제 2 장: 사용후핵연료 관리

2.1 사용후핵연료 발생량과 한국 인벤토리

한국은 2026년 5월 기준 24기의 가동 원전과 1기의 영구정지 원전(고리 1호기, 2017년 영구정지)을 운영하며, 누적 사용후핵연료 인벤토리는 약 19,000 톤U(metric tons of uranium, MTU)에 이른다. 한국수력원자력(KHNP)의 사용후핵연료 저장 시설은 각 원전 부지의 습식저장(spent fuel pool, SFP)을 1차 저장으로 사용하며, 월성 원전(중수로 PHWR)은 1992년부터 건식 저장(MACSTOR 저장 모듈, 600개 가스 봉입 캐니스터)을 운영한다. 본 절은 한국 사용후핵연료 발생량과 저장 인벤토리를 WIA-ENE-026 봉투의 spent_fuel_inventory 표면으로 정합 매핑한다.

2.1.1 원전별 SFP 포화도

한국원자력안전기술원(KINS) RWMIS 데이터(2025년 4분기 공시)에 따르면 SFP 포화도는 다음과 같다: 고리 1·2·3·4호기 SFP 92%, 한울 1·2·3·4호기 SFP 88%, 한빛 1·2·3·4호기 SFP 86%, 새울 1·2호기 SFP 47%(상대적 여유), 신고리 1·2호기 SFP 78%, 신한울 1·2호기 SFP 35%. 월성 1·2·3·4호기는 PHWR 특성상 가동 후 6개월 SFP 저장 후 건식 MACSTOR로 이전하므로 SFP 포화도가 안정적이다. 사용후핵연료 봉투는 pool_utilization_ratio 필드로 SFP 포화도를, dry_storage_capacity_macstor 필드로 MACSTOR 잔여 용량을 추적한다.

2.1.2 한국형 건식저장 시스템

한국형 사용후핵연료 건식저장은 두 가지 시스템으로 운영된다. (1) MACSTOR-400(월성 부지) — 캐나다 AECL 원천 기술의 한국형 변형, 가스 봉입 콘크리트 캐니스터, 1캐니스터당 192다발 PHWR 사용후핵연료. (2) HI-STORM 100(미국 Holtec International 라이선스, 신월성·신고리 부지 검토 중) — 다목적 캐니스터(MPC, Multi-Purpose Canister) 시스템, PWR 32다발 또는 BWR 68다발 수용. KAERI(한국원자력연구원, 대전)는 KORAD-N-200 한국형 PWR 건식저장 캐니스터를 자체 개발해 2024년 NSSC 인허가 절차 진입.

2.2 Way-Wigner 공식 감쇠열 산출

사용후핵연료의 가장 결정적인 안전 변수는 잔류 감쇠열(decay heat)이다. Way-Wigner 공식은 원자로 정지 후 시간 t(초)에서 감쇠열 P(t)를 운전 출력 P₀의 분율로 추정하는 1950년대 표준 근사식이다.

P(t)/P_0 = 6.62e-3 * [t^-0.2 - (t + T_0)^-0.2]

여기서 T₀는 운전 기간(초)이다. 운전 5년 후 정지하면, 정지 직후 1초에 운전 출력의 약 6~7%가 감쇠열로 남고, 1시간 후 약 1.5%, 1일 후 0.5%, 1년 후 0.07%, 10년 후 0.012%까지 감쇠한다. 참조 시뮬레이터 패널 1의 「감쇠열 계산기」는 운전 출력·운전 기간·정지 후 시간을 입력으로 받아 ANSI/ANS-5.1-2014(개정판) 정밀 공식의 결과를 반환한다.

2.2.1 ANSI/ANS-5.1-2014 정밀 공식

Way-Wigner 공식은 단순 1차 근사이며, 현재 표준 정밀 계산은 ANSI/ANS-5.1-2014 「Decay Heat Power in Light Water Reactors」를 따른다. 이 표준은 핵분열 생성물 23그룹·악티나이드 8그룹의 시간 의존 감쇠 곡선을 합산해 ±2% 정확도를 보장한다. 한국 KAERI는 KAERI-DH-2018 코드로 ANSI/ANS-5.1을 구현하고 KHNP 원전 감쇠열 인허가 평가에 사용한다.

2.3 NRC 10 CFR Part 72 건식 캐스크 저장

미국 NRC 10 CFR Part 72(Licensing Requirements for the Independent Storage of Spent Nuclear Fuel, High-Level Radioactive Waste, and Reactor-Related Greater than Class C Waste)는 사용후핵연료 독립 저장 시설(ISFSI, Independent Spent Fuel Storage Installation)의 인허가 기본 규제다. 한국의 사용후핵연료 건식저장은 원자력안전법 제63조의2 「방사성폐기물 관리 시설의 운영허가」를 NRC Part 72와 정합시켜 적용한다. 한국원자력환경공단(KORAD)이 운영할 중간저장 시설은 원자력안전법 시행규칙으로 별도 인허가 절차가 신설 예정(고준위방폐물특별법 후속 시행령).

