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Cost Estimation and efficiency analysis of raw materials and disposal alternatives in nuclear energy = 원자력분야의 원재료와 처분 대안의 원가 추정 및 원가 효율성 분석에 대한 연구
서명 / 저자 Cost Estimation and efficiency analysis of raw materials and disposal alternatives in nuclear energy = 원자력분야의 원재료와 처분 대안의 원가 추정 및 원가 효율성 분석에 대한 연구 / Sung-Sig Bang.
저자명 Bang, Sung-Sig ; 방성식
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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In Korea, spent fuel is temporarily stored in storage tanks or facilities at nuclear reactor sites. As of the end of 2011, the spent fuel amounts about 12,000 tons. Assuming that the annual production of spent fuel is about 700~750 tons, the storage facilities will soon fill up to their maximum capacity of 16,500-17,000 tons. The country is expected to face serious problems if there are no additional storage facilities or if the amount of spent fuel production is not sharply reduced. Against this backdrop, the first essay analyzes the cost efficiency when BeO-UO2 is used as nuclear fuel for the purpose of reducing spent fuel and second essay analyzes cost efficiency of four disposal alternatives in consideration of current price and price volatility. Eventually, this study involves cost estimation and cost efficiency analysis of the nuclear sector. The objective of this study is to analyze changes in cost efficiency with respect to raw materials in the first essay, and to conduct cost efficiency analysis for alternatives to the construction of radioactive waste repositories in second essay. First essay quantifies the credits of beryllium and uranium which are used as the raw materials for BeO-UO2 nuclear fuel by analyzing the influence of their credits on the nuclear fuel cycle cost was analyzed, where the credit was defined as the value of raw materials recovered from spent fuel and the raw materials that were re-cycled. The credits of beryllium and uranium at 60 MWD/kg burn-up were - 0.22 Mills/kWh and - 0.14 Mills/kWh, respectively. These findings were based on the assumption that the optimal mixing proportion of beryllium in the BeO-UO2 nuclear fuel is 4.8 wt% at 60 MWD/kg. Ultimately the beryllium credit was found to be greater than that of the uranium credit. As the BeO-UO2 nuclear fuel has a long cycle and a high burn-up rate, the raw material credit of BeO-UO2 nuclear fuel should be considered in assessing the cost of the nuclear fuel cycle. In other words, the raw material credits of BeO-UO2 nuclear fuel represent a small proportion of the nuclear fuel cycle cost as a cost driver to reduce the nuclear fuel cycle cost, but its contribution to the direct material cost is not negligible, which confirms that the raw material credits of the BeO-UO2 nuclear fuel are a cost driver that should be assessed in the nuclear fuel cycle cost for the spent nuclear fuel reprocessing option. In sum, the present study verified that the credits of beryllium and uranium in relation to BeO-UO2 nuclear fuel are significant cost drivers in the cost of the nuclear fuel cycle and in estimating the nuclear fuel cycle of the reprocessing option for spent nuclear fuels. The second essay presents the results of calculating the disposal cost efficiency on November 2009 price for the four disposal alternatives for the CANDU spent fuel that are under development in Korea currently. The KRS-1 alternative, developed first, was set as the standard, and the efficiency of the KRS-1 alternative was assumed to be 100%. It was found that the A-KRS-22 is the most effective for each process when considering dominant cost drivers The cost calculation result shows that the A-KRS-22, which was developed most recently among the CANDU spent fuel disposal alternatives, manifested -61.7%, -45.7%, -47.0%, -78.9% and -61.7% when compared to the KRS-1 alternative concerning disposal tunnel excavation, disposal hole excavation, bentonite, disposal canister and backfilling. Moreover, the cost calculation method for the dominant cost driver that uses the unit disposal module concept for the calculation of cost efficiency was used. As for the reason that the standard for efficiency measurement was taken per each bundle, it is because the amount of bundle capacity concerning the spent fuel differs by disposal canister. A-KRS-1 is the most efficient in terms of price per bundle for 2012, followed by A-KRS-22, A-KRS-21, and KRS-1. A-KRS-1 differed from A-KRS-22, the second most efficient alternative, by 75,197 KRW in the price of cast iron and copper. This is because the A-KRS-1 involved the least amount of cast iron and copper, which were dominant cost drivers among raw materials. However, the overall difference only amounts to 16,257 KRW because of excavation cost and other variables of price per bundle. 1,458 scenarios are conducted to cost efficiency analysis of disposal alternatives in consideration of price volatility. RANK 1, the most efficient among the four alternatives, was comprised of A-KRS-1 at 40.1% and A-KRS-22 at 33.7%. This reveals, probabilistically, which of the four disposal alternatives is the most efficient. If decisions are made according to current prices, there is only one possible option. In contrast, a variety of scenarios can be developed by considering future volatility. This method provides results in terms of probability and degree of risks, thus allowing better decisions to be made by policymakers. A total of 1,458 scenarios, worth 100 points each, were analyzed. A-KRS-1 earned 7,630 points, while A-KRS-22 followed closely behind with 7,460 points. The small difference indicates that the two alternatives may change in ranking if stability and volatility do not turn out as predicted. Sensitivity analysis was conducted for the price of disposal tunnels/holes, bentonite and backfilling, cast iron, and copper powder. When the prices of disposal tunnels and disposal holes increase by 104.9% while other factors remain fixed, A-KRS-1 and A-KRS-22 have the same price per bundle. Also, a 49.6% drop in the price of cast iron will allow A-KRS-1 and A-KRS-22 to have the same price per bundle. Therefore, selecting the A-KRS-22 alternative can be advantageous when the price of bentonite is continuously increasing and the price of input raw materials of cast iron or copper is continuously decreasing.

