This study addresses the quantitative evaluation of the proliferation resistance and the economics which are important factors of the alternative nuclear fuel cycle system. In this study, model was developed to quantitatively evaluate the proliferation resistance of the nuclear fuel cycles, and a fuel cycle cost analysis model was suggested to incorporate various uncertainties in the fuel cycle cost calculation. The proposed models were then applied to Korean environment as a sample study to provide better references for the determination of future nuclear fuel cycle system in Korea.
In order to quantify the proliferation resistance of the nuclear fuel cycle, the proliferation resistance index was defined in imitation of an electrical circuit with an electromotive force and various electrical resistance components. In this model, the proliferation resistance was described as a relative size of the barrier that must be overcome in order to acquire nuclear weapons. Therefore, a larger barriers means that the risk of failure is great, expenditure of resources is large and the time scales for implementation is long. The electromotive force was expressed as the political motivation of the potential proliferators, such as an unauthorized party or a national group to acquire nuclear weapons. The electrical current was then defined as a proliferation resistance index.
There are two electrical circuit models used in the evaluation of the proliferation resistance: the series and the parallel circuits. In the series circuit model of the proliferation resistance, a potential proliferator has to overcome all resistance barriers to achieve the manufacturing of the nuclear weapons. This phenomenon could be explained by the fact that the IAEA(International Atomic Energy Agency)'s safsguards philosophy relies on the defense-in-depth principle against nuclear proliferation at a specific facility. The parallel circuit model was also used to imitate the risk of proliferation for an entire fuel cycle, in which proliferation can arise by various possible paths or by diversion of special nuclear material from different facilities such as the enrichment facility, MOX(Mixed Oxied) or DUPIC(Direct Use of Spent PWR Fuel in CANDU reactor) fuel fabrication facilities, and transportation containers. Finally, by combining the series circuit with the parallel one, the proliferation resistance index of an entire fuel cycle can be constructed as a combination of resistances in series and parallel, which represent a specific path/facility and different path/facility, respectively. As a sample study, this model was applied to the Korean nuclear fuel cycle alternatives such as the DUPIC, the direct disposal and the reprocessing fuel cycles.
The analysis on the proliferation resistance of nuclear fuel cycles has shown that the resistance index as defined herein can be used as an international measure of the relative risk of the nuclear proliferation if the motivation index is appropriately defined. It has also shown that the proposed model can include political issues as well as technical ones relevant to the proliferation resistance, and consider all facilities and activities in a specific nuclear fuel cycle(from mining to disposal). In addition, sensitivity analyses on the sample study indicate that the direct disposal option in a country with high nuclear propensity may give rise to a high risk of the nuclear proliferation than the reprocessing option in a county with low nuclear propensity.
For the cost risk for the nuclear fuel cycle, a probabilistic approach, Monte Carlo simulation technique, was suggested. For probabilistic distribution of input data needed for the simulation, a three-point estimate approach was used to incorporate subjective expert opinions into the probabilistic distribution function of the nuclear fuel cycle component costs. From the fuel cycle cost analysis, it was found that the Monte Carlo simulation, using of the Latin Hypercube Sampling technique together with sensitivity analysis, could be a useful tool for decision makers to estimate the uncertainty of the fuel cycle cost. The input variable treatment model suggested in this study for the probabilistic simulation could be also useful when adequate historical cost data are not available. The application of the probabilistic simulation method to the fuel cycle cost analysis has shown that the DUPIC fuel cycle in Korea could be a competitive option with the direct disposal fuel cycle and is superior to the reprocessing fuel cycle.
핵연료주기 대안 평가시에 고려되는 중요한 요소중의 하나인 핵확산 저항성과 경제성 평가에 초점을 맞추어, 핵연료주기의 핵확산 저항성을 정량적으로 평가할 수 있는 모델을 개발하였으며, 핵연료주기 경제성 평가에서 자주 논쟁이 되어왔던 불확실성 문제를 해결하기 위하여 핵연료주기 비용의 불확실성을 평가 할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 여기서 개발된 모델들을 우리나라의 상황에 적용하여 향후 후행핵연료 주기 대안을 결정하게 되는 원자력 정책 결정에 참고자료가 될 수 있도록 하였다.
