A Study on Decommission Cost Estimation Framework with Engineering Approach

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시스템엔지니어링 학술지 제 8권 2호. 2012. 12 논문집2012.11.1~1

공학적 접근을 통한 해체비용 산정 프레임워크에 대한 고찰

이선기^*

현대엔지니어링(주) / 전력플랜트사업본부

A Study on Decommission Cost Estimation Framework with Engineering Approach

Sun Kee Lee

Hyundai Engineering Company / Power & Energy Plant Division

Abstract : It is the sensitivity and confidentiality of nuclear power plant decommissioning cost that prevent detailed cost information to be released to the public, which causes some limitation to analyze and reuse the costs. This limitation to access cost information means that the lessons learned from preceding cost estimating may not systematically feed back into following cost estimates. As an alternative, decommissioning cost estimation framework is indispensable to reflecting available experience and knowledge for decommission costs. This study provides the cost estimation framework including data flow and structuralization based on engineering and bottom up approach to enhance decommissioning cost estimation.

Key Words : Nuclear Power Plant Decommissioning, Cost Estimation Framework, Engineering Approach

* 교신저자 : [email protected]

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1. 서 론

1.1 연구배경 및 목적

원전 사후처리 충당금이란 원자력발전소를 가동 하는 동안 발전사업자가 ‘원전 쓰레기’를 처분하는 데 드는 비용을 미리 적립해놓는 것을 말한다. 본 연구 착수 당시 국내 전기사업법에 의하면 5년마다 충당금을 재검토하도록 되어 있었으나 외국자료를 참고로 충당금을 예측해서는 충당금의 적정성에 대 한 논란이 남는다. 그간 국내외에서 수행된 연구는 공학적 물량기반의 상향식 접근에 대한 상세한 정 보 비공개, 작업범위 및 조건 등의 상이함 등으로 산업체 및 연구기관에서 적용에 어려움이 있었 다.[1,2] 이에 대한 대안으로 이 연구는 공학적 접 근 기반의 비용 산정 프레임워크를 제시한다. 공학 적 접근은 개념설계를 기반으로 해체공정 및 물량 을 비용항목과 연계시킴으로써 비용을 산정하는 접 근을 의미한다. 이 연구는 개념설계를 바탕으로 상 향식으로 비용을 산정할 수 있는 데이터 흐름과 구 조를 정의 및 역공학적으로 도출함으로써 다양한 시나리오 분석을 위한 기반을 제공하고 비용 산정 의 객관성 및 신뢰도 향상에 기여하고자 한다. 이를 위해 국내 원자력 연구시설 및 미국, 영국 등의 원 자력발전시설의 해체 사례를 참고하여 해체개념설 계를 수행하고 대표 시나리오와 공정을 비용항목과 연계한다.

1.2 연구방법 및 범위

이 연구는 수명이 다한 원자력발전소의 해체비용 산정 시스템을 대상으로 하였다. 해체비용 산정 시 스템은 해체프로세스와 설계 내용을 데이터베이스 에 포함하여 해체시나리오에 따라 비용을 산정하고 작업 기간 정보로 해체일정표를 작성할 수 있게 하 는 것이다. 물리적 구성요소를 나타내는 구조와 비 용 산정 프로세스를 구현한 데이터 흐름은 적절한 비용 산정 시스템 개발을 위해 필수적이기 때문에 구조와 데이터 흐름에 초점을 두었다. 국내에서 가 동 중인 원자력발전소(표준형 경수로 및 중수로)의

일반배치(General Arrangement), 시스템 구성요소 와 해체 작업분해구조(Work Breakdown Structure) 를 고려하여 구조를 정하였다.

