1.서론

국내 최초 원전인 고리 1호기는 2017년 영구 운전정지 를 앞두고 있으며 규제 기관과 운영자 측은 원전 해체에 대 한 준비를 진행중에 있다. 특히 원전 부지의 규제 해제와 무 제한 또는 제한적 재이용을 앞두고 부지 규제 해제기준에 대 해서 규제기관에서 고시안이 준비되고 있다[1]. 본 연구는 부지해제기준이 마련되는 경우 부지 해제 기준을 만족하는 지 해체 사업자(국내의 경우 운영자)가 부지해제기준의 만 족 여부를 증빙하기 위해서 규제기관에 제시해야 할 기술 적 근거와 규제기관이 조사 및 검토할 내용 중, 부지 별 잔 존 핵종 선택과 관련된 기술적 배경에 대해 미국의 해체 원 전 사례를 중심으로 분석하고 국내에 적합한 방법론에 대해 서 기술하였다.

최종상태조사에서 잠재적으로 존재가 가능한 방사성 핵 종에 대한 결정은 부지 별(Site-specific) 유도농도기준(Derived Concentration Guideline Levels, DCGLs)을 구하기 위 해서 반드시 필요한 절차이며 부지의 피폭 선량 기준 방사선 학적 상태를 구하는데 필수 정보이다. 핵종 선별은 시스템적 인 접근법을 이용하여 위협적인 잔존 핵종은 찾아내고 무시 할 만한 농도의 잔존 핵종은 제외하여야 한다. 잠재적인 핵 종 목록을 결정하기 위한 방법론에 대해서 미국 NRC의 규제 지침서(NUREG series)는 원전 해체시 부지 제염 및 복원후 부지내 잔존 물질에 대한 잠재 가능 핵종 프로파일이 필수적 이라고 명기하고 구성성분이나 운영이력에 따른 방사화의 가능성도 고려하도록 하고 있다. 다양한 형태의 오염이 가 능함으로 규제기관은 일률적인 잠재가능 핵종 프로파일보다 는 각 해체 부지 별 최종상태조사시 잔존할 것으로 예측되는 핵종들에 대한 고려를 하도록 권고하고 기술적 고려사항 과 제한 사항 등에 대해서는 장수명 핵종의 경우 NUREG/ CR-3474 [2], 미국내 7개 원전의 실제 핵종조사를 근거로 한 2년 이상의 반감기를 가진 핵종의 경우 NUREG/CR-4289 [3], 그리고 추가로 가압경수로(PWR)관련 핵종 정보를 조사한 NUREG-0130 [4] 등을 참고하도록 하고 있다 [5].

2.부지특성조사 및 최종상태조사시 핵종 선별에 관한 방법론

2.1.잠재적 핵종을 추가하는 방법

해체 부지 내에 잠재적으로 존재하는 핵종을 규정하는 방법은 앞에서 언급된 문헌들에서 참조가능하다[2-5]. 하지 만 단순히 참고문헌에 근거한 잠재적 핵종목록은 부지 별 유 도농도 기준(DCGLs)를 구하는데 바로 사용될 수 없다. 이 절 후반에서 설명할 추가적인 기술적 검토가 필요하다.

먼저 NUREG/CR-3474는 해체시 압력용기 제작에 사용 된 재료, 각종 스테인레스강, 콘크리트등 총 52개 재료들에 존재 가능한 장수명 핵종들에 관한 기본 정보를 제공한다. 원자로 내부, 압력용기 및 생물학적 차폐벽 등의 방사학적 조사 자료를 근거로 작성되었으며 NUREG/CR-3474의 내용 을 기반으로 잠재적 핵종 초기 목록을 작성할 수 있다. 이 목록은 일반적으로 반감기가 2년 이상 되는 핵종만 고려하 고 있으며 보통 해체가 완료되는 시점이 운영 종료 후 최 소 5 년에서 10년 이상이므로 합리적인 판단으로 사료된다 (Table 1 참조).

