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문제 정의
- 대부분의 누출 핵종 원소들은 암석 단열을 흐르는 지하수를 따라 이동하기 때문에, 단열에 분포하며 핵종흡착에 관W 하는 이 차광물들에 대한 연구가 필수적이다. 지하처분연구시설에는 많은 단열 충전 광물들이 분포하고 있으며, 그 중에서 광범위하게 잘 발달된 탄산염광물인 방해석의 특징을 이번 연구를 통해 알아보고자 하였다. 또한, 지하처분연구시설 건설과정 중에 사용된 숏크리트(shotcrete)의 변질 및 풍화에 의해 형성된 방해석에 대해서도 조사하였다.
- 지하처분연구시설은 단면적 6 m X 6 m이고 10 % 경사의 177 m 연장을 갖는 직선형 진입터널과 막장부의 좌측 (27 m)과 우측(43 m)의 연구터널로 구성되며, 향후 지하처분연구시설에서 계획된 각종 현장시험이 수행될 계획이다. 천연방벽의 역할을 담당하는 지질의 특성 중, 우선 핵종 원소들의 이동 지연에 맣은 영향을 끼치는 단열 충전 광물들의 특성을 파악하고자 하였다. 대부분의 누출 핵종 원소들은 암석 단열을 흐르는 지하수를 따라 이동하기 때문에, 단열에 분포하며 핵종흡착에 관W 하는 이 차광물들에 대한 연구가 필수적이다.
제안 방법
- 또한, 기초과학지원연구원의 X-선 회절분석기 (Bruker D8 Advance, Ger- many)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다. X-선 회절분석을 위하여 시료는 막자사발을 이용하여 곱게 갈아 시료 홀더에 채운 후 X-선 회절분석을 실시하였다. 분석조건은 주사범위 º2Θ를 60까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다.
- 수분이 제거된 건조한 시료에 Au 코팅을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~ ㎛ 크기)하여 관찰하였다. 경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)를 이용하여 관찰 중인 광물의 특정 부분을 in-situ 표면화학 분석하였다. 그리고, 전자현미 화학분석 기 (EPMA) 를 이용하여 광물의 구성화학 성분 조사 및 특정 원소에 대한 원소분포도 분석을 실시하였다.
- 경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)를 이용하여 관찰 중인 광물의 특정 부분을 in-situ 표면화학 분석하였다. 그리고, 전자현미 화학분석 기 (EPMA) 를 이용하여 광물의 구성화학 성분 조사 및 특정 원소에 대한 원소분포도 분석을 실시하였다.
- 채취 한 시료의 절단면에 대한 광물 구조 및 조직을 mm 수준에서 관찰하기 위해 박편을 만든 후, 편광현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한, 기초과학지원연구원의 X-선 회절분석기 (Bruker D8 Advance, Ger- many)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다. X-선 회절분석을 위하여 시료는 막자사발을 이용하여 곱게 갈아 시료 홀더에 채운 후 X-선 회절분석을 실시하였다.
- 지하처분연구시설에는 많은 단열 충전 광물들이 분포하고 있으며, 그 중에서 광범위하게 잘 발달된 탄산염광물인 방해석의 특징을 이번 연구를 통해 알아보고자 하였다. 또한, 지하처분연구시설 건설과정 중에 사용된 숏크리트(shotcrete)의 변질 및 풍화에 의해 형성된 방해석에 대해서도 조사하였다. 향후 방사성폐기물 처분장 건설시 사용될 숏크리트는 지하수에 의해 화학적 변질이 쉽게 일어나고 이차광물 형성이 활발하며 지하수 성분을 변화시키는 등 심부 지질환경에서 큰 변수로 작용할 가능성이 있어, 이에 대한 기초 연구가 필수적이라 하겠다.
- 채취된 시료의 광물학적 분석을 위해 실체현미경, 편광현미경, X-선 회절 분석(XRD), 전자현미화학분석(EPMA), 그리고 주사전자현미경(SEM) 기기를 이용하였다. 분석과정을 구체적으로 살펴보면, 채취시료를 실내 대기 조건에서 건조시킨 후, 일부 시료를 작게 쪼개어 전처리 없이 시료대 위에 올려놓고 실체 현미경을 통해 약 200배까지 확대하여 광물의 형태를 관찰하였다. 채취 한 시료의 절단면에 대한 광물 구조 및 조직을 mm 수준에서 관찰하기 위해 박편을 만든 후, 편광현미경을 이용하여 관찰하였다.