한국의 경우, 원전에서 발생된 사용후핵연료는 원전 부지 내의 저장수조나 저장시설에 임시적으로 보관하고 있다. 이러한 사용후핵연료는 2011년 말 기준으로 현재 12,000톤 정도가 임시로 저장 및 관리되고 있으며, 부지 내 저장시설 용량은 17,000톤 정도이다. 그러나 사용후핵연료가 매년 700톤 정도 발생하고 있다고 가정할 때, 향후 더 이상의 보관 시설을 건설하지 않거나, 사용후핵연료를 획기적으로 줄이지 않는다면 사회적으로 심각한 문제 직면하게 될 것이라 예상된다. 이러한 필요성을 감안하여 본 연구는 기존의 원료 대신으로 새로운 핵연료인 BeO-UO2 사용에 따른 원가 효율성을 분석하고, 사용후핵연료를 실제 영구 보관하기 위해 현재까지 개발된 4가지 처분 대안들의 원가 효율성을 현재가격과 미래 가격 변동성을 고려하여 분석하였다. 결국, 본 연구는 원자력분야의 원가 추정과 원가 효율성 분석에 대한 연구로, 첫 번째 에세이에서는 투입 원재료 변동에 따른 원가 효율성 변동과, 두 번째 에세이에서는 방사성 폐기물 처분장 건설 대안들의 원가 도출 및 원가 효율성 분석에 그 목적이 있다. 첫 번째 에세이에서는 재활용된 원재료와 사용후핵연료로부터 재처리된 원재료의 가치인 크레딧이 핵연료주기원가에서 차지하는 원가 비율을 분석함으로써, BeO-UO2 핵연료의 원재료로 사용된 베릴륨과 우라늄의 크레딧을 분석하였다. 분석결과 BeO-UO2 핵연료 베릴륨의 최적의 혼합 비율이 60 MWD/kg에서 4.8wt%라고 가정할 경우, 베릴륨과 우라늄의 크레딧은 각각 -0.14 Mills/kWh, - 0.22 Mills/kWh로 분석되었으며, 결과적으로 베릴륨의 크레딧이 우라늄의 크레딧보다 더 큰 것으로 나타났다. 이는 BeO-UO2 핵연료가 긴 주기와 높은 번업 효율을 가짐으로써, BeO-UO2 핵연료의 원재료 가치는 핵연료주기원가를 평가하는데 중요하게 고려되어야 한다는 것을 보여준다. 즉, BeO-UO2 핵연료의 원재료 크레딧은 핵연료 주기 원가를 줄이기 위한 원가 동인으로서는 작은 부분을 차지하고 있지만, 직접 재료비 비용에 미치는 기여도가 무시할 수 없는 만큼, BeO-UO2 핵연료의 원재료 크레딧은 사용후핵연료의 재처리 선택을 위한 중요한 원가동인으로 평가되어야 한다는 것을 보여주고 있다. 결론적으로, 본 연구는 BeO-UO2 핵연료 관련 베릴륨과 우라늄 크레딧이 사용후핵연료 재처리 옵션의 핵연료주기 추정과 핵연료주기원가에 영향을 미치는 중요한 원가 동인이라는 것을 확인한 것에 그 의미가 있다. 두 번째 에세이에서는 본 논문에서는 한국에서 개발중인 4가지 처분대안에 대한 2009년말 기준으로 처분비용 효율성을 산정한 결과를 제시하였다. 비용효율 산정은 가장 먼저 개발한 KRS-1 대안을 기준으로 설정하고 KRS-1 대안의 효율을 100%로 가정하였다. 각 프로세스의 주요원가 동인을 고려할 경우 A-KRS-22가 가장 효과적인 대안으로 나타났다. 비용산정 결과, CANDU 사용후핵연료 처분시스템에서 최근에 개발한 A-KRS-22가 처분터널 굴착, 처분공 굴착, 벤토나이트, 처분용기, 뒷채움의 처분비용 효율성 측면에서 KRS-1 대안에 비해 번들당 각각 -61.7%, -45.7%, -47.0%, -78.9%, -61.7% 더 향상된 것으로 계산되었다. 이러한 이유는 하나의 처분용기에 더 많은 사용후핵연료를 수용할 수 있도록 처분용기의 설계를 개선하고 처분공 및 처분터널을 재설계하였기 때문이다. 이러한 결과는 단위처분모듈 개념을 이용한 주요 원가동인의 비용만을 산정한 것이며, 효율측정 기준을 번들당으로 계산한 이유는 처분용기마다 사용후핵연료의 번들 수용량이 다르기 때문이다. 각 대안들의 2012년 번들 당 가격은 KRS-1의 경우 778,300원이고, A-KRS-1의 경우 522,091원, A-KRS-21의 경우 542,438원, A-KRS-22의 경우 538,348원 이었다. 이러한 결과에서 보듯이 2012년 가격을 기준으로 번들 당 가격은 A-KRS-1이 가장 효율적인 대안으로 분석되었으며, 두 번째로는 A-KRS-22, 세 번째로는 A-KRS-21, 마지막으로 KRS-1이 가장 효율적이 못한 것으로 분석되었다. 