Today`s nuclear power plants in Korea are primarily used to supply base-load electricity due to the insufficiency of energy resources and rapid increase of electricity demand. In compliance with the government policy, Korea Electric Power Corporation (KEPCO) established an ambitious nuclear power plant construction program. According to the expansion of the nuclear power program, it is necessary to analyse the environmental impact of nuclear power generation system. Future requirements would be the improvement of environmental impact assessment of nuclear power generation system with respect to the various environmental themes including radiological and non-radiological assessment.
Life Cycle Assessment (LCA) is an appropriate methodology for this requirement. General definition of LCA is a process to evaluate the environmental burdens associated with a product, process, or activity by identifying and quantifying energy, materials used and wastes released to the environment. LCA studies the environmental aspects and the potential impact throughout a product or service ‘s life cycle. LCA is one of several environmental management techniques and a decision support tool, i.e., LCA is not the decision result itself.
However, direct introduction of LCA to the nuclear fuel cycle is difficult more or less due to the absence of the methodology for the radiological impact assessment within the LCA framework. Problems of existing method for the toxicity calculation are pointed and classification factors of radiological impact are calculated by making supplements of these problems. Also the improvement of classification factors for radionuclides derived is explained. The classification factor takes into account both of the exposure to and health effects of radionuclides, which makes supplement to existing Critical Volume (CV) approach. This calculation procedure makes it possible to consider the overall impact of each radionuclide and the pathways available. Also this calculation can be used in the case of non-uniform dose, and considers the gender and age specification of response to exposure. Even though some issues to be improved, this study has made important advances and could help the improvement of classification factor of radiological impact within the LCA framework and the promotion of the radiological risk assessment of nuclear fuel cycle.
This study described once-through fuel cycle of nuclear energy system, constructed the environmental data set associated with the emissions and radionuclides to different environmental media and evaluated their environmental impacts using the LCA methodology. This is coincided with the current worldwide situation of the close relation between the environmental issues and energy policy. As a result, once-through fuel cycle turned out to cause the environmental impact of 4.32E-3 based on the un-dimensionally weighted value. The LCA methodology as an environmental management tool was suggested and its application to back-end of nuclear fuel cycles in a comparison of the once-through fuel cycle, the DUPIC cycle and the recycling with PUREX process was described. As a result, the recycling with PUREX process turned out to impose less significant environmental impact of 4.33E-4 rather than did the DUPIC of 1.19E-2 and once-through options of 4.32E-3. Also, the important environmental impacts in un-dimensionally weighted impact that could be associated with once-through fuel cycle currently implemented in Korea turned out to be resource depletion (4.12E-3), human toxicity through air (9.19E-5), ecotoxicity aquatic (4.8E-5), nutrification (3.43E-5) and human toxicity through water (1.29E-5). Radiological impact (1.06E-7) was less significant than other categories, even though a high relative significance factor was assigned. The significant environmental category was abiotic resource depletion caused by the utilization of uranium resources that was the major contributor of 95.4% to total environmental impacts, and the environmentally dominant stage was found to be mining/milling stage. Also 99% of radiological impact turned to be caused by mining/milling stage and power plant operation, and the most radiologically significant pathway was internal exposure, especially due to the inhalation of air.
Nuclear and coal are major electricity generation sources in Korea, so it is necessary to take broader approach for comparative environmental assessment between two major energy resources before making long term energy planning. And it might be necessary to prove objectively the environmental predominance of nuclear energy over other energy sources considering various environmental categories. Therefore, emissions from coal-fired power plants are calculated using the emission factor provided by Ministry of Environment and the data associated with total raw material, energy, corresponding emission and wastes released during the normal operation of nuclear and coal fuel cycle facilities are cited from the annual report of KEPCO. Because all necessary data are not available in Korea, proper foreign references provide good supplements of Korean data. As a result, environmental categories such as resource depletion, global warming, human toxicity, eco-toxicity, acidification and nutrification are selected for comparison of nuclear and coal. Conclusively, electricity generation by nuclear turned out to cause less environmental impact than did coal by an order of magnitude.
