2.1 원전 부지특성

국내 원전 부지에서 고려해야 할 자연재해를 도출하기 위해 부지별 지형 및 부지특성을 분석하였다. 고리/신고리 원전 부지는 지정학적으로 한반도의 동남해안에 위치하며, 부지 인근에 낮은 산들이 분포하고 있고, 주변의 하천들은 유역면적이 좁고 유로연장이 짧다. 부지가 해안에 위치하기 때문에 해일에 대한 침수를 대비하여 고리 1∼4호기의 해안에 방벽을 증축하였다. 월성/신월성 원전 부지는 지정학적으로 한반도의 동해안에 위치하여 서쪽이 높고 동쪽이 낮은 지형 특성을 보이며, 주변의 하천들은 유역면적이 좁고 유로연장이 짧다. 월성 1∼4호기는 방파제가 설치되어 해일로부터 보호받고 있으며, 2009년에 방파제를 증축한 바 있다. 한울/신한울 원전 부지는 지정학적으로 한반도의 동해안에 위치하여 서쪽이 높고 동쪽이 낮은 지형 특성을 보이며, 대부분 산지로 형성되어 있고, 주변의 하천들은 규모가 작다. 발전소 부지는 해안에 인접해 있고, 한울 부지는 전면에 방파제가 설치되어 해일로부터 보호받고 있다. 한빛 원전 부지는 지정학적으로 한반도의 서해안에 위치하고 있으며, 주변의 하천들은 규모가 작다. 발전소 북쪽의 소규모 산 너머에 태양광 발전 단지가 운영 중에 있다. 발전소 부지는 해안에 인접해 있으므로 부지의 수문학적 특성은 서해의 영향을 받으며, 원전들은 내륙인 남동쪽을 향하게 배치되어 있다^{(CENITS Corporation, 2022)}.

2.2 외부재해 유발 사건 현황

원전 부지별로 잠재적 극한자연재해를 선별하기에 앞서 외부재해로 인해 원전에서 발생한 실제 사건을 참고하고자 OPIS에서 제공하는 자료를 기반으로 자연재해에 의한 외부영향을 검토하였다. 고리 원전은 1978년에 1호기가 최초로 가동되기 시작하여 1983년에 2호기가 가동되었으며, 월성 원전은 1983년에 1호기가 가동되기 시작하여 1997년에 2호기가 가동되었다. 한빛 원전은 1986년에 1호기가 가동되기 시작하여 1997년에 2호기가 가동되었으며, 한울 원전은 1988년에 1호기가 가동되기 시작하여 1989년에 2호기가 가동되었다. 이 중에서 1978년부터 가동되었던 고리 1호기는 2017년에 영구정지 되었고, 1983년부터 가동되었던 월성 1호기는 2019년에 영구정지 되었다. 여기서 원전의 가동은 상업운전을 말한다. 2023년 2월 기준으로 영구정지된 2기를 제외하고 총 25기의 원전이 가동 중에 있으며, 총 782건에 달하는 사건이 발생하였다. 이들 사건의 고장원인을 살펴보면, 계측결함(217건), 기계결함(202건), 전기결함(147건), 인적오류(137건), 외부영향(71건) 및 기타(8건) 순으로 나타났다. 그리고 고장원인을 재검토한 결과, 외부영향으로 인한 외부사건은 71건에서 74건으로 증가함을 확인하였다.

