘었다.

‘초동 대처 미흡’은 사고 피해를 더욱 키웠다. 재난 상황에 대비한 위험 대응 매뉴얼은 전무했다. 또한 사고 대응을 위해 파견된 이들 중 누구도 제대로 된 방사능 측정 장비와 방호 장비를 갖추지 않았다. 이는 소방대원들도 마찬가지였다. 약 20만명이 피폭됐고 2만5,000여명이 목숨을 잃었다. 이는 인류 역사상 최악의 원전 사고인 ‘체르노빌 원전 폭발 사고’다.

체르노빌 사고 이후 전 세계 원자력계에선 원전 안전 강화를 위한 위험 대응 매뉴얼과 관련 기술 개발이 이뤄졌다. 특히 우리나라는 전 세계에서 가장 안전한 원전 기술을 보유한 국가로 꼽힌다. 1978년 고리 1호기 원전 운전이 시작된 이래 경미한 고장을 제외하면 발전소 주변 주민 및 환경에 방사선 피해를 준 사고는 한 번도 없었다.

이때 우리나라가 안전한 원전 기술력 확보의 중추가 된 기관은 ‘한국원자력연구원(원자력연)’이다. 특히 <시사위크>가 방문한 원전사고 모의실험시설 ‘아틀라스(ATLAS)’는 한국 원자력 안전이 통하는 모든 길로 불린다.

◇ 韓 원자력 안전의 중추 ‘ATLAS’… 방사능 유출 걱정 전혀 없는 안전 실험 시설

지난 2월 26일 대전 유성구에 위치한 원자력연 본원에 도착했다. 핵연료 개발 연구시설을 보유한 원자력연은 국가중요시설로 등록된 기관이다. 때문에 입구부터 철통 보안을 자랑했다. 입구에는 군부대에 설치하는 바리케이드가 설치돼 있었고 사진 촬영도 불허했다. 원자력연의 보안 등급은 ‘가’급. 대통령실과 맞먹는 수준이다. 연구원 내부에 실제 방사능 물질을 이용해 발전 가능한 실험용 원자로 ‘하나로(HANARO)’가 운영되고 있어서다.

복잡한 방문 절차를 마친 뒤 종합엔지니어링 실험동으로 이동했다. 회색 건물의 철제 현관문을 열자 거대한 파이프 장치가 시선을 사로잡았다. 미로처럼 얽힌 주황·초록색 배관들은 약 30m 높이까지 뻗어있었다. 배병언 원자력연 책임연구원에 따르면 지하 3층부터 지상 6층에 이르는 규모다.

배관 정글처럼 보이는 연구시설이 바로 ‘아틀라스(ATLAS)’다. 실제 원자로에서 일어날 수 있는 다양한 사고와 고장을 시뮬레이션할 수 있는 대형 모의 원전 시설이다. 2007년 장치구축 및 시운전 시작 이후 아틀라스에서는 다양한 원전 사고 모의실험이 이뤄지고 있다. 2019년까지 진행된 열수력 종합실험은 총 150건 이상이다.

아틀라스의 정확한 명칭은 ‘가압경수로 열수력 종합실험장치(Advanced Thermal-Hydraulic Test Loop for Accident Simulation)’다. 그리스 신화에서 하늘을 떠받치는 신 ‘아틀라스’에서 유래한 이름이다. 한국 원자력 안전을 짊어지겠다는 원자력연의 의지가 담겼다.

아틀라스는 세계 3대 규모의 대형 원자로 안전실험시설 중 하나다. 순수 국내기술로 한국형 신형 경수로(감속재와 냉각재로 경수를 사용하는 원자로) ‘APR1000’을 높이 1/2, 부피 1/288 규모로 축소해 재현했다. 여기에 한국표준형원전모델인 ‘OPR-1000’ 설계 특성도 일부 반영했다. 이를 통해 아틀라스에서는 현재 국내 가동·건설 중인 모든 원전의 안전 검증이 가능하다.