For the validation of results, environmental impacts calculated in other studies are compared to this study. Contribution of each nuclear fuel cycle to total environmental impact is compared with the results of United Nation Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR) study. Also the benefits of recycling have proven with the study of BNFL and material flow used basically in the calculation of environmental impact is coincided with that of UNSCEAR study under the same condition.
This study on application of the LCA methodology to alternative of nuclear power generation system gives some meaningful conclusions. This makes it possible to examine the environmental impact of chemical effluents in addition to the existing non-radiological impact assessment and to compare the significance of them with global warming, resource depletion, acidification and the radiological impact caused during normal operation of the nuclear facilities. Extensive database related with the nuclear and coal power generation system will be useful to the long-term energy planning and energy balance mix as source materials. This study has been still in progress and results are quite preliminary ones. Therefore, further study for the construction of more appropriate Korean data should be implemented. However, the results will establish and provide the extensive infrastructure of database related with power generation stages and be much helpful to make an improvement of ISO standardization of LCA methodology. Also decision on energy policy related with the environmental issues can be made for the long term electricity planning and the energy mix optimization considering the environmental aspect in Korea.
우리나라는 자원 부족과 전력수요 증가에 대비하여 원자력 발전을 주요 에너지원으로 사용하고 있으며 이에 따른 장기 전력 수급 계획도 마련하고 있다. 또한 세계적으로 환경에 대한 관심이 고조되고 환경 성과 평가 제도가 활발히 진행되고 있는 점을 감안할 때, 기존의 온실가스 배출 비교만을 통한 청정 에너지원으로써의 원자력 발전의 우위성 강조 및 방사선적 위해도 평가에만 그쳤던 원자력에 대한 환경 영향 평가 수준에서 탈피하여 환경적으로 지속 가능한 원자력 발전을 위한 환경 경영 기법의 도입이 불가피하다. 따라서 이 연구에서는 다양한 환경 영향 범주 관점에서 원자력 발전 시스템의 환경 영향을 평가하여 환경 친화적인 원자력 발전을 위한 개선점을 제안 할 수 있는 총체적인 환경 경영 기법인 전과정 평가 (Life Cycle Assessment)를 도입하였다.
LCA는 제품이나 서비스의 원료물질 취득에서부터 폐기에 이르기까지 전과정 (Life Cycle)에서 사용되는 원료물질 양과 발생하는 유해물질 및 폐기물의 양을 정량화하여 이들로 인한 환경 영향을 평가하는 기법이다. 따라서 이 연구에서는 LCA를 원자력 발전 시스템에 적용하기 위해서는 LCA Framework에서 제공되지 못하고, 문제점으로 지적되어오고 있는 방사선적 환경영향 인자를 개발하고, 개발된 이들 인자까지 고려하여 원자력 발전 시스템에 대해 비방사선적 환경 영향 평가와 방사선적 환경 영향 평가를 동시에 비교 검토를 하는 전과정 평가를 수행한다.
