2.1.1 원전해체의 개념적 정의

원전 해체(Nuclear Decommissioning)는 생명주기를 완료한 원자력시설을 체계적이고 안전하게 철거하여 부지를 재활용 가능한 상태로 복원하는 포괄적 과정을 의미한다. 이는 단순한 물리적 철거를 넘어, 방사성 오염의 완전한 제거, 폐기물의 안전한 처리, 환경 복원, 그리고 규제 해제에 이르는 복합적이고 장기적인 프로젝트이다.

국제원자력기구(IAEA)는 보다 기술적 관점에서 해체를 “원자력시설의 일부 또는 전체를 규제 통제로부터 계획적이고 체계적으로 해제하기 위한 기술적·행정적 조치의 총체”로 정의한다.⁽¹⁾ 국내의 경우, 원자력안전법⁽²⁾에 따르면 “허가 또는 지정을 받은 시설의 운영을 영구적으로 정지(이하 “영구 정지”라 한다)한 후, 해당 시설과 부지를 철거하거나 방사성오염을 제거함으로써 이 법의 적용 대상에서 배제하기 위한 모든 활동”으로 규정한다. 이러한 정의는 해체가 단순한 종료가 아닌 새로운 시작을 위한 전환 과정임을 시사한다.

2.1.2 원전해체 방법의 유형

원전 해체 전략은 기술적 접근과 시간적 프레임에 따라 세 가지 방법으로 구분된다. Park et al.⁽³⁾은 세 가지 방법을 다음과 같이 구분했다.

즉시해체(Immediate Dismantling) 전략은 영구 정지 후 최소한의 준비기간(3-5년)을 거쳐 신속하게 해체를 완료하는 접근법이다. 이 전략은 기술인력과 운영 경험이 유지되는 장점이 있으나, 높은 방사선 준위로 인한 작업자 피폭과 초기 대규모 투자가 필요하다는 제약이 있다.

지연해체(Deferred Dismantling) 전략은 자연 방사능 감쇄를 활용하여 수십 년(60-100년)의 안전관리 기간 후 본격적인 해체에 착수하는 방식이다. 작업자 안전성 향상과 기술 발전의 혜택을 누릴 수 있으나, 장기간 시설 유지관리 비용과 세대 간 책임 전가라는 윤리적 문제를 내포한다.

영구격납(Entombment) 전략은 원자로를 콘크리트 석관에 봉인하여 초장기간 격리하는 방식이다. 그러나 IAEA는 이 방식이 문제를 해결하기보다 미래 세대에 전가한다는 점에서 권장하지 않으며, 대부분의 국가도 채택하지 않고 있다.

2.3.1 세계 원자력 해체 산업 개요

2030년이 되면 전 세계 운영 원전의 약 75%가 40년 이상 노후화될 것으로 전망된다. 이에 따라 글로벌 원전 해체시장은 2025년부터 본격적인 성장기에 진입하여 2035년경 정점에 도달할 것으로 예측된다. Bates White⁽⁵⁾의 분석에 따르면, 전체 시장 규모는 약 5,490억 달러에 달할 것으로 추산된다.

시기별 시장 전망을 보면, 2017-2030년 1,230억 달러 규모에서 시작하여, 2031-2050년에는 2,040억 달러로 확대되고, 2051년 이후에도 2,220억 달러 규모의 거대 시장이 지속될 전망이다. 이는 원전 해체가 일시적 현상이 아닌 향후 수십 년간 지속될 메가트렌드임을 시사한다. Fig. 2와 같이 영구 정지되지 않은 노후화된 원전이 계속 누적됨에 따라 원전해체 시장이 커질 것으로 예상된다.

공정별 시장 구성을 분석하면, 원자로 및 주요 기기의 절단·철거 분야가 1,700억 달러로 최대 비중을 차지하고, 해체 준비 및 엔지니어링(1,540억 달러), 방사성폐기물 처리(1,430억 달러), 부지 복원 및 환경정화(550억 달러)가 뒤를 잇는다. 이러한 시장 구조는 해체산업이 단일 분야가 아닌 다양한 전문영역의 융합산업임을 보여준다.

20세기 후반, 미국, 프랑스, 영국, 일본, 스웨덴 등 주요 선진국들은 국가 주도의 대규모 원자력 개발 프로그램을 추진했다. 이들 국가는 막대한 자원을 투입하여 복합 기술역량을 축적했으며, 그 결과 오늘날 민간 원자력 분야에서 독보적인 전문성과 기술우위를 확보하게 되었다. 프로그램 착수 반세기가 지난 현재, 이렇게 축적된 기술자산과 경험은 초기 원전들이 수명주기의 마지막 단계인 해체 국면에 진입함에 따라 새로운 산업 영역에서 활용되고 있다.

