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문제 정의
- 우리나의 경우 누설 등의 비계획적 방출의 조기 감시 목적으로는 경주 중저준위 방사성폐기물 처분장 내 지하수 유동에 관한 연구[3, 4, 5]가 수행된 적은 있으나, 가동 원전에 대해서는 거의 없는 실정이다. 본 논문은 고리 1발전소에서 시행 예정인 지하수 감시 프로그램 수립에 필요한 자료를 제공하기 위해, 해당 부지 내 지하수의 유동 방향을 기존 문헌 및 자료를 통해 평가하고 누설 발생 시 예상되는 방사성물질의 오염물질의 확산, 즉 오염운(汚染雲, plume) 거동을 모사하는 것을 목표로 하였다. 해외 원전의 모든 비계획적 방출 사례에서 삼중수소는 오염된 지하수에서 검출되었으며, 또 삼중수소가 물의 구성성분으로 지하수와 함께 이동하여 다른 핵종보다 지하수 거동을 매우 잘 반영하는 점과 반감기가 12.
가설 설정
- 또한 가상의 누설 시의 삼중수소 오염운 거동을 장기 예측하기 위해 삼중 수소가 고리 1, 2호기 구조물 주변의 6개 점 누설원(point leak source)에서 사용후연료저장조 내 삼중수소 농도(1.35×10-4mg/L)로 30 년간 지속적으로 누설되는 것으로 가정하였다(Fig. 8).
제안 방법
- Layer 1은 복토구간(silty sand, sand)으로 수리전도도값으로 문헌[9]에 보고된 값을 인용하여 1.0×10-3cm/sec (K1)을 적용하였고, Layer 2는 다공질층(사암)으로 2008년 현장수리시험결과 가장 투수계수가 높았던 관측정 NO-3의 수리전도도 1.0×10-4cm/sec (K2)을 적용하였다.
- 건설 당시 지질도 및 지질단면도와 최근 설치된 5개의 관정에서 얻은 시추자료에 근거하여 모델링 영역은 4개의 수문지질학적으로 구분이 가능한 층으로 구성하였다. 즉, 상부부터 복토의 미고결층(Layer 1), 사암의 다공질 대수층(Layer 2), 이암과 실트암의 불투수층(Layer 3) 및 유문암의 암반층이다.
- 다만, 고리 1, 2호기 및 상기 5개의 관정을 포함하는 560 m×440 m의 면적을 갖는 영역은 정밀 모델링을 위해 5 m×5 m의 격자형 셀로 구획하였다(Fig 4의 작은 직사각형 지역).
- 또한 지하집수조가 삼중수소의 오염운에 주는 영향을 알아보기 위해 지하집수조가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우, 두 경우에 대해 모델링을 하였다. 오염운의 시간에 따른 변화는 가상의 관정 OB-1과 OB-2(Fig.
- 또한 지하집수조가 삼중수소의 오염운에 주는 영향을 알아보기 위해 지하집수조가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우, 두 경우에 대해 모델링을 하였다. 오염운의 시간에 따른 변화는 가상의 관정 OB-1과 OB-2(Fig. 8)에서의 지하수 내 삼중수소의 예상 측정 농도로 평가하였다.
- 이를 반영하기 위해 Layer 1∼Layer 4에 대해 고리 2호기의 지하집수조 위치에 배수(drain)를 설정하였다.
- 지하수 유동을 가시화하기 위해 모델링 영역의 지하수 최상류부와 고리 1, 2호기 구조물 북쪽 상류부에 가상의 입자를 설정하여 입자 이동 경로를 분석하였다(Fig. 8). 또한 가상의 누설 시의 삼중수소 오염운 거동을 장기 예측하기 위해 삼중 수소가 고리 1, 2호기 구조물 주변의 6개 점 누설원(point leak source)에서 사용후연료저장조 내 삼중수소 농도(1.
- 지하집수조의 지연효과를 정량적으로 알아보기 위해 시간의 경과에 따른 가상의 관정 OB-1(발전소 및 바다 사이에 위치) 및 OB-2(바다가에 위치)에서의 삼중수소 예상 농도를 계산하였다(Fig. 12). 이 그림에서 각 관정에서 지하집수조가 없는 경우가 있는 경우보다 삼중수소 농도의 상승속도가 더 빠른 것을 알 수 있으며 또한 두 경우 모두에서 일정 농도 이상이 되면 평형상태에 도달하여 더 이상의 농도 상승이 일어나지 않음을 알 수 있다.
