중수로 원자로집합체 구성품 해체 시 시나리오별 종사자 피폭 및 비용 평가에 관한 연구 = A Study on the Evaluation of Worker Radiation Exposure and Cost for Decommissioning Scenarios of PHWR Reactor Assembly Components

국문 초록 (Abstract)

월성 1호기는 고리 1호기에 이은 국내 두 번째 상업용 원전 해체 대상으로서 2019년 12월 영구정지를 기점으로 해체 단계에 진입하였으며 2034년 12월까지 기기 및 구조물의 제염, 절단, 철거와 해체 방사성폐기물 처리 및 부지 복원에 이르는 전 과정을 수행할 예정이다. 현재까지 전 세계적으로 상업용 중수로 원전을 해체한 사례는 없으며, 해체 단계로 진입한 상업용 중수로 중 한국의 월성 1호기만 즉시해체를 공식화했고 캐나다 등 타 중수로 운영 국가는 지연해체를 채택하고 있다. 2027년 실제 해체 착수 예정인 월성 1호기의 안전한 해체와 중수로 즉시해체 기술의 경쟁력을 선점하기 위해서는 여러 해체분야에 연구와 준비가 필수적이다. 본 논문은 중수로 원자로집합체 대상으로 3D 해체 시뮬레이터 DEMplus를 활용하여 해체작업 시나리오별 시뮬레이션을 통해 방사선 작업종사자 피폭선량, 해체 기간, 비용 등을 정량 평가 및 비교하였다. 이를 위해 중수로 해체와 구조적, 절차적 측면에서 매우 유사한 중수로 원자로집합체 설비개선(Refurbishment)의 국내외 경험을 바탕으로 해체 시뮬레이션에 필요한 해체 공정 등 중수로 해체에 대한 기초 자료를 확인하였다. 특히 과거 사례에서 피폭 기여가 높았던 냉각재 공급자관 제거와 중수로의 원자로에 해당되는연료관집합체 및 칼란드리아관 제거 공정으로 연구 범위를 한정하여 해당 기기의 재질자료, 선원항 등을 바탕으로 시뮬레이션하였다. 해체 시점에 따른 피폭선량 비교 시뮬레이션 결과, 즉시해체 시 개인선량이 국내 사업자 관리기준 초과 등의 위험이 있으므로 해체 공정에 원격설비 활용 등 추가적인 피폭 저감 노력의 필요성을 확인하였다. 그리고 원격설비 적용성을 평가한 결과, 원격설비 도입 시 피폭 관리 측면에서 분명한 이점이 있음을 확인하였으나, 이에 수반되는 비용 및 공정 기간 증가 등으로 인하여 인력 투입과 로봇 운영에 대해 ALARA 관점에서 피폭 저감과 비용 투입의 최적화가 요구되는 점도 확인하였다. 또한 작업자의 고선량 방사선에 대한 노출을 줄이기 위해 해체 전 계통제염과 해체 공정 개선 효과에 대해서도 함께 검토하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wolsong Unit 1, the second commercial nuclear power plant in Korea to be
decommissioned following Kori Unit 1, permanently ceased operation in December 2019 and entered the decommissioning phase. The entire process, including decontamination, cutting and removal of systems and structures, management of decommissioning radioactive waste, and site restoration, is scheduled to be completed by December 2034.
To date, no commercial pressurized heavy water reactor (PHWR) has been fully decommissioned worldwide. Among the commercial PHWRs that have entered the
decommissioning phase, only Wolsong Unit 1 in Korea has officially adopted an immediate dismantling strategy, while other PHWR operating countries such as Canada have selected deferred dismantling. In order to ensure the safe decommissioning of Wolsong Unit 1, where actual dismantling is scheduled to begin in 2027, and to establish technological competitiveness in immediate dismantling of PHWRs, extensive research and preparations across multiple decommissioning domains are essential.
