2011년 후쿠시마 원전에서 사고가 났을 때 사고 자체도 충격이었지만 사고를 수습할 아무런 방법이 없다는 점 역시 큰 충격이었습니다. 특히 로봇연구를 주도하던 일본에서 조차 로봇을 투입시켜 문제를 해결할 수 없다는 점은 예상 밖이었습니다. 이번 포스팅에서는 아직도 완전히 수습되지 못한 원전에 다가가는 로봇에 대한 IEEE Spectrum의 글을 통해 관련 내용을 소개합니다.
개요
13년 전, 일본 북부의 후쿠시마 제1 원자력 발전소를 강타한 대규모 지진과 쓰나미로 인해 정전, 원자로 붕괴, 그리고 대량의 방사성 물질이 방출되는 사고가 발생한 이후, 도쿄전력(TEPCO)은 마침내 복잡한 원자로에서 처음으로 녹아내린 연료를 추출할 수 있을 것으로 보입니다. 이는 특수한 망원형 로봇 장치 덕분입니다.
일본이 산업용 로봇 분야에서 우수한 기술을 가지고 있음에도 불구하고, TEPCO는 사고 직후 사용할 로봇이 없었습니다. 그 이후로는 방사선 수치를 측정하고, 건물 잔해를 제거하며, 태평양을 바라보는 발전소의 외부와 내부를 조사하는 데 로봇이 사용되었습니다.
후쿠시마 제1 원자력 발전소의 폐로 작업에는 수십 년이 걸릴 것으로 예상되며, 가장 위험하고 복잡한 작업 중 하나는 쓰나미가 발생했을 당시 가동 중이던 세 개의 원자로 건물에 있는 약 880톤의 고방사성 연료 잔해를 제거하고 저장하는 일입니다. TEPCO는 우라늄, 지르코늄 및 기타 금속의 혼합물이 원자로의 주요 격납용기(PCV) 바닥 근처에 쌓여있을 것으로 추정하고 있지만, 그 물질의 정확한 구성은 아직 밝혀지지 않았습니다. 이 물질은 TEPCO가 ‘연료 잔해’라고 정의하는데, 이는 과열된 연료가 연료봉과 원자로 내 구조물과 함께 녹아내린 후 다시 냉각되고 고체화된 것입니다. 원래는 2021년에 추출을 시작할 계획이었지만, 개발 지연과 추출 경로에서의 장애물로 인해 작업이 지연되었으며, 코로나19 팬데믹도 작업을 늦췄습니다.
TEPCO는 연료 샘플을 분석하여 정확한 구성을 파악하고자 하지만, 티스푼 크기의 연료를 얻는 것조차 매우 어려워 작업이 수년 뒤처졌습니다. 그러나 이제 2호기에서 연료 잔해 237톤을 목표로 한 망원형 장치가 투입되면서, 상황이 나아질 수 있습니다. 2호기는 다른 원자로 건물보다 피해가 적었고 수소 폭발이 없었기 때문에 더 안전한 실험 장소로 적합합니다.
TEPCO의 대변인인 마토바 타츠야는 “우리는 2호기에서 소량의 연료 잔해를 추출하여 그 특성과 형성 과정을 평가하고, 그 후 대규모 추출 작업으로 진행할 계획입니다. 회수된 연료 잔해에서 가능한 많은 정보를 추출하는 것이 향후 폐로 작업에 크게 기여할 것으로 믿습니다”라고 말했습니다.
TEPCO의 연료 샘플 추출 계획
연료에 접근하는 것은 말처럼 쉽지 않습니다. 손상된 PCV는 거꾸로 된 전구 모양의 33미터 높이의 철 구조물로, 원자핵 분열이 일어났던 원자로 압력용기를 담고 있습니다. PCV 하단에는 방사성 물질의 방출을 차단하도록 설계된 2미터 길이의 격리 밸브가 있으며, 로봇은 그곳으로 들어갑니다. 연료 잔해는 부분적으로 물에 잠겨 있습니다.
2024년 7월 31일 일본 원자력 규제 위원회로부터 사용 승인을 받은 로봇 팔은 외부 환경에 추가적인 오염 없이 연료 잔해 3그램을 회수하려고 시도하고 있습니다. 그렇다면 이 로봇은 어떤 구조로 작동하는 것일까요?