- 즉 격납건물은 EL-20 m, 보조건물은 EL-17 m 까지 굴착된 암반 위에 설치된 후 그 주변부는 매립되었고 기타 구조물 및 지중매설배관 등은 EL-1m에 설치 된 후 매립되었다. 특히 격납건물 및 보조건물은 그 하부에 투수층이 깔렸으며 격납건물 남단에는 지하수 수위 상승에 의한 구조물 안전 상실 방지 목적으로 지하집수조(dewatering sump)와 펌프가 설치되어 강제 배수가 가능하도록 하였다. 격납건물 등 주요 구조물 주변은 대부분 포장되어 있으며 서남쪽 부지 경계와 스위치 야드, 경사면 등은 포장되어 있지 않다.
대상 데이터
- 관정 NO-2와 관정 NO-3의 경우 2008년 하반기에 계측오차로 추정되는 수위 변화가 관측되었기 때문에 모델링에서는 6개월의 건기(2007.11∼2008.4) 기간의 수위자료만을 활용하였다.
- 모델링 대상 지역 북부경계는 등고선의 분수령(divide line)을 따라 무흐름경계(no-flow boundary)로 설정하였으며, 해안선을 따라 EL-0 m의 고정수두경계를 Layer 1∼Layer 5에 대해 설정하였다(Fig. 7).
- 모델링 대상 지역은 고리 원자력발전소와 봉화산 일부를 포함하는 1,300 m×900 m의 면적을 갖는 영역으로 설정하였으며 전 면적을 10 m×10 m의 격자형 셀(grid cell)로 구획하였다(Fig. 4).
- 이때 6개의 점 누설원은 직사각형의 고리 1발전소 구조물이 위치한 부지 근처에서 발생하는 누설을 모사하기 위해 선정되었다. 본 연구에서는 문헌[10]에 보고된 자료를 이용하여 분산지수값에 대해 10m의 값을 이용하였고, 용질이동 모의시 삼중수소의 decay를 고려하여 반감기는 12.3년을 적용하였다.
이론/모형
- 수치모의는 범용 지하수 모델링 프로그램인 MODFLOW[8]를 이용하여 수행하였다. 모델링 대상 지역은 고리 원자력발전소와 봉화산 일부를 포함하는 1,300 m×900 m의 면적을 갖는 영역으로 설정하였으며 전 면적을 10 m×10 m의 격자형 셀(grid cell)로 구획하였다(Fig.
성능/효과
- 5개 관정의 건기(2007.11∼2008.4) 6개월간의 평균 지하수 수위에 대한 정류상태 모델링에서 지하수수위자료, 수리시험을 통한 수리전도도(K) 산정값, 지하집수조에서의 유입량 등을 기준으로 보정한 결과 5개 관정 모두의 평균 지하수 수위가 도출된 검량선의 95% 신뢰구간 내에서 만족하며 RMS가 1.002m인 것으로 나타났다(Table 3).
- 5개의 관정 중 4개의 관정에 대해 수행된 순간수위변화시험에서 수리전도도는 관정 NO-1에서 7.07×10-5 cm/sec, 관정 NO-2에서 6.67×10-6 cm/sec, 관정 NO-3는 1.04×10-4 cm/sec 그리고 관정 NO-5에서 1.01×10-5 cm/sec이었으며 부지 전체의 평균 수리전도도는 4.80×10-5 cm/sec로서 일반적인 사암 및 셰일의 수리전도도 값의 범위에 들었으나 관정 NO-3에서 수행된 결과는 투수성이 비교적 높은 값을 보였다(Table 1)[7].