2.3 외부사건의 빈도

외부사건의 원인별 발생건수는 유기물(21건, 28.4%), 태풍(20건, 27.0%), 지진(11건, 14.9%), 낙뢰(9건, 12.2%), 폭우(4건, 5.4%), 강풍(3건, 4.1%) 등의 순으로 나타났으며, 이를 그림으로 나타내면 Fig. 1과 같다. 주요 원인으로는 유기물, 태풍 및 지진에 의한 외부사건의 비중이 약 70%를 차지하고 있다. 가장 높은 발생건수를 차지하고 있는 유기물에 의한 사건은 즉각적인 조치가 가능하고 대응에 필요한 시간을 충분히 확보될 수 있기 때문에 원전의 중대 사고를 일으키지는 않을 것으로 판단된다. 두 번째로 높은 발생건수를 차지하는 외부영향은 태풍에 의한 사건이다. 특히 1987년의 셀마(5건), 2003년의 매미(5건), 2020년의 마이삭(6건) 등 여름에 발생된 태풍이 사건을 주로 유발하였다. 그 다음은 지진에 의한 사건이며, 11건 중에서 9건이 점검을 위해 수동정지 시킨 사건이고, 2건은 백색비상에 의한 사건이다^{(Kim et al., 2023)}.

외부재해로 인해 발생한 주요 사건을 OPIS에서 공개하고 있는 조사보고서를 토대로 살펴보면, 유기물에 의한 사건의 경우 2001년 8월 11일에 한울 2호기에서 약 1000톤의 해파리가 취수구에 유입되어 2대의 순환수 펌프가 정지되었으나 즉각적인 대응으로 인해 1시간 25분 만에 복구된 바 있다. 태풍에 의한 사건의 경우 2003년 9월 12일에 월성 2호기에서 최대순간풍속 46.3 m/s의 강풍으로 인해 터빈건물로부터 이탈된 비산물이 주변압기를 타격하면서 터빈/발전기가 정지되었다. 그리고 폭우에 의한 사건의 경우 2014년 9월 18일에 고리 2호기에서 134 mm/hr의 기록적인 폭우로 인해 순환수펌프실로 빗물이 다량 유입되어 순환수펌프 3대가 정지되었다.

원전 호기 당 사건발생 건수를 5년 단위로 나누어 외부사건의 빈도를 분석하였으며, 호기 당 사건발생 건수를 5년 단위로 산정하여 Fig. 2에 나타내었다. 원전 호기 당 5년간 사건 발생건수의 평균은 0.66건이다. 빈도가 가장 높았던 1983년~1987년에 발생한 사건은 가동 중이었던 7개의 호기에서 9건이 발생하였다. 9건의 사건 중 6건이 태풍에 의한 것이며, 이 중 5건이 1등급 태풍인 셀마에 의한 것이다. 2000년 이후에 외부사건 발생건수가 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 과거 사건을 통해 방재 및 설비보강 대책을 수립하고 효율적인 운영 및 대응체계를 수립함으로써 사건의 빈도가 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 1. Distribution of External Sources

Fig. 2. Number of External Events (Per 5-year Period)

2.4 외부사건의 강도

외부사건의 강도 분석을 위해 72시간 이상 가동이 정지되었던 사건을 Table 1에 나타내었다. 72시간 이상 가동이 정지되었던 사건은 총 13건이며, 2023년을 기준으로 최근 10년간 9건이 발생하였다. 따라서 최근 들어 사건의 강도가 커지고 있음을 확인할 수 있다^{(Kim et al., 2023)}.

2.5 계통별 사건 빈도

외부사건의 영향을 받은 계통별 발생건수는 Fig. 3에 나타난 바와 같다. 총 74건의 외부사건을 발생위치별로 살펴보면, 소내에서 52건이 발생하였고, 소외에서 22건이 발생하였다. 소외사건은 주로 소외전원상실과 같은 전력계통 관련 사건이 22건 중에서 21건에 달한다. 그리고 발생 설비별로 살펴보면, 전력계통 관련 사건이 34건이고, 취수구조물과 관련된 사건이 22건이다. 전력계통이나 취수구조물과 관련된 사건이 외부사건의 약 76%에 달하는 높은 비중을 차지하는 것으로 나타났다^{(Kim et al., 2023)}.