미쓰비시 중공업, 원자력 폐로 연구 국제 기구, 영국의 비올리아 핵 솔루션이 개발한 이 로봇 팔은 PCV의 작은 구멍에 들어가 내부를 조사하고 연료를 잡을 수 있도록 설계되었습니다. 주로 스테인리스 스틸과 알루미늄으로 만들어졌으며, 팔 길이는 22미터, 무게는 4.6톤, 18도의 자유도를 가지고 움직일 수 있습니다. 이 로봇 팔은 국제우주정거장의 로봇 팔과 유사한 붐 형태로, 사용하지 않을 때는 밀봉된 상자에 보관됩니다.
이 팔은 네 가지 주요 요소로 구성됩니다: 구멍을 통해 로봇을 밀어넣는 캐리지, 프린터 종이처럼 접히는 팔 링크, 세 단계로 확장 가능한 망원식 팔, 그리고 카메라와 그립퍼가 장착된 ‘완드’입니다. 이 팔과 완드는 목표 영역을 향해 아래로 기울일 수 있습니다.
PCV의 격리 밸브를 통과한 후 로봇 팔은 7.2미터 길이의 레일을 따라 원자로 기저부로 향해 내려갑니다. 이 팔은 기존의 받침대와 플랫폼의 구멍을 통해 더 진행됩니다. 그 후, 로봇 팔 끝의 그립퍼가 클러 머신처럼 케이블에 매달려 잔해 더미 쪽으로 내려갑니다. 이 그립퍼 도구는 5제곱 밀리미터 크기의 섬세한 핀셋 두 개로 구성되어 있어 잔해의 작은 조각을 집을 수 있습니다. 잔해는 컨테이너로 옮겨지고, 모든 작업이 순조롭게 진행되면, 잔해는 다시 구멍을 통해 위로 올라가 밀폐된 글러브박스에 보관됩니다. 이 글러브박스는 발전소 내에서 초기 테스트를 수행할 수 있는 밀폐된 음압 용기입니다. 그 후, 이 잔해는 인근 이바라키현에 있는 일본 원자력연구개발기구 시설로 옮겨져 자세한 분석이 이루어질 예정입니다.
지난달, 이 그립퍼가 잔해 더미에 도달하여 잔해 조각을 잡는 데 성공했으나, 그것이 실제로 녹아내린 연료인지는 확인되지 않았습니다. 그 후 며칠 뒤 장치에 장착된 4개의 카메라 중 2개가 작동을 멈추었고, 결국 장치는 밀폐 상자로 되돌아갔습니다. 작업자들은 발전소 건물 내 제어판의 신호 배선에는 문제가 없음을 확인한 후, 오실로스코프 테스트를 수행했습니다. TEPCO는 방사선이 카메라 반도체 요소를 통과하면서 전하가 축적되었고, 카메라를 비교적 저선량 환경에서 계속 켜두면 전하가 방전될 것이라고 추정하고 있습니다. 이는 매우 긴 프로젝트에서 발생한 최신의 어려움 중 하나였습니다.
마토바는 “후쿠시마 제1 원자력 발전소에서 연료 잔해를 회수하는 일은 매우 어려운 작업이며, 폐로 작업에서 매우 중요한 부분입니다. 폐로 작업을 30~40년 내에 완료하는 것을 목표로 하고 있으며, 모든 작업을 전략적이고 체계적으로 진행하는 것이 중요하다고 생각합니다”라고 말했습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 후쿠시마 제1 원자력 발전소에서 연료 잔해를 추출하기 위한 TEPCO의 노력과 관련된 로봇 기술에 대해 살펴보았습니다. 13년 전 발생한 대재앙 이후, 일본은 방사선 측정과 구조물 청소 등 다양한 로봇을 활용해 복구 작업을 이어오고 있습니다. 특히, 이번 연료 잔해 회수 작업은 폐로 과정에서 매우 중요한 단계로, 안전하고 효율적인 방법으로 진행되고 있습니다. TEPCO의 목표는 이 과정을 통해 얻은 정보를 바탕으로 향후 폐로 작업을 더욱 개선하는 것입니다. 앞으로도 이러한 기술적 진보가 원자력 발전소의 안전한 폐로와 재난 관리에 기여하길 기대합니다.