서 론

원자력발전소로부터 생성되는 사용후핵연료(고준위방사성폐기물)는 높은 방사능과 열을 방출하고 있어 특별한 관리 방안 마련이 요구된다. 원자력 관련 선도국가들은 자국 고준위방사성폐기물 특성과 지질환경에 기반한 심층처분 방식이 널리 활용되고 있으며 IAEA에서도 적합한 대안으로 권고하고 있다(IAEA, 2024).

우리나라에서도 2016년 ｢고준위 방사성폐기물 관리 기본계획｣에서 고준위방사성폐기물의 관리 대안으로 심층처분을 최초로 제시하였고 핀란드식 다중방벽시스템을 우선 고려토록 계획하였다. 다중방벽 중에 천연방벽을 구성하는 핵심 대상은 암석으로서 지질학적으로 안정한 지질환경과 500 m 이상 심도에 설치되는 심층처분시설이 건설될 수 있는 암반특성, 누출되는 방사성핵종의 흡착 등의 특성을 일반적으로 요구한다. 다만, 국내에서는 심층처분 안전성 측면에서 암석의 역할을 명확하게 규정하고 요구되는 특성 설정(요건, 선호 사항) 등은 체계적으로 마련되지 못한 실정이다.

스위스, 스웨덴, 핀란드 등 심층처분시설 부지가 확보된 국가들은 최종 부지선정을 위해 심층처분의 종합적 안전성 관점에서 암석의 역할 및 안전성을 만족시켜야하는 요건들을 먼저 개발하고 심층처분 사업을 착수하여 대국민 수용성을 제고하였다.

본 논문은 핀란드 다중방벽시스템과 거의 동일한 심층처분시스템을 가지고 있는 스웨덴의 KBS-3 내 천연방벽과 관련되는 암석의 필수적인 요건과 선호 사항을 분석하였다. 이를 토대도 다중방벽시스템 중에서 암석의 안전 관련 요건 개발을 위한 기술적인 토대를 제공하고자 한다.

스웨덴의 심층처분시스템 안전 개념

스웨덴 SKB는 KBS-3 심층처분시스템 구성성분을 심층처분시설(처분용기, 완충재 등) + 근계 심층환경(모암환경) + 원계 지질환경(지질권, 생물권)으로 크게 구분하고, 심층처분시설은 격납 능력, 근계 심층환경은 격리 능력을 제공할 수 있어야하며, 심층처분시설과 근계 심층환경 영역은 원계 지질환경 안에서 방사성핵종의 격납 및 보유되도록 고안하였다(SKB, 2000).

SKB는 1983년 심층처분시설 중 처분용기가 긴 시간동안 심층환경 지하수의 화학적 및 물리적 특성으로부터 방사성폐기물을 격리시킬 수 있음을 제시하였고, 1992년까지 5개의 연구부지 조사를 통해서 스웨덴 내 약 수백미터 심도의 화강암류에서 안정한 근계 심층환경이 존재함을 안전성 평가로 입증하였다(SKBF, 1983; SKB, 1992). 또한 연구결과는 스웨덴 내 암석이 심층처분시설로부터 누출된 방사성핵종을 지연시키는 큰 능력을 가져야만하는 원계 지질환경이 존재하여 부지들로 제공할 수 있음의 기술적 근거도 동시에 제공하였다.

심층처분시스템의 안전성은 구성성분별로 고려되는 안전 방벽(공학적방벽, 천연방벽 등)에 의존하며, 하나의 방벽의 기능에만 안전성을 의존하지 않고 하나 이상의 다중방벽 시스템으로서 최종 안전성을 만족시키도록 고안된다. 다만 자국의 지질환경 조건에 따라 다중방벽 시스템 구성 전략이 달라지게 되는데, 스웨덴, 핀란드, 일본 등은 심층처분시설과 근계 심층환경을 고려한 근계영역에 안전 방벽 기능의 능력을 높게 설정하였다. 이러한 접근방식은 지질학적 환경이 복잡한 국가들에서 심층처분 안전 개념을 개발하는데 매우 적절한 접근방식으로 고려되고 있다(JNC, 2000).

KBS-3 처분시스템의 가장 우선순위가 높은 안전 기능은 고준위방사성폐기물을 인간으로부터 격리시키는 것으로 핵심적인 안전 구조물은 처분용기이며 처분용기 격리 안전 기능을 만족시키기 위해 완충재와 안정한 근계 심층환경을 고려한다. 근계 심층환경으로부터 원계 지질환경까지는 두 번째 안전 기능인 상당한 기간 후 처분용기로부터 누출된 방사성핵종들을 지연, 분산, 희석시키는 것으로 심층처분시설로부터 생물권까지 방사성핵종 이동시간을 길게하여 방사선독성을 감소시키는 것이다. 따라서, 근계 심층환경과 원계 지질환경을 구성하는 암석은 지하수 조성, 암석내 지하수 유동, 암석의 용질 이동특성, 단열과 미세 단열 내로 공극수 침투 등을 통해 방사성핵종 이동시간을 지하수 자체적인 선형적 이동시간보다 훨씬 길게하여 방사성핵종에 대해 지연, 분산, 희석 등의 안전 기능에 기여토록 한다.

