Earticle

원자력발전소 해체 시 발생하는 금속폐기물은 폐기물 중에서 많은 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서는 국내 자체처분 규제 요건 및 국내 기관별 자체처분현황을 조사하였다. 실제 원자력발전소 해체 시 발생되는 금속폐기물의 자체처분을 위하여 RESRAD-RECYCLE 코드를 이용하였으며 26가지 시나리오에 대한 선량평가를 수행하였다. 평가결과는 원자력발전소 해체 시 자체처분 및 재활용에 관한 사전자료로서 활용가치가 있을 것으로 사료된다. 추후 자체처분을 통한 처분비용 저감효과 연구가 추가로 가능할 것으로 판단된다.

The metal waste generated during nuclear power plant decommissioning constitutes a large proportion of the total radioactive waste. This study investigates the current status of domestic and international regulatory requirements for clearance and the clearance experience of domestic institutions. The RESRAD-RECYCLE code was used for analyzing the clearance of the metal wastes generated during actual nuclear power plant decommissioning, and assessment of the exposure dose of twenty-six scenarios was carried out. The evaluation results will be useful in preliminary analysis of clearance and recycling during nuclear power plant decommissioning. As a next step, the effects of reducing disposal costs by clearance can be studied.

가상의 심층처분 부지의 지하수 유동 모의 결과를 통해 처분 심도에 위치하는 처분공 지점에서의 지하수 유동량 및 해당 지점에서 지표 환경까지 지하수가 유동하는 경로의 거리와 경로를 통과하는데 걸리는 시간에 대한 수량적, 공간적 분포를 분석하여 그 결과를 처분공의 위치 결정에 이용할 수 있는 방안을 제시하였다. 지하수 유동량은 처분공 위치에서 계산된 지하수위를, 유동 거리와 경과 시간은 입자 추적 기법(particle tracking)을 이용하여 계산하였다. 지하수 유동량 및 유동 거리와경과 시간의 공간적 분포를 이용하여 처분시설의 성능을 유지하는데 상대적으로 유리한 위치를 선별하고 특정한 제한 조건이 주어진 경우 제외되어야 하는 처분공 위치를 결정하여 처분공 배치에 이용할 수 있은 방안을 제시하였다. 또한 세 가지정보를 함께 고려하여, 추가적인 처분공의 위치를 선정할 필요가 있을 경우 보다 유리한 확장 방향을 제시할 수 있는 방안도논의되었다. 처분 심도에서의 지하수 유동 정보를 활용하여 처분공의 배치 방안을 결정하는 것은 처분시설의 성능 및 안전성 확보를 위해 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

Based on the results of groundwater flow system modeling for a hypothetical deep geological repository site, quantitative and spatial distributions of groundwater flow rates at the positions of deposition holes, groundwater travel length and time from the positions to the surface environment were analyzed and used to suggest a method for determining locations of deposition holes. The hydraulic head values at the depth of the deposition holes and a particle tracking method were used to calculate the groundwater flow rates and groundwater travel length and time, respectively. From the results, an approach to designing a layout of deposition holes was suggested by selecting relatively favorable positions for maintaining performance of the disposal facility and screening some positions of deposition holes that did not comply with specific constraints for the groundwater flow rates, travel length and time. In addition, a method for determining a geometrical direction for extension of the disposal facility was discussed. Designing the layout of deposition holes with the information of groundwater flow at the disposal depth can contribute to secure performance and safety of the disposal facility.

국내 유통중인 다양한 형태의 원료물질 또는 공정부산물들에 대한 물리적, 화학적 및 방사선적 특성을 평가하기 위해 약 220 여 개, 총 16 종의 표본 시료를 선정하였다. 해당 시료들에 대하여 LaBr3 섬광검출기를 이용한 에너지 스펙트럼 측정과 에너지 분산형 X-선 형광 분광기를 이용한 U, Th, K와 물질의 주요 성분 분석을 수행하였다. 그리고 HPGe 검출기를 이용하여234Th, 234mPa 및 214Bi 등의 우라늄 붕괴계열 핵종들과 228Ac, 212Pb 및 208Tl 등의 토륨 붕괴계열 핵종들 그리고 40K 등의 방사능농도를 분석함으로써 원료물질 및 공정부산물의 특성에 관한 기초자료를 수집하였다. 추가적으로 ROI구간별 계수율과 원소성분함량, 방사능농도와 같은 특성변수들 간의 상관관계를 분석함으로써 스크리닝 장비를 이용한 방사능 농도 분포 유추가능성을 평가하였다. 본 연구에서 구축된 특성 데이터베이스는 천연방사성핵종 분석을 위한 절차 및 방법을 수립하는데 유용한 정보를 제공하고, 천연방사성핵종 분석에 대한 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