- 고리 1발전소 부지 내 지하수 특성에 대한 조사 결과, 부지 내 지하수는 발전소 배후의 산기슭에서 발원하여 부지에 유입된 후 2호기 지하집수조에 의해 중간에서 제거되는 일부를 제외하고는 모두가 바다에 도달하는 것으로 나타났다. 고리 1발전소 건물 주변에 6 개의 가상의 점 누설원에서 지속적적으로 삼중수소가 누설되는 상황을 가정하여 삼중수소의 오염운 거동을 모델링한 결과, 지하집수조가 삼중수소 오염운이 바다에 도달하는 것을 차단하지는 못하였으나 어느 정도 지연하는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 고리 1발전소 부지 내 지하수 특성에 대한 조사 결과, 부지 내 지하수는 발전소 배후의 산기슭에서 발원하여 부지에 유입된 후 2호기 지하집수조에 의해 중간에서 제거되는 일부를 제외하고는 모두가 바다에 도달하는 것으로 나타났다. 고리 1발전소 건물 주변에 6 개의 가상의 점 누설원에서 지속적적으로 삼중수소가 누설되는 상황을 가정하여 삼중수소의 오염운 거동을 모델링한 결과, 지하집수조가 삼중수소 오염운이 바다에 도달하는 것을 차단하지는 못하였으나 어느 정도 지연하는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 10에서 지하집수조가 없는 경우 삼중수소의 오염운은 누설 시작 약 1년 후 바다에 도달하는 반면 지하집수조가 있는 경우에는 그 보다 더 오랜 시간이 걸리는 것을 알 수 있었다. 다만, 누설 시작 30년 후를 모델링한 결과는 나타낸 Fig. 11에서 지하집수조의 유무에 관계없이 삼중수소의 오염운이 최종적으로는 바다에 도달한 결과로부터 지하집수조는 삼중수소 오염운의 지연효과만 있을 뿐 차단효과는 없는 것을 알 수 있다.
- 11에 각각 제시하였다. 두 그림 모두에서 삼중수소의 오염운의 최종 도착지는 동쪽 및 남쪽의 해안이었으며, 초기의 오염운의 분포는 대부분 얕은 층에 국한되다가 시간의 경과와 함께 깊은 층으로도 확대됨을 알 수 있었다. 이러한 오염운의 거동은 삼중수소가 지하수의 성분으로 함께 이동되는 특성에 기인한다.
- 또한 현재 고리 1발전소 부지 내에서 지하수는 음용수로 사용되지 않는다. 따라서 오염된 지하수의 환경 방출에 의해서 수영, 해상활동 및 해산물 섭취 등의 기존 경로 외에 새로 추가되는 경로는 없는 것으로 판단되었다.
- 또한 오염운의 진행이 지하집수조에 의해 지연됨을 확인할 수 있었는데, 특히 Fig. 10에서 지하집수조가 없는 경우 삼중수소의 오염운은 누설 시작 약 1년 후 바다에 도달하는 반면 지하집수조가 있는 경우에는 그 보다 더 오랜 시간이 걸리는 것을 알 수 있었다. 다만, 누설 시작 30년 후를 모델링한 결과는 나타낸 Fig.
- 상기 모델링의 결과로부터, 고리 1발전소의 경우 대부분의 지하수의 최종 도달 지점이 바다이기 때문에 비계획적 방출의 조기 감시를 위해서는 누설 가능성이 있는 계통 및 기기와 해안가 사이에 관정을 설치하는 것이 바람직하며, 현재 운영 중인 관정의 대부분은 이러한 목적에 적합한 위치임을 확인하였다. 또한 광범위한 지역의 지하수가 유입되는 지하집수조를 지하수 감시용으로 활용함으로써 보다 효과적이며 경제적인 지하수 감시가 가능할 것으로 기대되었다.
- 2), 비교적 얇게 분포하는 상부 매립 및 붕적층은 자갈과 전석이 혼재되어 이로 인해 공극이 발달하여 비교적 투수성이 매우 높다. 암반층은 셰일, 이암, 사암, 유문암 및 안산암 등의 암종에 따른 다양한 투수성의 지층으로 구성되었으나, 암반층의 절리와 발달된 파쇄대로 동일 암종의 일반적인 암반구간에 비하여 투수성은 비교적 높게 나타났다.
- 3에 나타내었다[6]. 지하수 수위 변화는 가장 내륙에 위치한 관정 NO-5는 강우와 함께 지하수 수위가 같이 반등하는 전형적인 지하수 수위 변화를 보였으며, 해안가에 위치한 관정 NO-4는 강우 대신 조석의 영향으로 하루에 최대 약 0.9 m의 수두차를 보였다. 고리 1호기 바로 서쪽에 위치한 관정 NO-2는 지하수 수위가 강우 영향을 약간 받는 양상을 보였으나 관정 NO-5에 비해 수위변화가 크지 않았다.