또한 2년 이상의 반감기를 가진 잠재적 핵종에 관한 추 가 정보는 NUREG/CR-4289에서 참조가능하다[3]. NUREG/ CR-4289는 1992년 미국내 운영 종료가 된 원전4기, 운영 중인 원전3기, 총 7기의 상업용 경수로 원전에 대한 핵종의 농도, 분포 그리고 종류에 대한 데이터 베이스를 제공한다. 특히 압력용기 에서 그 외 다른 시스템으로 핵종이 이동되는 경로에 관한 정보 제공 및 장수명 핵종의 저준위 폐기물 처분 및 운영에 관한 관점에서 유용하게 사용된다. 미국 NRC는 이 자료를 바탕으로 잠재적 해체 대상 원전의 해체 정책, 전략 그리고 가이드라인을 도출하였다. NUREG/CR-4289는 일반적으로 NUREG/CR-3474와 같이 참조되며 어떤 핵종이 NUREG/CR-3474에는 언급되지 않았지만 NUREG/CR-4289 에 언급되었다면 그 핵종 또한 최종 잠재 목록에 추가해야 한 다. Table 2에 NUREG/CR-4289를 참조하여 추가되는 핵종 을 나타내었다. 초기 목록에 NUREG/CR-4289에서 언급된 모든 핵종을 추가하여 핵종 목록을 갱신한다[3].

그 외 NUREG/CR-0130 Vol. 1에서 2년 이상의 장수명 핵종에 대한 정보를 토대로 목록에 추가가 가능하며 위에서 언급한 2개의 문서와 비교참조되어야 한다 (Table 3 참조). NUREG/CR-0130 Vol. 1은 PWR해체에 대한 기술, 안전 그 리고 비용에 대한 원형 모델을 제시하고 있다. PWR의 운영 시 계통 내에 발생하는 핵종 조사에 대한 결과를 참조하여 NUREG/CR-3474 그리고 NUREG/CR-4289에서 누락된 핵종 이 있다면 잠재적 핵종 목록에 추가 하여야 한다[4].

최종적으로 미국 Oak Ridge 국립연구소에서 개발된 방 사성 물질의 생성, 붕괴, 처리과정을 시뮬레이션 할 수 있는 ORIGEN 방사화 계산 코드를 사용하여 핵종이 추가될 수 있 다. 부지이력조사(HSA)의 운영이력에 근거하여 ORIGEN 코 드를 실행하고 결과에서 누락된 핵종이 있다면 잠재적 핵종 목록에 추가한다 (Rancho Seco의 경우, 6번 연료다발의 4~7 주기까지의 연소이력, 붕괴기간 13.64년을 기준으로 하였 다. 그 결과로 ¹⁴⁷Pm, ²⁴¹Pu, ²⁴³Am, 그리고 ²⁴³Cm 이 추가되었 다). 또한 부지이력조사(HSA)에 포함되어야 하는 사고관련 기록등에서 언급되는 핵종을 추가 가능하다.

위의 NUREG 참조문서나 ORIGEN 코드에 빠져있는 핵 종으로는 ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U그리고 ²³⁸U등이 추가로 잠재적 핵종 목록에 추가될 수 있는데 NCRP Report No.58에 의하면 핵 연료에서 위의 핵종들이 검출되었기 때문이다[6].

2.2.잠재적 핵종 목록에서 중요하지 않은 핵종을 제외시키는 방법

앞서 언급한 모든 NUREG 규제지침서, ORIGEN 코드, NCRP Report No.58, HSA을 근거로 하여 작성된 잠재적 핵 종 목록에는 많은 미량 원소들이 포함되어 있고 그들의 중요 성은 전체 핵종에 대한 방사화 량의 정량적 비교를 통하여 중 요하지 않은 핵종들은 제거가 가능하다. Table 4는 Rancho Seco 참조원전의 경우 2.1의 방법론을 토대로 작성된 이론 적 잠재 핵종 목록(총 54종)이다.

방사화된 재료에 대한 분석을 통한 핵종 제외법은 전체 핵종에서 각각 핵종이 차지하는 방사능과 분율을 NUREG/ CR-3474를 참조하여 계산한 결과를 사용하는 것이다. Table 5는 Humboldt Bay원전 해체기술 배경서에서 0.1% 미만 핵종을 계산한 결과표이다[10].

사용후 핵연료와 관련된 ORIGEN 코드 해석 결과를 이 용한 핵종 제외법은 실제는 발견되지 않을 미량원소들을 포 함하고 있을 수 있다. 그러므로 최종 핵종 목록과 각 핵종의 상대적 기여도가 실행시 고려되어야 한다. Table 6은 Ranch Seco 참조원전에서 ORIGEN 코드를 사용해서 계산한 전체 핵종에서 각각 핵종이 차지하는 방사능과 분율(%)을 나타 내었다.

