한빛원전3,4호기 증기발생기의 문제

(김혜경 전서울파이낸스기자)

‘한국 표준형 원전’ 증기발생기 수명이 짧은 이유는?

몇 년 전 논란의 한빛 핵발전소(원전) 4호기를 취재하는 과정에서 풀리지 않는 의문은 두 가지였다. 첫 번째는 발전소 설계 수명에 비해 증기발생기 수명이 반도 안 된다는 것. 두 번째는 제작사 책임이 뒤따르는 하자보증기간이 터무니없이 짧다는 점이였다. 무상보증기간이 짧기 때문에 증기발생기 수명도 단축되는 것일까. 아니면 처음부터 교체를 가정하기 때문에 보증기간이 짧은 것일까. 국내 핵발전소 중 다른 노형에 비해 한국형 원전의 증기발생기가 유독 자주 교체되는 근본적인 이유는 무엇일까.

◇ ‘안전 담보‘로 거래한 저가계약

2017년 한빛 4호기 증기발생기에서 금속 이물질들이 발견된 사건은 세간을 발칵 뒤집어놨다. 원자로, 터빈과 함께 발전소 3대 주요 설비 중 하나인 증기발생기는 핵연료에서 발생하는 열을 증기로 교환하는 역할을 한다. 약 20m 높이의 증기발생기 내부에는 1mm 두께의 세관 다발 수천개가 들어있다. 그로부터 1년 후인 2018년. 후속 취재 과정에서 동일한 계약서 한 부를 놓고 벌어진 황당한 일은 한국 핵산업계를 단편적으로 보여준 사건이었다.

국내 핵발전소의 부품별 보증기간은 상이하지만 증기발생기의 경우 2년 기한으로 설정돼왔다. 대다수 발전소의 설계 수명 40년에 비해 증기발생기는 고작 2년. 이는 세탁기, 에어컨보다 짧은 셈이다. 해외의 경우 증기발생기 보증기간은 평균 10~20년으로 책정된다. 2012년 1월 미국 샌 오노프레 원전 3호기 증기발생기에서는 누출 사고가 발생했다. 원전 사업자 측은 제작사인 미쓰비시중공업과 20년 보증계약을 맺어 4500만달러(한화 약 520억원)의 손해배상금을 청구한 바 있다.

일각에서는 보증기간이 늘어날 시 제작비도 증가하므로 사업자가 저가에 납품을 받기 위해 2년 시한으로 계약을 맺은 것 아니냐는 의혹도 제기됐다. 안전 대신 비용 절감을 선택했다는 지적이 나오는 이유다. 계약 시 정한 보증기간이 만료되면 기기 제작사인 두산중공업의 책임은 자동 종료된다. 보증기간이 짧아질수록 단가는 저렴해진다. 한 원전 전문가는 “증기발생기 보존 프로그램이라는 부분에 적잖은 비용이 들어가는데 핵심 부품 단가를 저렴하게 책정하기 위해 2년 기한으로 정했다고 본다”면서 “원전이 저렴하다는 주장에 보증기간을 짧게 정한 영향도 있는 것”이라고 말했다.

안전보다는 비용 절감에 집중했던 한수원과 가벼운 책임을 원하는 두산중공업의 이해관계가 맞아떨어진 셈이다. 하자 발견에도 동일 제작사에 교체를 맡겼다는 지적이 이어진 가운데 한빛 4호기의 경우 부품비를 포함해 조기 교체에 추가되는 제반 비용도 공기업이 떠안았다. 증기발생기 1대는 1500억원대로 알려졌다. 혈세 낭비를 막기 위해 원전 특성을 고려한 보증기간 설정과 손해배상을 강력 요구해야 한다는 목소리가 나오는 이유다. 국정감사에서도 조기교체 비용에 대해 한수원이 두산중공업과 협의해 구체적인 결과를 도출하고, 향후 계약 시 원전의 고위험성과 안전성을 고려해 하자보증기간을 설정해야 한다는 요구가 이어졌다.

당시 한수원 측은 후속 모델 발전소 증기발생기의 경우 하자보증기간을 대폭 늘렸다고 강조했다. 당시 한수원 관계자는 “신고리 5·6호기의 증기발생기 하자보증은 20년으로 계약했다”고 언급했다. 표면상으로는 타당한 조치인 듯 보였지만 갑자기 20년으로 늘렸다는 사실이 의문스러웠다. 2년 계약이 문제가 되니 정황상 면피용으로 제시했을 가능성을 배제할 수 없기 때문이다.