To evaluate the physicochemical and radiological properties of raw materials and by-products in domestic distribution, about 220 samples with 16 species were prepared. We measured the energy spectrum and the chemical content, such as U, Th, and K, using a LaBr3 scintillation detector and ED-XRF. In addition, HPGe detector was used to analyze the radioactivity of 234Th, 234mPa, and 214Bi in uranium decay series and 228Ac, 212Pb, and 208Tl in thorium decay series, and 40K. The correlation between characteristic variables, such as the count rate in several ROIs, chemical content, and radioactivity, was assessed to infer the radioactivity of natural radionuclides through a rapid screening method. Based on the results, a characteristic database for raw material and by-product in domestic distribution was established and it will provide useful information in the analysis procedure and improve the accuracy and reproducibility in the analysis of natural radionuclides.

한국원자력환경공단에서는 국내 경수로 원전에서 발생한 사용후핵연료를 건식으로 저장하기 위하여 안전성을 최우선으로국내/외 기술기준을 준수하여 금속겸용용기를 개발하였다. 이러한 금속용기는 50년 동안 주요 안전성요소(구조, 열제거, 격납, 임계방지, 방사선차폐 등)에 대한 건전성을 유지하고, 운영기간 중 유지보수 과정에 폐기물의 발생을 최소화 하고 이를안전하게 관리할 수 있도록 설계하였다. 본 논문은 설계수명이 종료된 금속용기 본체 및 내/외부 구조물에 대한 방사화 평가를 통해 정량적인 방사능 재고량에 대한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 금속용기 본체 및 구성품의 방사화 방사능 재고량은 MCNP5·ORIGEN-2 평가체계를 이용하여 계산하였으며, 각 구성품의 화학조성, 중성자속 분포, 반응률 및 저장기간 동안 중성자조사 기간을 반영하여 평가하였다. 평가결과, 설계수명 이후 10년 경과시 모든 금속재질에서 60Co의 방사능이 기타 핵종들에 비하여 가장 큰 방사능을 띄는 것으로 나타났으며, 중성자차폐체인 수지에서는 수명직후 28Al 및 24Na등의 고에너지 감마선을 방출하는 핵종은 반감기가 짧아 0.5년 이후에는 무시할 수 있는 수준으로 나타났다. 또한, 사용후핵연료 제거후 캐니스터 및 금속용기 본체에 대한 표면 선량률 평가결과, 상당히 낮은 값을 나타내어, 해체 시 작업자가 받는 피폭선량은 무시할 수 있는 수준으로 평가되었다. 본 평가방법은 사용후핵연료 금속겸용용기 해체 시 계획의 수립 및 해체작업 종사자의 피폭선량 예측, 방사성폐기물의 관리/재활용 등의 기본자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

The Korea Radioactive Waste Agency (KORAD) has developed a dual-purpose metal cask for the dry storage of spent nuclear fuel that has been generated by domestic light-water reactors. The metal cask was designed in compliance with international and domestic technology standards, and safety was the most important consideration in developing the design. It was designed to maintain its integrity for 50 years in terms of major safety factors. The metal cask ensures the minimization of waste generated by maintenance activities during the storage period as well as the safe management of the waste. An activation evaluation of the main body, which includes internal and external components of metal casks whose design lifetime has expired, provides quantitative data on their radioactive inventory. The radioactive inventory of the main body and the components of the metal cask were calculated by applying the MCNP5·ORIGEN-2 evaluation system and by considering each component’s chemical composition, neutron flux distribution, and reaction rate, as well as the duration of neutron irradiation during the storage period. The evaluation results revealed that 10 years after the end of the cask’s design life, 60Co had greater radioactivity than other nuclides among the metal materials. In the case of the neutron shield, nuclides that emit high-energy gamma rays such as 28Al and 24Na had greater radioactivity immediately after the design lifetime. However, their radioactivity level became negligible after six months due to their short half-life. The surface exposure dose rates of the canister and the main body of the metal cask from which the spent nuclear fuel had been removed with expiration of the design lifetime were determined to be at very low levels, and the radiation exposure doses to which radiation workers were subjected during the decommissioning process appeared to be at insignificant levels. The evaluations of this study strongly suggest that the nuclide inventory of a spent nuclear fuel metal cask can be utilized as basic data when decommissioning of a metal cask is planned, for example, for the development of a decommissioning plan, the determination of a decommissioning method, the estimation of radiation exposure to workers engaged in decommissioning operations, the management/reuse of radioactive wastes, etc.