원전 해체는 향후 수십 년간 원자력 산업에 새로운 성장동력을 제공할 핵심 분야로 부상하고 있다. 원전 1기당 해체사업은 통상 17-20년의 장기간에 걸쳐 진행되며, 수억 달러에서 수십억 달러에 이르는 대규모 투자를 수반한다. 이러한 메가 프로젝트는 원전 운영자, 해체 전문기업, 엔지니어링 회사뿐만 아니라 지방정부, 중앙정부, 국제기구 등 다층적 거버넌스 구조 내에서 수행된다. 성공적인 사업 수행을 위해서는 방사선 관리, 제염기술, 절단기술, 로봇공학, 프로젝트 파이낸싱, 리스크 관리 등 다양한 분야의 전문성이 요구되며, 이는 글로벌 가치사슬 전반에서 유기적으로 통합·운영되어야 한다.

EY-Parthenon⁽⁶⁾의 분석에 따르면, 2021-2050년 기간 전 세계 원전 해체시장은 1,250억-1,350억 달러 규모에 달할 것으로 전망된다. 이러한 추산은 해체사업의 장기성과 복잡성을 종합적으로 고려한 것으로, 단순한 연간 시장 규모나 성장률 분석을 넘어 산업의 구조적 특성과 장기 전망을 포괄적으로 제시한다. 현재의 지정학적 역학관계와 에너지 전환 정책을 반영하여, 원자로 보유 상위 12개국을 중심으로 시장 시나리오를 구성했다.

시장 전망 분석 결과, Fig. 3, Fig. 4와 같이 일본이 400억 달러로 최대 시장을 형성할 것으로 예측되며, 미국(320억 달러), 영국(240억 달러)이 그 뒤를 잇는다. 프랑스(80억 달러)와 독일(60억 달러)도 주요 시장으로 부상할 전망이다. 흥미롭게도 20세기 원자력 황금기를 주도했던 이들 5개국이 해체시장에서도 전체의 80% 이상을 점유하며 시장을 주도할 것으로 분석된다. 나머지 20%는 원전 보유 규모가 상대적으로 작거나 에너지믹스에서 원자력 의존도가 낮은 국가들이 차지할 것으로 예상된다.

주목할 점은 대부분의 선도국가들이 아직 해체사업 초기 단계에 머물러 있다는 것이다. 독일은 유일한 예외로, 2011년 후쿠시마 사고를 계기로 단행한 에네르기벤데(Energiewende) 정책에 따라 2050년까지 모든 원전의 해체를 완료할 예정이다. 반면 일부 국가들의 해체사업은 21세기 후반까지 이어질 전망이다. 특히 프랑스는 2051-2100년 기간에도 230억 달러 규모의 시장이 형성될 것으로 예측되는데, 이는 2021-2050년 시장 규모(80억 달러)의 거의 3배에 달한다. 이는 프랑스가 2050년 이전 26기, 이후 33기를 단계적으로 해체한다는 시나리오에 기반한 것이다.

2021-2050년 기간 중 전 세계적으로 약 200기의 원자로가 해체 국면에 진입할 것으로 예상된다. 이는 원자로 설계수명 40년과 영구 정지 후 즉시 해체 착수를 가정한 추정치다. 그러나 이러한 단순 가정은 두 가지 중요한 현실적 요인을 충분히 반영하지 못하고 있다.

첫째, 기술 진보와 운영 최적화를 통한 원전 수명연장이 보편화되고 있다. 1세대 원자로가 40년 운영을 목표로 설계된 반면, 3세대 이후 원자로는 60년 이상 운영이 가능하도록 설계되었다. 따라서 2021-2050년 해체 대상은 주로 1970-80년대 건설된 노후 원전에 국한될 가능성이 높다.

둘째, 각국의 해체 전략과 규제 프레임워크가 상이하다. 즉시해체를 원칙으로 하는 국가가 있는 반면, 영국처럼 수십 년의 ‘안전 격납(Safe enclosure)’ 기간을 거쳐 자연 방사능 감쇄를 유도한 후 해체에 착수하는 지연해체 전략을 채택한 국가도 있다. 이러한 전략적 차이는 해체 시기와 비용에 직접적 영향을 미친다.

