[논문 리뷰] Of Disasters and Dragon Kings: A Statistical Analysis of Nuclear Power Incidents & Accidents

Spencer Wheatley, Benjamin K. Sovacool외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 07.

Risk Perception and Management참고 문헌 30인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 이전 연구들보다 75% 더 큰 데이터셋을 사용하여 원자력 발전소 사고의 통계적으로 엄밀한 분석을 수행하며, 일관성 없는 INES 척도 대신 손실액(미화)을 중심으로 분석한다. 사고 심각도에 '드래곤킹' 현상이 존재하는 것으로 밝혀졌으며, 후쿠시마 사고는 총 손실액의 약 60%를 차지한다. 또한 향후 50년 이내에 후쿠시마 수준의 사고가 발생할 가능성이 50%에 이르며, 기존 위험 모델들이 심각하게 낮게 평가하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We provide, and perform a risk theoretic statistical analysis of, a dataset that is 75 percent larger than the previous best dataset on nuclear incidents and accidents, comparing three measures of severity: INES (International Nuclear Event Scale), radiation released, and damage dollar losses. The annual rate of nuclear accidents, with size above 20 Million US$, per plant, decreased from the 1950s until dropping significantly after Chernobyl (April, 1986). The rate is now roughly stable at 0.002 to 0.003, i.e., around 1 event per year across the current fleet. The distribution of damage values changed after Three Mile Island (TMI; March, 1979), where moderate damages were suppressed but the tail became very heavy, being described by a Pareto distribution with tail index 0.55. Further, there is a runaway disaster regime, associated with the "dragon-king" phenomenon, amplifying the risk of extreme damage. In fact, the damage of the largest event (Fukushima; March, 2011) is equal to 60 percent of the total damage of all 174 accidents in our database since 1946. In dollar losses we compute a 50% chance that (i) a Fukushima event (or larger) occurs in the next 50 years, (ii) a Chernobyl event (or larger) occurs in the next 27 years and (iii) a TMI event (or larger) occurs in the next 10 years. Finally, we find that the INES scale is inconsistent. To be consistent with damage, the Fukushima disaster would need to have an INES level of 11, rather than the maximum of 7.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구들보다 더 포괄적이고 정확한 원자력 발전소 사고 통계 분석을 제공하기 위해.
• INES 척도의 신뢰성과 일관성을 실제 손실액 및 방사능 누출량(NAMS) 데이터와 비교하여 평가하기 위해.
• 극단적인 원자력 사고가 '드래곤킹' 패턴을 따르는지 조사하기 위해. 이는 사고가 순수한 이질적 외곽값이 아니라 특정 조건 하에서 예측 가능하다는 것을 의미한다.
• INES 척도의 한계를 피하기 위해 손실 기반 지표를 사용하여 고영향도 원자력 사고의 빈도와 심각도를 정량화하기 위해.
• 확률적 안전 분석(PSA) 및 규제 프레임워크에서의 체계적 과소평가를 밝혀내어 더 나은 위험 평가 및 정책 수립에 기여하기 위해.

제안 방법

• 1946년 이후 174起의 원자력 사고 및 사고 데이터셋을 구축하였으며, 원자로 연도당 손실액을 정규화하여 이전 연구들보다 훨씬 큰 데이터셋을 확보하였다.
• 손실 데이터에 통계 모델을 적합하기 위해 누적분포함수(CCDF)와 최대우도추정법(MLE)을 사용하였다.
• 손실 심각도의 두 가지 다른 꼬리 긴 영역을 포착하기 위해 약 800MM USD에서 전환점이 있는 이중층 파레토 모델을 적용하였다.
• 순수한 파레토 모델, 왼쪽 절단 로그정규분포 모델, 이중층 파레토 모델의 성능을 비교하여 손실 규모에 가장 잘 맞는 분포를 식별하였다.
• 실제 손실액과 NAMS 값과의 비교를 통해 INES 척도의 일관성 여부를 평가하였으며, 심각한 일관성 부족이 드러났다.
• 적합된 손실 분포 기반으로 TMI, 체르노빌, 후쿠시마 수준의 사고에 대한 복귀주기(Return Period)를 추정하기 위해 확률론적 위험 모델링을 시행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 INES 척도는 원자력 사고의 실제 손실액과 방사능 누출량(NAMS)과 일관성이 있는가?
• RQ2 극단적인 원자력 사고는 '드래곤킹' 패턴을 따르는가? 이는 사고가 순수한 랜덤 이질값이 아니라 특정 조건 하에서 예측 가능하다는 것을 의미하는가?
• RQ3 INES 평가가 아닌 손실액 기반으로 측정했을 때, 원자력 발전소 사고의 진정된 빈도와 심각도 분포는 어떠한가?
• RQ4 특히 티어드 마운틴 인시던트와 체르노빌 사고 이후, 사고 손실 규모의 통계적 제도가 어떻게 변화했는가?
• RQ5 empirical 데이터와 통계 모델링 기반으로, 향후 50년 내에 후쿠시마 수준 또는 그 이상의 사고가 발생할 확률은 얼마인가?

주요 결과

• 1970년대 이후 손실액이 20MM USD를 초과하는 원자력 사고의 발생 빈도는 감소하여 2015년 기준 약 연간 0.002에서 0.003건의 비율로 안정화되었다.
• 1979년 티어드 마운틴 사고 이후 손실 규모 분포는 제도 전환을 겪었으며, 중앙값 손실액은 3.5배 감소했지만 꼬리 부분은 현저히 두꺼워졌으며, α ≈ 0.55인 파레토 분포로 잘 기술될 수 있다.
• 후쿠시마 사고 하나가 1946년 이후 데이터셋의 전체 174起 사고 중 약 60%의 총 손실액을 차지하여 지배적인 '드래곤킹' 사건임을 시사한다.
• 향후 50년 내에 후쿠시마 수준 또는 그 이상의 사고가 발생할 가능성은 50%이며, 체르노빌 수준 또는 그 이상의 사고는 27년 내, TMI 수준 또는 그 이상의 사고는 10년 내 발생 가능성이 있다.
• INES 척도는 일관성이 없다. 손실액 기준으로 볼 때 후쿠시마 사고는 INES 10에서 11 사이로 평가되어야 할 것이며, 최고 수준인 7이 아닌 것으로 보인다.
• 20MM USD 이상의 손실을 초래하는 더 작은 사고들 역시 약 연간 1건의 비율로 지속적으로 발생할 것으로 예상되며, 이는 여전히 높은 재정적 위험을 암시한다.