암석에 관한 요건과 선호 사항 도출 접근방법

안전성 관점

안전성 평가는 심층처분시설의 장기적인 안전성을 입증하기 위해서 수행되는데, 1)심층처분시설이 건설되었을 때 초기 심층처분시스템 상태의 철저한 상태 확인, 2)내·외부의 영향, 시간에 따른 심층처분시설의 진화 규명, 3)장기적인 안전성에 대한 특성 변화 평가 등을 포함된다. 다만, 심층처분 장기적인 안전성 평가 결과만큼 중요한 사항은 결과의 신뢰성이다. 왜냐하면 안전성 평가에 골격을 이루는 자료는 항상 불충분(결핍)과 연관되기 때문이다. 불충분한 자료와 지식임에도 불구하고 심층처분시설이 안전하다라것은 충분한 안전 여유도로 심층처분시설이 평가되고 설계되었음을 입증하는 것으로, 이때 어떤 방법론적으로 불확실성(결핍성)을 취급하는가에 따라 결과의 신뢰성이 좌우된다.

따라서 심층처분 안전성은 종합 안전성 입증체계(safety case) 하에서 가능한 안전 시나리오 함께 평가되고 이를 전체 위험도 기반의 확률로 통합적으로 안전성이 최종적으로 결론되어진다. 이때 종합 안전성 입증의 불확실성에 영향을 미치는 지질환경 자료는 심층처분시스템 초기 상태(심층처분시설이 완성되었을 때의 초기조건)를 규정하는 지질구조적 특성과 암석 고유 물성 특성 정보 등을 필요하게 된다(Fig. 1).

Fig. 1.

Model used in SR 97 for calculation of radionuclides transprt (rectangles) and input data (including rock data) for these model (ellipes) (derived from SKB, 2000).

종합 안전성 입증에 핵심적인 안전성 평가를 통해 심층처분시설의 격리가 위협받을 수 있는 수치 범위가 얼마인지를 설정하는데도 활용된다. 예를 들면 심층처분 환경에서 환원특성, 단층의 영향, 총염도 등의 항목과 해당 수치 범위가 해당된다. 따라서 격리 기능 유지에 기여하는 필수적인 요구 사항인 요건에 해당되는 세부 암석특성 항목을 식별하고 수치 범위 선정 등은 통합적인 안전성 평가 기반으로 공식화 된다(Fig. 2).

Fig. 2.

Illustration of how geoscientific models are utilized for design and for safety and performance assessment. Data on the properties of the rock (parameters) serve as a basis for goscietific models and for assessment of repository performance (derived from SKB, 2000).

토목공학적 관점

암반공학적 관점으로부터 공식화된 요건과 선호사항들은 직접적인 안전성 요건들과는 다소 특성이 다르다. 심층처분시설 배치는 가능하한 우수한 장기 성능과 안전성을 만족토록 설계된다. 즉, 처분공과 처분터널 간격은 심층처분시설 주변 혹은 내에 온도, 주요 불연속면을 피하는 것 등의 요건에 의해서 결정된다. 또한 처분터널 내에 지하수 유출, 암석 안전성 관점에서 순수 암석 굴착도 고려되어야 한다. 일반적으로 안전성 관점으로부터 유리한 조건들은 우수한 건설가능성과 안전한 작업 환경을 수반하는 것을 의미한다.

토목공학적 관점의 일반적인 요건은 다음과 같다.

• 작업 환경은 안전해야만 한다.

• 조사, 건설, 운영의 환경적인 영향이 고려되는 수준으로 유지되거나 제한되어져야 한다.

• 건설은 심층처분시설의 안전 기능에 제한적이고 일시적인 영향만 주어야 한다.

• 처분영역의 굴착은 다른 지역의 처분과 동시에 이루어질 수 있어야 한다.

선호사항은 다음과 같다.

• 암석 작업은 중단을 최소화하고 특별한 강화 및 밀봉 조치 등을 가능하한 적게 사용하여 수행할 수 있다(우수한 건설가능성).

• 처분영역을 매우 많은 수의 하위영역으로 구분할 필요가 없으며 선택한 처분 영역에서 탄력적인 방식으로 처분 터널을 배치할 수 있다.

만약에 안전성 평가 혹은 건설성 평가들이 주어진 배치에 대해 불합리한 결과 혹은 비용을 지시하면 건설성의 변경이 요구된다. 즉, 건설성 평가는 어떠한 절대적인 요건으로 설정될 수 없고 일반적인 핵종 관련 안전성보다는 경제성 및 효율성 측면에 맞도록 조정이 이루어질 수 있기 때문이다.

기타 관점

암석 관점 이외에도 고준위방사성폐기물 운반, 토지 이용, 천연 자원, 사회적 관점 등도 포함된다. 왜냐하면 부지조사 및 부지선정과 관련해서는 지질학적 조건뿐만 아니라 부지 선택에 영향을 미칠 수 있는 모든 조건을 고려해야되기 때문이다.

