A Pre-Study on the Estimation of NPP Decommissioning Radioactive Waste and Disposal costs for Applying New Classification Criteria

신 분류기준을 적용하기 위한 원전 해체폐기물량 및 처분 비용 산정에 대한 사전 연구

Abstract

Since the commercial operation of Kori Unit #1 nuclear power plant(NPP) started in 1978, 23 units at present are operating in Korea. Radioactive wastes will be steadily generated from these units and accumulated. In addition, the life-extension of NPPs, construction of new NPPs and decontamination and decommissioning research facilities will cause radioactive wastes to increase. Recently, Korea has revised the new classification criteria as was proposed by IAEA. According to the revised classification criteria, low-level, very-low-level and exempt waste are estimated to about 98% of total disposal amount. In this paper, current status of overseas cases and disposal method with new classification criteria are analyzed to propose the most reasonable method for estimating the amount of decommissioning waste when applying the new criteria.

1978년 고리 1호기의 상업 운전을 시작으로 현재 우리나라에서는 총 23기의 원전이 운영 중에 있다. 운영 중인 원전으로부터 방사성폐기물이 계속 발생되고 누적되어 갈 것이다. 또한 원전의 수명 연장과 신규 원전의 추가 건설 이외에도 제염해체 연구시설 등 각종 원자력 시설에서 발생하는 방사성폐기물은 꾸준히 증가하고 있다. 우리나라는 최근 IAEA에서 권고하는 신 분류기준을 적용한 신분류기준에 대해 원자력안전위원회 고시를 개정하였다. 중·저준위폐기물을 IAEA 신 분류기준을 적용하여 세분화한다면, 약 98%를 차지하는 저준위 및 극저준위 방사성폐기물과 규제면제폐기물을 효과적으로 처분 할 수 있게 된다. 본 논문에서는 신 분류기준을 적용한 해외 적용 사례와 처분 방안 현황을 분석하여 국내에 적용 가능한 최적의 합리적인 적용 방안 및 해체 방사성폐기물량을 산정해 보고자 한다.

1. 서 론

방사성폐기물은 원자력을 이용하여 전력을 생산하는 원자력발전의 제반 핵연료주기의 모든 공정과 방사성물질을 취급하는 과정에서 필수 불가결하게 부산물로 발생된다.

현재 국내의 방사성폐기물 분류는 1994년 IAEA 안전기준의 발생폐기물 분류체계를 반영하여 방사능 농도(4,000 Bq/g) 와 열 발생률(2 kW/m3)을 기준으로 고준위 및 중•저준위 방사성폐기물로 구분하고 있으나 잠재위험도 및 최적의 안전성 확보를 위해 IAEA에서 권고하는 세분화된 신 분류기준의 적용이 필요한 실정이다. IAEA는 중•저준위 방사성폐기 물에 대해 극단반감기, 극저준위, 저준위, 그리고 중준위의 4가지로 분류하는 신 분류기준을 권고하고 있다[1].

본 논문에서는 기존의 분류기준에 대한 해외 사례와 처분 방안 현황을 분석하여 국내에 적용 가능한 합리적인 방안을 도출하고, 이에 따른 해체 폐기물량 및 처분비용을 산정 하고자 한다.

 

2. 방사성폐기물 분류기준 및 처분방식

2.1 국내 및 IAEA의 방사성폐기물 정의와 분류기준

국내 원자력안전법 제2조(정의) 제18호에서는 ‘방사성폐 기물’을 방사성물질 또는 그에 의해서 오염된 물질로서 폐기의 대상이 되는 물질로 정의하고, 여기에 사용후핵연료를 포함하고 있다. 물리적인 관점에서 방사성 핵종을 함유한 모든 물질은 그 양이나 농도에 상관없이 ‘방사성(radioactive)’이라고 볼 수 있지만, 안전규제 관점에서의 ‘방사성폐기물’은 규제관리가 요구되지 않는 농도와 수량을 초과하는 방사성 물질을 함유한 폐기물을 의미한다.

우리나라는 원자력안전법 시행령 제2조(정의) 제1호에서는 방사성폐기물 중에서 방사능과 열 발생률이 특정 값 이상인 폐기물을 ‘고준위 방사성폐기물’로 정의하고, 이에 해당되지 않는 방사성폐기물을 ‘중•저준위 방사성폐기물’로 Fig. 1과 Table 1과 같이 분류되어 수행해왔다.

Fig. 1.Radioactive waste classification criteria of Korea[1].

