2020-06-03 Wed
 
콘크리트용 철근의 기초와 부식·방식에 대하여… (3)
2020-05-06 10:07 22

국내 최초의 원자력발전소인 고리 1호기가 영구정지 된지도 벌써 3년이 되어 간다. 2017년 6월 18일 상업운전을 시작한 지 40년 만에 퇴역인 것이다. 잠시 보도내용을 리뷰해 보자. (머니투데이, 2017. 6. 9) 국내에서 원전이 영구적으로 문을 닫는 첫 번째 사례이다. 고리 1호기는 원자력안전위원회(원안위)에서 영구정지 운영변경허가가 의결됨에 따라 영구정지 된 것이다. 1호기는 미국 정부의 차관을 지원받아 1971년에 착공하였고, 1978년 상업운전에 들어가 2007년 6월 30일 설계수명이 종료되었다. 다시 재가동이 결정되어 2017년 6월까지 수명이 연장됐었다. 한수원은 앞으로 5년 이내에 해체 계획서를 원안위에 제출해야 한다. 고리 1호기 해체에는 최소 6,000억이 들어간다고 한다. 중·저준위 방사성 폐기물의 처분, 사용 후 핵연료 관리, 물가 상승률까지 포함하면 해체 비용은 약 1조 원도 예상된다. 건설비에 육박하는 비용이다. 원전 해체절차는 가동중단 이후 원자로를 냉각하는 것부터 시작된다. 원자로 내부의 열로 인한 노심 용융이나 이에 다른 방사성 물질의 유출 가능성 때문에 냉각은 필수적이다. 이 작업도 최소 4∼5년은 걸린다고 한다. 해체 결정이 내려지면 방사성 물질 제거와 함께 순차적으로 철거작업을 진행하는 “제염(除染) 해체 작업이 진행되고, 원자로 핵심인 핵 연료봉을 빼내는 작업부터 시작해 격납용기나 건물 등 시설물 표면의 방사성 물질을 닦아낸다. 오염이 적은 설비부터 해체를 시작해 원자로의 격납용기와 압력 용기의 철강재를 절단, 지하 깊숙이 묻는 과정으로 진행된다고 한다. 방사성 물질이 묻은 천과 해체된 콘크리트 파편조각, 방사성 물질이 함유된 액체 폐기물 등은 중·저준위 방사성폐기물로 분류돼 처분장으로 옮겨진다. 최종 폐로까지는 15∼20년 이상 기간이 걸리는 것으로 예상된다. 그러고 보면 2011년 폭발사고가 난 일본의 후쿠시마 원전의 안전한 폐로를 위해서는 앞으로 최소 15년은 걸릴 것으로 예측할 수가 있다. 또한, 1998년 3월 31일 상업운전이 종료된 일본의 동해(東海)원전은 현재 해체 작업이 진행되고 있는데 2021년에야 완전히 폐로가 될 것으로 전망되고, 10년만인 지난 2008년 9월 22일 방사선 폐기물이 아닌 폐기물을 최초로 반출하기 시작했다. 그리고 돈하(敦賀)발전소 1호기는 2015년 4월 27일 영업운전이 정지되어 해체과정을 준비 중이다. 지난해 전 세계적으로 영구 정지된 원전은 159기로, 이중 해체가 완료된 것은 불과 19기에 불과하다. 우리는 현재 23기가 가동 중이고, 2030까지 설계수명이 만료되는 원전은 12기로 절반에 해당하는 비율이다. 특히, 방사성에 오염된 콘크리트를 처리하려면 엄청 난 양이 되고, 처분장도 엄청난 규모가 되어야 하므로 소위 부피를 줄이는 감량 연구가 절대적으로 필요하다. 한마디로 오염된 콘크리트에서 방사성 물질만 추출해서 제거하면 콘크리트는 일반폐기물로 처리 가능하기 때문이다. 특히, 냉각수에 들어있는 세슘은 그래핀으로 상당량 제거되는 기술도 최근 개발되어 감량이 크게 기대된다. 나도 이 부분에는 과거에 자문해준 적이 있고, 많은 연구가 필요한 부분으로 생각된다. 해체시장은 우리보다도 먼저 해체를 경험한 미국, 독일, 일본이 많은 노하우를 가지고 있고, 이를 바탕으로 세계 해체시장을 주도하고 있다. 우리도 이번 폐로 결정을 계기로 엄청난 시장을 남에게 맡길 수가 없다. 그런 면에서 2017년 1월 18일 (사)한국건설순환지원학회가 주최한 제1회 기술강좌인 “원전해체와 자원 재활용 기술”은 해체시장을 준비하는 건설 플랜트 기술자들에게 기초 정보를 주었다는 의미가 있었다. 원전 해체기술은 38개로 요약되고, 이 중 17개를 우리는 보유하고 있다. 나머지 기술은 원전해체센터를 통해서 보유하여 자력화 한다는 것이다. 우리는 그간 차근차근 경험한 원전건설 및 운영실력을 인정받아 2009년 한국형 원전 4기가 UAE로 수출했다. 현재 1호기는 지난 3월에 연료장전을 완료하였다. 2, 3, 4호기는 건설 중이다. 이제는 건설과 동시에 해체까지 책임지는 일괄 방식도 가능하다. 세계시장 1,000조원을 향하여 정부는 물론 산·학·연이 조직적 대응이 필요할 때인 것 같다. 글로벌화 된 해체시장을 두고, 세계는 각축전을 벌이고 있다. 우리도 이제부터 차근차근 준비하는 지혜가 필요하다.
각설하고, 1편에서는 철근콘크리트에서 철근이 사용되는 이유를 중심으로 설명, 2편에서는 철근에는 어떤 종류들이 있는지를 알아보았다. 이번에는 철근은 왜 녹이 스는가에 대하여 알아보자.