아틀라스는 크기는 작지만  원자로 운영, 안전, 관리 시스템을 실제 모델과 거의 똑같이 모사했다. 핵심 장치는 △가압기 △모의 증기관 △증기응축기 △모의 냉각재 펌프 △모의 원자로 △안전주입탱크 △증기발생기 △냉각재 배관 △격납용기 모의장치 등 9가지다. 이를 통해 배관 붕괴, 경수로 내부 폭발 등 각종 사고를 정밀하게 모의하는 게 가능하다.

이때 아틀라스만이 갖는 특징은 실험 시 방사능 유출 걱정이 없다는 것이다. 실제 원자로와 달리 내부에 ‘핵연료봉(Nuclear Fuel Rod)’이 없어서다. 핵연료봉은 방사능 물질 우라늄(U)으로 만들어졌다. 이를 이용해 물을 끓여 증기를 만들어 터빈을 돌리는 것이 원자력 발전이다. 아틀라스 내부엔 대신 열을 내줄 수 있는 전기 히터가 들어 있다. 때문에 핵분열 발전 효과는 재현하되 방사능 물질 위험은 전혀 없다.

배병언 원자력연 책임연구원은 “아틀라스는 방사성물질을 사용하지 않고 전기로 가열하는 모의 핵연료봉이 설치돼 있다”며 “이를 통해 원전 내부와 똑같은 조건으로 각종 사고를 정밀하게 모의실험을 진행할 수 있다”고 설명했다.

이어 “아틀라스에서는 현재 가동 원전 운전 최적화, 새로운 안전개념 실증, 긴급 안전 현안 해소, 신형 원자로 개발, 안전성 실증 및 안전현안 해결 등의 연구가 이뤄진다”며 “원자로 계통 안전해석 전산프로그램 개발 및 검증, 설계 기준 초과 사고 등과 관련한 데이터 베이스도 생산해 안전한 원전 시스템 구축과 검증, 개선 역할도 맡고 있다”고 말했다.

◇ 원전 사고의 알파이자 오메가인 ‘LOCA’, 아틀라스로 잡는다

원전에서 발생할 수 있는 사고는 여러 종류가 있다. 가장 위험한 것은 ‘냉각재 상실사고(Loss of coolant accident, LOCA)’다. 냉각재 상실사고 ‘LOCA’는 원자로에 배관이 파손돼 냉각수가 상실되는 사고를 뜻한다.

냉각재 상실사고가 위험한 이유는 ‘노심용융’의 직접적 원인이기 때문이다. 노심용융은 원자로 내부에서 핵연료로 열을 생산하는 장치 ‘노심’이 녹아버리는 사고다. 냉각재가 발생한 열을 제때 식혀주지 못하면 노심이 버티지 못하고 녹게 되는 것이다. 이 경우 핵연료가 그대로 드러나 유독한 방사능 물질이 쏟아져 나온다. 때문에 가장 위험한 원전 사고 등급인 ‘중대사고(severe accident)’로 분류된다. 

특히 냉각재 상실사고 중 가장 심각한 유형은 ‘양단 길로틴 브레이크(DEGB)’다. 원자로 냉각수 배관이 내부에 흐르는 고온·고압의 냉각재를 견디지 못하고 싹둑 잘려나가는 현상이다. 프랑스 혁명 때 사용됐던 단두대 ‘길로틴’에서 유래됐다.

때문에 아틀라스에서 중점적으로 이뤄지는 연구도 냉각재 상실사고와 관련된 것이다. 지금까지 아틀라스에서 이뤄진 주요 냉각재 상실사고 모의실험은 2건을 꼽을 수 있다. 2007년부터 2008년까지 대형 냉각재 상실사고 실험이 진행됐다. 앞서 설명한 길로틴 브레이크를 아틀라스에서 재현한 실험이다. 이후 2008년부터 2010년까지 소형 냉각재 상실사고 실험이 진행됐다.