Table 1.Radioactive concentration and heat generating rate for radio-wate classification

IAEA의 방사성폐기물 신분류체계를 살펴보면 Fig. 2와 같이 고준위, 중준위, 저준위, 극저준위, 극단반감기, 규제 면제 폐기물로 총 6가지로 구분하고, 각 분류 별 처분 방식 또한 제시하고 있다. 우리나라는 방사성폐기물 분류기준과 이에 따른 처분 방식을 개선하기 위하여 2013년 12월 13일 제18회 원자력안전위원회의를 열고, 원전의 대형기기 교체 및 원전 해체 시 발생할 수 있는 다양한 방사성폐기물에 대한 최적의 방사성폐기물 분류체계와 기준 마련이 시급함에 따라 IAEA 기준에 따른 방사성폐기물을 잠재위험도에 따라 세분화하고, 종류별로 처분방식, 규제해체 제도 도입을 위해 시행령, 시행규칙 및 관련 고시의 개정을 회의하였다. 최근에는 국내 방사성폐기물 분류기준을 IAEA 신 분류체계를 일부 적용하여 극단반감기를 제외한 고준위, 중준위, 저준위, 극저준위, 규제면제 5 가지로 세분화 하는 원자력안전위원회 고시 제2014-3호를 개정하여 적용하고 있다[2].

Fig. 2.New classification of radioactive waste of IAEA[2].

2.2 방사성폐기물 분류 기준 별 처분 방식

IAEA에서 권고하는 방사성폐기물 분류 기준 별 처분 방식은 Fig. 3과 같이 권고하고 있다. 고준위폐기물은 지하 500~1000 m의 암반에 처분시설을 만들어 처분하는 심지층 처분 방식을 기본 개념으로 하고 있으며, 현재 미국, 프랑스 등을 중심으로 지하시험시설을 만들어 기술개발 중에 있다. 중준위폐기물은 지하 100~300 m의 적절한 지층에 처분장을 설치하여 폐기물을 처분하는 것을 제시하고 있다. 고준위폐기물과 중준위폐기물의 처분에는 지질학적으로 안정한 암염층, 현무암층, 화강암층, 점토질암층 등이 검토되고 있다. 저준위폐기물은 지하 약 30 m 이내의 깊이에 천연 방벽 또는 인공 방벽을 이용하여 처분하는 방식이 검토되고 있으나, 안전성 확보를 위해 인공 방벽을 이용한 처분이 널리 이용되고 있다.

Fig. 3.Disposal method according to new radiowaste classification[3].

그 외에 극단반감기폐기물은 저장시설에서 자연 붕괴 후 소멸될 때까지 저장한 후 처분하고, 극저준위폐기물은 단순 매립을 통해 처분하며, 규제면제폐기물은 재활용 가능한 부분만 재활용하고 나머지는 일반 산업폐기물 처리 방법을 고려할 수 있다[3].

우리나라의 경우는 원자력안전위원회고시에서 고준위폐기물은 심층처분, 중준위폐기물은 중간층, 저준위 및 극저준위폐기물은 천층처분, 규제해제 폐기물은 타 법령에 따른 매립이나 재활용 등을 허용하도록 규정하고 있다.

 

3. 해체 방사성폐기물 발생량 예비 평가

3.1 국가 및 기관 별 해체폐기물 발생량 비교 분석

3.1.1 IAEA

IAEA에서는 900~1,300 MWe 규모의 PWR 원전 1 기 해체 시 발생되는 해체방사성폐기물 발생량을 Table 2와 같이 예측하고 있다[4]. 금속의 밀도를 약 7.0 g/cm3 , 콘크리트의 밀도를 약 2.0 g/cm3 그리고 해체 잡고체의 밀도를 약 0.8 g/cm3 으로 고려하고, 드럼 당 충진율은 폐기물 인수기준에 맞도록 85%를 고려하였다. 따라서, IAEA에서는 1,000 MWe PWR 원전 1기 해체 시 발생되는 해체방사성폐기물 발생량을 약 6,200 ton (14,000 드럼; 200 리터 드럼 기준)으로 예상하고 있다.

Table 2.The amount of forecasted decommissioning waste generation of NPP(PWR)

3.1.2 OECD/NEA

OECD/NEA에서는 해체폐기물 발생량에 대해 회원국들을 대상으로 설문 조사한 결과를 기준으로 2003년에 발행한 보고서를 보면 PWR 원전 1기 해체 시 발생되는 해체폐기물 발생량이 2,000~18,000 ton 이며, 평균 5,000 ton 이하로 예상하고 있다[5].

