Development of a System Dynamics Model for the Assessment of Nuclear Security Culture at a Nuclear Power Plant

Abstract

핵안보는 평화적인 원자력 이용을 위한 큰 축의 하나이며, 핵안보 문화는 이를 강화하기 위한 효과적인 지렛대이다. 특히, 핵안보는 물리적 방호 및 보안사항 등을 포함하기 때문에 다른 국가와의 협력이 제한적일 수밖에 없다. 다만 핵안보 체제의 구축에 있어서 저변이 될 수 있는 국가, 기관, 개인의 핵안보 의식과 행동을 증진시키는 것이 중요하며, 이것이 핵안보 문화에 대한 논의가 제기되는 시작점이다. 핵안보 문화의 개념과 지침은 2008년 IAEA에 의해 제시된 후 많은 국가들로부터 그 중요성을 인정받았으나, 문화라는 복잡하고 추상적인 개념에 대한 평가에 어려움이 있다. 이에 원자력발전소 내 핵안보 문화를 평가하고 개선방안을 도출하기 위한 시스템 다이내믹스 기반의 평가모델을 개발하였다. 모델에 사용될 20개의 핵안보 문화 평가지표는 IAEA 핵안보 문화 지표를 기반으로 도출되었다. 평가 대상인 시설의 외부 요인으로는 정부의 핵안보 정책 수준, 규제기관과의 교류, 현장 외 기관과의 교류 등의 지표를 반영하였으며, 시설 내부 요인으로는 시설의 핵안보 정책 수준을 기반으로 크게 규정 및 절차, 업무 관리, 근무 환경, 교육 및 훈련, 의식 및 행동, 성과 측정에 대한 지표를 포함시켰다. 도출된 평가지표를 바탕으로 시스템 다이내믹스를 적용해 지표들의 동태적 역학관계를 분석하고자 핵안보 문화 인과지도(CLD)를 작성하였다. 원자력 안전 문화에 대한 선행연구를 기반으로 업무량과 스트레스, 학습 등을 중심으로 양과 음의 피드백 루프를 구성하였다. 또한 주요 모델요소들의 시간에 따른 변화 양상을 분석하기 위하여 저량/유량 흐름도(SFD)를 작성하였다. 모델의 시뮬레이션에 필요한 각 요소의 초기 값과 상관관계를 얻기 위해 한국수력원자력(주)의 임직원과 한국원자력통제기술원의 전문가를 대상으로 설문을 수행하였다. 설문 결과에 대한 신뢰성 분석, 타당성 분석, 회귀 분석 등의 통계 분석을 통해 결과의 신뢰성 및 타당성을 확보하고 필요한 입력 값들을 도출하였다. 보다 데이터를 명확하게 반영하기 위해 핵안보 업무 비율 0.2를 기준으로 핵안보 업무 종사자의 응답을 기반으로 한 모델 A와 핵안보 업무 비종사자의 응답을 기반으로 한 모델 B로 모델을 세분화하였다. 두 모델에 대해 핵안보 의식 및 행동이 일정한 수준을 유지하는 안정된 기본 시나리오를 구현하였으며, 이는 핵안보 문화 개선 방안들의 효과를 정량적으로 평가하는 기준선의 역할을 한다. 두 모델에 대한 민감도 분석을 위해 각 요소의 초기 값을 ±10%로 변화시켰을 때, 지도자 및 근무자의 핵안보 의식과 행동 수준이 변화하는 비율을 분석하였다. 그 결과, 핵안보 의식과 행동 모두 핵안보 교육 및 훈련, 핵안보 교육 및 훈련 주기와 학습효과 감소율의 변화에 따라 큰 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 시설 내 핵안보 문화를 증진하기 위한 방안으로 다음의 여섯 가지 시나리오가 선정되었다. ① 핵안보 정책 수준 향상, ② 핵안보 교육 및 훈련에 대한 투자 증대, ③ 핵안보 교육 및 훈련의 주기 단축, ④ 핵안보 교육 및 훈련의 품질 향상, ⑤ 규제기관과의 교류 증대, ⑥ 핵안보 자원 증대이다. 모델 A와 B의 시뮬레이션 결과를 통해 각 시나리오의 효과를 평가한 결과, 핵안보 업무 비종사자에 대해서도 충분한 핵안보 교육 및 훈련을 제공하여 핵안보 의식 및 행동을 높은 수준으로 유지하려는 노력이 필요함을 확인했다. 모델의 검증 단계로써 2015년 설문조사 데이터를 기반으로 도출된 모델요소 간의 관계식을 2014년 데이터와 비교하였다. 또한, 모델의 건전성을 확인하기 위해 입력 값으로 사용된 설문조사 데이터의 불확실성으로 인해 모델에서 출력되는 값이 갖게 되는 불확실성을 평가하였다. 본 연구는 핵안보 문화 평가모델 개발을 통해 핵안보 정책 방안의 문화적 영향에 대한 정량적인 분석 툴을 제공하였다. 이는 핵안보 문화의 저변 확대를 위한 기초 단계로써 원자력발전소 내 현재 상태를 진단하고 개선점을 도출하는 평가기반으로 활용될 수 있다.