부지선정 이전에 안전성 평가는 안전한 심층처분시설이 후보부지에서 건설될 수 있음을 보여주어야하기 때문에 암석 관련 모든 요건들을 만족시켜야만 한다. 그리고 만약 많은 선호사항들도 동시에 만족된다면 건설 비용이 절감되거나 부지 조사기간을 축소시키는 긍정적인 결과들이 수반된다.

심층처분시스템 구성성분별 안전 기능에 영향을 미치는 암석의 요건 및 선호사항

처분용기의 건전성 기능에 영향을 미치는 요건 및 선호사항

1) 지질학적 상태

① 지질학적 안정성(광역 및 지역적인 단열대의 위치)

• 요건 : -

• 선호 사항 : 처분용기는 안정한 환경에 정치된다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 불확실성을 가지는 지질-구조지질 모델로 분석을 수행하며 주요 모델 매개변수는 균질성과 예측성이 포함한다.

2) 암석역학 상태

① 처분공의 변형

• 요건 : 암석 변형은 처분용기 손상을 초례하지 않는다. 처분공의 급진적 변형이 100 mm 미만이어야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 처분공의 형상, 단열대, 암석과 단열대의 암반역학 특성, 밀도 및 열적 특성, 응력 분포 등을 포함하는 지역적인 규모의 암반역학 모델, 미래 환경에 대한 더 중간규모 규모에 대한 암반역학 모델, 지진 분석 등을 통해 수행한다.

② 지진 사건

• 요건 : -

• 선호 사항 : 지진 사건 결과를 안전성 평가 일부분으로 분석되고 위험도 추정치를 포함한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지진 사건의 통계, 단열망 형상 특성, 결과 분석 등을 통해 수행한다.

③ 지층 압력

• 요건 : 처분공이 포행에 의해서 변형되어도 처분용기는 손상되지 않아야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 포행에 대한 분석은 안전성 평가 일부로 포함된다. 그러나 암석 요건에 대한 근거로는 성립되지 않는다.

3) 열적 상태

① 처분용기 표면 온도 영향

• 요건 : 처분용기 표면 최대온도는 100°C 미만이고 처분용기 배치는 온도 요건이 만족시키도록 결정된다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 처분용기 배치는 온도 요건이 만족되도록 결정되고 근계에서 온도는 배치, 열전도도, 열용량, 온도 경계조건, 벤토나이트 포화도 등분석으로 결정된다.

4) 수리지질학적 상태

① 지하수 화학에 지하수 유동의 영향

• 요건 : -

• 선호 사항 : 부적절한 조성을 가진 지하수는 처분영역으로 유동되는 것이 가능하지 않아야 한다(특정한 시나리오에서는 일시적인 시간으로 수용될 수 있다).

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 광역적인 수문특성, 대규모 단층대, 암반의 투수성, 지형 등을 고려한 광역적인 지하수 유동 모델 구축, 부적절한 조성을 가지는 지하수의 식별 분석 등을 통해 수행한다.

② 처분공 규모에서 지하수 유동(부식성의 지하수 유입)

• 요건 : -

• 선호 사항 : 처분용기 규모에서 적은 지하수 유동량을 선호하나 안전성 평가에서 보수적인 가정사항으로 합리적으로 대체될 수 있다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 광역적인 지하수 유동, 투수계수 등을 포함하는 지역적인 지하수 유동 모델 수행 등을 통해 수행한다.

③ 지하수 압력

• 요건 : 처분용기는 높은 정수압 조건에 의해 손상되지 않아야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 정수압은 심층처분시설 심도와 미래 시나리오에 의해 결정된다. 처분용기는 약 3,000 m 두께 방하에도 안전하게 견딜 수 있다.

5) 화학적 상태

① 사용후핵연료(고준위방사성폐기물) 변화에 영향을 미치는 지하수 조성

• 요건 : -

• 선호 사항 : 지하수 유입에 따른 사용후핵연료 용해 모델에서 환원환경을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : CO₃^2-, Fe²⁺, 용존산소, H₂(aq), 산화산원 전위 등을 고려한 지구화학 모델 구축을 통해 수행된다.

② 처분용기 부식에 영향을 미치는 물질 존재와 산화환원 전위

• 요건 : 용존산소가 지하수내에 존재하지 않아야 한다(Eh < 0, Fe²⁺ 혹은 HS^- 지시)

• 선호 사항 : 황화물, 암모니아, 아질산염, 질산염, 총염도 등 구리 부식에 영향을 미치는 물질이 낮은 농도를 선호된다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 시료채취, 광물학, 광역지하수 유동을 포함하는 지구화학 모델, 부적절한 조성을 가지는 지하수 이동의 위험성 평가, 황산염에서 황화물로 전환을 포함하는 생물학적 활동 평가 등을 통해 수행하고 중요한 매개변수는 Eh, Fe²⁺, HS^-, Cl^-, NO₂^-, NO₃^-, pH, SO₄^2-, DOC, 용존 가스(H₂, CH₄, HPO₃^2-, 박테리아) 등이 해당된다.