3.1.3 미국

원전 해체폐기물 발생량은 실제 원전을 완전히 해체한 국가 중 가장 경험이 많은 미국의 사례 중 메인양키(MaineYankee)원전에 대해 검토하였다[6]. 해체폐기물 발생량 관점에서 가장 특징적인 것은 해체작업 중 다량의 오염된 토양이 발견되어 해체폐기물량을 상당량 증가한 것이다. 미국 메인양키 원전의 해체폐기물 발생량은 Table 3에 정리된 자료와 같다. 메인양키 원전 해체사업에서는 방사성폐기 물은 크게 5 가지로 분류하고 있는데 방사성폐기물은 217백만lb(98,657ton)으로 비 방사성폐기물 발생량 128백만 lb(58,316ton)보다 훨씬 더 많이 발생하였다. 방사성폐기물 중에서 콘크리트가 64%, 토양이 23%이고 대형폐기물은 3% 정도이다. 특히 콘크리트 오염폐기물과 토양 오염폐기물이 예상치보다 많이 발생하였다

Table 3.Decommssioning waste generation of maine yankee NPP

3.1.4 독일

독일의 Greifswald 원전 해체 중 발생된 총 해체폐기물 발생량은 1,800,000 ton이었으며, 이 중에서 약 1%에 해당하는 16,500 ton만이 방사성폐기물로 분류되어 있다. 이는 제염 활동의 강화로 방사성폐기물 발생량을 최소화한 결과이다. 총 5기 해체 결과 발생된 폐기물이므로 한 호기 당 평균 3,300 ton의 폐기물이 발생된 것으로 추정된다. 이를 드럼으로 환산하기 위해 200 리터 드럼 당 폐기물의 무게를 약 200~500 kg으로 가정하면 6,600~16,500 드럼이 발생된 것으로 판단된다. Mulheim-Karlich 원전(PWR 1,302 MWe)에서도 해체폐기물 발생량을 3,500 ton(7,000~17,500 드럼)으로 예상하고 있다.

3.1.5 프랑스

프랑스 전력공사인 EdF에서 평가한 해체폐기물 발생량은, 프랑스에서 국민홍보용으로 발간한 자료에 따르면 PWR 1기 해체폐기물 발생량을 다음과 같이 제시하고 있다[7].

프랑스에는 규제면제제도가 없으므로 방사선 구역에서 발생된 규제면제폐기물들도 극저준위폐기물로 분류하고 있다. 따라서 상기 자료를 그대로 인용하기는 어렵지만, 보수적으로 중준위폐기물과 저준위폐기물만 고려하여도 원전 1 기 해체 시 발생되는 해체 방사성폐기물 발생량은 35,500 드럼이다.

3.1.6 일본

일본의 경우 PWR 해체방사성폐기물 예측 발생량에 대해 IAEA 신 분류기준을 준용하여 분류한 원자로 해체폐기물 발생량을 제시하고 있으나, 해체폐기물 처리를 위해 어떤 처리 설비를 이용했는지에 대해서는 기술하지 않고 있다[8]. Table 4는 일본 내 여러 노형에 대한 예상 해체폐기물 발생량을 나타내고 있으며, PWR 원전 1 기 해체 시 발생되는 해체 방사성폐기물 발생량은 약 6,200 ton이다. 이를 드럼으로 환산하면 200 드럼 당 폐기물의 무게를 약 200~500 kg이라 가정하였을 때 12,400~31,000 드럼이 발생될 것으로 평가하고 있다.

Table 4.The amount of decommissioning waste of japan

3.1.7 국내 현황

기존의 국내 원전 해체폐기물 발생량은 원전 해체충당금 평가를 위해 2002년 한국원자력연구원, 2009년에는 한국수력원자력, 경희대학교 등의 여러 기관에서 평가한 사례가 있다. 한국수력원자력은 방사성폐기물관리법 중 관리비용 산정 근거에서 스웨덴의 웨스팅하우스 900 MWe 원전의 해체 폐기물 발생량에 근거하여 14,500 드럼으로 평가하고 있고, 한국원자력환경공단도 “중•저준위 방사성폐기물 처분 시나리오”에서도 원전 1 기 해체에 따른 해체방사성폐기물 발생량을 14,500드럼으로 평가하고 있다.

3.2 해체방사성폐기물 발생량 평가

원전 해체로 인한 방사성폐기물의 발생량을 예측할 수 있는 일반화된 방법은 없다. 해체 대상 원전의 운전 이력, 원전 사업자의 해체 전략, 또는 국가의 방사성폐기물의 관리 규제 등에 의하여 해체폐기물 발생량이 좌우되기 때문이다. 위에서 검토한 국제기관 및 국가별 해체 방사성폐기물 발생량을 정리하면 Table 5와 같다. 국외 기관과 국가별 해체 방사성 폐기물 발생량 예측치에 대해 편차를 줄이기 위해 Table 5의 발생량을 로그 평균하면, 발생량 평균은 약 19,000 드럼이 되며, 이 값을 900~1,300 MWe PWR 원전의 기준 해체 방사성 폐기물 발생량으로 제시하고자 한다.

