한국원자력연구원에 위치한 KURT 지하처분연구시설은 2003년 부지조사를 시작으로 최근에 완공하였으며, 그 규모는 길이 약 180m, 폭 6m, 그리고 높이 6m의 말굽형 단면을 가진 터널이고 지하 약 90m 깊이에 위치하고 있다. 터널 굴착이 100m 정도 진행되었을 때, 신선한 암석 및 풍하가 진행된 암석, 그리고 균열 및 단층 충전물질로 채워진 부분을 대상으로 시료를 채취하여 광물 및 화학적 분석을 실시하였다. KURT 암반에는 일라이트, 스멕타이트, 녹니석과 같은 층상규산염광물들과 방해석 등이 단층 및 균열을 충전하고 있다. 일라이트나 스멕타이트는 단열대에 주로 혼합광물로 존재하고 있으며, 우세종에 따라 입도에 따른 함량비에 차이가 있다. 산화철로 피복된 암석과 단열충전물 시료에는 우라늄 및 토륨의 함량이 신선한 암석에 비해 높았으며, 이는 암석으로부터 서서히 용탈되거나 지하수 및 열수에 용존되어 있던 핵종 원소들이 단열을 따라 이동하면서 산화철 및 단열충전광물들에 의해 선택적으로 수착되거나 공침된 결과로 해석된다. 본 연구결과는 향후 지하심부 고준위방사성폐기물 처분관련 장기안정성 예측시 핵종 이동 및 지연에 영향을 끼치는 환경 인자 평가에 귀중한 자료로 활용될 것이다.
한국원자력연구원에 위치한 KURT 지하처분연구시설은 2003년 부지조사를 시작으로 최근에 완공하였으며, 그 규모는 길이 약 180m, 폭 6m, 그리고 높이 6m의 말굽형 단면을 가진 터널이고 지하 약 90m 깊이에 위치하고 있다. 터널 굴착이 100m 정도 진행되었을 때, 신선한 암석 및 풍하가 진행된 암석, 그리고 균열 및 단층 충전물질로 채워진 부분을 대상으로 시료를 채취하여 광물 및 화학적 분석을 실시하였다. KURT 암반에는 일라이트, 스멕타이트, 녹니석과 같은 층상규산염광물들과 방해석 등이 단층 및 균열을 충전하고 있다. 일라이트나 스멕타이트는 단열대에 주로 혼합광물로 존재하고 있으며, 우세종에 따라 입도에 따른 함량비에 차이가 있다. 산화철로 피복된 암석과 단열충전물 시료에는 우라늄 및 토륨의 함량이 신선한 암석에 비해 높았으며, 이는 암석으로부터 서서히 용탈되거나 지하수 및 열수에 용존되어 있던 핵종 원소들이 단열을 따라 이동하면서 산화철 및 단열충전광물들에 의해 선택적으로 수착되거나 공침된 결과로 해석된다. 본 연구결과는 향후 지하심부 고준위방사성폐기물 처분관련 장기안정성 예측시 핵종 이동 및 지연에 영향을 끼치는 환경 인자 평가에 귀중한 자료로 활용될 것이다.
The KAERI Underground Research Tunnel (KURT) located in KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) was recently constructed following the site investigation in 2003. Its dimension is 180 m in length, 6 m in width, and 6 m in height, and it has a horseshoe-like cross-sec-lion and is located in th...
The KAERI Underground Research Tunnel (KURT) located in KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) was recently constructed following the site investigation in 2003. Its dimension is 180 m in length, 6 m in width, and 6 m in height, and it has a horseshoe-like cross-sec-lion and is located in the ground to the depth of 90 m. When the tunnel was dug into the ground with 100 m in length, fresh rocks, weathered rocks and fracture-filling materials were taken and examined by mineralogical and chemical analyses. There are phyllosilicate minerals such as illite, smectite and chlorite including calcite, which are filling some faults and cracks of the KURT rock. The illite and smectite usually coexist in the fracture, where their content ratio is different according to which mineral is predominant. There are high concentrations of U and Th in the rocks coated with iron-oxides and filled with secondary materials as compared with those in the fresh rocks. It seems that the radionuclides, which are slowly leached from the parent rocks or exist as a dissolved form in the groundwater and hydrothermal solution, may have been migrated along the fractures and thereafter selectively sorbed and coprecipitated on the iron-oxides and the fracture-filling materials. These results will be very useful far the evaluation of environmental factors affecting the nuclides migration and retardation when long-term safety is considered to the geological disposal of high-level radioactive wastes in the future.