6) 용질이동 상태

① 산소와 다른 부식성 물질의 유입

• 요건 : 용해된 산소를 가지는 지하수의 지속적인 유입이 없어야 한다(일시적인 시간동안 제한되는 유입은 수용될 수 있다).

• 선호 사항 : 부식성 물질의 제한되는 유입 환경을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 부식 과정과 용질이동의 분석, 처분공에서 수리지질, 화학, 단열틈을 평가하는 지역적인 지하수 유동 모델, 유동로, 지하수 유동, 2상 유동, 암석 기질 특성을 기반한 부적절한 지하수 화학을 나타내는 지역으로부터 유동 경로의 보유 특성 분석 등을 통해 수행한다.

완충재의 격리 능력에 미치는 요건 및 선호사항

1) 지질학적 상태

① 지질학적 안정성 : 광역 및 지역적인 단열대의 위치

• 요건 : -

• 선호 사항 : 완충재는 안정한 환경에 정치된다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 불확실성을 가지는 지질-구조지질 모델로 분석을 수행하며 주요 모델 매개변수는 균질성과 예측성이 포함한다.

2) 암석역학 상태

① 처분공의 변형

• 요건 : 암석변형이 벤토나이트의 심각한 파손을 야기하지 않아야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 처분공의 형상, 단열대, 암석과 단열대의 암반역학 특성, 밀도 및 열적 특성, 응력 분포 등을 포함하는 지역적인 규모에 대한 암반역학 모델, 광역적인 규모에서 암반역학 분석을 기반으로 단층의 위험도 분석 등을 통해 수행한다.

② 터널 및 처분공 과굴착

• 요건 : 극단적인 과굴착은 처분공을 불안정을 야기하지 않아야 한다.

• 선호 사항 : 극단적인 과굴착이 일어나지 않아야 한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : -

③ 벤토나이트 침식에 영향을 미칠 수 있는 단열작용 및 공동

• 요건 : 동공이나 단층작용이 너무 크기 않아 벤토나이트의 성능을 상실시키지 않아야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 수리지질학적 분석과 통합한 대규모 투수성을 가지는 단열 특성 분석을 통해 수행한다.

3) 열적 상태

① 주변 화학적 환경에 벤토나이트 온도 영향

• 요건 : 최대 온도가 100°C 미만이나 처분용기가 본 요건을 만족하면 자동적으로 만족된다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 완충재 배치는 온도 요건이 만족되도록 결정되고 근계에서 온도는 배치, 열전도도, 열용량, 온도 경계조건, 벤토나이트 포화도 등으로 결정된다.

4) 수리지질학적 상태

① 근계영역에서 지하수 유동에 따른 팽윤성(처분용기에도 영향을 미침)

• 요건 : -

• 선호 사항 : 균질하게 분포되는 지하수 유동 특성을 선호한다. 즉, 처분공에서 최소 지하수 유동 선호를 수반하나 어떠한 문제들도 처분시설 설계 및 배치 등을 통해 인위적으로 해결될 수 있다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 광역적인 지하수 유동 및 투수계수를 포함하는 지역적인 지하수 유동 모델, 벤토나이트 습윤특성, 지하시설 및 처분용기 설계 등을 위한 모델을 통해 수행된다.

② 암석에서 지하수 유동에 따른 벤토나이트의 포화도

• 요건 : -

• 선호 사항 : 벤토나이트 포화도가 높아야 열전도도가 충분하게 되어 지하시설의 배치 변화를 야기하지 않는 상황을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 광역적인 지하수 유동 및 투수계수를 포함하는 지역적인 지하수 유동 모델, 벤토나이트 습윤특성, 지하시설 및 처분용기 설계 등을 위한 모델을 통해 수행한다.

③ 근계영역에서 지하수 유동에 따른 팽윤성(벤토나이트 기능에 영향을 미침)

• 요건 : -

• 선호 사항 : 벤토나이트는 확산 방벽으로의 기능을 수행하는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 광역적인 지하수 유동 및 투수계수를 포함하는 지역적인 지하수 유동 모델, 벤토나이트 습윤특성, 지하시설 및 처분용기 설계 등을 위한 모델 등을 통해 수행한다.

5) 화학적 상태

① 벤토나이트 안정성, 다른 이온, 총염도에 영향을 미치는 물질 존재

• 요건 : 완충재 팽윤압은 보존되어야 한다(TDS < 100 g/L)

• 선호 사항 : 점토 물질이 침식되지 않고 콜로이드 생성이 일어나지 않음을 보여야한다([Ca²⁺]+[Mg²⁺] > 4 mg/L).

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 시료채취, 광물학, 광역지하수 유동을 포함하는 지구화학 모델, 부적절한 조성을 가지는 지하수 이동의 위험성 평가, 황산염에서 황화물로 전환을 포함하는 생물학적 활동 평가 등을 통해 수행하고 중요한 매개변수는 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, TDS, pH, Al³⁺, SiO₃^2- 등이 포함된다.