Fig. 3. Systems Affected by External Effects

2.6 부지별 외부사건 빈도

원전 부지별로 외부사건의 발생현황은 Fig. 4에 나타난 바와 같다. 동해안에 위치한 고리/신고리, 월성/신월성 및 한울 원전은 태풍에 의한 강풍과 폭우 등에 의한 외부사건이 다수 발생한 것으로 나타나고 있다. 특히 동해안의 남쪽에 위치한 고리/신고리 원전은 태풍에 의한 영향이 지배적이고, 단층에 가깝게 위치한 월성/신월성 원전은 지진의 영향이 지배적이었다. 동해안 울진에 위치한 한울 원전은 해수에 있는 유기물의 영향이 큰 것으로 나타났다. 그리고 서해안에 위치한 한빛 원전은 동해안에 위치한 타 원전에 비해 외부사건의 발생건수가 적게 나타났다^{(Kim et al., 2023)}.

Fig. 4. Occurrence Status of External Events by NPP Sites

3.1 선별절차

본 연구에서는 해외 기준 및 문헌자료 분석을 통해 국내 원전 부지의 특성 및 기후변화로 인해 발생 가능한 극한자연재해의 선별절차 및 기준을 작성하였다. 그리고 국내 원전에 발생 가능한 모든 외부자연재해를 파악하여 분류하였다. 정성적 선별기준을 이용해서 1차선별을 수행하였고, 1차로 선별된 극한자연재해를 대상으로 정량적 선별기준을 이용해서 2차선별을 수행하였다. 국내 원전에 적용하기 위한 외부재해의 선별절차는 Fig. 5와 같다^{(Chung et al., 2023)}.

Fig. 5. Screening Procedure of External Hazards

3.2 자연재해 분류

자연재해는 공통원인 사고 인자(CCI: Common Cause Initiator)를 유발할 수 있기 때문에 원전 내부의 사고와는 차이가 있다. 동일본 대지진으로 인한 일본 후쿠시마 원전사고와 같이 자연재해로 인해 발생한 CCI는 원전 안전관리에 있어 불가항력적인 상황을 유발할 수 있다. 국내에서 가동 중인 원전은 10∼40년 이전에 설계․시공된 경우가 대부분이며, 설계 당시에 고려되었던 자연재해의 강도는 기후변화로 인해 현재와 많은 차이가 발생하고 있다. 본 연구에서는 기후변화가 자연재해의 강도와 빈도에 영향을 미치는 것을 고려하기 위하여 SKI(Swedish Nuclear Inspectorate)와 EPRI(Electric Power Research Institute)에서 수행한 기존 연구 자료^{(Knochenhauer et al., 2003; EPRI, 2015)}를 참고하여 발생가능한 외부사건 목록을 도출하였다. 그리고 외부사건 중에서 인적 외부사건을 제외한 20건의 자연재해에 대해 총 51건의 세부 분류로 정리하면 Table 2와 같다.

3.3 정성적 선별기준

국내 원전의 정성적 선별 기준은 EPRI 기준^{(EPRI, 2015)}을 기반으로 기후변화와 관련된 기준(QL-3)을 추가하여 Table 3과 같이 작성되었다^{(Park et al., 2022)}. 정성적 선별 기준은 식별된 자연재해 중에서 원전과 원전 부지의 관련성과 영향 등을 고려함으로써 원전의 노심 손상을 야기할 가능성이 극히 적은 자연재해를 제거하기 위한 것이다^{(Chung et al., 2023)}.

3.4 정량적 선별기준

OECD 원자력기구(Nuclear Energy Agency)에서 제시한 정량적 선별기준들은 노심손상빈도(CDF)와 조건부노심손상확률(CCDP)을 기반으로 한다^{(NEA, 2019)}. CDF를 계산하지 않을 경우에는 자연재해별 연간 발생빈도를 10-4∼10-7로 제시하고 있다. 국내의 경우 지진을 제외한 기타 자연재해 유발 CDF나 CCDP를 계산할 툴이 아직 없으므로 선별에 적용할 수 있는 정량적 기준의 설정이 필요하다. 본 연구에서는 설계빈도와 기존에 수행된 스트레스테스트의 범위를 포함하고 “Cliff edge” 효과를 고려하여 자연재해발생빈도 100,000년(10-5/year)을 정량적 기준으로 설정하였다. 연간 발생빈도 10-5는 IAEA에서 제시한 안전기준 중에서 ‘설계기준 초과 사건(Beyond design basis accidents)’에 해당하는 발생빈도(10-6∼10-4)의 중간값에 해당한다(Table 4 참조).

