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Risk Assessment of Future Human Intrusions into Deep Geological Repositories for Radioactive Wastes
방사성폐기물 심시층 처분장의 미래 인간침입 위험도 평가 연구

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Authors
주희재
Advisor
황일순
Major
공과대학 에너지시스템공학부
Issue Date
2018-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Human intrusionSpent nuclear fuelRadioactive wasteDeep geological repositoryRisk assessmentSystematic modelPlutonium mineNuclear safeguards
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 에너지시스템공학부, 2018. 2. 황일순.
Abstract
사용후핵연료 심지층 처분의 문제는 본질적으로 장기간의 안전과 안전조치 문제를 수반한다. 특히 미래 세대의 활동에 따라 발생할 수 있는 처분장 인간침입은 결과적으로 심각한 악영향을 야기할 것으로 기대되기 때문에 합리적인 위험도 평가가 필수적이다. 하지만 기타 ‘안전 사례(safety case)’와는 달리 인간침입의 경우 시간에 따라 변하는 사회적, 기술적 요소들의 복합적인 영향을 고려해야 한다. 수 만년이 넘는 처분장의 긴 수명을 고려할 때, 이러한 복합성은 매우 큰 불확실성을 수반하며 이로 인해 인간침입의 장기 위험도 평가 문제는 사용후핵연료 처분장의 난제로 인식되어 왔다. 이러한 문제 의식을 바탕으로 본 연구는 심지층 처분장의 인간침입 위험도를 합리적으로 평가할 수 있는 방법론을 제시하는 것을 목표로 하였다. 세부적으로, 처분장의 안전성 측면에서 ‘의도치 않은 인간침입(inadvertent human intrusion)’의 위험도에 대한 연구와 핵안보, 안전조치 측면에서 ‘의도적인 인간침입(clandestine human intrusion)’에 대한 연구를 진행하였다.
의도치 않은 인간침입은 자원 탐사와 같은 지하 개발 활동으로 인해 의도치 않은 처분장 침투가 발생하여 최종적으로 작업자 혹은 인근 거주자들이 방사선 피폭을 입게 되는 사건을 의미한다. 사용후핵연료 혹은 고준위방사성폐기물의 경우 그 독성으로 인해 의도치 않은 인간침입이 일어날 경우 피폭자에게 심각한 위해를 야기하게 된다. 따라서 이러한 사건의 확률을 낮춤으로써 위험도를 최소화하는 노력이 필수적이다. 즉, 의도치 않은 인간침입의 위험도 평가의 핵심은 처분장에 대한 시추 확률 평가이다. 하지만 과거 연구들의 경우 합리적인 확률 평가의 기반이 되는 역사적 시추 기록이 불충분 하였으며 적절한 평가 방법론이 부재하였으며, 결과적으로 현재 예측되는 시추 확률이 미래에도 동일할 것이라는 가정을 통해 인간침입 위험도를 평가해왔다.
그렇지만 최근 지하 개발 활동의 동향은 처분장의 시추 확률은 계속해서 증가하고 있음을 말해주고 있으며 이는 실제와 가정 사이의 간극을 의미한다. 본 연구에서는 이와 같은 간극을 극복하기 위한 복합적인 평가 방법론 및 이를 적용한 모델을 개발하였다. 첫째로, 의도치 않은 인간침입에 영향을 줄 수 있는 기술적, 사회적 요소들의 복합적 거동을 묘사하기 위해 시스템 다이나믹스를 적용해 모델의 체계를 도출하였다. 이러한 요소들의 조합에 따라 결정되는 처분장의 조건들의 확률론적 분포의 경우 Markov chain 분석을 통해 제시하였다. 의도치 않은 인간침입 시스템의 확률론적 거동을 평가하기 위해 몬테카를로 기법을 적용하였다. 이와 같은 방법론을 적용하여 개발된 모델을 통해 최종적으로 시추 확률의 동적 거동을 예측할 수 있었다.
새롭게 제시된 방법론은 의도치 않은 인간침입과 관계된 불확실성 요소들을 이해하는 데 있어 유용하다. 첫째, 인간침입의 안전도 평가에 핵심적인 요소의 선정이 정성적 시스템 다이나믹스 분석을 통해 가능하다. 둘째, 기술적, 사회적 요소 및 처분장의 설계와 관련된 요소들에 대한 정량적 평가가 가능하기 때문에 사용후핵연료 처리/처분과 관련된 현 세대의 결정에 대한 과학적 근거를 제시할 수 있을 것이다.
이와 같은 모델을 가상의 심지층 처분장 모델에 적용하여 의도치 않은 인간침입의 확률을 평가한 결과 현재 예상치의 약 10배까지 증가할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 현재까지 의도치 않은 인간침입 확률이 저평가 되어왔음을 시사한다. 게다가 이러한 결과는 심층 지하수 개발로 인한 의도치 않은 인간침입만을 고려한 결과이다. 다른 지하 광물에 대한 수요의 일시적 증가는 결과적으로 인간침입 확률의 상승으로 이어지기 때문에 확률은 더욱 더 증가할 수 있을 것이다. 이러한 점을 고려할 때, 인간침입 확률은 보수적인 값을 적용하는 것이 합리적일 것이다. 본 연구의 보수적 확률평가를 이용해 의도치 않은 인간침입 위험도를 평가한 결과 고준위폐기물 혹은 사용후핵연료 처분장의 경우 그 위험도를 낮추기 위한 추가적인 조치가 필요함을 알 수 있었다.