The KAERI Underground Research Tunnel (KURT) located in KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) was recently constructed following the site investigation in 2003. Its dimension is 180 m in length, 6 m in width, and 6 m in height, and it has a horseshoe-like cross-sec-lion and is located in the ground to the depth of 90 m. When the tunnel was dug into the ground with 100 m in length, fresh rocks, weathered rocks and fracture-filling materials were taken and examined by mineralogical and chemical analyses. There are phyllosilicate minerals such as illite, smectite and chlorite including calcite, which are filling some faults and cracks of the KURT rock. The illite and smectite usually coexist in the fracture, where their content ratio is different according to which mineral is predominant. There are high concentrations of U and Th in the rocks coated with iron-oxides and filled with secondary materials as compared with those in the fresh rocks. It seems that the radionuclides, which are slowly leached from the parent rocks or exist as a dissolved form in the groundwater and hydrothermal solution, may have been migrated along the fractures and thereafter selectively sorbed and coprecipitated on the iron-oxides and the fracture-filling materials. These results will be very useful far the evaluation of environmental factors affecting the nuclides migration and retardation when long-term safety is considered to the geological disposal of high-level radioactive wastes in the future.
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문제 정의
또한, 기초과학지 원연구원의 XRD (Broker D8 Advance, Germany)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다. 시료의 분석조건은 전 광물 분석을 위해서 주사범위。2@를 60。까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다. 암석 시료를 구성하는 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 μm 이하로 관찰하기 위 해 기 초과학지 원연구원의 SEM (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다.
이들은 단열 틈을 막아서 지하수의 유동을 억제하거나, 지하수의 화학적 특성에 영향을 미치고, 유해 핵종에 대한 흡착, 이온교환, 침전, 산화환원반응 등으로 핵종과 상호작용 한다. 또한, 단열충전 및 변질광물들은 그들이 생성될 수 있는 물리·화학적 환경이 서로 다르므로 생성 당시의 지화학적 환경에 대한 정보를 제공한다. 화강암 및 화강편마암과 같은 결정 질암의 단열을 충전하는 이차 광물로는 캐올 리 나이 트(kaolinite), 스멕 타이 트(smectite), 일 라이트(illite)와 같은 점토광물이 흔히 관찰되며, 제올라이트(zeolite), 탄산염 광물, 황철석, 철 및 망간 산화물 등이 분포하기도 한다.
, 1996; Rayne and Airey, 2006). 본 연구 지역에서 방사성 원소 중 대표적인 핵종인 U, Th, 그리고 Sm을 대상으로 암석 내 분포 특성을 조사하였다. 신선한 암석 및 풍화가 진행된 암석, 그리고 균열 혹은 단층 충전물질로 채워진 부분을 대상으로 시료를 채취하여 분석하였는데, 비교 대상 화학성분들의 선택적인 농집 현상이 관찰되었다(그림 7).
본 연구는 KURT 내에서 고준위폐기물 처분연구를 수행하는데 있어서 연구지역의 지질학적 절리 및 단층과 같은 단열대의 중요성과 광물학 및 지화학적 특성을 밝혀 핵종과 같은 방사성 원소들의 지하심부 거동을 이해하는데 주목적이 있다. 심부 지질환경에서 대부분의 핵종들이 지하수에 의해 단열을 따라 이동하기때문에, 방사성 핵종 거동을 이해하는 한 방법으로 본 터널의 암석 표면 및 균열면을 따라 존재하는 핵종들의 존재를 파악하고자 한다.