In this study, a 3D decommissioning simulator, DEMplus, was applied to a PHWR reactor assembly to quantitatively compare worker radiation exposure, decommissioning duration, and costs for various dismantling scenarios. To this end, baseline data for PHWR decommissioning such as dismantling processes were derived from domestic and international refurbishment experience of PHWR reactor assemblies, which are structurally and procedurally very similar to decommissioning. In particular, the analysis scope was limited to the removal of feeder pipes and the removal of fuel channel assemblies and calandria tubes, which correspond to the reactor region of a PHWR and have shown high dose contributions in past projects. Simulations were performed based on material specifications and source term data for these components. Scenario analyses on decommissioning timing indicated that, under an immediate dismantling strategy, individual worker doses could exceed the administrative dose limits set by domestic licensees, demonstrating the need for additional dose-reduction measures such as the application of remote handling systems to the dismantling process. Furthermore, the assessment of remote system applicability confirmed clear advantages in dose management when remote systems are introduced; however, the associated increases in costs and decommissioning duration imply that optimization of manpower deployment and robotic operation is required from an ALARA (As Low As Reasonably Achievable) perspective, balancing dose reduction and cost. In addition, system decontamination prior to dismantling and improvements in dismantling processes were examined as means to further reduce worker exposure to high radiation fields.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목표 및 연구 내용 2
• 2. 국내외 원전 해체 현황 3
• 2.1 국내 원전 해체 단계 3
• 2.2 국내 중수로 해체 현황 4
• 2.3 해외 해체 성공 사례 5
• 2.3.1 미국 8
• 2.3.2 독일 8
• 2.3.3 일본 9
• 3. 국내외 중수로 원자로집합체 교체 경험 11
• 3.1 중수로 1차 계통 및 원자로집합체 구조 개요 11
• 3.1.1 칼란드리아 용기(Calandria vessel) 13
• 3.1.2 종단차폐체(End Shield) 13
• 3.1.3 반응도 제어장치(Reactivity control devices) 13
• 3.1.4 액체독물질주입기(Liquid poison injection) 13
• 3.1.5 핵연료 채널 집합체(Fuel channel assembly) 13
• 3.1.6 냉각재 공급자관(Feeder) 14
• 3.1.7 칼란드리아 격실(Vault) 14
• 3.2 국내(월성 1호기) 압력관 교체 사업 경험 15
• 3.2.1 사업 개요 15
• 3.2.2 월성 1호기 압력관 교체 주요 공정 16
• 3.3 국외 중수로 원자로집합체 교체 사례 및 현황 17
• 3.3.1 캐나다 17
• 3.3.2 인도 19
• 3.3.3 루마니아 21
• 4. 중수로 원자로집합체 해체 시 고려되어야 할 사항 22
• 4.1 해체 공정 22
• 4.1.1 월성 1호기 압력관 교체 경험 반영 해체 표준공정 22
• 4.1.2 기기별 세부 작업 방법 24
• 4.2 해체 방사성폐기물 분류 및 처리 30
• 4.2.1 국내 방사성폐기물 분류 기준 및 처분 방식 30
• 4.2.2 중수로 해체 시 예상되는 방사성폐기물 종류 32
• 4.3 중수로 해체 전 계통제염 34
• 4.3.1 계통 재질 특성 34
• 4.3.2 중수로 적용 가능 화학제염 기술 36
• 5. DEMplus 이용한 중수로 원자로집합체 해체 시나리오별 피폭선량 평가 39
• 5.1 시뮬레이션 소프트웨어(DEMplus for Nuclear) 소개 39
• 5.2 DEMplus 초기 입력변수 설정 39
• 5.2.1 중수로 원자로집합체 3D 모델 설계 데이터 생성 39
• 5.2.2 중수로 원자로집합체 방사성 선원항 41
• 5.2.3 방사성폐기물(Radioactive Waste) 42
• 5.2.4 거리별 피폭선량 44
• 5.2.5 중수로 원전해체지원시설(해체 방사성폐기물처리시설) 45
• 5.3 시뮬레이션 수행 결과 46
• 5.3.1 해체 시뮬레이션 시 고려사항 및 적용 인자 46
• 5.3.2 54
• 6. 결론 65
• 참고문헌 67
• Abstract 72