2. 해체절차

2.1 해체프로세스

해체는 가동원전의 수명 종료 후 해당 부지를 안 전하게 개방(release) 하기 위한 모든 시간, 공간적 활동이다. 해체사업마다 원전특성 및 작업범위가 상 이하기 때문에 해체 프로세스의 표준화가 용이하지 않으나 거시적 절차는 동일하다. 즉, 해체준비-방 사능 특성평가-방사능저감-제염-제거/파쇄/철거 -부지복원-개방이다. 이를 원전 건물 및 시스템에 대해 적용해보면 그림 1과 같은 흐름도 작성이 가 능하다. 흐름도는 해체 프로세스의 주요 역무와 대 상시설을 포함하고 있지만 상세 시퀀스 및 로직 등 이 없어 프로세스 또는 시간 분석을 하려면 시나리 오에 맞는 상세한 프로세스 개발이 필요하다.[3]

2.2 해체범위

해체 범위는 물량과 작업량을 결정하기 때문에 물량 등을 상향식으로 구체화하기 위해 대상시설 (건물) 또는 시스템을 계층적으로 분해하고 하위 구성요소로부터 상향식으로 해체범위, 물량을 결정 하는 것이 비용 산정 시스템에 반영되었다. 이 상향 식 접근은 원전건설 당시의 작업분해구조(Work Breakdown Structure)와 동일하지 않은데 그 이 유는 건설과 해체는 단순히 역(reverse) 관계가 아 니기 때문이다. 또한 해체는 건설시 고려하지 않았 던 방사선 피폭으로 인한 작업난이도를 공정 및 시 퀀스 결정에 반영해야 한다. 해체 범위에 속하는 시 설(건물)을 그룹화하면 그룹간의 시퀀스, 그룹별 시 설 및 구성요소간의 시퀀스를 용이하게 정하게 할 수 있다. 이 연구는 다수의 원전시설별로 비용항목 을 평가하였다. 그림 2는 시설 그룹과 비용항목 관 계를 예시한다. 여기서 세트는 시설(건물)을, 하부 세트는 세트의 구성요소로써 예컨대 1층 또는 높이

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[그림 1] 원전 해체프로세스

구간을 나타낸다.[4]

상기 그룹 간에는 공유영역이 존재하며 해당 그 룹 해체에 앞서 공유영역의 분리나 고립이 필요하 다. 공유영역은 물리적으로 용기, 밸브, 전기패널,

스위치와 같은 하드웨어가 있으며 기능적으로는 전 원이나 유체의 공급, 계측제어 분기 등이 있다. 이 러한 접근은 그룹 내의 시설(건물)에 대해서도 마 찬가지이다. 해체 원전은 가동원전과 상당수 동일한

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[그림 2] 원전 해체시설 그룹 및 비용항목 관계(예시)

공유영역을 갖고 있으나 가동과 해체의 차이로 인 해 공유영역을 분리/고립시키는 과정에 있어 차이 가 있다.

3. 해체 비용

3.1 국내개발현황

1995년 국내연구기관이 개발한 원전해체비용 체 계는 주요 해체작업의 구분, 비용요소의 식별, 비 용요소에 대한 적합한 입력 자료 결정과 타당성 검 토를 거쳐 상향식 방법론에 따라 비용을 구하게 한 다. 이 연구의 성과로는 비용항목에 대한 적절한 분 류, 단위비용인자의 구성방안과 단위작업프로세스 를 제시하고 UCF 방법론(Unit Cost Factor Methodology)에 따라 비용을 산정할 수 있는 틀을 제공한 것이다. 이후 원자력연구시설을 대상으로 한 원자력연구원의 비용 산정체계도 비용항목을 분류 하고 연구시설 해체실적을 반영한 단위비용인자를 개발하여 작업에 대한 투입자원을 제시하였다.

이 논문도 UCF 방법론에 따른 비용 산정을 따른 다. 최근 개발이 완료된 지식경제부의 “원전사후처 리사업 비용 산정 시스템 개발” 사업의 일부로 수행 된 원전해체비용 산정 시스템개발 업무도 기본적인

접근은 선행연구와 유사하지만 신기술과 기반기술 을 반영한 해체프로세스를 정의하였으며 주요 해체 단위작업을 위한 비용단가에 국내 노무비를 포함시 켰다. 이 연구의 핵심 성과는 공학적 상세물량분석 수준의 비용 산정 구조 제시이다. 선행연구는 구조 관점에서 시스템 설계과정을 자세히 다루고 있지 않기 때문에 이 연구를 통해 분석되고 파악된 시스 템 설계과정은 비용 산정 시스템의 개선 및 유지와 유사시스템 개발의 기반이 된다. 이 연구는 미국 Worley Parsons Polestar사가 개발한 해체비용 산정용 전산도구인 POWERTool의 데이터 흐름을 기본으로 하였다.