6) 용질이동 상태

① 완충재에 영향을 미칠 수 있는 물질의 유입

• 요건 : 용해된 산소를 가지는 지하수의 지속적인 유입이 없어야 한다(일시적인 시간 동안 제한되는 유입은 수용될 수 있다).

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 부식 과정과 용질 이동의 분석, 처분공에서 수리지질, 화학, 단열틈을 평가하는 지역적인 지하수 유동 모델, 유동로, 지하수 유동, 2상 유동, 암석 기질 특성 등 부적절한 지하수 화학을 가지는 지역으로부터 유동경로의 보유 특성 분석 등을 통해 수행된다.

모암의 지연 능력에 미치는 요건 및 선호사항

1) 지질학적 상태

① 잠재적인 광상

• 요건 : 고준위방사성폐기물은 탐사와 연계되어 의도되지 않은 침입에 대해서 보호되어야만 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 잠재적인 광상, 산업적 광물, 특이한 암석을 포함하는 지질 모델 구축 및 이해관계자의 논쟁 평가 등을 통해 수행된다.

2) 암석역학 상태

① 암반 및 단열대의 변형에 다른 투수성 변화

• 요건 : -

• 선호 사항 : 다른 불확실성과 관련해서 무시할 수 있는 변화 특성을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 암석역학 모델 및 THM 결과 분석 등을 통해 수행한다.

3) 열적 상태

① 의도적인 침입의 확률에 영향을 미치는 지열에너지 잠재성

• 요건 : -

• 선호 사항 : 지열에너지 추출 및 저장 등 잠재성을 가지지 않는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지하수와 암석의 온도, 지열 경계 조건, 지온구배 등을 기반한 평가을 통해 수행한다.

② 열기인력이 지형과 비교하여 무시할 수 있는 열적 대류

• 요건 : -

• 선호 사항 : 열적 대류가 지하수 유동에 대해 중요한 기인력으로 영향을 주지 않는다(열적 선호는 암석의 열적 특성에 대한 어떠한 요건을 정의하지는 않는다).

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 열전도도, 열용량, 열적 경계 조건, 밀도류 기반의 지하수 유동을 기반한 통합된 열-수리 모델 구축으로 수행한다.

4) 수리지질학적 상태

① 벤토나이트와-근계모암 간의 지연에 영향을 미치는 처분공 주변 지하수 유동

• 요건 : -

• 선호 사항 : 작은 지하수 유동량을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지역적인 지하수 유동 모델 및 용질 이동 모델 등을 통해 수행한다.

② 암석의 보유 능력에 영향을 미치는 지하수 유동

• 요건 :-

• 선호 사항 : 절대적인 선호사항은 없지만 방벽 기능을 제공하여 최소한 종합 안전성 평가에서 안전성을 충분하게 제공하는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 투수계수, 유동 경로, 2상 유동 등을 고려한 지역적인 지하수 유동 모델을 통해 수행한다.

5) 화학적 상태

① 방사성핵종의 용해도에 영향을 미치는 지하수 조성

• 요건 : -

• 선호 사항 : 고준위방사성폐기물로부터 누출된 방사성핵종의 용해도가 안전성 평가에서 사용되는 용해도보다 상당히 높은 수치를 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 열역학 자료, 지하수 조성 등을 활용한 용해도 계산 모델(평형 모델 적용)을 통해 수행한다.

6) 용질이동 상태

① 벤토나이트와 터널/암석 전이지역에서 방사성핵종 이동 지연

• 요건 : -

• 선호 사항 : 완충재와 암석 사이의 전이지역에서 방사성핵종 지연을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 암석에서 근계영역의 용질이동을 분석을 통해 수행한다.

지질권의 지연 능력에 미치는 요건 및 선호사항

1) 화학적 상태

① 콜로이드, 박테리아, 용존가스, 산화환원조건, pH, 복합체, 광물학

• 요건 : -

• 선호 사항 : 우수한 흡착 능력, 복합체가 거의 없으며 콜로이드 이동 무시 등의 조건을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지하수 화학 모델에 의해서 흡착 수치는 결정되고 주요한 매개변수는 pH, Eh, TDS 등이다.

2) 용질이동 상태

① 원계영역 암석에서 방사성핵종 이동 지연

• 요건 : -

• 선호 사항 : 지질권 내에서 낮은 지하수 유동 특성을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지하수 유동 속도, 이동 경류, 2상유동, 흡착 자료, 기질 확산 및 기질 공극율 등을 통해 수행된다.

생물권의 평가에 영향을 미치는 요건 및 선호사항

1) 열적 상태

① 방사성폐기물 감쇠에 따른 지표환경으로 열 영향

• 요건 : -

• 선호 사항 : 방사성폐기물 열에 의한 영향이 적은 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 열적 평가를 통해 이러한 영향은 무시될 수 있음을 이미 규명하였다.

2) 수리지질학적 상태

① 생태계에 의한 영향

• 요건 : 법적으로 보호되는 지역은 제외한다.