3. 철근은 왜 녹이 스는가?
 철근의 재료인 철은 정련(精鍊)에 의해 철광석을 환원상태로 만든 것이다. 그래서 철은 항상 산화 상태로 회귀하려고 한다. 철은 산소 등과 친화력이 강하고, 자연계에서는 철광석으로서 존재한다. 철광석의 주요성분은 산화철이며, 적철광(Fe2O3)이나 자철광(Fe3O4), 갈철광(Fe2O3·nH2O)이 함유되어 있다. 이 철광석으로부터 철 이외의 불순물을 제거하기 위하여 고로(高炉)에 넣고, 코크스를 열원으로 연소에 의해 로내의 온도를 약 2,000℃까지 올려 환원반응을 일으킨다. 그 후 정련이나 주조(鑄造), 압연(圧延) 공정을 거치면서 철이 제조된다. 이렇게 완성된 철은 자연계에 있는 산소와 결합해서 원래의 산화철로 돌아가려고 하므로 발청이라고 하는 현상이 일어난다. 이 발청이라고 하는 현상은 "부식하는" 라고도 부른다. 철을 물에 침적시켜 정치해두면, 그 다음으로 철의 표면이 빨갛게 녹이 슨다. 이때 철의 표면에서는, 철이 산화된 산화 반응(아노드 반응)과 물에 용해된 산소가 환원되는 환원반응(개소드 반응)이 동시에 일어난다. 이 반응이 일어나고 있는 장소를 각각 아노드, 캐소드라 부른다. 이 아노드와 캐소드가 철 본체로 접속됨으로써, 철의 표면에서는 원자크기의 전지가 무수히 구성된다. 이 전지를 국부 전지(局部電池)라고 부른다. 철이 녹스는 환경에 따라 부식을 분류하면 수용액 부식과 기체 부식으로 크게 분류된다. 수용액 부식은 습식(濕食), 기체 부식은 건식(乾食)이라고도 부른다. 이들의 부식 메커니즘을 그림-5에 나타내었다. 수용액 부식의 경우 철이 철 이온으로 되어서 수용액으로 녹아드는 점이 아노드, 용존산소가 환원된 수산화이온으로 되는 점이 아노드, 그래서 수용액이 이온의 전도체로 되어서 국부전지가 구성된다. 한편 기체부식의 경우는 철이 확산철(拡散鐵) 이온으로 되어서 반도체(산화피막)로 녹아드는 점이 아노드, 산소 가스가 산화피막 표면에 산소이온으로 환원된 점이 캐소드, 그래서 산화피막이 반도체로 되어서 국부 전지가 구성된다. 수용액 부식도 기체 부식도 기본적인 전기화학반응은 똑같다. 철 부식의 대부분은 수용액 부식으로 된다. 대기부식이나 해수부식, 토양 부식 등 철이 사용된 환경에 따라 보다 세분된다. 한편, 가스터빈이나 쓰레기 소각로 등의 시설에서는 고온의 가스가 철에 접촉된 부분에서 부식하는 것이 있다. 이것들은 기체 부식으로 분류된다. 철근콘크리트 중에서 철근은 콘크리트 중의 세공용액과 항상 접촉하고 있으므로, 일반적으로 수용액 부식으로 보는 것이다. (이상)

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