본 연구는 KURT 내에서 고준위폐기물 처분연구를 수행하는데 있어서 연구지역의 지질학적 절리 및 단층과 같은 단열대의 중요성과 광물학 및 지화학적 특성을 밝혀 핵종과 같은 방사성 원소들의 지하심부 거동을 이해하는데 주목적이 있다. 심부 지질환경에서 대부분의 핵종들이 지하수에 의해 단열을 따라 이동하기때문에, 방사성 핵종 거동을 이해하는 한 방법으로 본 터널의 암석 표면 및 균열면을 따라 존재하는 핵종들의 존재를 파악하고자 한다.
증류수에 시료를 넣고 흔들어 준 후 정치하는 시간을 달리하여 입자 크기에 따른 광물 구성 변화를 보고자 하였다. 즉, 침강(sedimentation) 에 의해 입자 크기를 정성적으로 분리시킨후, 입자에 따른 혼합 충전광물 분포 양상을 살펴보았을 때, 스멕타이트와 일라이트 광물은 )im 크기 범위 내에서 서로 일정(homogeneous) 한 비율로 존재하였다(그림 3b).
제안 방법
수분이 제거된 건조한 시료에 Au coating을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~μ111 크기)하여 관찰하였다. 경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spect- roscopy)를 이용하여 관찰중인 광물의 특정 부분을 원위치 표면화학 분석하였다. 그리고, 시료 내에 포함된 미량 방사성 화학성분(Sm, Th, U)을 알기 위해서 전처리를 통해 시료를 강산에 녹인 후 ICP-MS를 이용하여 분석하였다.
경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spect- roscopy)를 이용하여 관찰중인 광물의 특정 부분을 원위치 표면화학 분석하였다. 그리고, 시료 내에 포함된 미량 방사성 화학성분(Sm, Th, U)을 알기 위해서 전처리를 통해 시료를 강산에 녹인 후 ICP-MS를 이용하여 분석하였다.
암석 및 광물의 형태를 관찰하였다. 또한, 기초과학지 원연구원의 XRD (Broker D8 Advance, Germany)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다. 시료의 분석조건은 전 광물 분석을 위해서 주사범위。2@를 60。까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다.
본 연구지역에서 일라이트와 혼합광물로 존재하는 스멕타이트의 입자 크기를 확인하기 위해 침강에 의해 입도별로 분리, 채취하였다. 입도 분리한 시료를 XRD로 확인했을 때(그림 4b), 스멕타이트는 일라이트에 비해 세립질 입자(수 ㎛ 이하)가 우세하며, 이러한 경향은 미세한 입자에서 일라이트 함량보다 정성적으로 높은 함량을 보여주고 있다.
분석과정을 구체적으로 살펴보면, 채취 시료를 실내 대기 조건에서 건조시킨 후, 일부 시료를 작게 쪼개어 전처리 없이 시료대 위에 올려놓고 실체현미경을 통해 약 200배까지 확대하여 암석 및 광물의 형태를 관찰하였다. 또한, 기초과학지 원연구원의 XRD (Broker D8 Advance, Germany)를 이용하여 암석 및 미지시료의 광물을 동정하였다.
암석 시료를 구성하는 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 μm 이하로 관찰하기 위 해 기 초과학지 원연구원의 SEM (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다. 수분이 제거된 건조한 시료에 Au coating을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~μ111 크기)하여 관찰하였다. 경우에 따라서 EDS (Energy Dispersive Spect- roscopy)를 이용하여 관찰중인 광물의 특정 부분을 원위치 표면화학 분석하였다.
본 연구 지역에서 방사성 원소 중 대표적인 핵종인 U, Th, 그리고 Sm을 대상으로 암석 내 분포 특성을 조사하였다. 신선한 암석 및 풍화가 진행된 암석, 그리고 균열 혹은 단층 충전물질로 채워진 부분을 대상으로 시료를 채취하여 분석하였는데, 비교 대상 화학성분들의 선택적인 농집 현상이 관찰되었다(그림 7). 특히, 단열충전물 시료는 신선한 암석에 비해 우라늄과 토륨의 함량값이 높게 나왔다.