일반골재인 자갈, 모래와 중량골재인 산화 슬래그 및 자철광을 이용하여 5 종류의 콘크리트를 제작하여 감마선 차폐특성과압축강도를 살펴보았다. 골재는 평균적인 크기에 따라 비교적 작은 크기의 잔 골재와 큰 크기의 굵은 골재로 구분하여 사용하였다. 실험 결과 산화 슬래그 잔 골재와 굵은 골재를 사용한 콘크리트가 일반 골재만을 이용하여 배합한 콘크리트 시편보다 137Cs 감마선에 대해 2% 향상된 감쇠계수인 0.371 cm-1을 기록하였다. 각 시편들의 단위중량을 측정한 결과 자철광잔 골재와 산화 슬래그 굵은 골재로 배합한 조건의 단위중량이 가장 높은 3,175 kg·m-3이었다. 산화슬래그를 잔 골재와 굵은 골재로 배합한 조건의 단위중량은 3,052 kg·m-3으로 최대 단위중량 조건보다 123 kg·m-3 낮았지만 감쇠계수는 오히려0.012 cm-1 향상되었다. 골재들의 화학성분 분석결과 산화 슬래그는 자철광에 비해 마그네슘의 비율은 낮고 칼슘의 비율은높아 구성에 있어서 차이를 보였다. 따라서 산화슬래그 만을 골재로 사용한 경우 자철광을 잔 골재로 사용한 경우보다 단위중량은 낮았지만 마그네슘과 비교하여 원자번호가 큰 칼슘의 비율이 높아서 감마선 차폐성능이 향상된 것으로 생각된다. 중량골재가 배합된 모든 시편들은 일반 골재를 이용한 콘크리트보다 압축강도가 높았고, 산화슬래그와 자철광의 잔 골재만을사용한 경우 4주 양생 후 압축강도가 일반 콘크리트에 비해 45% 향상된 50.2 MPa을 기록하였다.

We observed the γ-ray shielding characteristics and compressive strength of five types of concrete using general aggregates and high-weight aggregates. The aggregates were classified into fine aggregate and coarse aggregate according to the average size. The experimental results obtained an attenuation coefficient of 0.371 cm-1 from a concrete with the oxidizing slag sand (OSS) and oxidizing slag gravel (OSG) for a γ-ray of 137Cs, which is improved by 2% compared with a concrete with typical aggregates of sand and gravel. In the unit weight measurement, a concrete prepared by iron ore sand (IOS) and OSG had the highest value of 3,175 kg·m-3. Although the unit weight of the concrete with OSS and OSG was 3,052 kg·m-3, which was lower than the maximum unit weight condition by 123 kg·m-3, its attenuation coefficient was improved by 0.012 cm-1. The results of chemical analysis of aggregates revealed that the magnesium content in oxidizing slag was lower than that in iron ore, while the calcium content was higher. The concrete with oxidizing slag aggregates demonstrated enhanced γ-ray shielding performance due to a relatively high calcium content compared with the concrete with OSS and OSG in spite of a low unit weight. All sample concretes mixed with high-weight aggregates had higher compressive strength than the concrete with typical sand and gravel. When OSS and IOS were used, the highest compressive strength was 50.2 MPa, which was an improvement by 45% over general concrete, which was achieved after four weeks of curing.

고준위방사성폐기물 심층처분에서 처분안전성의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 방안으로 그리고 처분 프로그램 개발 및 인허가를 위해 많은 나라들에서 자국에 적합한 safety case를 개발하고 있다. 본 연구에서는 방사성폐기물 처분을 위한 safety case 의 의의, 필요성, 개발과정들을 정리하고 소개하였다. 그리고 처분안전성을 safety case의 다양한 측면에서 논의하였다. 아울러 스위스, 일본, 미국, 스웨덴, 핀란드 등 해외의 safety case 개발 현황과 현재 KAERI에서 개발 중인 safety case의 개발전략을 간략히 소개하였다. 고준위방사성폐기물 처분안전성의 신뢰도 향상을 위해 safety case 기반 하에서 어떤 노력들이필요한지를 분석하였다. 그리고 국내 상황을 반영하여 신뢰할 수 있는 정보자료의 구축, 안전성 관련 과정들의 이해, 안전성평가의 불확실성 저감, 이해당사자와의 의사소통, 공정성과 투명성 확보 등의 실행 방안을 제안하고 논의하였다. 본 논문에제시된 내용들은 심층처분 safety case를 이해하고, 국내에서 개발하고 있는 고준위방사성폐기물 처분 safety case 개발을 통한 처분안전성 신뢰도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Many countries have developed a safety case suitable to their own countries in order to improve the confidence of disposal safety in deep geological disposal of high-level radioactive waste as well as to develop a disposal program and obtain its license. This study introduces and summarizes the meaning, necessity, and development process of the safety case for radioactive waste disposal. The disposal safety is also discussed in various aspects of the safety case. In addition, the status of safety case development in the foreign countries is briefly introduced for Switzerland, Japan, the United States of America, Sweden, and Finland. The strategy for the safety case development that is being developed by KAERI is also briefly introduced. Based on the safety case, we analyze the efforts necessary to improve confidence in disposal safety for high-level radioactive waste. Considering domestic situations, we propose and discuss some implementing methods for the improvement of disposal safety, such as construction of a reliable information database, understanding of processes related to safety, reduction of uncertainties in safety assessment, communication with stakeholders, and ensuring justice and transparency. This study will contribute to the understanding of the safety case for deep geological disposal and to improving confidence in disposal safety through the development of the safety case in Korea for the disposal of high-level radioactive waste.