취재 과정에서 미심쩍은 부분들이 드러났다. 계약을 맺은 쌍방은 물론 동일한 기관 내에서 다른 목소리가 나온다면 어떻게 해석해야 할까. 2017년 국정감사 당시 한 여당 의원이 한수원으로부터 보고받았던 신고리 5·6호기 증기발생기의 하자보증기간은 3년이었다. 당시 건설 중단·재개 공론화까지 맞물려 계약 내용은 민감한 부분이었다. 한수원이 본인에게 답한 계약 내용과 완전 다르다. 계약 당사자들조차 말이 갈렸다. 두산중공업은 과거부터 현재까지 증기발생기 기기 전체에 대한 하자보증기간은 2년이라고 강조했다. 이 중 하나만 맞고 나머지는 사실과 다르거나 1년 사이에 또 다른 계약을 맺었을 가능성도 배제할 수 없다.

계약서 공개 여부를 두고 몇 주간 실랑이가 이어진 가운데 한수원은 다시 답을 내놨다. ‘소통에 있어 서로 착오가 있었던 것 같다’면서 전체 기기의 하자보증은 4년이고, 증기발생기 내 전열관에 대해서만 20년으로 별도 보증기간을 뒀다는 것. 당초 기자에게 알려준 20년은 일부 부품의 하자보증을 전체로 부풀린 셈. 전열관이 증기발생기 핵심이라는 것을 차지하고서라도 계약상 내용은 완전 다르다. 정정한 내용조차 의원실이 보고받은 것과 두산중공업이 언급한 내용과 또 엇갈린다.

의원실을 통해 우회적으로 확인해본 결과 신고리 5·6호기의 증기발생기 하자보증기간은 전체 기기 대상 4년으로 밝혀졌다. 이 과정에서 또 제대로 된 답변을 해주지 않았다. 의원실의 경우 국감 당시 내용을 전달한 부서와 현재 보고받은 부서가 상이해 중간에서 움직인 담당자가 혼동했을 것이라고 추측을 해 볼 수 있다. 그렇다면 당시 부서는 거짓말을 했거나 제대로 된 사실을 모른 채 답변을 했거나 둘 중 하나다. 국감을 대하는 원전 사업자의 태도를 간접적으로 보여주는 사례가 아닐까. 한수원 내부적으로 소통이 제대로 이뤄지지 않고 있다는 이야기도 된다.

전열관 대상 부분 하자보증기간이 20년이라는 내용도 구체적으로 뜯어보면 전열관 자체를 대상으로 한 하자보증은 아닌 것으로 나타났다. 정확히는 ‘전열관 관막음’에 대한 보증이다. 관에 균열이 생기거나 용접 등의 정비가 불가능한 경우 방사능 유출을 막기 위해 해당 관을 막는 응급조치가 관막음이다. 현재 일부 원전의 경우 18%까지 결함이 발생하더라도 관막음 조치를 하면 원전 가동이 가능하다. 몇 년 전 허용치를 8%에서 18%로 상향 조정해 논란이 일기도 했다. 관막음과 관련 없는 결함이 발견되거나 혹은 기준치를 높인다면 20년이라는 기간은 실효성이 없어진다.

두산중공업은 증기발생기 전체 하자보증 4년은 말이 안 된다며 취재 과정에서 끝까지 2년임을 고수했다. 동일한 계약서 한 장을 두고 계약 상대방과 말이 엇갈리고 있다. 두산중공업 측은 한수원에서 언급한 전열관 보증 20년도 ‘전열관 관막음’이라 표현해야 한다며 엄격한 잣대를 들이댔을 때 정비 차원일 뿐이지 하자보증에 포함될 수 없다는 입장이다. 두산중공업 측에서 계약상 민감한 부분이 있어 관련 부서에서도 구체적으로 확인을 해주지 않거나 한수원처럼 ‘착오’로 끝날 가능성이 더 높아 보인다. 이유가 어찌됐든 ‘합리적 의심’을 할 수밖에 없는 상황이다. 의문은 다시 원점으로 돌아간다.