2.3.잠재적 제외핵종의 선량에 대한 고려

앞에서 언급한 방사화물질에 대한 고려(NUREG 핵종), 사용후 핵연료 핵종(ORIGEN 핵종)에 대한 고려를 바탕으 로 전체 선량 기여도가 0.1%미만을 차지하는 핵종의 경우 잠재적 핵종에서 제외되기 위해서는 관련 핵종이 기여하는 선량의 합이 주민 선량과 종사자 선량 (Residential and Occupancy) 시나리오에서 전체 선량에 대한 기여도가 1%를 넘 지 않음을 증명하여야 한다. 중요하지 않은 핵종들이 기여하 는 총 선량이 전체 선량에 대한 기여도가 10% 미만일 경우 무시 가능하다고 권고하고 있지만 자료의 불확실성등을 고 려하여 미국의 해체 사업자는 1% 기준을 적용하고 있다 [5]. Humboldt Bay 원전의 경우 선량이 0.1%를 넘지 않는 잠재 적 제외 핵종들의 전체선량에 대한 기여도는 0.007%이었다 (Table 5 참조). 다음은Rancho Seco 참조원전의 경우, 선량 이 0.1%를 넘지 않는 핵종들을 나타내었다.

선량 비율이 0.1% 미만이지만 어떤 핵종들은 계속 잠재 적 핵종 목록에 남게 되는 경우가 생기는데, 10 CFR Part 61 의 폐기물 특성 분석(Waste Stream Analyses)이나 부지 특성 조사 샘플에서 원자로 외에서도 다른 방법으로 검출이 되는 핵종의 경우이며, Rancho Seco 참조 원전의 경우, ³H, ¹⁴C, ⁹⁴Nb, ^108mAg, ¹⁵²Eu, ²³⁹Pu 등이 추가 되었다. Humboldt Bay 참조 원전의 경우 1983년 운전 정지후 해체완료까지의 기 간 (2016년 예정이었으나 이후 2019년으로 수정)을 고려하 여 반감기 5.4년 이하의 핵종은 NUREG/CR-4289의 참조목 록에서 제외하였는데, ⁶⁰Co은 예외로 하였다. ⁶⁰Co의 반감기 는 5.27년이고 2006년 9월 1일 작성된 Humboldt Bay HSA 보고서의 ⁶⁰Co 방사능량은 672.3 Ci, 해체가 완료되는 시점 인 2019년에는 121 Ci 로 무시하지 못할 정도의 방사능량으 로 예상되어 ⁶⁰Co은 반감기에 따른 핵종 제외법 적용의 예외 로 두었다.

제외된 핵종들이 선량기준을 만족하는지 확인하기 위해 서 NRC가 개발한 운영허가 종료 및 해체 관련 피폭 시나리 오, 경로, 모델 등, NUREG/CR-5512관련 변수들에 대한 검증 프로그램인 DandD 코드를 사용하여 주민 선량과 종사자 선 량 시나리오에 대해서 선량 기준 검증이 필요하다. DandD 코드는 NUREG/CR-5512 Vol. 1에서 제시하는 4개의 시나리 오에 특화된 선량 모델링 코드로서 주로 이 절에서 언급하는 사전선별(Screening)목적으로 사용되고 있다[11]. RESRAD 코드는 좀 더 일반화된 환경학적 선량 모델을 제공하고 LTP 에서 부지별 DCGLs을 유도할 때 해당 시나리오의 변수등을 검증하는데 주로 사용된다[12]. 하지만 DandD코드에서 선 량을 계산하지 못하는 핵종들도 있다. 다음과 같은 핵종들이 다. DandD 코드와 RESRAD 코드의 비교 및 용례에 대한 내 용은 NUREG/CR-5512 Vol.1-Vol.4를 참조하여야 한다.

결과적으로 앞에서 언급한 잠재적 제외 핵종 목록에서 DandD 코드를 통해서 선량을 계산할 수 있는 핵종은 다음 과 같다.

제외된 핵종들은 DandD 코드에서 주민 선량과 종사자 선 량 시나리오를 모두 적용하여 총 선량에서 차지하는 비율을 계산하고 무시할 만 수준이라는 것을 입증하여야 한다. Rancho Seco의 경우 주민선량 시나리오에서 제외된 NUREG 핵 종의 총 선량 기여분율은 3.73×10^-2%, 제외된 ORIGEN 핵종 의 총 선량 기여분율은 4.27×10^-2%로 계산되었고 종사자선량 시나리오에서는 각각 1.99×10^-3%, 5.53×10^-1%를 차지하고 있는 것으로 검증되었고 제외에 대한 검증자료를 확보하게 되 었다. 사업자는 규제기관에 관련 모든 자료를 제공해야 한다.