이러한 차이는 A-KRS-1이 2번째로 효율적인 대안인 A-KRS-22과 주철, 구리 가격에서 약 75,197원의 원가 우의 차이를 보이고 있기 때문이며, 결국 주요원가동인에서 가장 높은 비율의 원가를 차지하는 주철과 구리 부분에서 가장 적은 직접재료가 투입되기 때문이다. 그러나 전체 번들 당 원가의 경우 다른 원가 구성 변수들인 터널 굴착 비용 등의 상쇄로 인하여 16,257원의 차이만을 보이고 있을 뿐이다. 1,458개의 시나리오 분석결과 4가지 대안 중에서 가장 효율적인 대안인 RANK 1의 비율은 A-KRS-1이 40.1%로 가장 높게 나타났으며, 다음으로는 A-KRS-22가 33.7%이었다. 이러한 결과는 실제 어느 대안이 가장 효율적인가에 대한 결과를 확률적으로 보여주는 것이다. 현재 원가로 의사 결정을 할 경우, 단지 하나만의 선택지만이 존재하는 것에 비해, 미래 변동성을 고려한 시나리오 분석의 경우, 변동성에 대하여 시나리오를 만들 수 있다. 이러한 시나리오 방법은 분석결과를 확률로 보여주어, 정책 결정자들에게 선택에 대한 위험도 정보를 제공하여 준다. 각 시나리오를 100점이라 할 때, 가장 효율적인 대안에게 40점, 그 다음으로 효율적인 대안은 30점, 3번째는 20점, 마지막은 10점으로 계산하여, 총 1,458개 시나리오에 대한 분석결과 A-KRS-1이 7,630점으로 7,460을 받은 A-KRS-22에 근소하게 앞서고 있는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 향후 가격 이외의 변수인 안정성이나, 가격이 실제로 예상된 변동폭을 벗어나 움직일 경우, 두 대안의 순위가 바꿀 수 있음을 암시해 준다. 추가적으로 실시한 민감도 분석은 처분터널과 처분공, 벤토나이트와 뒷채움, 주철, 구리분말 원가의 4가지에 대해 분석하였다. 다른 요인이 고정되어 있고, 터널 비용과 처분공 비용이 지금보다 104.9% 증가할 경우, A-KRS-1과 A-KRS-22는 번들 당 가격이 같아지는 것으로 분석되었다. 또한 주철 가격의 경우 지금 보다 49.6%의 가격 하락이 있을 경우 A-KRS-1과 A-KRS-22의 번들 당 가격이 같아지는 것으로 분석되었다. 따라서 실제 투입 원재료인 벤토나이트의 가격이 지속적으로 오르는 국면이거나, 마찬가지로 투입 원재료인 주철이나 구리가격이 지속적으로 하락하는 경우, 향후 A-KRS-22 대안을 선택하는 것이 유리할 수 있음을 보여준다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DITM 14006
형태사항 vi, 83 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 방성식
지도교수의 영문표기 : Yang-Hon Chung
지도교수의 한글표기 : 정양헌
수록잡지명 : "The credit analysis of recycling beryllium and uranium in BeO-UO2 nuclear fuel". Journal of Nuclear Science and Technology, v.49.no.3, pp. 298-309(2012)
수록잡지명 : "Cost efficiency analysis of disposal alternatives in Korea". Progress in Nuclear Energy, v.53.no.6, 722-728(2011)
Including Appendix : 1, Thermal analysis.
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기술경영학과(IT경영학),
서지주기 References : p. 60-64
주제 Cost Estimation
Efficiency analysis
Raw material
Cost drivers
Disposal alternatives
Nuclear fuel cycle cost
원가추정
효율성 분석
원재료
원가 동인
처분 대안
핵연료주기원가
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