핵연료주기 핵확산 저항성 정량 평가를 위하여 전기회로 모델을 다중효용 이론과 결합하여 핵확산 저항성 지수 개념을 도출하였다. 전기회로 모델에서 전압을 핵무기 확산 의도를 갖는 국가 혹은 단체가 핵무기를 취득하려는 정치적인 동기로 표현하였으며, 일련의 저항을 핵무기 습득을 위한 기술적인 방벽의 상대적인 크기로 표현하였다. 또한 전류는 핵확산 지수로 모사하였다. 여러개의 저항이 직렬로 연결된 직렬회로를 핵연료주기를 구성하는 어떤 시설에서 핵물질 전용을 방지하기 위해 심층방어 개념으로 설치된 일련의 방벽으로 모사하였다. 즉, 직렬회로 개념에서는 불순한 의도로 핵물질를 취득하려는 핵확산자가 핵물질를 취득하기 위해서는 모든 방벽을 통과해야 한다는 개념이다. 또한 병렬 회로를 이용하여 전체 핵연료주기에서의 핵확산을 모사하였다. 이 병렬회로 모델에서는 핵확산자가 핵연료주기를 구성하는 모든 부문중에서 핵물질 수송 시스템, 사용후 핵연료 중간저장시설, 처분시설 등과 같은 어떤 특정한 한 개의 시설에서 핵물질을 취득함으로써 핵확산이 가능하다는 개념이다. 최종적으로 직렬 회로와 병렬회로를 결합하여 전체 핵연료주기 에 대한 핵확산 지수를 유도하는 모델을 완성하였다.
핵연료주기에 대한 핵확산 저항성 정량평가를 위한 모델을 개발하고 평가한 결과 전기회로 모델을 사용하면, 핵확산에 대한 기술적인 측면뿐만 아니라 정치적인 측면이 동시에 고려된 객관적 평가를 할 수 있는 것으로 분석되었다. 가상 국가들의 핵성향에 대한 민감도 평가 결과 낮은 핵성향을 보이는 국가가 재처리 주기를 갖는 경우 높은 핵성향을 보이는 국가가 직접처분주기를 갖는 경우보다 핵확산 저항성 지수가 낮게 평가됨으로써 낮은 핵성향을 보이는 국가가 재처리 주기를 갖는 경우가 핵확산 위험도는 적게 되는 경우가 발생할 수도 임을을 보였다. 이는 본 연구에서 정의된 핵확산 저항성 지수는 핵무기 취득을 위한 정치적 동기 지수가 적절히 평가된다면, 핵확산에 대한 국제적 인 지표로서 사용될 수도 있음을 나타내는 것이다. 한편 전기 회로 모델을 우리나라의 상황에 적용해본 결과 DUPIC 핵연료주기는 재처리주기보다 핵확산 저항성이 매우 우수하며, 직접처분주기와도 근접한 평가결과가 도출되었다.
핵연료주기 비용의 불확실성을 평가하기 위하여 확률론적인 평가 방법인 몬테칼로 시뮬레이션 방법을 제안하였다. 또한 이 확률론적인 방법을 적용하기 위하여 핵연료주기를 구성하는 부문들에 대한 비용의 확률분포를 평가해야 하는데 이를 위하여 주관적인 전문가들의 의견을 비용의 확률분포로 전환시키는 간단한 모델을 제시하였다. 이 모델을 이용하여 핵연료주기 대안별 비용평가를 수행한 결과 Latin Hypercube Sampling 방법을 이용한 몬테칼로 시뮬레이션 방법은 정책 결정자들에게 유익한 여러 정보들을 제공해줄 수 있으며, 핵연료주기 비용에 대한 불확실성을 평가하는데 유용한 방법이 될 수 있는 것으로 평가되었다. 또한 시뮬레이션을 위하여 필요한 입력자료의 확률분포를 얻기 위하여 제안된 three-pointestimate approach 방법은 과거 비용자료가 불충한 상황에서도 확률분포의 파라메터를 도출하는 유용한 수단이 될 수 있었다. 이 확률론적 시뮬레이션 방법을 우리나라 상황에 적용해본 결과 DUPIC 주기는 혼합핵연료를 사용하는 재처리 주기보다 훨씬 경제성이 있으며, 향후 CANDU 원자로를 우리나라에 많이 도입된다면 직접처분주기도 충분히 경쟁이 되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 핵연료주기 대안 평가에서 중요한 요소들에 대해서 정량화하는 모델을 제시하고 우리나라 상황에 개별적으로 평가를 하였으나, 모든 요소들이 고려된 종합평가는 수행하지 않았다. 실제적으로 한 국가의 핵연료주기 선정을 위한 대안 평가에서는 국민 수용성, 환경영향, 에너지 안보 등 모든 요소들이 고려된 종합평가를 수행하여야 할 것이다.