Ranco Seco의 경우, NUREG-3474의 총 선량표를 참고 할 때 DandD 코드에서 선량 계산을 하지 못하는 핵종들의 총 분율은 4.23×10^-3%로 파악되며 ³⁹Ar, ⁸¹Kr, ⁸⁵Kr의 경우는 비활성기체(Noble gas)로서 해체가 마무리 되는 시점에 토 양이나 구조물의 표면에 남아 있을 확률은 거의 희박할 것으 로 예상된다. 그러므로 ³⁹Ar, ⁸¹Kr, ⁸⁵Kr또한 잠재적 핵종 목록 에서 제외가능하다. Rancho Seco의 경우는 DandD 코드에 서 다루지 못하는 모든 핵종을 잠재적 핵종 목록에서 제외할 수 있었다. 또한 잠재적 리스트에는 포함되어 있으나 자연발 생적인 핵종들 ⁴⁰K, ²³⁴U, ²³⁵U, 그리고 ²³⁸U는 부지특성조사에 서 검출되지 않았으므로 잠재적 리스트에서 최종적으로 제 외 가능하였다.

여전히 DandD 코드에서 다루지 못하는 핵종들에 대한 선량 기여치는 호흡 및 섭취 피폭-선량 변환 계수 (Inhalation and Ingestion Exposure-to-dose Conversion Factor)를 이용하여 구할 수 있다[8]. 선량변환계수, DCF(Dose Conversion Factor)를 각각의 핵종에 대해서 구하고 모두 합하 여 호흡 및 섭취DCF를 구할 수 있다. 이 총합은 다시 가장 광 범위하게 존재하고 있는 ⁶⁰Co과 ⁶³Ni의 경우와 비교를 하여 호 흡과 섭취에 대한 DCF를 구해서 분율이 무시할 수준이면 핵 종목록에서 제외할 수 있게 된다. Rancho Seco의 경우의 계 산 결과를 Table 7에 나타내었다.

최종적으로 10 CFR 61.55의 Table 1 과 2에 나타나 있 는 핵종 목록이 페기물 특성 분석에서 검출되었는지 확인 이 필요하다[9]. 해체 부지의 페기물 특성 분석 결과에서 특 정 핵종이 검출이 된다면 잠재적 핵종목록에 추가해야 하며 Rancho Seco의 경우는 앞에서 제시된 잠재적 핵종 목록에 서는 없었지만 추가로 ²⁴²Pu가 검출되어 최종적으로 잠재적 핵종 목록에 추가되었다. Table 8은 Rancho Seco의 경우 이 모든 핵종 선별 과정을 통해서 결정된 잠재적 최종 핵종 목록 (총 26종)이다. Humboldt Bay의 경우는 총 20종이 최종 부 지별 핵종 목록으로 결정되었다.

3.결론

부지 특성 및 최종상태조사시 해당 부지내 잔존가능성이 있는 방사성 핵종 정보를 구하기 위해서 미국 해체 원전의 경우를 분석하여 이론적으로 잠재적 핵종 목록을 도출하 는 과정에 대해서 분석해 보았다. 그 절차는 다음과 같이 요약할 수 있다(Fig. 1 참조). 또한 국내 실정에 적합한 적용 방법에 대해서도 다음과 같이 정리하였다.

이러한 절차를 통해서 이론적으로 도출된 잠재적 핵종들 과 부지 특성 조사 등에서 수집한 실제 측정치를 보완하여 부 지 별 최종 핵종목록을 도출하고 앞 장에서 기술한 DCGLs 농도를 계산하는 기본 자료로 사용한다. 국내의 경우는 현 재 NUREG 문서와 같은 규제 지침서 및 기술적 배경 자료가 확보 되어 있지 않은 상태로써 빠른 시일 내에 국내 실정에 적 합한 규제 지침서 및 자료를 확보하고 미국내 해당 참조 원전들 의 LTP문서등 관련자료를 기반으로 하여 잠재적 핵종 목록을 작성하는데 참고자료로 사용해야 할 것이다. 전체적인 방법론 에 있어서는 국내 해체 원전의 경우도 크게 다르지 않을 것으 로 사료되며 특이한 부분은 사전선별 및 부지별 DCGLs모델을 위한 주민 선량과 종사자 선량 시나리오등에 대한 부분으로 현재 연구가 진행중이다[13]. 추가로 모든 자료가 공개되어 있는 미국의 해체 관련자료를 참고로 하여 해체사업자가 해 체계획서나 허가 종료 계획서(LTP) 작성(안)을 구성하는데 사용해야 할 것이다. 미국 또한 시행착오를 통해서 해체에 관련된 각종 절차를 계속해서 가다듬어 나가고 있다.