1.서론

원자력발전에 이용된 핵연료는 사용된 후에도 핵분열생 성물을 포함하고 있기 때문에 방사선 및 붕괴열을 발생시킨 다. 따라서 이러한 사용후핵연료들을 안전하게 저장하고 처 리하는 것은 원자력발전에서 필수과정이다. 사용후핵연료 에서 발생하는 방사선을 차단하고 붕괴열을 제거하기 위해 발전소내에 냉각과 차폐기능을 갖춘 사용후핵연료 저장조를 설치하여 사용후핵연료 중간저장 및 영구처분 또는 재처리 전까지 사용후핵연료를 안전하게 저장하고 있다.

하지만 이러한 원자력발전소내 임시저장은 언젠가는 수 용능력의 한계에 다다를 것이기 때문에 우리나라는 사용후 핵연료 공론화위원회를 통해 사용후핵연료를 관리하기 위한 중간저장시설, 영구처분시설, 사용후핵연료 재처리 등 다각 적인 방안을 검토 중이다.

사용후핵연료 관리방안은 국민적 공감대 아래 수립해야 하기에 공론화를 통해 정책이 수립·결정되고 결정된 방안 의 시행까지는 상당한 기간이 소요될 것으로 예상된다.

현재 원자력발전소내의 사용후핵연료 임시저장시설은 저장용량 확대를 위한 조밀랙 설치 등을 통해 포화시점을 연 장하고 있지만 사용후핵연료 공론화 위원회 참고자료에 따 르면 Table 1과 같이 2024년 한빛원전부터 순차적으로 포화 가 예상된다[1].

또한, 우리나라에서는 가압경수로 19기와 가압중수로 4 기가 가동중에 있으며 신월성 2호기, 신고리 3,4호기, 신한울 1,2호기가 건설중에 있다. 가동 중인 23기의 발전소중 고리 1호기, 월성1호기는 설계수명에 도달하여 계속운전 중에 있 고 2020년대에는 Table 2와 같이 고리2호기 등 10개 호기가 추가로 설계수명에 도달하게 된다[2].

물론, 설계수명에 도달한 원전은 원자력발전사업자의 안전성평가와 규제기관의 심사를 거쳐 안전성이 확인되면 계속운전을 할 수 있다.

하지만, 사용후핵연료 관리정책이 결정되지 못한다면 원 자력발전소 운영에 영향을 미칠 가능성이 크기 때문에 사용 후핵연료 관리정책의 결정이 시급한 이유이다.

사용후핵연료 관리방안 결정의 지연과 20년 이상 운전 되고 있는 장기 가동원전의 수가 증가되는 만큼 원자력발전 소의 계속운전 이후 폐로에 대한 연구와 준비가 필요한 시 점이다.

본 연구에서는 해외사례 및 국내규정 등을 검토하여 원 전해체시 사용후핵연료를 안전하게 저장함과 동시에 해체작 업을 병행하여 실시할 수 있는 방안인 독립된 사용후핵연료 저장조(Spent Fuel Pool Island: 이하 ‘SFPI’)의 국내 적용을 위한 고려사항을 검토하고자 한다.

2.본론

2.1.Spent Fuel Pool Island 개념

원전해체시 구조물, 시스템, 기기들의 해체를 용이하게 하기위해 원전 운영자들은 사용후핵연료저장조를 기존 발 전소 시스템과 연결된 부분인 냉각계통, 전원계통 등을 격리 하고 독립된 사용후핵연료저장조 (SFPI) 시스템을 구성하여 운영하고 있다.

독립된 사용후핵연료저장조(SFPI)는 충수 및 배수기능, 여과 및 정화기능, 격리기능, 펌프, 파이프, 열교환기, 계측 시스템 등 기존 시스템과 기능적, 운전측면에서 동일하게 구 성된다.

2.1.1.Spent Fuel Pool Island 기대효과

원전 해체시 다음과 같은 효과를[3] 기대할 수 있기에 국 내에도 적용검토가 필요하다.

첫째, 사용후핵연료저장조에 연료를 저장한 상태에서 해 체 작업을 병행할 수 있어 해체 작업기간의 단축 및 작업관련 피폭량 감소가 가능하다.

둘째, 기존 발전소 시스템과 격리한 독립된 시스템이기 때문에 고효율, 저용량의 설비 운영이 가능하고 운영비용도 감소된다.

셋째, 설비개선을 통해 전기·계측시스템의 다중성 등 사용후핵연료저장조에 대한 성능향상이 가능하다.Fig .1

2.1.2.Spent Fuel Pool Island 냉각 시스템

SFPI 구성 전 기존 발전소 시스템에서 사용후핵연료저장 조를 냉각시키는 방법을 알아보고자 미국 Connecticut Yankee 발전소의 구성을 검토하였다.