Table 5.The amount of decommissioning waste estimated by international

900~1,300 MWe PWR 원전의 발생량을 기준으로 원전의 용량을 고려한 해체방사성폐기물 발생량은 아래와 같은 산술식을 이용하여 예측할 수 있다.

고리 1호기의 경우 용량이 약 600 MWe이므로, 위 식에 대입하여 계산하면 해체 시 발생하는 방사성폐기물 발생량은 약 14,000 드럼이 된다. 따라서 국내 원전 용량 별로 해체 방사성폐기물 발생량은 다음과 같이 평가할 수 있다.

그러나 실질적인 해체방사성폐기물 발생량은 향후 국내 해체 사업과 관련된 방사성폐기물의 관리정책, 규제 해제 기준, 재활용 전략 등에 의하여 상당 부분 좌우 될 것이다.

3.3 해체 방사성폐기물 처분 비용 산정

원전 해체 경험을 보유하고 있는 선진국의 사례를 조사하고 정리한 결과에 의하면 원전 해체를 통해 발생된 방사성폐기물의 발생량으로 제시된 수치는 원전 해체로부터 발생하는 모든 종류의 방사성폐기물을 처리, 감용하고 난 후에 최종처분장에 처분해야 할 폐기물의 양으로 분석된다. 해체폐기물의 종류에 따른 처리 방법과 단위 물량에 대한 처리 비용 등은 현재의 분석자료로는 산정할 수가 없다. 따라서 본 논문에서는 원전 해체에 의해 발생된 방사성폐기물의 처분 비용을 원전의 용량에 따라 제시해 보고자 한다.

현재까지 우리나라에서 운영되고 있는 원전의 용량은 해체 방사성폐기물 발생량 관점에서는 1,000 MWe급의 가압경수로와 600 MWe급의 가압경수로 및 가압중수로, 2 가지 종류의 원전으로 분류할 수 있다. 앞에서 해외 경험 사례와 국제기구의 자료를 조사 및 분석하고, 이를 바탕으로 원전 용량에 따른 해체 방사성폐기물 발생량을 평가할 수 있는 기준을 제시하였다. 이에 따라 우리나라에서 운영되고 있는 원전의 해체에 의해 발생될 것으로 평가되는 처분 대상 해체 방사성폐기물량은 1,000 MWe급 가압경수로를 해체할 경우는 19,000 드럼, 600 MWe급 가압경수로와 가압중수로를 해체할 경우는 14,000 드럼으로 평가할 수 있다.

우리나라 중,저준위 방사성폐기물 처분 비용은 현재 200 리터 드럼당 1,193만원이다. 본 논문에서 제시하는 처분 대상 해체 방사성폐기물량을 기준으로 현재 운영 중인 원전 용량별 해체 방사성폐기물의 처분비용을 산정해 보면 1,000 MWe급 가압경수로의 경우 해체 방사성폐기물의 처분 비용으로 약 226,670백만원이 소요될 것으로 평가할 수 있다. 또한 600 MWe급 가압경수로와 가압중수로의 경우는 약 167,020백만원이 소요될 것으로 평가할 수 있다.

한편, IAEA와 일본의 자료를 바탕으로 원전 해체 시 방사성폐기물 처리 비용을 보수적으로 산정하였다. IAEA와 일본의 자료에서 제시하는 중,저준위 방사성폐기물 약 6,200 ton 을 보수적으로 200리터 드럼으로 환산하면 약 31,000 드럼으로 처리 비용은 약 369,830백만원이 소요될 것으로 비용을 유추 할 수 있다. 국내에서 제시하는 가압경수로의 처분비용 예상값과 IAEA 및 일본에서 제시하는 가압경수로 해체 방사성폐기물 발생량을 보수적으로 계산한 처분 비용 값을 Table 6과 같이 범위로 나타내었다.