• 선호 사항 : 심층처분시설이 건설, 운영, 폐쇄 후 동안 생태계에 거의 영향이 없는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 지하수위 하강, 그라우팅의 영향을 규명하기 위한 광역적인 지하수 유동 모델 및 생태계 환경 조사 등을 통해 수행한다.

② 천연 자원

• 요건 : -

• 선호 사항 : 가치를 가지는 천연 자원을 피하는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 천연자원 조사를 통해 수행한다.

3) 화학적 상태

① 천부 지하수 화학

• 요건 : -

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 천부 지하수 조성의 지식은 천부 지표 생태계을 설명하는데 필요하다. 또한 최근의 환경변화에 대한 기저조건을 설정하고 자연적인 진화 조건으로부터 야기되었음을 규명하는데 중요하다.

건설과 관련되어 영향을 미치는 요건 및 선호사항

1) 지질학적 상태

① 암석 종류 및 단열대를 포함하는 지질모델 구축

• 요건

- 안전한 작업 환경을 조성해야 한다.

- 부지조사의 환경영향과 건설 역무는 수용가능한 수준 이내로 제한되어야하고 유지되어야한다.

- 건설은 심층처분시설의 안전 기능에 제한되고 일시적인 영향을 가져야만 하고 건설과 처분은 동시에 병행토록 진행되어야만 한다.

• 선호 사항

- 처분영역은 매우 많은 수의 하부 처분영역으로 분절되지 않은 것과 심층처분시설의 상세한 배치가 되는 심도에서 처분터널의 위치가 탄력적으로 조정 가능한 것을 선호한다.

- 건설 역무는 간섭이 없이 추진되어야하고 가능하한 특별한 보강 사용 및 밀봉 조치 등이 거의 없도록 수행될 수 있는 조건을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 단열대, 암석종류 분포, 암맥 및 접촉면 등을 기반한 암반역학, 수리지질학적, 열적 분석을 수행하고 처분터널은 암석에 주요 단열대를 피하도록 조치한다.

2) 암석역학 상태

① 과굴착

• 요건 : -

• 선호 사항 : 과굴착 물량을 최소화하는 것을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 심층처분시설 배치를 위한 암반역학적 분석을 통해 수행한다.

② 터널 안전성

• 요건 : 처분터널 지역에서 광범위한 압만 안정성 문제는 수용될 수 없다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 심층처분시설 배치를 위한 암반역학적 분석을 통해 수행한다.

③ 건물 비용, 보강 요구, 정지시간, 시공 계획 등

• 요건 : -

• 선호 사항 : 합리적인 건물 비용과 시간을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 부지특성 자료를 기반으로 수행한다.

3) 열적 상태

① 심층처분시설 규모 온도

• 요건 : 심층처분시설 배치는 온도 요건에 만족되도록 결정해야 한다.

• 선호 사항 : 처분용기가 온도 요건을 만족시키도록 더 넓은 부피로 부지 면적을 증가시킬 필요가 없는 조건을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 시설배치, 열전도도, 열용량, 열적 경계 조건 등을 포함하는 근계 온도 평가를 통해 수행한다.

4) 수리지질학적 상태

① 지하수 누수

• 요건 : -

• 선호 사항 : 과도한 지하수 누수를 가지는 지역 혹은 중간정도 지하수 누수는 합리적인 그라우팅 조치로서 밀봉할 수 있는 조건을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 주어진 심층처분시설 배치에 대한 계산된 지하수 유동, 처분 지역 내에 지하수 유동은 광역적인 및 지역적인 단열대를 피함으로서 지하수 유동이 낮은 지역으로 심층처분시설 배치를 조정시킨다.

② 그라우팅 요구

• 요건 : 그라우팅은 심각한 환경적인 영향 위험성이 크지 않아야하고 심층처분시설에 지하수 조성에 불리한 영향을 크게 주지 않아야 한다.

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : -

③ 운영 사항

• 요건 : -

• 선호 사항 : 지하수 누수 및 붕괴의 가능성은 낮아야하나, 관련 문제들은 추가적인 안정성 저감 비용으로 항상 관리될 수 있다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 주어진 심층처분시설 배치에 대한 계산된 지하수 유동, 처분 지역 내에 지하수 유동은 광역적인 및 지역적인 단열대를 피함으로서 지하수 유동이 낮은 지역으로 심층처분시설 배치를 조정시킨다.

5) 화학적 상태

① 작업 환경

• 요건 : -

• 선호 사항 : 산업안전보건 관점으로부터 위험한 물질의 농도(라돈의 영향)는 제한치 이내로 유지되어야만 한다. 다만 이것은 우수한 환기 체계로 항상 달성할 수 있다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 만약 선호 사항이 만족될 수 없다면, 다시 기능 분석이 필요하게 된다. 그러나, 심층처분시설의 적절한 배치 수단으로 거의 항상 만족된다.

② 작업 환경

• 요건 : -

• 선호 사항 : 화학적으로 우수한 작업 환경을 보장하기 위해서 요구되는 설계변경이 없거나 부수적이고, 운영상 조치로 해결되는 사항을 선호한다.