시료 채취는 터널 굴착 여건상 발파와 숏크리트 타설 이후 일시적이고 부분적으로 드러난 암반을 대상으로 하였다. 채취된 시료의 광물학적 분석을 위해 실체현미경, X-선 회절분석(XRD), 그리고 주사전자현미경 (SEM) 기기를 사용하였고, 미량 화학성분 분석을 위해서는 ICP-MS를 이용하였다.
대상 데이터
시료 채취는 KURT 공사가 진행 중인 과정에서 이뤄졌으며, KURT 터널 벽면의 균열, 절리, 그리고 단층과 같은 단열에 분포하는 이차 충전 광물과 일부 암석 등을 대상으로 시료를 채취하였다(그림 lb). 시료 채취는 터널 굴착 여건상 발파와 숏크리트 타설 이후 일시적이고 부분적으로 드러난 암반을 대상으로 하였다.
lb). 시료 채취는 터널 굴착 여건상 발파와 숏크리트 타설 이후 일시적이고 부분적으로 드러난 암반을 대상으로 하였다. 채취된 시료의 광물학적 분석을 위해 실체현미경, X-선 회절분석(XRD), 그리고 주사전자현미경 (SEM) 기기를 사용하였고, 미량 화학성분 분석을 위해서는 ICP-MS를 이용하였다.
시료의 분석조건은 전 광물 분석을 위해서 주사범위。2@를 60。까지 하여 시료 내에 존재 가능한 모든 광물들을 분석하려고 하였다. 암석 시료를 구성하는 광물의 미세한 구조 및 조직 표면을 수 μm 이하로 관찰하기 위 해 기 초과학지 원연구원의 SEM (LEO 1455VP, Germany)을 이용하였다. 수분이 제거된 건조한 시료에 Au coating을 실시하고 수천에서 수만 배까지 확대(~μ111 크기)하여 관찰하였다.
성능/효과
단열충전광물 및 산화철 광물 형성 시기에 대한 연구가 보다 구체적으로 진행되면, 지하 심부 핵종들의 거동에 대한 주변 이차광물들의 영향을 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 보인다. 결국, 본 지역은 핵종 원소들이 심부 지하수 혹은 열수를'따라 이동하면서 이미 형성되었거나 형성 과정중에 있는 철 산화물 혹은 단열 중전 물들을 구성하는 점토질 광물과 화학적으로 상호작용하여, 접촉하는 물질 표면에 수착, 이온교환 혹은 공침되면서, 신선한 암석시료에 비해 상대적으로 높은 우라늄, 토륨 농도 값을 보여주는 것으로 판단된다.
즉, 일라이트가 주 단열충전광물로 존재할 경우, 암석단열면에 분포하는 일라이트는 팽창성 스멕타이트를 소량 혼합광물로 가지고 있으며 그 크기는 매우 작고 따라서, 거시적으로는 일라이트의 특성을 나타내나 미시적인 부분에서는 콜로이드성 크기를 갖는 스멕타이트의 특성이 두드러진다는 사실이다. 심부 지하 환경에서 일부지하수 용존 화학종들은 단열대에 존재하는 미세한 콜로이드성 물질과 오히려 상호 반응성이뛰어나고, 따라서 일라이트 광물과 혼재하는 스멕타이트는 비록 소량으로 존재하지만, 수 g㎛ 입도 이하에서 진행되는 광물-용액간 반응에서는 스멕타이트 광물의 영향이 상당히 크게 작용할 것으로 판단된다.
이러한 일라이트는 본 연구지역의 소규모 단층을 따라 여러 이차광물들과 함께 소량 존재하거나 KURT 막장 우측 연구모듈 지역의 단열을 따라 비교적 순수한 광물 형태로 분포하고 있다. 암반 단열에 존재하는 일라이트 광물에 대한 XRD 분석결과, 결정성이 좋은 일라이트 외에 방해석 및 돌로마이트(dolomite)와 나타났다(그림 4a). 일라이트는 전자 현미 경상에 같은 탄산염 광물들도 함께 존재하는 것으로 서 형태학적으로는 스멕타이트와 구분하기가쉽지 않지만, 일라이트는 보다 뚜렷한 판상구조형 태가 잘 관찰되고 스멕타이트처럼 굴곡이 있거나 뒤틀림이 흔하지 않다(그림 5a).