의도적인 인간침입은 처분장에 처분된 폐기물 내에 존재하는 핵물질을 불법적으로 활용하기 위해 침투하는 사건을 의미한다. 사용후핵연료의 경우 하나의 처분 용기 내에 원자로급 플루토늄(reactor-grade plutonium)이 만년 이상 보관되어 있기 때문에 결과적으로 처분장 폐쇄 후에도 의도적인 인간침입을 막기 위한 안전조치가 필요하다. 과거 처분장의 장기 안전조치 문제에 대한 몇몇 연구가 진행되었지만 결과적으로 이러한 문제의 심각성을 결정하는 데 있어 상당한 의견 차이가 존재해 왔다. 처분장 폐쇄 후 장기 안전조치 문제에 대한 원자력 집단의 합의 부재는 결과적으로 국가 내 사용후핵연료 관리 정책 결정에 있어 혼선을 초래할 것이다. 따라서 이에 대한 합리적인 평가 방법론이 필요하다.
처분장의 장기 안전조치 문제에 대한 의견 불일치는 안전조치 수준과 잠재적 침투자의 침투 동기 사이의 상관관계를 설명할 수 있는 모델의 부재에서 비롯한다. 본 연구에서는 두 요소 사이의 관계가 침투자와 안전조치 기관이 고려할 수 있는 전략적 선택지와 이에 따른 비용편익에 의해 결정된다고 가정하였다. 이러한 가정을 바탕으로 게임 이론을 적용한 비용편익 분석 방법론을 도출하였다. 이 때, 안전조치 기관이 선택할 수 있는 전략적 선택지들을 고려함으로써 이와 관계된 의사 결정자로 하여금 제시된 방법론을 통해 합리적이고 정량적인 분석을 가능하게 하였다.
의도적인 인간침입 모델의 예비평가 결과는 처분장에 대한 핵물질 탈취를 방어하기 위해 연간 수 백만 단위의 안전조치 비용이 발생할 수 있음을 보여 주었다. 이와 같은 안전조치 비용 지출은 사용후핵연료 내 핵물질의 가치가 하락하지 않는 이상 약 70,000년 동안 필요할 것으로 예측 되었다. 비록 정확한 비용을 산출하기 위해 처분장 폐쇄 후 안전조치 프로그램에 대한 세부적인 연구가 보충되어야 하지만, 이러한 예비평가 결과는 사용후핵연료 주기 전반에 대한 안전조치 비용 재 평가가 필요함을 시사한다.
결과적으로 본 연구의 평가 결과를 통해 처분장에 대한 의도치 않은 인간침입의 위험도 및 의도적인 인간침입에 따른 안전조치 비용을 낮추기 위한 추가적 노력이 필요함을 알 수 있다. 이에 위한 처분장 설계 측면에서 적용될 수 있는 제언은 다음과 같다. 첫째는 복층 개념의 처분장 설계(double-layered repository concept)이다. 이와 같은 처분장 설계는 상층 부분에 방사능농도가 작은 중저준위방사성폐기물을 배치할 경우 의도치 않은 침투자로 하여금 방사능 위해를 감지할 수 있도록 할 것이며 이에 따라 위험도를 낮출 수 있을 것이다. 두 번째는 처분장의 깊이를 수 키로미터까지 확대하는 것으로 심층수직공 처분장 혹은 심층수평공 처분장이 가능한 옵션이다. 세 번째 옵션은 처분장 터널 상단에 자갈층 혹은 호박돌층을 배치함으로써 시추 드릴의 진행을 물리적으로 막는 방안이다. 두 번 째와 세번째 옵션의 경우 의도치 않은 인간침입뿐만 아니라 의도적인 인간침입에도 효과적일 것이다.
사용후핵연료 관리 정책과 관련해서는 다음과 같은 옵션이 제안될 수 있을 것이다. 첫째는 사용후핵연료의 제염 및 핵변환 기술을 통해 처분용기 내 방사능 농도 및 핵물질의 양을 줄이는 옵션으로 이는 본질적으로 인간침입의 불확실성을 줄일 것이다. 두 번째는 사업에 대한 가역성 및 처분장의 폐기물에 대한 회수 가능성(reversibility and retrievability)을 유지하는 것이다. 이는 사용후핵연료 관리 사업의 융통성을 보장함으로써 최종적으로 불확실성을 줄일 수 있는 방안이다. 마지막 정책적 옵션은 처분 사업에 대한 국제 협력 체계(multinational approach)이다. 이 경우 처분장에 대한 장기적인 제한이 유용하다는 측면에서 인간침입을 억제할 수 있을 것이라 기대된다.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/140598
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Energy Systems Engineering (에너지시스템공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._에너지시스템공학부)
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