원자로 해체비용은 5억-20억 달러로 매우 큰 편차를 보이는데, 이는 복합적 요인에 기인한다. 지역별로는 서유럽이 상대적으로 낮은 비용구조를 보이는 반면, 엄격한 규제를 적용하는 국가일수록 비용이 상승하는 경향을 보인다.

가장 결정적인 비용 요인은 원자로 유형이다. 해체를 전혀 고려하지 않고 설계된 1세대 원자로는 구조적 복잡성과 방사화 정도가 높아 해체 난이도가 극히 높다. 반면 해체성(Decommissionability)을 설계 단계부터 고려한 신형 원자로는 모듈화 설계와 원격 해체 기술 적용이 용이하다. 실제로 초기 가스냉각로(GCR)의 해체비용은 동일 용량 가압경수로(PWR) 대비 평균 2배에 달하는 것으로 분석된다.

인적자원 비용 또한 주요 변수로 작용한다. 고방사선 환경에서의 작업은 극도로 숙련된 전문인력을 요구하며, 안전규정상 작업시간 제한으로 인해 많은 인력이 필요하다. 더욱이 해체시장 확대와 신규 원전 건설이 동시에 진행되면서 원자력 전문인력의 수급 불균형이 심화되고 있으며, 이는 임금 상승압력으로 작용하고 있다.

규제 프레임워크의 엄격성도 비용을 좌우한다. 제염 목표 수준, 폐기물 분류 기준, 부지 개방 기준 등이 엄격할수록 해체비용은 기하급수적으로 증가한다. 첨단 제염기술과 폐기물 처리시설은 장기적으로 효율적이지만 막대한 초기 투자를 요구한다는 딜레마가 존재한다.

부지 고유의 특성도 간과할 수 없다. 원자로가 지상에 위치하는지 지하 격납고에 있는지, 사용후핵연료 저장시설이 부지 내에 있는지, 해체 후 부지를 녹지(Greenfield)로 복원할 것인지 제한적 재사용(Brownfield)을 허용할 것인지 등이 모두 비용에 영향을 미친다. 특히 부지의 최종 상태(End state)를 명확히 정의하는 것은 이해관계자 간 갈등을 예방하고 사업 지연을 방지하는 데 핵심적이다.

마지막으로, 해체비용 산정범위의 일관성 확보가 중요하다. 사전 제염, 연료 반출, 시설 해체, 폐기물 처리·처분, 부지 복원, 장기 모니터링 등 어디까지를 해체비용에 포함시킬 것인가에 따라 보고되는 비용이 크게 달라진다. 따라서 국제 비교 시에는 OECD/NEA의 ISDC(International Structure for Decommissioning Costing) 등 표준화된 비용구조를 적용하는 것이 필수적이다.

해체 사업의 현금흐름은 프로젝트 수명주기에 따라 특징적인 패턴을 보인다. Table 3과 같이 사업 초기 5년간은 상세 특성 조사, 인허가 획득, 방사화 장비 제거 등 준비 작업이 주를 이루며, 연간 투입비용은 총사업비의 1-2%에 불과하다. 이는 높은 기술적 난이도에도 불구하고 작업량 자체가 제한적이기 때문이다.

본격적인 해체단계에 진입하면 연간 투입 비용이 총사업비의 7-10%로 급증한다. 이 시기에는 원자로 압력용기, 증기발생기 등 대형기기 해체와 생물학적 차폐체 제거 등 핵심 작업이 집중적으로 수행된다. 국가별 규제환경과 원자로 특성에 따라 편차는 있으나, 대체로 이 단계가 전체 사업비의 60-70%를 소요한다.

사업 종료 단계에서는 일반 건물 철거, 부지 정리 등 상대적으로 기술집약도가 낮은 작업이 진행된다. 흥미로운 점은 이 단계에서 2차 시장이 형성된다는 것이다. 방사능 위험이 제거된 후에는 일반 건설·철거 업체들도 참여가 가능해지며, 이들은 원자력 전문기업과는 다른 비용구조와 사업모델로 시장에 진입한다. 이는 전체 해체비용 절감에 기여하는 동시에 지역경제 활성화 효과도 창출한다.

2.4.1 미국

2022년 10월 기준 미국은 92기 운영, 41기 영구 정지, 16기 해체완료로 세계 최대 원전 해체 경험을 보유하고 있다. 미국은 원전 운영자가 전문 해체기업과 직접 계약하여 사업을 수행하는 민간 주도형 모델을 채택하고 있다. 연방정부는 해체방식 선택을 사업자 자율에 위임하되, 영구 정지 후 60년 이내 해체완료를 권고한다.