한빛 4호기 논란이 일기 전 신월성 2호기에서도 30cm 크기의 금속 이물질이 발견된 사실이 뒤늦게 확인됐다. 한빛 4호기의 경우 하자보증기간이 이미 종료됐던 반면 신월성 2호기는 2016년 7월 첫 계획예방정비 당시 이물질이 발견돼 제거 작업까지 완료된 상태였다. 그러나 사업자인 한국수력원자력은 제작사 두산중공업으로부터 하자보수 비용을 보상받지 못했다. 2016년 1월 31일로 보증책임이 종료됐다는 이유에서다.

일반적으로 증기발생기 제작 과정상 이물질이 발견되는 경우는 첫 정비 때다. 신월성 2호기는 최초 정기검사 때 문제제가 확인됐음에도 제작사에 책임을 물을 수 없다는 말이 된다. 해당 원전의 시운전과 상업운전 시작일은 각각 2015년 2월과 7월이라는 점에서 구체적인 성능시험 완료 시점과 보증책임 종료일 설정에 대한 의문도 제기되고 있다. 공기업의 혈세 낭비를 막기위해서라도 원전 특성에 맞는 하자보증은 필수다. 한수원이 2년 후 입장을 바꾼 것도 한빛 4호기 망치 사건이 맞물리면서 양사의 이해관계가 맞아떨어진 결과라는 지적이다.

◇ 한국형 원전 증기발생기에는 누락된 ‘앵커볼트’

한국 표준형 원전은 약 30년 전 미국 컴버스천엔지니어링(CE)사의 시스템(System)80 모델을 원형으로 탄생했다. CE 모델을 개량해 한빛 3·4호기와 한울 3~6호기, 신고리 1~2호기, 신월성 1·2호기 등 1000MW급 OPR1000 모델과 신고리 3~6호기, UAE 바라카 원전 등 1400MW급 APR1400 모델이 만들어졌다.

미국 애리조나주에 위치한 팔로버디(Palo verde) 원전은 최초의 한국형 원전인 한빛 3·4호기의 참조 발전소다. CE형에서 눈여겨볼 특징은 증기발생기의 형태다. 매달아두는 형태가 아닌 바닥에 지지대를 받쳐서 고정하는 모델이기 때문에 지지대 등 하부구조의 중요성이 상대적으로 커진다.

매달아두는 형태의 증기발생기(Westinghouse Model과 CANDU6 모델에 적용된 증기발생기 하부지지대는 H-Beam 형태로 콘크리트 구조물에 매입된 철물과 앵커볼트로 결함된 구조이다. 증기발생기는 모두 지진발생시 증기발생기가 위로 들리는 것을 방지하는 구조로 설계되어 있으며, 차이가 있다면 증기발생기 무게가 큰 경우 울진 3,4호기와 같이 OPR1000 모델은 판형/동체형 지지대 구조로 설계하였고, 메달아두는 타입은 선형지지대로 설계하였을 뿐 공히 증기발생기는 콘크리트구조물에 매입된 철물과 앵커볼트로 체결되어 지진에 견디는 설계를 적용하였다. 해당원전은 영광1,2호기, 월성1,2,3,4호기 고리1,2,3,4호기 등이다.

한국 표준형 원전의 증기발생기는 웨스팅하우스 모델에 비해 유독 수명이 짧다. 설계수명 40년 절반도 못 미쳐 조기에 교체되는 점이 그동안 문제로 지적돼왔다. 2017년 논란이 됐던 한빛 4호기 증기발생기의 경우 이물질 발견으로 기기를 교체하는 것으로 알려졌지만 한수원의 입장은 조금 달랐다. 당시 한수원 관계자는 “이미 교체 완료된 한울 3·4호기를 포함해 한빛 3·4호기도 원래 교체 계획이 있었고 4호기는 2개월 정도 시기를 앞당기는 것”이라면서 “이물질 문제 때문이 아닌 Alloy600 재질로 만든 증기발생기가 약 10년이 지나니 문제가 생겨 이번에 Alloy690으로 바꿔 구 증기발생기 대비 안전성을 높인다는 취지”라고 설명한 바 있다.