4.1 정성적 선별

원전 부지별로 발생 가능한 극한자연재해를 정성적으로 선별하였다. 실제로 가장 많이 발생한 외부사건인 수중생물에 의한 취수구 막힘은 제거할 수 있는 충분한 시간이 있으므로 선별제거 되었고, 지진은 이미 많은 선행연구와 취약도 평가가 이루어졌으므로 선별제거되었다. 정성적으로 선별된 극한자연재해와 선별사유는 다음과 같다.

외부사건별 빈도 분석결과에 따르면 태풍은 외부사건의 27%를 차지하는 자연재해이며, 기후변화로 인한 슈퍼태풍으로 인해 설계기준을 초과하는 강풍 발생 시 터빈건물 등의 지붕과 강재 패널은 부압으로 인한 피해를 입을 수 있다. 따라서 모든 원전 부지에서 태풍을 포함한 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압(부압 포함)이 정성적으로 선별되었다. 국내의 모든 원전 부지는 해안에 인접해있고, 기후변화로 인해 해수면 상승과 슈퍼태풍의 조합으로 설계기준보다 큰 파랑이 발생할 수 있기 때문에 모든 원전 부지에서 태풍에 의한 폭풍해일이 정성적으로 선별되었다. 폭우는 외부사건의 5.4%에 해당하는 4건이 발생하였으나, 최근 들어 국지강우가 증가하고 있으므로 모든 원전 부지에서 폭우에 의한 내부침수가 정성적으로 선별되었다.

한빛 원전은 부지 북쪽에 위치한 태양광 패널이 강풍시 비산물로 작용할 가능성이 있기 때문에 강풍에 의한 부지 외부발생 비산물이 정성적으로 선별되었다. 그리고 한울/신한울 원전 부지는 주변이 대부분 산지로 형성되어 있고, 2022년 3월에 울진군의 야산에서 발생한 산불이 부지 인근의 산림까지 번진 바 있으므로 산불에 의한 화재가 정성적으로 선별되었다^{(CENITS Corporation, 2022)}.

4.2 정량적 선별

원전 부지별로 정성적 선별을 통해 제거되지 않은 자연재해를 대상으로 정량적 선별을 수행하였다. 정량적 선별을 위한 자연재해별 기준치 등은 최종안전성분석보고서(FSAR: Final Safety Analysis Report)와 스트레스테스트 보고서를 참고하였다. 100,000년 빈도의 정량적 선별은 10,000년 빈도의 스트레스테스트 결과를 기반으로 수행하였다.

스트레스테스트 보고서에 따르면, 10,000년 빈도의 태풍에 의한 폭풍해일 발생 시 고리 3,4호기와 신월성 1,2호기에서 가능최고 해수위가 해안방벽이나 호안의 최대높이보다 높게 산정되어 처오름에 의한 월파가 발생하는 것으로 평가되었다^{(KHNP, 2020a; KHNP, 2020b)}. 고리 1,2호기의 경우 10,000년 빈도의 가능최고 해수위가 해안방벽의 최대높이보다 낮으나, 100,000년 빈도에서 20% 정도의 풍속증가를 고려하면 해안방벽 최대높이를 초과하는 것으로 검토되었다^{(KHNP, 2016; KHNP, 2018)}. 태풍에 의한 풍압은 일부 부지에서 10,000년 빈도의 최대풍속이 설계풍속을 초과하나, 10,000년 빈도의 풍하중은 설계지진하중의 5∼15% 수준에 불과하다. 따라서 내진설계가 이루어진 국내 원전의 안전관련 구조물은 풍하중에 대해 충분한 안전성을 확보하고 있다고 볼 수 있다. 그러나 극한 공기압의 경우 월성/신월성 부지에서 일부 구조물의 외부 마감재인 강재 사이딩(siding)의 박리 가능성이 제기되었다. 그리고 폭우에 의한 내부침수는 대부분의 부지에서 발생할 수 있으므로 방수문 설치 등의 대책을 수립한 바 있다.