- 이 그림에서 각 관정에서 지하집수조가 없는 경우가 있는 경우보다 삼중수소 농도의 상승속도가 더 빠른 것을 알 수 있으며 또한 두 경우 모두에서 일정 농도 이상이 되면 평형상태에 도달하여 더 이상의 농도 상승이 일어나지 않음을 알 수 있다. 지하집수조가 있을 때와 없을 때 삼중수소 농도가 미국 EPA의 음용수용 지하수 중 삼중수소 농도 제한치 (740 Bq/L)에 도달하는 예상시간은 관정 OB-1에서는 0.6 년 및 2.0년, 관정 OB-2에서는 3.4 년 및 9.8 년이었으며 따라서 관정 OB-1에서는 1.4년의, 그리고 관정 OB-2에서는 6.4년의 지연효과가 각각 관찰되었다(Table 4).
- 첫째, 지하수 흐름에 대한 모델링 결과, 지하집수조에 의해 중간에 제거되는 일부를 제외하고는 모든 지하수가 동쪽 및 남쪽의 해안으로만 도달하고 육상의 다른 발전소 경계로는 이동하지 않는 만큼, 지하수 감시를 위한 관정은 발전소 내 누설 가능성 있는 계통 및 기기의 지하수 하류방향, 즉 바다방향으로만 설치해도 충분히 비계획적 방출을 조기에 감시할 수 있을 것으로 생각된다. 현재 고리 1발전소에 설치된 관정 NO-1∼NO-4는 이러한 목적에 부합된다고 판단된다.
- 본 논문은 고리 1발전소에서 시행 예정인 지하수 감시 프로그램 수립에 필요한 자료를 제공하기 위해, 해당 부지 내 지하수의 유동 방향을 기존 문헌 및 자료를 통해 평가하고 누설 발생 시 예상되는 방사성물질의 오염물질의 확산, 즉 오염운(汚染雲, plume) 거동을 모사하는 것을 목표로 하였다. 해외 원전의 모든 비계획적 방출 사례에서 삼중수소는 오염된 지하수에서 검출되었으며, 또 삼중수소가 물의 구성성분으로 지하수와 함께 이동하여 다른 핵종보다 지하수 거동을 매우 잘 반영하는 점과 반감기가 12.3년으로 추적이 유리하다는 점을 들어 모사할 오염물질로 선정되였다.
후속연구
- 현재 고리 1발전소에 설치된 관정 NO-1∼NO-4는 이러한 목적에 부합된다고 판단된다. 다만, 해외의 사례에서도 비계획적 방출에 대한 사회적 민감성을 고려할 때, 대중에 대한 신뢰성 확보 차원에서 부지 경계에 관정을 설치하여 삼중수소가 부지 외로 이동되지 않음을 객관적으로 보여줄 수 있는 자료를 확보하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 상기 모델링의 결과로부터, 고리 1발전소의 경우 대부분의 지하수의 최종 도달 지점이 바다이기 때문에 비계획적 방출의 조기 감시를 위해서는 누설 가능성이 있는 계통 및 기기와 해안가 사이에 관정을 설치하는 것이 바람직하며, 현재 운영 중인 관정의 대부분은 이러한 목적에 적합한 위치임을 확인하였다. 또한 광범위한 지역의 지하수가 유입되는 지하집수조를 지하수 감시용으로 활용함으로써 보다 효과적이며 경제적인 지하수 감시가 가능할 것으로 기대되었다. 다만 대중에 대한 신뢰성 확보 측면에서 부지경계에 관정을 설치하여 부지 외로 삼중수소가 이동하지 않음을 보여줄 필요도 있다.
- 마지막으로 금번 모델링은 기존의 수문지질조사 및 각종 관련 자료의 조사를 통해 수행되었으나 수집된 자료의 불충분으로 모델링의 정밀도 및 정확도는 추후에 향상의 여지가 있으며 이를 위해서는 추가 관정의 설치 및 지중매설 배관의 검사 등의 반복 추가 자료조사 그리고 고리 2발전소 부지의 수문지질학 조사를 포함한 추가적인 조사가 필요하다.
- 즉 지하집수조는 넓은 지역에 분포하는 지하수를 양수함으로써 삼중수소 오염운의 진행을 지연시키는 긍정적인 효과가 있을 뿐만 아니라 그 자체가 지하수를 감시할 수 있는 지점으로 활용할 수 있다. 지하집수조는 유입되는 지하수 범위가 광범위하므로 좁은 지역에 분포하는 지하수에 대한 감시가 가능한 일반 관정과 달리 광역의 지하수 오염 감시에 더 효과적으로 사용할 수 있으며, 이를 통해 관정 설치의 수를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
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