기술개발 측면에서 미국은 1996-2003년 대규모 해체실증사업(Large-Scale Decommissioning and Demonstration Project, LSDDP)을 통해 핵심 해체기술과 전용 장비를 체계적으로 개발했다. 미국 원전 해체시장은 캐나다를 포함하여 약 900억 달러 규모로 추산되며, 형식적으로는 개방시장이나 자국 기업의 기술우위와 실적으로 인해 외국기업의 실질적 진입장벽이 높은 구조이다. 대표기업인 EnergySolutions는 자국 Zion 1,2호기를 비롯하여 미국과 영국에서 총 22개 원전 해체사업에 참여한 실적을 보유하고 있다.⁽⁷⁾

2.4.2 프랑스

2022년 10월 기준 프랑스는 56기 운영, 14기 영구 정지 상태이며, 이 중 10기가 공기업 주도로 해체 진행 중이다. 프랑스는 부지 재활용 촉진을 위해 기존 지연해체 전략을 즉시해체로 전환하였다. 마크롱 정부는 2026년까지 전력 생산 중 원자력 비중을 현행 75%에서 50%로 감축하는 에너지전환 정책을 추진 중이다.

해체사업은 국영 전력공사 EDF 산하 Centre d'Ingénierie Déconstruction & Environnement(CIDEN)이 총괄한다. CIDEN은 자체 공급망과 AREVA 등 대형 원자력기업의 공급망을 병행 활용하는 이원적 구조를 운영한다. 주요 해체전문기업으로는 Nuvia Group, Areva, ONET Group 등이 있으며, 이들은 Brennilis 원전 등 주요 해체 사업에 참여하고 있다.

2.4.3 영국

2022년 10월 기준 영국은 9기 운영, 36기 영구 정지, 26기 해체 진행 중이다. 영구 정지 원전 대부분이 흑연감속재를 사용하는 초기 Magnox형 원자로의 구조적 특성상, 80-100년간 안전 격납 후 해체하는 지연해체 전략을 채택했다.

국가해체청(Nuclear Decommissioning Authority, NDA)이 국가 차원에서 해체사업을 총괄 관리한다. 가스냉각로의 해체 비용은 경수로 대비 단위 용량당 최소 5배 이상이며, 특히 Magnox 원전은 대량의 구조재와 흑연감속재 처리로 인해 해체폐기물량이 경수로의 10배에 달할 것으로 추정된다. NDA는 Site License Company(SLC)에 사업관리를 위탁하고, SLC가 실행 공급망을 구성하는 다층적 관리체계를 운영한다. AMEC가 대표 해체기업으로서 Sellafield(영국) 및 Ignalina(리투아니아) 원전 해체사업을 수행 중이다.

2.4.4 독일

독일은 체르노빌 사고를 계기로 조기 탈원전을 추진하여 미국과 함께 가장 활발한 해체활동을 전개하고 있다. 2022년 10월 기준 3기만 운영 중이며, 30기 영구 정지, 3기 해체완료 상태이다.

독일 주도로 유럽 국가들은 1979-1999년 20년간 체계적인 해체 단위 기술 개발과 연구로 및 상업로 실증을 통해 독자적 해체기술 체계를 구축했다. 독일은 원전 운영자 책임 하에 즉시해체를 원칙으로 하는 사업구조를 채택하고 있다. Siempelkamp가 대표 해체기업으로서 미국 Zion 1,2호기 등 국제 해체사업에도 참여하며 기술경쟁력을 입증하고 있다.

2.4.5 일본

2022년 10월 기준 일본은 21기 운영, 27기 영구 정지, 2기 건설 중이며, 22기가 해체 진행 또는 준비 단계에 있다. JPDR 실증로 1기의 해체를 완료했으며, 후쿠시마 원전 해체를 통해 산업 인프라를 재구축하고 있다.

후쿠시마 사고 직후 전면 가동중단과 원전 제로 정책을 시행했으나, 2017년 정책전환으로 2030년까지 원자력 비중 20% 이상 확대를 목표로 설정했다. 2014년 센다이 1,2호기를 시작으로 순차적 재가동을 통해 현재 21기가 운영 중이다.

기술개발 측면에서 일본은 1981-1986년 요소기술 개발, 1986-1996년 JPDR 실증사업을 통해 체계적인 해체기술을 확보했다. 2011년 이후 사고 원전 처리와 노후 원전 해체가 동시 진행되면서 기술고도화가 가속화되고 있다.