한울4호기 증기발생기 교체후 첫 주기 정기검사(11차)에서는 관막음을 요하는 전열관 마모는 없었으나, 그러나 13차, 14차 정기검사에서 40% 이상 세관 마모손상 있었다.   한울 3호기의 경우도 증기발생기 교체후에 40% 이상 마모손상이 발생되는 현상이 증기발생기 교체후 공통적으로 발생되었고, 한울 3호기의 경우는 2016. 6~7월경에 원자로 공진현상 발생하였고, 그 후 2017.12.5.~2018.4.26.까지 약 5개월 정비공사 하였으나, 그 후에 이루어진 정기검사(제15차 :2019.9~2019.12)에서 42% 세관 감육 발생된 사례에서 세관마모손상을 유발하는 문제가 있었던 점에서 Alloy690TT로 바꾸고 교체시공했으나, 세관 손상은 더 심각한 현상으로 볼 때 재질을 바꾼다고해서 안전성이 높아졌다고 한 것은 거짓말에 불과하다.

이 같은 말이 뜻하는 바는 무엇일까. 그동안 CE형 증기발생기에 대해 수많은 의문과 문제 제기가 있어왔다. 설비상 단점인데도 불구하고 재질 탓으로 돌리는 것은 아닌지 혹은 CE형 설계 고유의 문제점인지 말이다. 동일한 CE형인 팔로버디와 한국 표준형 원전 증기발생기를 살펴보면 눈에 띄는 차이점이 있다. 미국 원전 증기발생기 하부 슬라이딩베이스에는 직경 약 14cm 크기의 앵커볼트 8개가 있는 반면 OPR1000과 APR1400에는 앵커볼트가 누락됐다. 앵커볼트의 역할은 무엇이고, 왜 한국 표준형 원전에는 없을까.

팔로 버디 최종안전분석보고서와 벡텔사에서 작성한 것으로 추정되는 고객사 엔지니어링 문서 등 다수의 문건에서는 슬라이딩베이스 앵커볼트의 역할을 내진설계용으로 분류하고 있다. 지진 시 위로 들리거나 냉각수 유출 사고(LOCA)를 방지할 목적이라는 것. 앵커볼트가 증기발생기를 잡아주는 역할을 하는 셈이다. 한국 표준형 원전에서만 앵커볼트가 누락된 점에 대해 일각에서는 문제를 제기하고 있다. 원전위험공익정보센터는 한국 표준형 원전 증기발생기의 잦은 교체 이유를 안전해석결과값 설계 변조, 증기발생기 하부지지구조 변형 및 내진설계 누락을 들고 있다.

두산중공업에서 한울 원전 현장에 파견됐던 문인득 기술사는 “앵커볼트는 증기발생기의 열팽창시에는 팽창에 방해가 되지 않도록 살짝 얹혀있도록 하고 지진이 왔을 때는 오버터닝되는(뒤틀리는) 것을 억제하는 용도”라면서 “슬라이딩베이스 열변형을 억제하는 부수적인 기능이 있다”고 주장했다. 문 기술사는 울진 3·4호기 증기발생기 교체사업과 신고리 3·4호기 건설 공사 당시 기계기술책임자로 참여한 바 있다.

그는 “앵커볼트가 누락된 경위는 분명치 않다. 이 누락으로 슬라이딩베이스가 열 응력으로 변형돼 증기발생기가 수직도를 유지하지 못하고 기울여져 주변 구조물과 접촉돼 장시간 진동이 발생하는 것”이라면서 “이같은 영향이 증기발생기 내부로 전달돼 전열관 마모로 이어진다”고 설명했다. 앵커볼트가 있었더라면 증기발생기 하부지지구조의 열변형이 억제되어 진동도 줄어들 것이고 전열관 마모도 적었을 것이라는 지적이다. 그런데 기자가 취재 당시 킨스 관계자는 “앵커볼트기 있으면 미끌음 작용을 억제되는 문제가 있다”라고 했다.

그동안 업계에서는 증기발생기 세관 마모 원인은 재질 문제와 유체유발진동으로 보는 경향이 컸다. 문 엔지니어가 주장하는 구조적 진동 현상은 여태껏 제기된 적 없는 새로운 주장이다. 그렇다면 한국 표준형 원전 증기발생기에는 왜 앵커볼트가 없을까. 공학적으로 타당한 이유가 있었을까. 80~90년대 한빛 3·4호기 건설 전후에는 무슨 일이 있었던 것일까.