Table 6.Comparison of the cost of radioactive waste disposal

본 논문에서는 원자로형에 대해 해체 방사성폐기물 발생량을 구분하지 않았으나, 가압중수로의 경우 해외 사례를 참고하여 본 논문에서 제시한 해체 방사성폐기물 발생량과 처분비용을 비교 분석하고자 한다. 가압중수로의 경우 IAEA 보고서에서는 캐나다의 온타리오 DNGS발전소(881MWe)의 예상 해체 폐기물량을 LLW는 1,305 ton, ILW는 598 ton으로 Table 7과 같이 제시하고 있다[9]. 따라서 처분 대상 해체 방사성폐기물 총 발생량은 1,903 ton으로, 이를 앞에서 환산한 기준에 따라 200 리터 드럼으로 환산하면 약 9,520 드럼이 되며, 처분비용은 113,574백만원으로 평가할 수 있다.

Table 7.Mass and waste classification of Darlington NGS reactor components

2012년 방사성폐기물 관리비용 재산정(안)을 심의, 의결 하기 전에는 중•저준위방사성폐기물의 처분비용이 200 리터 드럼당 736만원 이었던 점을 감안하면, 향후 지속적인 물가상승률과 방사성폐기물 처분 비용 재산정에 따라 처분비용이 지속적으로 증가할 가능성을 배제할 수 없을 것으로 예상하고 있다. 그러나 현재 기술개발중인 제염기술을 상용화하여 해체 방사성폐기물량을 저감하고, 적정한 기간 동안 저장하여 방사능을 상당 부분 감소시킴과 동시에IAEA 신 분류기준을 적용하여 적절한 처분 방식을 선택하여 처분한다면 원전 해체 방사성폐기물 발생량과 처리 비용, 그리고 최종 처분비용도 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

 

4. 결론 및 제안

원전 해체 방사성폐기물 발생량에 관한 국외 현황을 분석해본 결과 스페인, 일본, 프랑스 모두 해체 방사성폐기물 중 대부분이 저준위 또는 극저준위 방사성폐기물에 해당할 것으로 예상하고 있다.

원전 해체를 수행한 해외 경험 사례와 국제기구의 자료를 조사 및 분석하고, 이를 바탕으로 원전 용량에 따른 해체 방사성폐기물 발생량을 평가할 수 있는 기준을 제시하였다. 이에 따라 우리나라에서 운영되고 있는 원전의 해체에 의해 발생될 것으로 평가되는 최종처분 대상 해체 방사성폐기물량은 1,000 MWe급 가압경수로를 해체할 경우는 19,000 드럼, 600 MWe급 가압경수로와 가압중수로를 해체할 경우는 14,000 드럼을 기준 발생량으로 제시하고자 한다. 해체 방사성폐기물의 처리 및 감용에 관한 상세한 사례와 자료는 현재까지 국제기구는 물론 원전을 해체해 본 경험을 가진 국가들로부터 발표된 사례가 없다. 따라서 국내 원전 해체로부터 발생되는 방사성폐기물의 처리에 관한 물량과 비용 산정은 추후 과제로 남게 되었다.

국내에 운영 중인 원전의 해체폐기물을 현재까지 개발되었거나 개발 중인 제염기술을 충분히 활용하여 발생량을 저감하고, 저장을 통한 방사능 저감(Decay&Delay)를 통해 준위를 감소시킴과 동시에, 신 분류기준에 따라 적절한 처분방식을 선택하게 되면 보다 안전하고 경제적으로 해체 방사성폐기물을 처리할 수 있을 것이다. 그러나 원전 해체로부터 발생되는 방사성폐기물은 해체 대상 원전의 운전 이력, 원전사업자의 해체 전략, 또는 국가의 방사성폐기물의 관리 규제 등에 의하여 그 발생량이 위에서 제시된 기준 발생량과 많은 편차가 있을 수 있음도 주지해야 될 것이다

또한, 방사성폐기물을 원자력안전위원회고시 제 2014-3호 “방사성폐기물 분류 및 자체처분 기준에 관한 규정”을 적용하여 원전 해체에서 발생된 최종처분 대상 방사성폐기물을 효율적이고 경제적으로 처분할 수 있을 것으로 판단되지만, 경제성 이외에도 안전성이나 주민수용성을 충분히 고려하여 최종 판단할 필요가 있다.

최종처분 대상이 되는 원전 해체 방사성폐기물의 확정과 각 분류 별 해체폐기물 처분 부지에서의 핵종별 허용 농도 기준의 확립, 규제면제 폐기물의 처분 방안을 위한 제도 마련, 극저준위폐기물의 방사능 저감을 위한 저장 부지 확보, 고준위폐기물 처분 계획 수립 등에 관한 연구가 필요할 것이다.

향후, 본문에서 다룬 사전연구를 바탕으로 신분류기준을 적용한 국내 원전 해체 폐기물량 및 비용산정에 대한 연구와 처분방안의 최적화 연구를 수행 할 예정이다.