사용후핵연료저장조를 냉각시키기 위해서는 취수구를 통해 냉각수 펌프를 사용하여 터빈건물, 디젤발전기 건물, 1 차 보조건물, 격납건물 등을 거친 후 사용후핵연료저장조 건 물에 냉각수를 공급한 후 배수하는 시스템으로 구성되었다.

따라서 원전 해체시 SFPI가 운영되지 않는다면 사용후핵 연료저장조 냉각을 위해 관련된 많은 설비를 운영해야 함으 로 비효율적이고 비용과 인력 소요도 수반될 뿐만 아니라 해 체작업 범위도 줄어들게 된다.

이를 단순화하여 사용후핵연료저장건물 내에서 순환 냉 각이 가능하도록 구성한 시스템이 SFPI의 핵심인 사용후핵 연료저장조 냉각 및 정화계통이라고 할 수 있다.

사용후핵연료저장조 냉각을 위해서 3단계로 Spent Fuel Pool Cooling Loop, Intermediate Cooling Loop, Spray Cooling Loop를 거쳐 순환하게 된다.

2.2.해외 원전 적용사례 검토

2.2.1.미국 Maine Yankee 원자력발전소

Maine Yankee 원자력발전소는 1973년 상업운전을 시 작한 가압경수로형 원전으로서 1997년 해체결정을 하면서 영구정지하였다.

1998년 SFPI 운영을 착수하였고 2002년 중간저장시설 (Independent Spent Fuel Storage Installation: 이하 ‘ISFSI’) 완공 전까지 사용후핵연료를 SFPI에 저장 관리하였다[5].

이 당시 SFPI 운영을 위해 발전소에서 시행한 주요 설계 변경은 기존 발전소 구조물, 시스템 및 기기들과 사용후핵연 료저장조를 완전 격리 시키는 작업과 사용후핵연료저장 냉 각 및 정화계통을 신규설치, 감시 및 제어, 전력 장치를 설치 하는 작업을 시행하였다.

냉각장치의 경우 이중화된 저장조 냉각루프를 구성하였 고 이물질 제거 및 저장수를 순환시키기위한 정화계통을 설 치하였다.

예비전원은 규제요건 또는 사고분석이 특별히 필요 없는 검증된 디젤발전기에 의해 공급되고 저장조 수온, 수위, 보 론 농도측정, 냉각 및 정화계통 온도, 압력, 방사선 준위, 보 충용량 측정, 저장조 건물 방사선 준위, 환기 흐름, 집수조 수 위, 화재감시 등을 할 수 있는 감시계통이 있다.

SFPI 운영을 통해 사용후핵연료가 안전하게 저장된 상태 에서 해체 작업이 가능하게 되었고 2004년 사용후핵연료를 ISFSI로 이송 완료 후 격납건물을 폭파 해체하였다.

2.2.2.미국 Trojan 원자력발전소

Trojan 원자력발전소는 1976년 상업운전을 시작한 가압 경수로형 원전이다. 1992년 영구정지 후 발전소운영에서 해 체로의 전환단계인 Transition Period(1993~1998) 기간 중 SFPI를 운영하였고 1998년 사용후핵연료를 중간저장시설인 ISFSI로 이송완료 후 1999년부터 2001년까지 해체를 완료 하였다[6].

사용후핵연료저장조의 냉각 및 정화를 위하여 냉각펌프 (2대), 필터, 순수장치, 공기냉각기(2대), 이동형 디젤발전기, 비상시 냉각수 공급을 위한 외부주입유로 등을 설치하였다.

인허가시 고려사항으로는 설계변경이 안전성평가보고 서(Defueled Safety Analysis Report)에서 평가된 내용에 어 떠한 영향을 주는지 확인을 하였다.

2.2.3.미국 SONGS 원자력발전소

앞에서 검토한 Maine Yankee, Trojan 발전소는 90년대 에 SFPI를 적용하고 해체까지 완료하였다. 최근 사례를 더 조사하기 위해 2013년에 영구정지를 결정한 미국의 SONGS 2&3호기의 해체준비사항을 검토하고자 한다.

SONGS 2&3호기의 운영허가 만료는 2022년 이었지만 증기발생기 교체 후 생긴 문제들로 인해 재가동이 어려워 영 구정지를 일찍 결정하게 되었다[7].

SONGS는 규정에 따라 해체비용평가서(Decommissioning Cost Estimate: DCE), 정지 후 해체활동보고서(Post- Shutdown Decommissioning Activities Report: PSDAR), 조사된 연료 관리계획(Irradiated Fuel Management Plan: IFMP) 을 규제기관에 제출하여 검토중에 있다.