아틀라스에서 이뤄지는 냉각재 상실사고 모의실험은 다음과 같은 단계로 이뤄진다. 먼저 배관이 파괴되는 상황을 인위적으로 발생시킨다. 그 다음 아틀라스 곳곳에 설치된 1,600여개의 계측기가 온도, 압력, 유량 등 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 중앙 제어실에 전달된다. 이를 토대로 원자력연 연구진들은 냉각재 상실사고 발생 시 발생하는 피해 상황, 사고 흐름 미 전망을 파악한다. 그 다음 실제 원전의 안전 및 보안을 강화한다. 또 위험 대응 매뉴얼도 작성한다.

최근엔 냉각재 상실사고가 원자로 내부에 미치는 영향을 예측하는 실험도 진행된다. 2019년 구축된 ‘아틀라스-큐브(ATLAS-CUBE)’ 덕분이다. 아틀라스 큐브는 원자로 냉각 시스템(RCS)와 원자로 건물을 연계한 종합효과실험장치다. 실제 원자로 건물의 1/288 크기로 재현된 아틀라스 큐브의 높이는 13m, 직경은 6m다.

아틀라스 큐브의 전체 모습을 보기 위해 철제 계단 위를 올랐다. 5층 건물 높이와 맞먹는 계단을 뛰어오르자 숨이 차올랐다. 구조물 정상에 도착하자 은색 강철로 덮인 거대한 원형 타워처럼 보이는 아틀라스 큐브의 모습이 한 눈에 들어왔다. 바로 옆 아틀라스의 배관들과 연결돼 있었다. 이 배관에 인위적인 냉각재 상실사고를 일으키면 아틀라스 큐브로 바로 영향이 전달된다. 큐브 내 현상을 관찰할 수 있는 강화유리창도 동그랗게 뚫려 있었다.

 배병언 원자력연 책임연구원은 “원자로 건물 내 다차원 열수력 현상에 대한 종합 분석 및 원자로 건물 냉각계통에 대한 성능 평가를 진행한다”며 “이 연구 결과를 이용해 원전 설계기준 사고 시 원자로 건물 건전성 및 냉각 성능 검증, 종합효과실험 데이터를 활용해 원자로 건물 내 다차원 현상에 대한 해석 성능 검증을 한다”고 말했다.

이어 “10년 넘게 원자력연에서 근무하며 여러 가지 실험을 해왔지만 가장 기억에 남는 것 역시 아틀라스 큐브를 처음 활용한 것”이라며 “2019년 아틀라스 큐브를 완성한 후 첫 실험이 성공했을 때 여러 가지 감정이 교차했다”고 당시 실험 성공의 기쁨을 회상했다.

◇ 국제 원전 안전 연구의 허브로 발돋움… 원전 수출 교두보 역할도 담당

현재 아틀라스는 국제 원전 안전 연구의 허브 역할도 맡고 있다. 우수한 원전 안전 연구 자원을 갖춘 시설이 많지 않아서다. 아틀라스만큼 정확한 원전 모의실험이 가능한 연구시설을 보유한 국가는 독일, 러시아, 일본 등 3개국에 불과하다. 세계적 원전 강국인 프랑스와 미국도 아틀라스와 유사한 연구 시설을 갖추곤 있으나 노후화로 가동 중지 상태인 것으로 알려졌다.

대표적 국제 협력 연구 사례로는 경제협력개발기구 산하 원자력기구(OECD/NEA)에서 추진하는 ‘국제 공동연구 프로젝트(OECD/NEA ATLAS)’를 꼽을 수 있다. OECD/NEA ATLAS 프로젝트에서는 아틀라스를 활용, 국제 원전 시설의 안전성 확인 실증실험이 수행된다. 우리나라가 단독 주관하게 된 첫 번째 국제 원전 안전 연구 프로젝트기도 하다. 2013년 12월 ‘제54차 OECD 원자력시설안전위원회(CSNI)’에서 승인됐다.