해체사업 구조는 상용원전은 운영자 책임, 연구시설은 일본원자력연구개발기구(JAEA) 주관으로 이원화되어 있으며, 즉시해체를 원칙으로 한다. 후쿠시마 원전은 도시바, 히타치, 미쓰비시 등 대기업이 참여하는 국제폐로연구개발기구(IRID)가 특별 관리체계로 해체를 수행 중이다. 위에 언급된 각국의 동향은 Table 4와 같이 정리하였다.

3.2.1 추정 설계

본 연구는 한국 최초 상용원전인 고리 1호기의 해체비용 추정을 위해 회귀분석 모델을 개발하였다. 기존 연구들은 상이한 해체시기의 비용을 현재가치로 환산하고 원전 출력 등 제한적인 설계특성만을 반영하는 방법론을 채택했다. 그러나 이러한 접근법은 해체기간, 부지복원 범위 등 주요 비용 결정 요인을 충분히 반영하지 못해 추정의 불확실성이 높다.

이러한 한계를 극복하기 위해 2019년 11월 기준 실제 해체비용 데이터를 수집하고, 해체비용에 영향을 미치는 핵심 요인들을 체계적으로 분석하였다. 도출된 주요 영향 요인을 독립변수로 설정하고, 이들과 해체비용 간의 상관관계를 회귀분석하여 예측 모델을 구축하였다. 통계분석에는 R 프로그램을 활용하여 모델의 통계적 유의성을 검증하였다.

3.2.2 PWR 해체비용 회귀모델

회귀모델 구축을 위해 종속변수(Y)는 해체비용으로, 독립변수(X1, X2)는 PWR 해체비용 결정요인으로 설정하였다. 특히 해체비용의 주요 구성요소인 폐기물 처리비용과 인건비를 효과적으로 반영할 수 있는 변수 선정에 중점을 두었다.

폐기물 처리비용은 원전의 방사능 오염도에 비례하며, 이는 운전기간과 밀접한 상관관계를 갖는다는 이론적 가정에 기반하였다. 이러한 운영 특성을 정량화하기 위해 식(1)과 같은 오염계수(Contamination Factor)를 도입하여 회귀모델의 설명변수로 활용하였다.

이용률은 IAEA PRIS(Power Reactor Information System)에서 제공하는 정규화된 지표로서, 총 가용시간 대비 실제 운전시간의 비율을 나타낸다. 해체기간 중에도 시설관리비와 인건비가 지속적으로 발생한다는 점을 고려하여, 해체완료 원전은 실제 소요기간을, 진행 중인 사업은 계획기간을 변수로 활용하였다. PRIS 데이터베이스에서 필수 데이터의 50% 이상이 결측된 경우 누적 이용률을 산출할 수 없으므로, 이러한 경우 70%를 대푯값으로 적용하였다.

최종 회귀모델은 종속변수(Y)를 해체비용으로, 독립변수(X1, X2)를 각각 식(1)으로 산출한 오염계수와 해체기간으로 구성하였다.

모델 검증을 위한 귀무가설(H₀)은 “원전 해체비용은 운전기간, 열출력, 이용률로 산출된 오염계수 및 해체기간과 무관하다”로 설정하였으며, 대립가설(H1)은 “원전 해체비용은 오염계수 및 해체기간과 유의한 상관관계를 갖는다”로 설정하였다.

회귀모델 구축에 활용된 원전 해체비용 실적 데이터는 Table 5와 같이 정리하였다.

Table 5의 PWR 데이터를 활용한 다중회귀분석 결과는 Table 6과 Table 7에 제시하였으며, 실제 비용과 모델 추정값의 비교는 Fig. 5와 같다. 본 연구에서 도출한 PWR 해체비용 추정 회귀모델은 다음과 같이 나타났다.

본 연구에서 구축한 PWR 회귀모델(식(2))의 적합도는 $R^2 = 0.7372$, 수정 $R^2 = 0.6968$로 나타났다. 모델의 통계적 유의성 검정 결과 p-value = 0.0001로 유의수준 0.05에서 귀무가설(H₀)을 기각하고 대립가설(H1)을 채택할 수 있었다. 또한 개별 독립변수의 p-value도 모두 0.05 미만으로 나타나 통계적 유의성이 확인되었다. 이러한 결과는 식(2)이 PWR 해체비용 추정에 적합한 예측 모델임을 입증한다. 도출된 회귀모델을 고리 1호기에 적용한 해체비용 추정 결과는 다음과 같다.^(8- 9)