정량적 선별 결과, 고리/신고리 부지와 월성/신월성 부지는 폭풍해일과 내부침수가 선별되었고, 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압은 현장실사가 필요한 것으로 검토되었다. 한울/신한울 부지는 내부침수가 선별되었고, 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압 및 산불에 의한 화재는 현장실사가 필요한 것으로 검토되었다. 한빛 부지는 내부침수가 선별되었고, 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압 및 부지 외부발생 비산물은 현장실사가 필요한 것으로 검토되었다^{(CENITS Corporation, 2022)}.

4.3 현장조사를 통한 선별

원전 부지별로 현장실사 대상원전을 선정하여 현장실사를 수행하였으며, 중점검토 자연재해에 취약한 설비의 조사 결과를 반영하여 잠재적 극한자연재해를 선정하였다. 극한자연재해의 피해가 예상되는 취약설비의 조사 결과는 다음과 같다.

고리/신고리 부지의 중점검토 자연재해는 폭풍해일, 내부침수, 풍압 및 극한 공기압이다. 신고리 1,2호기(OPR1000)의 현장실사 결과, 강풍이나 폭풍해일시 취수구 상단에 설치된 Trash Rake가 전도되어 인근 1차측기기 냉각해수펌프의 고장을 유발할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 총 10종의 탱크가 건물 외부에 설치되어 있으며, 복수저장탱크(CST: Condensate Water Storage Tank) 등은 강풍에 의한 풍압과 비산물에 의한 충돌하중이나 폭풍해일에 의한 파압과 부유물에 의한 충돌하중에 의해 구조적 파손이 발생할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 침수에 대비해서 보조건물과 터빈건물의 출입문 높이는 300 mm 이상 확보되었으나, 폭우시 일부 출입문의 방수성능 검증이 필요한 것으로 조사되었다.

월성/신월성 부지의 중점검토 자연재해는 폭풍해일, 침수, 풍압 및 극한 공기압이다. 월성 3,4호기(CANDU)의 현장실사 결과, 강풍이나 폭풍해일시 취수구 상단에 설치된 Trash Rake가 전도되어 인근 1차측기기 냉각해수펌프의 고장을 유발할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 그리고 탱크 2종만이 건물 외부에 설치되어 있으며, 강풍시 터빈건물 외벽이 뜯겨나가지 않도록 리벳 등의 고정장치에 대한 철저한 관리가 필요한 것으로 조사되었다.

한울/신한울 부지의 중점검토 자연재해는 침수, 풍압, 극한 공기압 및 산불이다. 한울 3,4호기(OPR1000)의 현장실사 결과, 터빈건물과 인접한 Heater Bay 외벽의 일부 리벳이 부식되어 강풍시 외벽이 뜯겨나가 비산물로 작용할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 그리고 터빈건물 측면 환기구가 바닥으로부터 높지 않으며, 환기구 내측에 고무판을 설치했으나 폭우시 방수성능 검증이 필요한 것으로 조사되었다. 이 밖에도 현장사무실용 컨테이너 박스가 주변 바닥의 앵커에 로프로 결박되어 있으나, 강풍시 주변 건물과 충돌할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 신한울 1,2호기(APR1400)의 현장실사 결과, 강풍시 하이포아염소산나트륨 저장탱크가 인근 강재 표지판과 충돌 가능이 있는 것으로 조사되었다. 그리고 다른 부지와 마찬가지로 강풍시 취수구 상단에 설치된 Trash Rake가 전도되어 인근 1차측기기 냉각해수펌프의 고장을 유발할 우려가 있는 것으로 조사되었다.