앵커볼트 제거 이유에 대해 각 기관들은 ‘파단전 누설(LBB)’ 개념 도입 때문이라고 주장했다. LBB는 원자로시설 기술기준에 관한 규칙 제 15조에 따라 가상배관 파단 설계 면제를 위해 수행되는 평가다. 가동 중 배관에서 ‘양단순간파단’ 현상이 일어나기 전 작은 누설이 시작되므로 이같은 파단 현상은 일어나지 않는다는 것을 고려한 설계다. 팔로버디 원전에서는 적용되지 않았던 LBB 개념이 한빛 3·4호기 설계 단계에서 적용되면서 앵커볼트가 없어졌다는 것. LBB는 이미 가동 중인 원전에도 도입이 가능하다.

원자력안전기술원(킨스) 관계자는 “지진하중과 주증기배관 파단하중 등이 증기발생기 설계에 동시에 고려되며 설계요건(ASME B&PV CODE Sec III)을 만족한다”고 말했다. 한국전력기술 관계자는 “CE80 증기발생기 앵커볼트는 주냉각재배관의 가상배관 파단 시 증기발생기를 지지하기 위한 목적으로 설치됐다”면서 “앵커볼트를 제거한 상태에서 2차계통 주증기배관 파단으로 발생하는 하중을 견딜 수 있게 설계됐다”고 설명했다. 또 증기발생기 제작사인 두산중공업 측은 CE사로부터 이미 앵커볼트가 없는 설계를 전달받았다고 답했다.

앵커볼트가 통과하는 부위는 건축구조물과 증기발생기 하부지지대 사이의 상호 인터페이스 영역이였고, 증기발생기를 포함한 주기기 설계는 한국중공업이고, 구조물은 한국전력기술 AE가 설계를 담담했다. 한국중공업이 기술이전 받은 부분은 주기기(NSSS)의 기계장치에 국한된다. CE상로서는 앵커볼트가 있는 설계도를 제공해야 할 이유가 없었다. 결국 세 설계조직간에 내진설계 개념이 없는 상태서 기술이전 받은 어처구니 없는 문제가 발생된 것이다. 위 킨스 관계자와 한국전력기술관계자는 취재 기자에게 거짓말을 한 것이다.

LBB 관련 언급은 지난 2013년 1월 한수원의 요청으로 열린 통합공정회의에서 처음으로 등장했다. 원설계도면과 다르게 제작해야 하는 경우 발주처의 승인이 필요한데 이를 SDDR이라고 부른다. 해당 문서 20쪽에는 ‘슬라이딩베이스 설계-팔로버디 시공 방안과 다른 시공방안은 없는가’라는 내용이 있다. 이 부분이 언급된 이유는 팔로버디 원전 증기발생기 사진을 본 한수원 측이 설계 차이에 대한 사전 질문을 했기 때문이라고 한다. 여기서도 LBB 적용으로 앵커볼트를 없앴다고 나와 있다. 당시 한수원의 의도가 궁금해지는 대목이다.

2012.11월초 울진4호기 증기발생기 슬라이딩베이스 변형을 조사하여, 한수원에 제출된 ‘울진 3,4호기 SG Sliding Base Folding 현상’ 현장조사보고서에 앵커볼트 있는 팔로버데원전 슬라이딩베이스 사진을 포함하여 한국수력원자력에 알렸던 이는 본인이다. 한수원을 통합공정회의에서 한국전력기술 계통기술팀에 상기와 같은 질문을 하게 된 것이다. 사전질문이 아니라 내진설계가 누락된 것을 그때에 알게 된 것이다.

확인이 필요한 부분은 다음과 같다. 첫 번째 내진범주 1등급 설비인 증기발생기 지지대의 앵커볼트를 제거한 이유가 정말 LBB가 맞는지 여부다. 만약 앵커볼트를 제거한 방식이 결과적으로 안전했다고 하더라도 구체적인 안전해석과 관련 절차를 밟았는지도 중요하다. 팔로버디 원전처럼 증기발생기에 앵커볼트를 넣는 것은 생각보다 까다로운 작업으로 알려져 있다.