경주 방사성폐기물 처분시설은 향후 80만 포장물을 처분할 계획이며 다양한 처분방식 및 관리형태를 가진 복합계가 될 것이다. 본 논문에서는 전체부지 처분용량(80만 포장물) 처분시설의 단계별 개발에 따른 영향을 평가하기 위하여 처분시설 종합개발계획(안)에 따른 예비안전성평가를 수행하였다. 각 시나리오에 대한 안전성평가결과 처분시설의 성능목표치를 만족하였다. 다만, 전체처분시설의 안전성 평가결과에 중준위 방사성폐기물로 인하여 1단계 동굴 처분시설이 가장 크게 영향을미치므로 처분시설의 안전성 향상을 위하여 처분방사능량제한 설정 등 관리방안이 필요하다. Safety Case 단계별 구축을 통하여 중·저준위 방사성폐기물 처분시설 종합개발 과정에서 인지된 불확실성을 저감하여 안전성을 증진 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

The disposal facility in Gyeongju is planning to dispose of 800,000 packages of low- and intermediate- level radioactive waste. This facility will be developed as a complex disposal facility that has various types of disposal facilities and accompanying management. In this study, based on the comprehensive development plan of the disposal facility, a preliminary post-closure safety assessment is performed to predict the phase development of the total capacity for the 800,000 packages to be disposed of at the site. The results for each scenario meet the performance target of the disposal facility. The assessment revealed that there is a significant impact of the inventory of intermediate-level radionuclide waste on the safety evaluation. Due to this finding, we introduce a disposal limit value for intermediate-level radioactive waste. With stepwise development of safety case, this development plan will increase the safety of disposal facilities by reducing uncertainties within the future development of the underground silo disposal facilities.

최근 국내 원전의 경수로 사용후핵연료 습식 저장시설의 포화시점이 다가옴에 따라 운반 및 저장용기를 이용한 건식저장시스템 개발이 활발하게 수행되고 있다. 일반적으로 사용후핵연료 운반 및 저장용기 설계를 위한 차폐해석 시 장전 가능 연료중 가장 보수적인 연료를 설계기준연료로 선정하여 해석을 수행한다. 그러나 실제 금속 운반용기에 장전되는 사용후핵연료는 해석평가에 적용된 설계기준연료에 한정되지 않고 다양하기 때문에 초기농축도, 연소도, 최소냉각기간의 특성을 고려한차폐평가를 통하여 장전가능 여부가 결정된다. 이에 본 연구에서는 금속 겸용용기에 장전 가능한 연료를 대상으로 국내 운반기준을 만족하는 최소냉각기간의 결정을 위한 차폐해석 방법을 기술하였다. 특히 발생량이 많은 초기농축도 3.0~4.5wt% 의 사용후핵연료는 차폐해석 구간을 세분화하여 평가하여 연구결과의 활용에 효율성을 높이고자 하였다. 차폐평가를 통해2008년까지 국내 원전에서 발생한 장전대상연료 중 약 81%의 사용후 핵연료를 금속겸용용기로 운반할 수 있는것으로 평가되었다. 본 연구결과를 통해 금속 겸용용기의 운반조건에 장전 가능한 연료의 특성을 제시함으로써 운반 시 운영절차의 개발을 위한 기술적 근거 수립에 도움이 되고자 한다.