OECD/NEA ATLAS 프로젝트가 시작된 것은 ‘일본 후쿠시마 원전 사고’가 주요하게 작용했다. 2011년 3월 11일 일본 동북부 지방 후쿠시마현에 위치한 후쿠시마 원전 시설에 대규모 지진 해일이 발생했다. 이로 인해 제1원전에서 냉각수 상실사고가 발생, 원자로의 노심용융이 발생했다. 이 과정에서 일본 현지대책본부와 원자력재해대책본부 사무국이 제대로 역할을 하지 못하면서 피해가 훨씬 커지게 됐다.

배병언 책임연구원은 “OECD/NEA ATLAS 프로젝트가 시작된 것은 2011년 후쿠시마 원전 사고가 가장 큰 요인이었다”며 “실제로 국내만 해도 사고 발생 당시 국내 규제기관들도 후쿠시마와 같은 사고가 발생했을 때 어떻게 대응할지 보안 대책 및 계획을 내라고 지시가 내려왔었다”고 설명했다.

OECD/NEA ATLAS 프로젝트는 2014년부터 2017년까지 1차 프로젝트, 2017년부터 2020년까지 2차 프로젝트를 성공적으로 완료했다. 아울러 2021년부터 3차 프로젝트도 진행 중이다. 3차 프로젝트는 올해 12월까지 진행될 예정이다. 프로젝트에는 미국, 프랑스, 독일, 중국, 스페인 등 12개국 20개 원자력 전문 기관이 참여 중이다.

또한 우리나라는 연구 성과를 인정받아 지난해 6월 OECD/NEA 원자력시설안전위원회(CSNI)의장단에 원자력연 최기용 원자력안전기반연구소장이 선출됐다. CSNI는 기후변화 위기에 대응한 ‘소형모듈형원전(SMR)’ 개발 및 안전성 평가를 주도하고 있다.

국제 연구 성과뿐만 아니라 아틀라스는 한국 원자력 기술 수출의 교두보가 돼주기도 한다. 2009년 아랍에미리트(UAE) 원전 수출에 기여했다. 2일부터 운영을 시작한 UAE의 ‘바카라 원전’이다. 바카라 원전은 우리나라가 최초로 해외에 수출에 성공한 원전이다. 1,400MW급 발전 규모이며 모델은 아틀라스가 재현한 모델과 동일한 APR1400이다. 당시 정부는 약 20조원의 규모 원전 수주에 성공했다.

다만 국제적으로 인정받는 아틀라스 연구도 걱정거리는 있다. 올해 연구개발(R&D) 등 연구 예산이 대폭 삭감되면서다. 실제로 국회예산정책처의 ‘2024년도 예산안 총괄 분석’ 자료에 따르면 원자력연의 올해 주요사업비 예산은 전년 대비 10.2% 줄었다. 또한 원자력안전위원회가 1월 발표한 ‘2024년 원자력안전 연구개발사업 예산’에 따르면 올해 예산은 총 402억6,500만원. 497억1,600만원이었던 지난해 대비 23.5% 줄었다.

아틀라스 연구를 담당하는 원자력연 관계자는 “연구비 삭감의 여파를 아틀라스도 피해갈 수 없게 됐다”며 “올해만 벌써 36%의 예산이 삭감돼 인력과 연구를 최소화하고 있다”고 말했다.

배병언 책임연구원은 “과학자의 입장에서 ‘원자력 발전소가 무조건 안전하니 믿어라’라고 말하는 것이 아닌, 안전하도록 만들기 위해 연구하고 있다”며 “이를 위해 최선을 다해 연구하고 있는 원전 안전 연구 분야 과학자들에게 많은 관심을 주셨으면 감사하겠다”고 전했다.