두 번째 앵커볼트를 누락시킨 주체가 과연 ABB-CE사, 즉 미국이 맞는지를 따져봐야 한다. CE형 모델을 도입하는 과정에서 기술 기준이 변경됐거나 미국 규제기관(NRC)에서 특정 기준을 제시했을 경우 설계가 달라질 가능성도 배제할 수 없다. 참조 기준을 무엇으로 했는지, 해당 기준이 허용된 시점은 언제인지 그리고 관련 기술보고서가 명확히 언제 작성됐는지를 확인해봐야 한다.

내진설계와 LBB는 전혀 관련이 없다. 그 증거로 신고리 3,4호기 발전용량과 미국 팔로버데 발전용량은 거의 유사하다. 두 발전소의 최종안전성분석보고서(공개본)의 안전정지지진하중(SSE)을 비교한 결과, 앵커볼트가 없는 신고리 3,4호기 원자로 수직지지대가 가장 취약했으며, 미국 것은 SSE지진과 운전하중을 동시에 받았을 경우 설계여유도가 300%인 반면에, 신고리 3,4호기는 여유도가 8%밖에 없다는 내용을 ‘원전위험공익제보센터에서 공개강좌에 그 내용을 상세히 언급한 바 있다.

1994년 원자력연구원의 <가압기 밀림관 LBB> 논문에 따르면 10CFR 50 APP A GDC4의 개정으로 LBB 사용이 공식적으로 허용됨에 따라 영광 3·4호기에서 LBB 개념을 적용한 배관은 △원자로 냉각재 계통 배관 △가압기 밀림관 △안전주입 계통 배관 △정지 냉각 계통 배관이다. 다만 주증기 계통 배관의 경우 “LBB 적용 선례가 없어 국내 규제기관의 승인이 아직 미확정적인 상황에 있다”고 기재돼있다. 또 다른 킨스 보고서에는 “주증기배관 LBB 적용이 영광 3~6호기 설계 단계에서 시도됐지만 안전여유도가 낮게 평가돼 미적용됐다”는 내용이 있다. CE사가 앵커볼트를 제거했기 때문에 한국에서 그대로 받아들였다면 주증기배관 LBB 적용 여부를 두고서는 왜 국내 규제기관이 판단했는지 의문이다.

원자로 배관, 증기발생기 2차측 스팀배관은 고에너지 배관으로 종전설계개념이 배관 순간파단시 배관 끝단이 휘날리면서 주변장치를 이차적으로 손상을 입히게 되는 문제가 있어 증기발생기, 원자로, 원자로냉각재펌프 연결용접부 부근에 PWR(Pipe Whip Restraint)를 로 원자로배관과 증기발생기 2차측에 PWR을 이용해 파단으로 인해 2차 피해를 방지하는 설계를 하였다가. 필로버데 원전부터 원자로배관에 PWR가 제거하였으나, 주증기 배관에는 여전히PWR이 존재하고 있고, 한국도 주증기배관에는 PWR이 있다.

1994년 원자력연구원의 <열성층화현상 및 LBB를 고려한 영광 3·4호기 가압기 밀림관의 설계에 대한 분석> 논문에는 “영광 3,4호기 사업자가 제시한 방법은 웨스팅하우스에서 공급한 발전소에서 적용한 방법이다. 이를 영광 3,4호기에 적용한다는 것은 문제가 있다는 점과 이 발전소에 대한 LBB 평가(1987년 1월 보고서)가 현재 LBB 개념의 적용 타당성 기준을 제시하고 있는 미국 NRC의 SRP 3.6.3 Draft(1987년 3월)가 공식 공개되기 전에 수행되었다는 점과 또 밸리 유닛2의 LBB 적용과 관련해 NRC 내부에서도 이견이 있다는 점 등을 고려할 때 신중을 기해야 한다”고 기재돼있다.

문 기술사는 “한전기술과 두산중공업이 역무 중첩영역에서 심도있게 검토하지 않았던 것으로 보인다”면서 “모든 도면이 그 당시 원자력연구소(현재 한전기술S/D)와 한전기술(AE), 한전, 한국중공업(현 두산중공업) 이름으로 발행된 것으로 미뤄봤을 때 책임은 정부부처와 국내 기관들이 져야할 것”이라고 말했다.

카테고리:02월호-에너지전환, 2021년