2.3.1 다목적 캐니스터(MPC) 설계 요건

NRC Part 72 §72.122 구조 안전 요건은 (1) 정상 운영 조건 하에서 캐니스터 외부 표면 선량률 ≤ 2 mSv/h(접촉) 및 ≤ 0.1 mSv/h(2m 거리), (2) 사고 시(낙하·화재·홍수·지진) 격납 유지, (3) 임계 안전(critical safety) keff ≤ 0.95 with 95% confidence, (4) 발열 제거(thermal removal) 피복관 온도 ≤ 400°C(장기 저장) 및 ≤ 570°C(단기 사고 조건)를 충족하도록 규정한다. 한국형 캐니스터 KORAD-N-200은 KAERI ANISN/DORT 차폐 코드와 KENO-VI 임계 코드로 같은 요건을 시연한다.

2.4 IAEA SSR-6 Type B(U)F 운송 포장

사용후핵연료를 원전 부지 SFP에서 건식저장 또는 중간저장 시설로 이송할 때는 IAEA SSR-6(2018년판) 「Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material」 Type B(U)F 포장이 요구된다. Type B(U)F는 (1) 정상 시험(낙하 9m·관통 1m 봉 충돌·화재 800°C×30분·수중 침수 15m×8시간)과 (2) 사고 시험(9m 평면 낙하·1m 봉 관통·800°C×30분 화재·15m 수중 침수)을 모두 격납 손실 없이 통과해야 한다. 한국은 KEPCO E&C가 KOREA NPS-1 운송 포장(PWR 21다발 수용)을 KAERI HOTCELL 시험 후 NSSC 인증(2022년 11월)을 받았다.

2.5 한국 사용후핵연료 관리 인프라 매핑

본 절은 사용후핵연료 관리에 직접 관여하는 한국 8개 카테고리 인프라를 매핑한다.

• 규제기관: 원자력안전위원회(NSSC) — 사용후핵연료 저장·운송 인허가 발급. 한국원자력안전기술원(KINS) — 기술 심사·임계 안전·차폐 평가 수행, RWMIS 데이터베이스에 사용후핵연료 인벤토리 등록.
• 운영자: 한국수력원자력(KHNP) — 가동 원전 24기의 SFP 운영·월성 MACSTOR 건식저장 운영(1992~). 한국원자력환경공단(KORAD) — 향후 중간저장 시설 운영자(고준위방폐물특별법에 따라).
• R&D: 한국원자력연구원(KAERI, 대전) — KORAD-N-200 캐니스터 자체 개발·ANSI/ANS-5.1 감쇠열 코드(KAERI-DH-2018) 운영·심지층 처분 R&D 부지(대전 KURT, KAERI Underground Research Tunnel 2006~ 화강암 모암 시험).
• 법령: 「원자력안전법」 제63조의2 사용후핵연료 저장 허가, 「방사성폐기물 관리법」 제3조 사용후핵연료 정의, 「고준위 방사성폐기물 관리에 관한 특별법」(2024년 1월 제정) — 중간저장·영구처분 부지선정 절차 근거.
• 국제 협력: IAEA Joint Convention 당사국 보고(3년 주기), OECD/NEA Working Party on Decommissioning and Dismantling (WPDD), 한미 원자력협정(123 협정) 개정(2015) — 사용후핵연료 처리 옵션의 한미 공동 연구 합의.
• 월성 PHWR 특수성: 월성 1·2·3·4호기는 PHWR(가압중수로) 특성상 PWR 대비 사용후핵연료 발생량이 3~4배 많고(저농축 천연우라늄 노심), MACSTOR-400 캐니스터로 1992년부터 건식저장 운영 중. 월성 부지 MACSTOR 저장 모듈 600개 + 캐니스터 24기 운영 중(2025년 말 기준).
• 고리 1호기 영구정지(2017): 한국 최초 영구정지 원전, 해체 절차 중. 사용후핵연료 485다발은 인접 고리 2호기 SFP로 이송(2022년 완료), 해체 폐기물은 KORAD 처분장으로 이송 예정.
• 중간저장 시설 계획: 고준위방폐물특별법에 따라 부지선정 후 2030년대 중후반 운영 개시 목표. KORAD가 시행자, MOTIE가 정책 주관, NSSC가 인허가, KINS가 기술 심사.

2.6 사용후핵연료 봉투 예시

월성 1호기에서 발생해 MACSTOR-400 캐니스터로 건식저장된 192다발 PHWR 사용후핵연료의 WIA-ENE-026 봉투 예시.

{
  "version": "1.0",
  "host_id": "khnp.kr.wolsong.macstor",
  "tenant_id": "khnp.wolsong-unit-1",
  "envelope_class": "WIA-ENE-026.SpentFuel.PHWR",
  "envelope_id": "ulid:01HK8XBNQYE7Z4K1...",
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  "discharge_date": "2018-09-12",
  "decay_heat_w_per_bundle": 18.4,
  "spent_fuel_inventory": {
    "iaea_class": "HLW",
    "jurisdiction_class_korea": "고준위",
    "regulator_decision_ref": "KINS-SFM-2018-WS-00312"
  },
  "audit": {
    "timestamp": "2026-05-15T10:22:14Z",
    "traceparent": "00-7c8a3f1d2e4b5a6f9d3e2c1b0a8f7e6d-1a2b3c4d5e6f7a8b-01"
  }
}