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 만약 선호 사항이 만족될 수 없다면, 다시 기능 분석이 필요하게 된다. 그러나, 심층처분시설의 적절한 배치 수단으로 거의 항상 만족된다.

③ 건설의 환경 영향

• 요건 : 심층처분시설 조사와 건설에 따른 제한되는 환경영향

• 선호 사항 : -

• 기능분석 및 주요 매개변수 : 만약 선호 사항이 만족될 수 없다면, 다시 기능 분석이 필요하게 된다. 그러나, 심층처분시설의 적절한 배치 수단으로 거의 항상 만족된다.

심층처분시스템 부지선정을 위한 부지평가에 요건 및 선호 사항

심층처분시설이 위치될 잠재적인 부지환경(근계 심층환경(모암환경) + 원계 지질환경(지질권, 생물권))의 기초적인 이해도를 구축하기 위해 다양한 조건들을 결정해야만 한다. 그러나 잠재적인 조사 대상부지에 심층처분시설을 배치하기에 적합한지 여부를 판단하는데 직접적으로 중요한 것은 특정한 조건만이 해당될 수 있다. 따라서 SKB가 부지내에 심층처분시설의 배치 혹은 암석과 관련된 요건은 다음과 같다.

• 심층처분시설의 처분구역 암석은 어떠한 광상의 잠재성을 가지지 않아야 한다. 즉 수백 미터 심도에서 채광을 정당화할 수 있는 가치있는 광물을 포함하지 않아야 한다.

• 만약 광역적인 소성 전단대의 특성이 암석의 나머지 부분의 특성과 다르지 않음을 입증할 수 없으면 광역적인 소성 전단대는 피해야만 한다. 그러나, 암석이 균질하고 상대적으로 영향이 적은 광역적인 소성 전단대 근처의 “지체구조구 렌즈(tectonic lens)”도 있을 수 있다.

• 부지내 단열대와 관련하여 심층처분시설 배치가 가능해야만 한다. 처분용기를 위한 처분터널과 처분공은 1차적인 광역 및 국지 단열대가 통과하지 않아야하거나 너무 가깝게 위치시키지 않아야 한다. 처분공들은 식별된 2차적인 지역적인 단열대와 교차하지 않아야 한다.

• 암석 강도, 단열 형상, 초기 응력 등으로 처분지역 내의 처분공 및 처분터널 주변에서 큰 안정적인 문제를 야기하지 않아야 한다. 이것은 터널 형상, 무경암석의 변형 특성과 강도, 단열 시스템의 형상, 초기 암력 응력 등으로 조합된 입력 수치를 활용하여 암반역학적 분석 수단으로서 확인된다.

• 심층처분시설 심도에서 지하수는 용존산소가 포함하지 않아야 한다. 무산소는 음의 산화환원 전위, Fe²⁺의 생성, 황화물의 생성 등에 의해 확인된다.

• 지하수 내의 총 용존고용물질(total dissolved solids)는 심층처분시설 심도에서 100 g/L보다 낮아야만 한다.

또한 SKB는 부지평가를 위해 잠재적인 부지 조건이 적합하고 심층처분시설을 위치시킬 때 고려되어야만 하는 많은 선호 사항들도 고려되었다.

• 미래에 다른 암석과 광물이 어떻게 사용될지 예측하기 어려울 수 있으므로 일반적으로 생성된 암석에 심층처분시설을 부지로 하는 것을 선호한다.

• 중간 단열 밀도를 따라 지역적인 이차 단층대의 중간 밀도를 선호한다.

• 계획된 심층처분시설 심도에서 초기 암석 응력이 스웨덴 결정질 기반암의 일반적인 조건을 벗어나지 않으면 이점을 가진다.

• 무결 암석의 강도와 변형 특성이 스웨덴 기반암 일반성에 포함되는 것을 선호한다. 경험에 따르면 이러한 기반암에서 좋은 결과로 암석 작업을 수행할 수 있기 때문이다.

• 열팽창 계수는 스웨덴 기반암 범위인 10^-6–10^-5/K 수치 내의 일반적인 수치를 선호한다. 그리고 심층처분시설 영역 내에서 암석 종류가 현저한 차이가 없는 것도 선호한다.

• 암석은 2.5 W/(m,K) 보다 열전도도가 더 높아야만 한다. 지열 에너지 추출 활용이 잠재성을 가지는 지역은 피해야만 한다. 심층처분시설 심도에서 비교란된 온도는 25°C보다 작아야만 한다.

• 처분 영역을 구성하는 암반의 많은 부분의 수리전도도가 10^-8 m/s 보다 낮으면 이점이 있다.

• 건설 동안에 통과되는 단열대는 문제없이 건설이 되도록 낮은 투수성을 가져야만 한다. 즉 단열대의 투수량 계수는 10^-5 m²/s보다 낮아야하고 건설과 관련된 관점으로부터도 문제가 되지않음을 의미한다.