- X-선 회절분석을 위하여 시료는 막자사발을 이용하여 곱게 갈아 시료 홀더에 채운 후 X-선 회절분석을 실시하였다. 분석조건은 주사범위 º2Θ를 60까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다. 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 ㎛이하로 관찰하기 위해 기초과학지원연구원의 주사전자현미경 (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다.
- 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 ㎛이하로 관찰하기 위해 기초과학지원연구원의 주사전자현미경 (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다. 수분이 제거된 건조한 시료에 Au 코팅을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~ ㎛ 크기)하여 관찰하였다. 경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)를 이용하여 관찰 중인 광물의 특정 부분을 in-situ 표면화학 분석하였다.
- 분석과정을 구체적으로 살펴보면, 채취시료를 실내 대기 조건에서 건조시킨 후, 일부 시료를 작게 쪼개어 전처리 없이 시료대 위에 올려놓고 실체 현미경을 통해 약 200배까지 확대하여 광물의 형태를 관찰하였다. 채취 한 시료의 절단면에 대한 광물 구조 및 조직을 mm 수준에서 관찰하기 위해 박편을 만든 후, 편광현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한, 기초과학지원연구원의 X-선 회절분석기 (Bruker D8 Advance, Ger- many)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다.
- 채취하였다. 채취된 시료의 광물학적 분석을 위해 실체현미경, 편광현미경, X-선 회절 분석(XRD), 전자현미화학분석(EPMA), 그리고 주사전자현미경(SEM) 기기를 이용하였다. 분석과정을 구체적으로 살펴보면, 채취시료를 실내 대기 조건에서 건조시킨 후, 일부 시료를 작게 쪼개어 전처리 없이 시료대 위에 올려놓고 실체 현미경을 통해 약 200배까지 확대하여 광물의 형태를 관찰하였다.
- 터널 벽면에 침전된 흰색 물질 외에 지하수를 따라 흘러내려 터널 바닥에 침전된 물질들을 조사하였는데, 지하수에 녹아 있던 다양한 무기질 성분들 때문에 균일하지 않은 광물 형태와 화학조성을 보여 주었다. 터널 바닥 침전물의 경우, 탄산염광물의 조직은 균일하지 않은 망상, 구상 혹은 다면체 모양과 대체로 응집된 형태를 보여준다.
대상 데이터
- 시료채취는 지하처분연구시설 공사가 진행 중인 시 점부터 이뤄졌으며(이승엽 외, 2006), 지하처분연구시설 터널 벽면의 절리 및 단층과같은 단열면에 분포하는 방해석과 일부 암석, 그리고 터널 바닥 침전물 등을 대상으로 시료를 채취하였다. 채취된 시료의 광물학적 분석을 위해 실체현미경, 편광현미경, X-선 회절 분석(XRD), 전자현미화학분석(EPMA), 그리고 주사전자현미경(SEM) 기기를 이용하였다.
이론/모형
- 분석조건은 주사범위 º2Θ를 60까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다. 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 ㎛이하로 관찰하기 위해 기초과학지원연구원의 주사전자현미경 (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다. 수분이 제거된 건조한 시료에 Au 코팅을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~ ㎛ 크기)하여 관찰하였다.
성능/효과
- 방해석 주변은 부분적으로 석영 및 산화철 광물들이 공존하고 있다. 또한, X-선 회절 분석 결과, 소량의 일라이트 및 돌로마이트가 부수 광물로 존재하고 있음을 확인할 수 있다. (그림 2c).
- 단열을 충전하고 있다. 본 지하처분연구시설 암석 단열에 분포하는 방해석은 일정한 방향성을 가지고 한 쪽 방향으로 성장한 모습을 보여주고 있으며, 단열을 따라 흐르는 지하수의 영향을 받은 것으로 판단된다. 방해석과 함께 공존하는 부성분 광물 중 침철석은 nm 크기의 쌀알 모양으로, 방해석 표면의 높은 흡착 자리를 중심으로 넓게 분포하고 있다.