Recently, because the wet pool storage facilities of NPPs in Korea has become saturated, there has been much active R&D on an interim dry storage system using a transportation and storage cask. Generally, the shielding evaluation for the design of a spent fuel transportation and storage cask is performed by the design basis fuel, which selects the most conservative fuel among the fuels to be loaded into the cask. However, the loading of actual spent fuel into the transportation metal cask is not limited to the design basis fuel used in the shielding evaluation; the loading feasibility of actual spent fuel is determined by the shielding evaluation that considers the characteristics of the initial enrichment, the maximum burnup and the minimum cooling period. This study describes a shielding analysis method for determining the minimum cooling period of spent fuel that meets the domestic transportation standard of the dual purpose metal cask. In particular, the spent fuel of 3.0~4.5wt% initial enrichment, which has a large amount of release, was evaluated by segmented shielding calculations for efficient improvement of the results. The shielding evaluation revealed that about 81% of generated spent fuel from the domestic nuclear power plants until 2008 could be transported by the dual purpose metal cask. The results of this study will be helpful in establishing a technical basis for developing operating procedures for transportation of the dual purpose metal cask.

인접 국가인 일본의 후쿠시마 원전에서 극한 자연재해로 인한 중대사고가 발생하면서, 국내에서 중대사고 및 확률론적 안전성 평가 (PSA, Probabilistic Safety Assessment)에 대한 중요성이 재인식되었다. 국내에서는 원전의 소외결말을 평가하는 3단계 PSA에 대한 연구개발이 최근까지 거의 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 국외 3단계 PSA 전산코드 중, 미국의MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2), 유럽의 COSYMA (COde SYstem from Maria) 그리고 일본의OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents)에 대한 간략한 분석과 미국의 MACCS2에 대한 단점 및 한계점 분석을 수행하였다. 국내·외 전문가들에 의해 공통적으로 지적되어 온 MACCS2의 한계점은 다수호기사고와 사용후핵연료 저장조로부터의 방출 모사의 불가능, 그리고 대기확산모델을 단순 가우시안 플륨모델을 기본으로 한다는 것이며, 이중 일부는 MACCS2업데이트 버전을 통해 개선되어 왔다. Food chain 모델의 모사의 제한, 해양 및 수계 확산모델의 부재, 제한된 범위의 경제영향평가 등 또한 개선되어야 할 사항이다. 기술보고의 결과는 국내 3단계 PSA 관련 기술 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

The importance of severe nuclear accidents and probabilistic safety assessment (PSA) were brought to international attention with the occurrence of severe nuclear accidents caused by the extreme natural disaster at Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan. In Korea, studies on level 3 PSA had made little progress until recently. The code systems of level 3 PSA, MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2, US), COSYMA (COde SYstem from MAria, EU) and OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents, JAPAN), were reviewed in this study, and the disadvantages and limitations of MACCS2 were also analyzed. Experts from Korea and abroad pointed out that the limitations of MACCS2 include the following: MACCS2 cannot simulate multi-unit accidents/release from spent fuel pools, and its atmospheric dispersion is based on a simple Gaussian plume model. Some of these limitations have been improved in the updated versions of MACCS2. The absence of a marine and aquatic dispersion model and the limited simulating range of food-chain and economic models are also important aspects that need to be improved. This paper is expected to be utilized as basic research material for developing a Korean code system for assessing off-site consequences of severe nuclear accidents.

본 논문은 국내 원전의 습식저장조에 저장 중인 경수로형 사용후핵연료를 금속겸용용기를 이용해 건식으로 운영하기 위한운영공정을 개발하는 것이다. 국내 경수로형 원전의 사용후핵연료는 1990년대 초부터 습식으로 소내에서 운반을 한 경험은 많으나 건식으로 운전한 경험은 전혀 없는 실정이다. 이에 따라 금속겸용용기를 운영할 수 있는 세부 운영공정을 개발하였으며 주요 운영공정에서 금속겸용용기의 주요 구성품 및 사용후핵연료의 안전성이 유지됨을 확인하였다. 단기운영공정은 총 21시간 내에 이루어지도록 절차를 수립하였고 단계별로 허용운전 시간(15시간 습식공정, 3시간 배수공정, 그리고 3시간 진공공정)도 제시하였다.

This paper describes the development of a dry operation process for PWR spent nuclear fuel, which is currently stored in the domestic NPP's storage pool, using a dual purpose metal cask. Domestic NNPs have had experience with wet type transportation of PWR spent nuclear fuel between neighboring NPPs since the early 1990s, but no experience with dry type operation. For this reason, we developed a specific operation process and also confirmed the safety of the major cask components and its spent nuclear fuel during the dual purpose metal cask operation process. We also describe the short term operation process that was established to be completed within 21 hours and propose the allowable working time for each step (15 hours for wet process, 3 hours for drain process and 3 hours for vacuum drying process).