3.2 해체비용 산정 절차

비용항목을 작업범위 및 일정과 연계시켜 비용을 산정하는 절차[그림 3]는 비용 산정의 정확성을 개 선하며 비용항목의 근거와 항목간의 관련성을 구체 화시킨다. UCF 방법론의 핵심은 단위비용인자인데 노무, 자본 및 자원을 할당하며 작업일정과 비용을 연계시킨다. 단위비용인자는 물리적 재고량과 함께 비용계산에 직접적으로 영향을 주기 때문에 그 자 체의 정확성과 공정에 대한 대표성도 중요하며 비 용항목에 적합하여야 한다. 단위비용인자는 물리적 재고량에 의존하여 비용항목에 따라 산정하므로 전 체비용항목에 대한 단위비용인자를 더하면 총 비용 이 된다. 해체작업 및 관련활동은 해체전략, 원전 특성 및 국가상황에 따라 달리 정할 수 있기 때문에 이러한 전략, 특성 및 상황에 적합한 비용항목을 정 의한다.

기본구조 및 관계식은 시설 및 작업구조를 계층 화하고 기본 자원 등을 할당하기 위해 구성한다. 이 러한 구조에 적합한 단위비용인자를 준비하는 것은 비용 산정의 기본이다.

3.3 비용항목의 구조화

유럽연합(EC), IAEA 및 OECD/NEA는 해체작 업 표준목록을 작성하였다. 해체작업은 해체범위 및 공정에 따라 일부 추가/변경이 될 수 있으나 국제적

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[그림 3] 해체비용 산정 일반 절차

표준목록이나 선행 해체사업의 비용항목과 크게 상 충되지 않게 하는 것이 바람직한 데 비용항목별 비 교 또는 참조를 용이하게 하기 위함이다. 이 연구는 순공사비 산정을 위해 표준작업 목록에서 연구개발, 핵연료, 핵물질, 기타비용에 관한 것을 제외하고 15 개의 비용그룹(또는 작업)과 비용그룹별 비용항목 (또는 하부작업)을 제시하였다. 제시된 비용항목은 원자력시설에 공통적으로 적용할 수 있다.[5]

∙ 사업관리, 계획 및 엔지니어링(Project Management, Planning and Engineering)

∙ 현장준비(Site Preparation)

∙ 특성평가 (Characterization)

∙ 배수 및 세정(Drain and Flush)

∙ 건물/구조 해체(Dismantle Building/Structure)

∙ 전기기기 해체(Dismantle Electrical Equipments)

∙ 전기 대용량자재 해체(Dismantle Electrical Bulk)

∙ 계기 및 튜브 해체(Dismantle I&C Components)

∙ 냉난방 시스템 해체(Dismantle HVAC systems)

∙ 기계 해체(Dismantle Mechanical Components)

∙ 배관해체(Dismantle Piping)

∙ 강구조물 해체(Dismantle Structural Steel)

∙ 파쇄(Demolition)

∙ 처분(Disposition)

∙ 기기 및 용역 구매 (Procure Equipments and Services)

3.4 비용 산정 전산 도구

미국과 유럽을 중심으로 원전해체사업이 수행되 었고 비용 산정 전산도구 역시 미국, 유럽 주도로 개발되었다[표 1]. 국내는 원자력연구원(KAERI) 이 TRIGA Mark 연구용원자로의 해체비용 산정 체

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[그림 4] 사업기본계획과 정보흐름

계를 개발한바 있으나 작업범위 및 구조가 원전과 상이하고 해체프로세스에서도 차이가 있기 때문에 원전해체 비용 산정을 위해 사용하는데 한계가 있 다. 원자력발전소 해체에 대해 전력연구원(KEPRI) 과 원자력연구원이 1995년에 공동으로 미국 NUS 사가 번안한 원전해체비용 산정 전산도구를 구매하 여 해체비용 산정 기술을 개발하고 해체비용을 계 산하였다.