Nuclear security is one of pillars to build the sustainability of the peaceful use of nuclear energy. The Nuclear Security Summits have identified nuclear security culture as a crucial leverage to enhance organizational capacities in the nuclear security. Since nuclear security culture was defined as one of the twelve fundamental principles of physical protection of nuclear material and nuclear facilities endorsed by the IAEA Board of Governors in 2001, there have been active research around world. The concept and indicators of the nuclear security culture are described by IAEA as its implementing guide under the Nuclear Security Series No. 7. They also published a draft of self-assessment method for nuclear security culture in organizations as a mechanism for identifying ways to strengthen the culture. Nevertheless, there are many obstacles to conceptualize and to assess the culture, because its intriguing, intertwined and dynamic characteristics are difficult to be understood thoroughly. The safety culture, in general, has been studied for a relatively long period of time. Several assessment methodologies are developed using data collected from interviews, surveys, document review, behavior observation, etc. One of methods for dealing with data is System Dynamics (SD), as an approach to understanding the nonlinear behavior of complex systems over time. In the case of security culture, the majority of past studies have focused on information security culture and employed SD models to describe the system characteristics and their evolutions as well. From the survey of literature of methodologies for assessing the organizational culture, System Dynamics is expected to be suitable for assessing nuclear security culture taking into account its structural complexity and dynamic characteristics. Therefore, this thesis aims to developing a SD model for the assessment of nuclear security culture at a nuclear power plant and for making policy recommendations towards the enhancement of the culture. A SD model is consisted of Casual Loop Diagram (CLD) and Stock Flow Diagram (SFD). A CLD is developed as a logic flow chart of the elements of nuclear security culture to show their interactions. From IAEA indicators suggested in Nuclear Security Series the twenty elements of the culture are drawn by considering their measurability in this thesis. Their inter-relationship is deduced with the descriptive knowledge regarding the real world phenomenon. The diagram shows several feedback loops including Policy level-Work environment, Workload-Stress and Learning. Based on the structure of the CLD, a SFD is developed to demonstrate the dynamic nature of the main elements in terms of stocks and flows processes. To investigate the inter-relationships postulated in the developed SD model, two sets of survey questionnaires are developed, targeting the personnel at NPPs and their regulator. Each survey set is made of 39 and 6 questions which are designed to evaluate awareness of nuclear security culture and relevant infrastructure, respectively. The data sets are collected from 846 workers at NPPs and 10 experts in physical protection. Regression analysis are applied to verify their statistical significance as well as reliability and validity. As a result of statistical analysis, it turns out that two separate SD models can be built using responses from security-worker and non-security-worker as distinguished by the ratio of total security execution time to total working hours and better reflect the real world phenomenon. 0.2 is the most appropriate ratio for showing the differences. To simulate a base scenario, the assumption that security knowledge and periodic model behavior in one year do not carry forward to the next year is made. Under the assumption, the SFD is segregated into two models and simulated in the base scenario. To ensure the reliability of the current (2015) survey data, the correlation equations used as inputs in the model are compared with the date of previous year (2014). Based on the 2014 and 2015 data, two relationships among Security policy level of facility, Clear organization structure of facility and Security rule and procedure are compared. To check the model reliability, an uncertainty caused by the input data uncertainties is evaluated using stochastic sampling method. Applying the latter method to the models by sampling with many different sets of input according to their distribution, the uncertainty with 500 samplings after 5 years for 95% confidence interval is estimated. Based on the simulation result from the base scenario, sensitivity analysis is performed to determine the effect of each parameter on the culture. By changing input variables by 10% respectively, these effects are measured by percentage changes in the level of security consciousness and action. The magnitude of changes compared to the levels simulated in the base scenario is defined as their sensitivity. For both security-worker and non-security-worker, their consciousness and actions are very sensitive to the changes of 'Security education and training, Security education and training cycle and Half-life of knowledge decay. Finally, policy recommendations are made in the thesis. Six strategies are suggested from the sensitivity study result: 1) Raising the policy level, 2) Expanding investment in education and training, 3) Shortening the cycle of education and training, 4) Raising the quality of education and training, 5) Raising the frequency of regulations, 6) Increasing allocation of security resource. By comparing their effectiveness, a strategy to prevent security knowledge from becoming forgotten is the most effective, especially for non-security-worker. For security-worker, a strategy to raise the policy level or the frequency of regulations is highly recommended. This thesis emphasizes the assessment of nuclear security culture as an instrumental vehicle to improve security readiness at Korean nuclear power plant effectively. To capture the dynamic and complex characteristics of the culture, the approach involving SD model, large-scale surveys and sensitivity analysis is shown to be highly useful. Policy recommendations derived from the SD models for the enhancement of nuclear security culture are expected to be effective in improving security consciousness and action. On this ground, the developed SD model is recommended as a quantitative analysis tool for reliable estimates of the cultural effects of relevant policy decisions in commercial nuclear facilities in Korean settings.