끝으로 한빛 부지의 중점검토 자연재해는 침수, 풍압, 극한 공기압 및 외부발생 비산물이다. 5,6호기(OPR1000)를 대상으로 현장실사를 수행하였으며, 다른 부지와 마찬가지로 강풍시 취수구 상단에 설치된 Trash Rake가 전도되어 인근 1차측기기 냉각해수펌프의 고장을 유발할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 건물 외부에 설치된 복수저장탱크(CST: Condensate Water Storage Tank) 등은 강풍에 의한 풍압과 비산물에 의한 충돌하중에 의해 구조적 파손이 발생할 우려가 있는 것으로 조사되었다. 이밖에 침수와 관련해서 보조건물과 터빈건물의 출입문 높이는 최소 360 mm 이상이며, 폭우시 모래주머니의 차수성능 검증이 필요한 것으로 조사되었다.

4.4 부지별 잠재적 극한자연재해

원전 부지별로 발생 가능한 극한자연재해에 대해 정성적 선별을 수행하였고, 정성적 선별과정에서 제거되지 않은 극한자연재해를 대상으로 정량적 선별과 현장실사를 통해 잠재적 극한자연재해를 선별하였다. 그리고 부지별 잠재적 극한자연재해에 대해 우선순위를 정하여 Table 5에 제시하였다^{(Chung et al., 2023)}.

고리/신고리 원전 부지의 경우, 고리 1~4호기는 해일로부터 보호해줄 수 있는 방파제가 없을 뿐만 아니라 해안방벽으로부터 소내 설비와의 거리도 가까운 편이다. 또한 고리 1,2호기의 부지정지고가 타 부지에 비해 낮기 때문에 폭풍해일을 고리부지에서 1순위의 잠재적 극한자연재해로 선정하였다. 태풍의 영향을 많이 받는 곳에 위치해 있으므로 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압을 2순위로 선정하였다. 그리고 고리 1,2호기는 낮은 부지정지고로 인해 침수에도 취약하기 때문에 폭우에 의한 내부침수를 3순위로 선정하였다.

월성/신월성 원전 부지의 경우, 스트레스테스트 보고서에 따르면 강풍 발생 시 안전관련 구조물의 건전성은 보장되나 특정 구조물에서는 강재 사이딩(siding) 박리 가능성이 제기되었고, 비산물로부터 강재 패널이 손상될 수 있는 것으로 평가되었다. 따라서 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압(부압 포함)을 1순위의 잠재적 극한자연재해로 선정하였다. 그리고 10,000년 빈도의 침수심 평가를 통해 월성 2~4호기와 신월성 1,2호기의 출입구에서 침수가 발생하는 것으로 평가되었으므로 폭우에 의한 내부침수를 2순위로 선정하였다.

한울/신한울 원전 부지의 경우, 스트레스테스트 보고서에 따르면 10,000년 빈도에 해당하는 폭우로 인한 침수심 분석 결과 한울 1~6호기에서 출입문 문턱보다 높은 침수심으로 인해 침수가 발생하는 것으로 평가되었다. 따라서 폭우에 의한 내부침수를 1순위의 잠재적 극한자연재해로 선정하였다. 그리고 현장실사를 통해 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압(부압 포함)을 2순위로 선별하였으며, 산불은 선별제거되었다.

한빛 원전 부지의 경우, 스트레스테스트 보고서에 따르면 10,000년 빈도에 해당하는 폭우로 인한 원전 부지 침수발생 시 3~6호기가 침수되는 것으로 평가되었다. 따라서 폭우에 의한 내부침수를 1순위의 잠재적 극한자연재해로 선정하였다. 그리고 현장실사를 통해 강풍에 의한 풍압과 극한 공기압(부압 포함)을 2순위로 선정하였으며, 외부발생 비산물은 선별제거되었다.