미국의 경우 해체 승인 후 60 년 이내 해체작업을 완료 하면 되지만 SONGS 2&3호기는 해체전략 으로 대표적인 즉 시철거(DECON)와 지연철거(SAFSTOR) 전략 중 즉시철거 (DECON) 전략을 채택하였다.

2016년부터 2025년까지 제염 및 해체 작업을 완료하고 2026년부터 2032년 까지 부지복구를 통해 총 20 년 내에 해 체 및 부지 복구를 완료할 계획이다. 즉시철거 전략을 선택 한 이유는 다음과 같다.

SONGS 2&3호기 해체 프로젝트에서 중요하게 생각하는 것은 첫째로, 계획된 기간내에 프로젝트를 완수하는 것이다. 둘째, 사용후핵연료 관리, 저장, 이송, 중간저장시설(ISFSI) 의 해체다. 셋째로는 부지복구다. 이들 중 해체 프로젝트에 서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 사용후핵연료의 관리다.

발전소 제염 및 해체를 위한 준비기간에는 임시전원 설 치, Spent Fuel Pool Islanding, 배출유로 변경, 보조·방폐 물·연료취급 빌딩의 공기조화계통 설계변경, 화재방호계통 설계변경, 통신설비 설계변경을 실시할 예정이다.

SFPI 운영을 위한 준비는 2015년 중반까지 완료할 예정 이다. 인허가 기간을 제외한 총 계획기간은 318 일이며 주요 공정은 Table 3과 같다[7].

SFPI 구성에 필요한 설계변경 예상 비용은 총 $22,314,000 (약245억원)이다. 전체 비용 중 설계비용이 10%, 설치 및 설 계변경 비용이 90%를 차지한다.

2.3.인허가 절차 비교검토

SFPI 개념을 먼저 도입한 미국의 사례를 참조하여 국내 에 적용하기 위해서 국내 및 미국의 원자력발전 인허가 관련 규정을 비교검토 하고자 한다.

국내 및 미국의 원자력발전 인허가 관련 규정은 크게 원 자력의 이용 및 개발에 관한 전반적인 사항을 포괄적으로 규 정한 기본법령과 원자력발전 관련 규제요건을 기술적으로 보다 상세히 규정한 기술기준 및 관련 산업 기술기준 등의 세부기준 크게 3종류로 분류할 수 있다.

일반적으로 원자력 관련 기본법령에서는 원자력의 평화 적 이용 및 개발, 안전관리 그리고 방사선으로부터 일반대중 의 재해방지 등에 관한 사항들을 규정하고 있으며, 최상위 규제법규인 원자력법은 극히 기본적이고 원칙적인 사항만을 규정하고 있다는 점에서 양국이 동일하다[8].

또한 실질적인 인허가 규제요건이나 규제지침은 기술기 준 및 관련 세부기준이란 점에서 미국의 원자력발전 규제 법령은 우리나라의 법령과 유사한 점이 많다고 할 수 있다.

2.3.1.사용후핵연료 저장시설의 심사지침 검토

SFPI 구성의 핵심인 사용후핵연료저장조 냉각 및 정화계 통에 대해 국내와 미국의 인허가 심사지침을 비교해 보았다. 국내 규제기관의 심사지침(KINS/GE-N001) ‘경수로형 원전 안전심사지침(개정3판) 9.1.3절 사용후 핵연료 저장조 냉각 및 정화계통’과 미국 규제기관의 심사지침 (NUREG-0800) [9] 을 검토한 결과 지침 구성체계 및 내용이 거의 유사함으 로 미국 원전의 SFPI 인허가 승인사례를 참조한다면 국내 원 전에 적용 가능할 것으로 판단된다.

2.3.2.SFPI 안전성 평가 방법 검토

국내 원자력발전소의 경우 원자력안전법에 따라 주기적 안전성평가(Periodic Safety Review)를 운영허가를 받은 날 로부터 매 10년 마다 수행하여 발전소의 안전성을 종합적으 로 확인하고 필요시 안전성 증진사항을 도출하여 안전성을 향상시키고 있다.

세부 평가내용은 원자력안전법 시행규칙 제20조(주기적 안전성평가의 세부내용)에 명시되어 있으며 IAEA 요건과 동 일한 14가지 평가항목은 다음과 같다.

또한, 설계수명 이후 계속운전을 하기 위해서는 주기적 안전성평가(PSR) 뿐만 아니라 계속운전기간을 고려한 주요 기기에 대한 수명평가, 운영허가 이후 변화된 방사선 환경영 향평가를 추가로 수행해야 한다.

사용후핵연료저장조의 경우 안전관련 구조물이기 때문 에 저장조 건물에 대한 경년열화를 평가할 뿐만 아니라 사용 후핵연료 냉각 및 정화계통의 펌프, 배관 등 계통·기기들에 대한 건전성도 평가하고 경년열화 관리를 위한 프로그램도 시행하고 있다.