1장에서는 연구의 배경 및 목적을 설명하고 2장에서는 LCA 방법론의 이론적인 원리이며 LCA Framework의 구성인 목적 및 정의(Goal and Scope Definition), 환경 목록 분석 (Life Cycle Inventory Analysis), 환경 영향 평가 (Life Cycle Impact Assessment), 그리고 결과 해석 (Interpretation) 단계별로 설명하고 국내외 연구 동향 및 관련 연구들에 대해서 소개하였다. 3장에서는 LCA의 단점으로 지적되었던 방사선적 환경영향 인자를 개발한 결과를 제시하였다. LCA 방법론상에서 제안되는 환경영향 인자(Classification Factor) 개발법과 방사선 방호측면에서 위해도 평가 시 사용되는 이론을 사용하여 현재 국내 원자력 발전 시설에서 발생하는 방사성 핵종에 대해 환경영향 인자를 개발하였다. 개발된 방사성 핵종에 대한 환경영향 인자는 기존의 LCA 연구에서 제시되던 위해도 계산 방법들이 방사선적 환경영향 인자개발에 직접 적용 될 때 나타나던 문제점을 개선한 것으로, 방사성 오염으로 인한 인체의 피폭 및 위해정도 (Exposure and Effect) 현상을 동시에 고려 할 수 있고, 다양한 오염 경로를 포함하고 있으며, 피폭자의 성별 및 연령에 따른 효과, 불균일하게 분포한 피폭에 따른 영향의 차이 등도 고려 할 수 있게 되었다. 4장에서는 선행 및 후행 핵주기를 포함한 전 원자력발전 시스템에 대한 LCA를 수행하였다. 우선 국내 발전연보와 방사성 폐기물 관리 연보, 그리고 외국의 문헌데이타를 이용하여 방사성 물질 및 일반 유해물질의 환경목록(Inventory)을 작성하였다. 그 후 3장에서 개발된 방사선적 환경 영향 인자를 이용하여 직접처분(Once Through), 경중수로 연계 핵연료주기(DUPIC), 재처리 주기(PUREX)에 대해 환경영향 평가를 수행하였다. 연구 결과 직접처분 주기의 환경영향은 정량적으로 4.32E-3 으로 나타났고, 다양한 후행 핵주기 대안 중에서는 PUREX 기법을 이용한 재처리 주기가 경중수로 연계주기나 직접처분 보다 환경적으로 우위성이 있는 것으로 나타났다. 또한 각 핵연료 주기 대안별로 영향력이 큰 환경 영향 범주와 공정을 분석하였는데 원자력 발전으로 인한 환경영향 중 자원 고갈의 문제가 가장 심각한 것으로 조사되었고, 상대적으로 방사선적 영향은 방사능으로 인한 환경영향이 가장 클 것이라는 보수적인 가정 하에서 산정된 가중치를 부여함에도 불구하고 영향력이 가장 적은 것으로 나타났다. 또한 석탄화력 발전과의 비교에서는 기존의 이산화탄소 배출만을 비교하거나 경제성만을 비교하던 방법에서 탈피하여 방사선적 위해도와 비방사선 위해도를 동시에 비교하도록 하였다. 결론적으로 원자력 발전이 석탄화력 발전에 비해 1E+01 정도의 환경적 우위를 갖는 것으로 나타났다. 5장에서는 도출된 결과들의 검증을 위해 유사 연구 결과와 비교를 수행하였다. 3장에서 이미 언급되었던 방사선적 환경영향 인자 계산 시 사용된 가정들의 타당성을 정리하고, 핵연료 주기별 환경영향 계산에 사용된 물류량의 정확성 및 단위 핵연료 공정별 전체 환경영향에 대한 정량적 기여도, 재처리의 타당성 등을 입증하였다.
이 연구는 상당부분의 데이터를 외국 문헌에 의존하였다는 점과 LCA의 세부적인 방법론 측면에서 ISO의 국제적 표준화 작업등이 지속되어야 하는 등 후속 연구가 필요하지만 새로운 환경경영 기법을 도입하여 방사선적 및 비방사선적 환경영향을 총체적으로 비교 평가 할 수 있다는 점과 세계적인 추세인 환경 성과 표시제도에 필수적인 LCA의 미비점을 보완하였다는 점에서 의의를 찾을 수 있다. 또한 기존의 원자력과 석탄화력의 환경영향 비교시 이산화탄소 배출 및 경제성 비교만을 통해 원자력의 우위성을 강조하던 방식에서 벗어나 다양한 환경영향 범주별 비교를 가능하게 하였고, 그 동안 영향력이 미미할 것으로만 판단하여 고려대상에서 제외하였던 원자력 발전 과정에 사용되는 화학 물질들의 영향도 고려 할 수 있게 되었다. 따라서 이 연구 과정에서 생산된 원자력 발전 및 석탄화력 발전과 관련한 원료물질 및 에너지 사용량, 각종 환경위해 배출물, 방사성 폐기물 등의 목록 자료는 폐기물 관리 및 에너지 정책 등의 유사 연구 시 기본 자료로 활용 할 수 있고, 정량화 된 환경성 지표 설정 과정 및 결과는 국내 환경 경영 표준화 사업의 에너지 분야의 기본 자료로 활용 될 수 있으며, 전원 개발 계획 및 후행 핵연료주기 정책결정시 환경성 분석 분야의 의사결정 지원 방법론으로서 활용 할 수 있다.