• 심층처분시설 심도에서 지역적인 수리 경사가 1%보다 낮으면 이점이 있다. 그러나 더 낮은 수치는 어떠한 추가적인 이점을 제공하지 않는다.

• 심층처분시설 심도에서 비교란된 지하수에서 pH는 6–10, DOC (용존유기물질)는 10 mg/L 미만, 콜로이드는 0.5 mg/L 미만, [Ca²⁺]+[Mg²⁺]가 4 mg/L이상, 라돈과 라듐의 낮은 농도를 가져야 한다.

• 처분용기 규모에서 Darcy 속도가 0.01 m/y 보다 낮은 암석의 큰 부분에 처분용기 위치를 발견하는 것을 선호한다. 왜냐하면 낮은 유출량은 중요한 방사성핵종의 지연을 증가시키기 때문이다.

• 지질권을 구성하는 암석에서 중요한 방사성핵종의 상당한 지연이 발생하는 것을 선호한다. 정량적인 선호 사항 수치는 Darcy 속도, 유동 분포, 암석 부피당 유동 습윤되는 표면적 등을 고려한 이동 저항(transport resistance, F)으로 표시되고 10⁴ y/m보다 높은 것을 선호한다.

• 기질 확산 및 기질 공극이 SR 97 안전성 평가에서 분석된 범위 수치보다 훨씬 더 낮지 않은 것이 바람직하다. 접근 가능한 확산 심도는 최소한 1 cm를 초과해야 한다.

• 생물 다양성이나 보호할 가치가 있는 종들이 위협받을 수 있는 지역과 중요한 수원지, 토양원 또는 농지이거나 그럴 가능성이 있는 지역은 심층처분시설의 지상시설을 위해 피해야 한다(법으로 보호되는 지역은 피한다.).

암석의 특성과 직접적으로 관련이 있는 위의 선호 사항 외에도 부지특성화를 용이하게 하는 선호 사항들도 고려되었다.

• 노출된 암석의 비율이 높고 그렇지 않으면 토양 심도가 적당(바람직하게는 약 10 m 미만)하는 것이 바람직하다. 이는 지표면에서 부지의 암석학적 및 지질학적 구조적 조건을 쉽게 결정할 수 있기 때문이다.

• 부지는 암석 종류가 적고 규칙적으로 파쇄된 균질한 것이 바람직하지만, 편마암과 같은 광물 조성의 소규모 변동은 단점이 아니다.

요건과 선호 사항은 서로 다른 안전성과 건설 관점 등을 기반으로 공식화되었지만 서로 다른 요건이나 선호 사항이 충돌하는 예는 거의 없다. 장기적으로 안전할 수 있는 조건은 건설 관점에서도 일반적으로 유리하기 때문이다.

결 론

본 연구는 스웨덴 SKB의 심층처분시설 안전성에 영향을 미치는 암석에 대해 요건과 선호 사항을 분석하였다. 암석은 심층처분시스템 중에서 근계 심층환경(모암환경)과 원계 지질환경을 구성한다. SKB는 최종 심층처분 개념을 정립하기 위해서 근계 영역인 심층처분시설에 안전 방벽의 능력 가중치를 높게 고려하고 암석에 대해서는 상대적으로 낮은 가중치를 적용토록 고안하였다.

암석은 심층처분시설을 격리시키는 모암 조건을 형성해야만하는 요건은 매우 중요하게 고려시켜 최상의 안전성 입증 및 방사성핵종 격납 안전 기능을 지원토록 하였다. 한편, 지질권 및 생물권 조건 형성하는 방사성핵종에 대한 지연 및 이동, 확산, 희석 등은 선호 사항으로 반영시켜 향후 심층처분시설 부지확보를 위한 부지평가 근거를 제공하고 만족되는 선호 사항 결과들은 더 큰 안전 마진, 더 낮은 비용, 더 간단한 조사 또는 심층처분시설 건설 기간 단축 등을 기인하는 근거로 활용하였다. 다만, 심층 처분시설에 대해 부지가 승인되기 위해 모든 선호 사항이 충족될 필요는 없다. 특정 매개변수에 대한 “더 나쁜” 값이 다른 매개변수에 대한 “더 좋은” 값으로 보상될 수 있기 때문이다. 또한 건설성 평가 관점의 요건은 절대적인 요구 사항으로 설정될 수 없고 안전성보다는 경제성 및 효율성 측면에 고려토록 제안되고 있다.

암석에 대한 요건 및 선호 사항에 대한 수치화, 우선 순위화는 KBS-3시스템의 하위 구성성분(고준위방사성폐기물, 처분용기, 완충재, 모암, 지질권, 생물권 등)와 암석 특성 간의 기능분석을 통해 도출되었고 최종적으로 Safety Case 하에서 안전성 평가를 통해 공식화되었다.

본 연구결과는 향후 부지선정과 관련된 세부 부지평가 요건, 기준, 설정에 기술적 기반 자료로 활용이 가능하며, 고준위방사성폐기물 관련 부지평가 및 안전성 평가에 관심을 가지는 분들에게 이해도 증진을 위한 문헌정보로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.