따라서 주기적안전성평가(PSR) 방법을 활용하여 사용후 핵연료저장조의 안전성을 평가하고 설계변경되는 부분이 안 전성평가 결과에 어떠한 영향을 미치는지 확인하면 될 것이다.

SFPI 안전성 평가기간은 SFPI를 구성하여 운영한 발전 소들은 대부분 10 년 이내에 SFPI에 저장된 사용후핵연료를 중간저장시설로 이송완료하기 때문에 최대 10 년으로 평가 하면 된다.

다만, SFPI 운영 종료시점에서도 국내 사용후핵연료 관리 정책이 확정되지 않다면 SFPI를 10 년 이상 연장 운영할 경우 가 생길 수도 있으므로 이런 경우에는 SFPI 안전성을 재평가 하고 규제기관의 승인을 취득하여 연장 운영해야 할 것이다.

2.3.3.SFPI 설계변경 절차 검토

미국 원자력발전소의 경우 10CFR50에 따라 운영허가를 받은 경우 원전해체 완료 후 License Termination 승인 취득 하기 전까지는 SFPI도 기존 운영허가를 득한 규정 10CFR50 에 따라 모든 활동들이 운영되어야 한다[10].

국내의 경우는 미국의 License Termination과 같은 운영 허가 종료를 승인하는 규정이 없었으나 최근 개정된 원자력 안전법(전문개정 2015.1.20, 시행일 2015.7.21)에 따르면 발 전용원자로 운영자의 해체완료 후 원자력안전위원회의 검사 를 통과하면 원자력안전위원회가 운영허가 종료를 통지하도 록 되어있다. 따라서 원전 해체가 완료될 때 까지는 운영허 가가 유효한 것으로 본다.

그러므로 설계변경을 위해서는 원자력안전법 제20조(운 영허가) ‘발전용원자로 및 관계시설을 운영하려는 자는 대통 령령으로 정하는 바에 따라 위원회의 허가를 받아야 한다. 허 가받은 사항을 변경하려는 때에도 또한 같다. 다만, 총리령으 로 정하는 경미한 사항을 변경하려는 때에는 이를 신고하여야 한다.’ 조항에 따라 원자력안전위원회의 허가를 받아야 한다.

따라서 SFPI 구성을 위해 기존 사용후핵연료저장조를 설 계변경 할 경우에는 안전관련 계통임으로 운영변경허가를 원자력안전위원회에 신청하고 승인을 득한 후에 설계변경 을 시행하고 위원회의 확인을 받아야 할 것으로 판단된다.

3.결론

국내 원전의 사용후핵연료 임시저장 용량은 10 년 후부 터 포화가 예상되고 장기가동원전의 수는 증가되어 원전의 계속운전 및 폐로를 결정할 원자력발전소의 수는 점점 증가 하게 된다. 계속운전이나 폐로를 결정하는데 있어서 사용후 핵연료의 관리방안은 가장 큰 고심 거리가 아닐 수 없다.

하지만 국내 사용후핵연료 관리방안은 국민적 공감대 아 래 수립하여야 하기에 공론화를 통해 정책이 수립·결정되 고 결정된 방안의 시행까지는 상당한 기간이 소요될 것으로 예상된다.

이러한 여건에서 원전 해체시 사용후핵연료를 안전하게 저장하면서 해체작업도 병행할 수 있는 SFPI방식의 국내 적 용을 위한 해외사례 및 관련 규정들을 검토해 보았다.

SFPI는 해체 작업기간의 단축 및 작업관련 피폭량 감소 가 가능하고 고효율, 저용량의 설비운영으로 운영비용도 감 소된다. 또한 설비개선을 통해 안전성도 향상되는 장점을 가 지고 있다.

1990년대 해체작업을 수행한 미국 Maine Yankee 발전소 사례를 통해 사용후핵연료저장 냉각 및 정화계통, 감시계통, 전력계통 등의 설비개선 사항을 확인할 수 있었고, Trojan 발전소 사례를 통해 인허가시 고려사항에 대해 검토하였다.

또한 2016년부터 제염 및 해체작업을 착수하는 SONGS 2&3호기의 준비사항에 대한 최신자료에 근거하여 해체신청 절차, 해체전략, SFPI 구성을 위한 주요 공정 및 소요비용을 검토하였다.

결론적으로 원전 해체시 SFPI 국내 적용을 위해서는 다 음과 같은 절차가 필요하다.

발전용 원자력발전소의 해체 경험이 없는 국내 상황에서 본 연구논문이 향후 해체 기술개발 연구에 도움이 되길 바란다.