점토성 단열충전광물 외에 산화철 광물은 일반 암석에 비해 높은 우라늄 농도 값(20 ppm 이상)을 보여 주었다. 관찰되는 특징 중의 하나는 철 산화물로 피복되어 있는 암석의 핵종 원소 농도가 상대적으로 높다는 사실이다.
후속연구
지하수에 의한 광물 구조 파괴 및 Fe 성분들의 용출과 이동 중 산화 및 침전되면서 균열, 단층 및 암석 표면에 국부적으로 수 mm 이상의 철 산화물 층을 형성시킨 것으로 보인다. 단열충전광물 및 산화철 광물 형성 시기에 대한 연구가 보다 구체적으로 진행되면, 지하 심부 핵종들의 거동에 대한 주변 이차광물들의 영향을 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 보인다. 결국, 본 지역은 핵종 원소들이 심부 지하수 혹은 열수를'따라 이동하면서 이미 형성되었거나 형성 과정중에 있는 철 산화물 혹은 단열 중전 물들을 구성하는 점토질 광물과 화학적으로 상호작용하여, 접촉하는 물질 표면에 수착, 이온교환 혹은 공침되면서, 신선한 암석시료에 비해 상대적으로 높은 우라늄, 토륨 농도 값을 보여주는 것으로 판단된다.
또한, 풍화과정에서 녹니석 등의 철함유 광물로부터 용출되어 흘러나온 Fe 성분들은 지하수로부터 산화 및 침전되면서 산화철을 형성하여 핵종 수착에 큰 영향을 끼치고 있다. 신선한 암석과 비교했을 때, 단열충전광물 및 산화철에의한 우라늄 및 토륨과 같은 핵종 원소들의 농집 경향은 본 연구지역에서 핵종 수착의 주된 특성중의 하나이며, 향후 KURT 핵종이동연구에 귀중한 자료로 활용될 것이다.
참고문헌 (15)
김건영, 고용권, 배대석, 김천수 (2004) 방사성폐기물 처분연구를 위한 유성지역 화강암내 심부 시추공 단열충전광물의 광물학적 특성 한국광물학회지, 17.99-114
조원진, 박정화, 권상기 (2004) 소규모 지하처분연구 시설 부지조사 및 평가. KAERI/TR-2751/2004, 한국원자력 연구소, 대전, 106p
Bradbury, M.H. and Baeyens, B. (2006) Modelling sorption data for the actinides Am(III) , Np(V) and Pa(V) on montmorillonite. Radiochim. Acta, 94, 619-625
Choo, C.O. and Chang, T.W. (2000) Characteristics of clay minerals in gouges of the Dongrae fault, Southeastern Korea, and implications for fault activity. Clays Clay Miner., 48, 204-212
Grambow, B., Fattahi, M., Montavon, G., Moisan, C. and Giffaut, E. (2006) Sorption of Cs, Ni, Pb, Eu(III), Am(III), Cm, Ac(III), Tc(IV), Th, Zr, and U(IV) on MX 80 bentonite: An experimental approach to assess model uncertainty. Radiochim. Acta, 94, 627-636
Koppi, A.J., Edis, R., Field, D.J., Geering, H.R., Klessa, D.A. and Cockayne, D.J.H. (1996) Rare earth element trends and cerium-uranium-manganese associations in weathered rock from Koongarra, Northern Territory, Australia. Geochim. Cosmochim. Acta, 60, 1695-1707
Murakami, T., Sato, T., Ohnuki, T. and Isobe, H. (2005) Field evidence for uranium nanocrystallization and its implications for uranium transport. Chem. Geol., 221, 117-126
Payne, T.E. and Airey, P.L. (2006) Radionuclide migration at the Koongarra uranium deposit, Northern Australia - Lessons from the Alligator Rivers analogue project. Physics Chem. Earth, 31, 572-586
Wendling, L.A., Harsh, J.B., Palmer, C.D., Hamilton, M.A. and Flury, M. (2004) Cesium sorption to illite as affected by oxalate. Clays Clay Miner., 52, 375-381
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