<표 1> 해체비용 산정 전산도구 개발현황

프로그램 명 개발기관

CECP 미국 PNL COSTGEN 미국 ANL

DECCER 미국 TLG Services DeCoPS 네델란드 NRG EC DB COST 유럽연합 CALCOM 네델란드 NIS

POWERTOOL 미국 Worley Parsons Polestar PRICE 영국 UKAEA

OMEGA 슬로바키아 DECOM

4. 비용 산정 구조

4.1 기본계획과 정보흐름의 연관성

해체비용 산정용 전산도구를 개발하려면 해체 시 나리오, 해체프로세스 및 시스템 설계가 선행되어야 한다. 시나리오와 프로세스는 사업범위 및 특성에 영향을 받기 때문에 시스템설계는 작업분해구조 (Work Breakdown structure), 데이터 흐름(Data Flow), 시스템 구조 및 데이터베이스 설계과정이 다. 비용 산정 구조와 데이터베이스 설계는 비용 산 정 시스템을 공학적으로 준비할 수 있게 한다. 이를 위해 사업기본계획을 반영토록 하고 정보흐름을 정 한다. 사업기본계획은 작업분해구조, 자원 및 작업 범위를 정하여 비용을 산정하고 비용이 할당된 일 정표를 작성하는 것이다. 정보흐름은 해체시설, 작 업, 자원에 대한 목록 및 정보를 작성하고 단위비용 인자를 산정하여 비용을 산정한 후 작업별 일정정 보를 구하는 것이다. 그림 4는 미국 Worley

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[그림 5] 비용 산정을 위한 데이터 흐름

Parsons Polestar사의 정보흐름과 기본계획을 연 관시킨 것이다. 그림 5는 이러한 정보흐름을 반영한 Worley Parsons Polestar사의 데이터 흐름을 역 공학적으로 보여준다. 이 흐름은 해체대상을 분해 하고 필요한 작업과 자원을 할당하여 비용과 일정 정보를 통합하는 일련의 과정을 설명하는데 이 연 구는 데이터베이스의 구조설계에 초점을 두지 않고 해체프로세스에 따라 해체대상 구조 및 기기 등을 상향(Bottom up) 방식으로 해체 및 처리하는 과정 을 반영하여 상위 구성요소를 해체하는 데 필요한 자원 등을 하위 구성요소 단계에서 정의 및 분석 한 다. 이러한 접근은 일반적이기는 하나 해체비용 산 정 시스템을 체계적이며 추적성 있게 개발하는 사 례로 활용할 수 있다.[6]

작업범위를 계층적으로 분해하는 SET 구조는 Superset, Set, Subset의 집합체이다. Superset은 SET구조의 최상위에 있고 Set는 다수의 Subset로 이루어진다. 예시적으로 경수로의 방사성폐기물 건 물(Superset)의 작업범위를 EL.70 피트 이하와 EL.70 피트 이상(SET)으로 하고 각 공간을 방사 성시스템과 일반시스템(Subset) 또는 대구경 배관 과 소구경 배관(Subset)으로 나눌 수 있다.

작업구조를 계층적으로 분해하는 Task 구조는 Task, Subtask의 집합체이다. Task는 Task 구조

의 최상위에 있고 다수의 Subtask를 포함한다. 예 시적으로 배수(Task)에는 방사성액체 배수, 윤활유 배수, PCB 배수, 청정 냉각수 배수(Subtask)가 있 고, 기기제거(Task)에는 방사성 오염기기 제거, PCB 오염기기 제거 및 수은 오염기기제거 등이 있 다고 분류할 수 있다.

Task는 작업범위에 공통으로 적용할 수 있으나 그 적용여부를 정하기 위해서는 사용되는 작업프로 세스 및 기술에 대한 이해가 전제되어야 한다. 단위 비용인자는 단위작업에 대한 노무, 자원, 폐기물, 작 업 기간(work duration) 등의 정보를 포함하며 Subtask를 수행하기 위한 단위비용항목이다. 단위 비용인자의 속성은 개발자의 의도에 따라 그 종류 와 범위가 정해지나 근거를 추적할 수 있도록 구체 화시키는 것이 중요하다.