- 숏크리트 성분에는 석회석 (limestone) 입자가 다량 포함되어 있으며, 이입자들은 물에 의한 용해도가 커서 쉽게 용해되면서 칼슘 이온들이 용출된다. 본 현장에서는 지 하수에 , 의해 녹아나온 탄산칼슘 이 온들이과포화 상태에 이르러 서로 응집, 침전되면서 터널 벽면과 바닥을 흰색 물질로 피복하는 현상이 관찰되었다.
- 숏크리트 풍화에 의해 형성된 흰색 침전물들을 X-선 회절분석으로 확인한 결과, 대부분 방해석 광물로 형성되어 있었으며, 결정성이 비교적 좋았다(그림 5a). 또한, 그림 5b, c에서 보는 바와 같이, 지하처분연구시설 터널 침출수의 지화학적 조건에 따라 방해석의 외형은 육면체와 구상 혹은 침상 구조(Mullin, 1991; 윤혜온과 김수진, 2004) 등 다양한 광물 형태를 이루고 있다.
- 방해석은 숏크리트 풍화에 의해서도 만들어지는데, 그 형태는 지하수의 화학적 조건에 의해 다양하게 변하였다. 이상의 연구결과를 통해 알 수 있는 사실은, 단열에 분포하는 방해석은 일반지질에서 대규모로 관찰되는 방해석과 달리 방향성을 가지고 있으며, 침철석과 같은 부수 광물들과 함께 공존하며, 지하수에 의해 쉽게 형성될 수 있다는 사실이다. 만약, 단열을 따라 이동하는 방사성 핵종들이 방해석과 반응하게 될 때, 방해석 표면에 존재하는 콜로이드성 부수 광물들도 반응에 참여하여 핵종 거동에 상당한 영향을 끼칠 것이다.
- 그리고, 전자현미경 관찰에서 이차적으로 발달한 산화철 광물들이 방해석 표면으로부터 성장하고 있는데(그림 3b), 주로 방해석 결정의 가장자리 부근과 상부 표면의 용식(etch pit)된 부분에서 과밀하게 성장하고 있다. 확인된 산화철은 주로 nm 크기의 침철석(goethite)으로 확인되었으며, 방해석 표면의 높은 흡착자리를 중심으로 넓게 분포하고 있다. 이는 방해석 광물이 형성된 이후, 이차적으로 지하수로부터 산화된 Fe3+ 원소들이 방해석 표면의 높은 에너지의 흡착 자리와 결합하여 성장하면서 방해석 표면을 피복하는 것으로 보인다.
후속연구
- 지하처분연구시설은 단면적 6 m X 6 m이고 10 % 경사의 177 m 연장을 갖는 직선형 진입터널과 막장부의 좌측 (27 m)과 우측(43 m)의 연구터널로 구성되며, 향후 지하처분연구시설에서 계획된 각종 현장시험이 수행될 계획이다. 천연방벽의 역할을 담당하는 지질의 특성 중, 우선 핵종 원소들의 이동 지연에 맣은 영향을 끼치는 단열 충전 광물들의 특성을 파악하고자 하였다.
- 또한, 지하처분연구시설 건설과정 중에 사용된 숏크리트(shotcrete)의 변질 및 풍화에 의해 형성된 방해석에 대해서도 조사하였다. 향후 방사성폐기물 처분장 건설시 사용될 숏크리트는 지하수에 의해 화학적 변질이 쉽게 일어나고 이차광물 형성이 활발하며 지하수 성분을 변화시키는 등 심부 지질환경에서 큰 변수로 작용할 가능성이 있어, 이에 대한 기초 연구가 필수적이라 하겠다.
- 즉, 방해석은 물과 접촉시 지하수의 pH를 상당히 높일 수 있고 또한, 부수적 광물로 공존하는 산화철 광물 등은 핵종 원소들의 중요한 흡착제로 작용하여, 지하수에 의한 핵종들의 이동을 상당히 지연시킬 수 있을 것이다. 향후, 방해석 광물의 광물학적 특성과 부수 광물들에 의한 지하 핵종 거동의 영향을 지하처분연구시설 현장 및 실내 실험을 통해 보다 구체적으로 살펴볼 계획이 다.
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