4.2 구조설계

시스템구조는 기본설계도에 해당하기 때문에 비 용 산정 시스템 개발과 보완을 위해 긴요하다. 시스 템구조화를 위한 모델링 기법으로 데이터 모델링, 프로세스 모델링, 거동 모델링 및 객체 지향적 모델 링이 있다. 구조를 묘사하기 위해 데이터모델링 기 법인 ERD 개념으로 앞의 데이터 흐름[그림 5]을 그림 6과 같이 재구성한다. 사용자는 해체대상을 작

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[그림 6] 비용 산정 ERD 개념 데이터 모델링

업범위 구조(Set Structure)에 따라 세분하고, 작 업의 유형 및 내역을 작업구조(Task Structure)로 정의 및 구분한다, 또한 단위작업에 필요한 투입인 력, 서비스, 자원, 작업 기간, 폐기물 물량 등에 관한 정보를 단위비용인자에 반영하여 작업구조에 따라 선택 가능한 다양한 단위비용인자를 구성한다. 작 업범위 구조, 작업구조 및 단위비용인자는 사용자 의 경험 및 준비상태에 따라 순차적이거나 동시에 개발가능한데 유사 프로젝트에서 사용한 작업구조 등이 있다면 평가의 불확실성을 줄이기 위해 긴요 하다.

작업범위 및 작업 구조가 정의되고 개발되면 사 용자는 이를 용도에 맞게 조합하는데 이때 해체프 로세스 및 기술에 대한 경험 및 능력이 부족하다면 시행착오를 줄이고 객관적 결과를 위해 분야 기술 자의 도움을 받는 것이 바람직하다. 단위비용인자는 그림 7과 같이 유형에 따라 구분가능한데 적절한 구분을 통해 작업구조에 할당할 단위비용인자를 효 율적으로 선택할 수 있게 한다.

이 단위비용인자 및 속성정보는 추적성의 최하위 단계에 해당하나 작업에 따라 동일한 단위비용인자 가 적용되더라도 단위비용인자의 투입정도가 상이 할 수 있다. 예컨대 해체작업 A1을 위해서는 단위 비용인자 A가 2번 적용되는 반면 해체작업 A2를 위해서는 단위비용인자 A가 5번 적용될 수 도 있 다. 이는 단위비용인자의 투입 횟수는 작업구조에

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[그림 7] 단위비용인자 구성요소

경수로 중수로

1 Management & Support Management & Support 2 Primary Auxiliary Building Service Building 3 Auxiliary Boiler Building D2O Upgrading Facility

4 Containment Building Reactor Building

5 CCW Heat Exchanger Building SF Dry Storage Handling Facility

6 Yard Transformer Area Guard House

7 Fuel Building Cooling Water Facilities

8 Guard House Yard Transformer Area

따라 필요한 물량에 비례하기 때문이다. 이러한 비 용 산정 구조는 UNIT COST 방법론을 채택하였으 며 OECD/NEA의 비용항목과 상충되지 않도록 맞 춤(tailoring)하고 재구성하였기 때문에 그 접근에 대한 객관성을 갖는다.[2]

4.3 대표 적용 사례

국내의 원전은 경수로와 중수로로 구분되고 원전 별로 특성 및 배치 등이 차이가 있으나 기본 계통개 념은 동일하다, 여기선 경수로의 대표모델로 표준형 원전(KSNP), 중수로의 대표 모델로 CANDU 6를 선정하였다. 표준형원전과 중수로 원전 각 한호기에

대한 해체 작업범위와 구조를 정하고 국내 노무비 가 반영된 다수의 단위비용인자를 개발하여 즉시 해체하는 순공사비를 구하였다. 작업범위로 경수로 에는 26개의 시설(건물)이, 중수로에는 21개의 시 설(건물)이 포함되는 것으로 하였다.(표 2) 이러한 작업범위는 시설의 배치 및 특성 등에 따라 달리 구 분할 수 있다. 경수로와 중수로는 시스템이 상이하 기 때문에 이를 반영하여 작업범위를 정한다. 원전 의 유형이 동일하더라도 원전 작업범위는 달리 구 성할 수 있는데 유형이 같더라도 배치 및 시스템에 있어 차이가 있을 수 있기 때문이다.

<표 2> 원전 작업범위

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경수로 중수로

9 Cold Machine Shop Main Steam Structure

10 ESW Intake Structure Switch Yard

11 Administration/Shop/Warehouse Auxiliary Steam Facilities 12 Access Control Building Emergency Facility & Equipment 13 Secondary Auxiliary Building Under Ground Utilities

14 Chlorination Building Turbine Building

15 Radioactive Waste Building Gas Storage Area

16 Switch Yard Water Purification Building

17 Turbine Building Water Treatment & Storage Facility 18 Under Ground Utilities Meteorological Station

19 N

₂

&H

₂

Gas Storage Area Common Buildings 20 Circulation Water Intake Structure Site Restoration 21 FP&W/W Treat Building Spent Fuel Facilities 22 Yard Facility

23 Emergency Diesel Generator Building 24 Centrifuge and Pump House & MST 25 Shared Systems

26 Site Restoration

<표 3> 경수로 해체작업 목록(예시)

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경수로 및 중수로의 해체작업 목록을 구분할 필 요가 있는데 부지 및 시설의 특성에 따라 차이가 있 기 때문이다. 이 목록은 경수로 및 중수로에 공통으 로 사용되는 작업과 경수로 또는 중수로에만 필요 한 작업을 포함한다. 목록이 작성되면 시설(건물)의 특성에 따라 작업의 적용유무를 판단하게 되는데 분야기술자와의 협의를 통해 적용상의 시행착오를 줄이고 객관성을 확보할 수 있다. 이 역시 유사 프 로젝트의 사용목록은 긴요하다. 표 3은 경수로 원전 의 작업범위에 따른 작업 목록을 예시한다.

작업구조, 단위비용인자 및 물량인자 등을 전산 도구인 POWERTool에 입력함으로써 순공사비를 구하였다. 자동으로 산정된 작업기간은 공정관리 전 산도구에서 작업별 순서조정을 함으로써 공정표를 작성하였다. 원자로건물의 해체 작업기간은 중수로 가 경수로보다 늘어나며 더 많은 비용이 소요되는 것으로 나왔는데 주된 이유는 중수로는 경수로에 없는 감속재 계통이 있어 원자로건물 내 기기 및 배 관배치가 더 복잡하기 때문이다.

5. 결 론

원전해체비용 산정 시스템 개발을 위한 공학적 상세물량분석 수준의 비용 산정 프레임워크를 역공 학적으로 제시하였다. 이를 통해 전산도구 개발에 참고할 수 있는 데이터흐름 및 구조를 분석하고 도 출하였다. 해체대상 시스템을 구성요소 단위로 분해 하고 구성단위별로 해체비용을 산정하고 집합체인 상위 시스템요소 또는 구성체의 해체비용을 산정하 는 공학적 접근을 개념설계 기반으로 구체화하였다.

이 연구에서 제시한 해체비용 산정 프레임워크는 원자력발전소를 해체프로세스에 따라 해체하는 과 정을 비용항목과 연계시킴으로써 해체비용을 산정 할 수 있는 기반으로 사용할 수 있다. 이에 대한 적 합성을 객관적으로 확보하기 위해 UNIT COST 방 법론을 채택하였으며 비용항목은 OECD/NEA의 비 용항목을 맞춤(tailoring)하여 재구성하였다.

참 고 문 헌

1. 정관성, 이동규, 이근우, 오원진, 정종헌, 박진호, 원자력연구시설 해체비용 산정 구조,

한국방사성폐기물학회지, Vol.4, 2006.

2. WM2011, Waste Management Conference Proceedings, Phoenix, Arizona, USA, 2011.

3. The Decommissioning Handbook, ASME, 2004.

4. Dennis M. Buede, The Engineering Design of Systems Models and Methods, John Wiley &

Sons, 2000.

5. A Propose Standardized List of Items for Costing Purposes, OECD/NEA, 1999.

6. 원자력발전소 사후처리사업 비용평가 시스템 개발 최종보고서, 지식경제부, 2009.