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KURT 환경 자료를 이용한 가상의 다중 발생원에서의 누출 핵종의 이동 시간 평가
Travel Times of Radionuclides Released from Hypothetical Multiple Source Positions in the KURT Site 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.11 no.4, 2013년, pp.281 - 291  

고낙열 (한국원자력연구원) ,  정종태 (한국원자력연구원) ,  김경수 (한국원자력연구원) ,  황영택 (충남대학교)

초록
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KURT(KAERI Underground Research Tunnel) 부지 부근에 가상의 처분장을 설정하고, 해당 부지의 세 지점에서 방사성폐기물로부터 누출된다고 가정한 방사성 핵종의 이동 시간을 계산하였다. 핵종의 이동 경로는 핵종 누출 지점에서 천부 지하수대까지로 설정하고 KURT 주변 지하수 유동계 모의를 통해 결정하였다. 세 지점은 지하수가 빠르게 유동하는 구조(highly water-conductive feature)를 지나가기 때문에 천부 지하수까지 도달하는데 상대적으로 적은 시간이 걸리는 지점으로 선정되었다. 핵종의 이동 시간은 TDRW(Time-Domain Random Walk) 기법을 통해 계산하였다. 지하수 내의 핵종의 이동 시간을 계산하기 위해, 이류(advection)와 분산(dispersion) 이외에 암반 기질(rock matrix)로의 확산(diffusion)과 기질 내부에서의 흡착(sorption)이 고려되었고, 핵종의 붕괴 및 변환에 의한 영향도 몇 개의 붕괴 사슬(decay chain)을 이용하여 계산에 반영하였다. 계산 결과를 보면, 지표 부근의 천부 지하수에 도달하는 핵종의 시간당 이동량(mass flux)은 복수의 이동 경로뿐만 아니라 핵종의 반감기와 암반 기질 내에서의 핵종의 흡착 분배 계수에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 보다 안정적이고 불확실성이 감소된 심지층 처분장의 안전성 평가를 위해 우선적으로 필요한 사항으로는, 장반감기 핵종에 대한 평가가 이동 과정 이외에 저장 용기에 들어있는 상태에서부터 면밀하게 이루어져야 하고, 암반 기질에서 발생하는 핵종의 흡착 과정이 심부 현장 조건을 반영하여 평가되어야 할 것으로 생각된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A hypothetical repository was assumed to be located at the KURT (KAERI Underground Research Tunnel) site, and the travel times of radionuclides released from three source positions were calculated. The groundwater flow around the KURT site was simulated and the groundwater pathways from the hypothet...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 경로의 길이와 유속 자료를 바탕으로 TDRW 기법을 이용해 핵종의 이동 시간을 계산하였고, 계산에 이용된 붕괴 사슬에 포함 되어 방사성 붕괴에 의해 발생하는 핵종에 대한 이동 시간도 함께 계산하였다. 마지막으로, 계산 결과를 통해 안전성 평가의 불확실성을 줄이기 위해 필요한 사항을 고찰하였고, 향후 심지층 처분장의 지질 조건과 지하수 유동 특성이 파악되어 안전성 평가에 활용될 때, 핵종의 이동을 분석 하는 것에 대한 이용가능성을 살펴보았다.
  • 본 논문의 목적은 가상의 심지층 처분장의 복수의 위치에서 누출되었다고 가정한 방사성핵종이 지하 환경을 거쳐 지표 부근까지 이동하는데 걸리는 시간을 계산하는 것이다. 가상의 처분장은 KURT 부지와 같은 환경에 존재한다고 가정하였고, KURT의 현장 자료와 지하수 유동 분석 자료를 이용하여 핵종의 이동 경로를 찾고, 해당 경로를 따라 유동하는 지하수의 유속을 파악하였다.

가설 설정

  • KURT 주변의 국지적인 지하수 유동 환경 분석을 통해, 가상의 심지층 처분장에서 지표 부근까지 이동하는 핵종의 이동 경로를 파악하였다. 가상의 심지층 처분장은 KURT의 현장 자료와 분석, 지질 및 지질 공학 전문가들의 검토를 거쳐 해수면 아래 500 m 심도에 위치하는 것으로 가정하였다[11]. 안전성 평가에 이용될 핵종의 이동 경로를 구하기 위해 가상의 처분장에서 지표에 이르는 지하수의 이동 경로를 계산하였는데, 지하수 유동 경로의 시작점은 가상의 처분장의 외곽을 이용하였다(Fig.
  • 본 논문의 목적은 가상의 심지층 처분장의 복수의 위치에서 누출되었다고 가정한 방사성핵종이 지하 환경을 거쳐 지표 부근까지 이동하는데 걸리는 시간을 계산하는 것이다. 가상의 처분장은 KURT 부지와 같은 환경에 존재한다고 가정하였고, KURT의 현장 자료와 지하수 유동 분석 자료를 이용하여 핵종의 이동 경로를 찾고, 해당 경로를 따라 유동하는 지하수의 유속을 파악하였다. 경로의 길이와 유속 자료를 바탕으로 TDRW 기법을 이용해 핵종의 이동 시간을 계산하였고, 계산에 이용된 붕괴 사슬에 포함 되어 방사성 붕괴에 의해 발생하는 핵종에 대한 이동 시간도 함께 계산하였다.
  • 마지막으로, 방사성핵종의 이동량은 지하 환경의 불확실성에도 크게 영향 받을 수 있으나 본 연구에서는 핵종의 이동 경로를 결정론적으로 가정하여 이동 경과 시간을 계산하였다. 지질 및 수리지질학적 불확실성을 고려하기 위해 지하수 유동 경로를 확률적 분포로 작성하여 핵종의 이동을 계산할 수 있다면 현장 조건이 더 많이 반영된 모의 결과를 얻을 수 있고, 불확실성이 보다 감소된 안전성 평가를 수행할 수 있을 것으로 생각된다.
  • 처분될 것으로 예상되는 고준위 방사성 폐기물의 방사성 핵종 중 일부는 몇몇 붕괴 사슬의 구성 원소이기도 하며, 이런 방사성 핵종은 붕괴 사슬을 따라 다른 방사성 핵종으로 전환되거나 안정한 원소로 변하기도 한다. 본 연구에서는 KURT 환경에서의 방사성 핵종의 이동을 모의하기 위해 A-KRS(Advanced Korean Reference Disposal System)에서 고려하는 고준위 폐기물에 포함된 붕괴 사슬과 그 구성 핵종을 가상의 처분장에서 누출되는 핵종으로 가정하였다[2]. Fig.
  • 붕괴 사슬에 포함되어 이동 시간 계산에 쓰인 핵종들은 모두 유입원에서 일시적으로 누출된 것으로 가정하였다. 초기 유입량은 Table 3에 정리되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
처분 부지의 지하수 유동계는 언제 주의 깊게 분석되어야 하는가? 심지층 처분에서는 처분용기에 들어있는 고준위 폐기물을 지하 심부에 넣고 완충재(buffer) 등의 공학적 방벽(engineered barrier)으로 봉입하여 지표 환경과 격리한다. 처분용기가 지하수에 의해 부식되거나 지진 등의 영향으로 처분용기 안의 방사성핵종이 누출되면 공학적 방벽을 지나 천연 방벽(natural barrier)에 해당하는 지하 암반 및 단열을 거쳐 지표 환경에 도달할 수 있다. 이런 경우, 지하수가 핵종의 이동 수단이 되기 때문에 심지층 처분장에 대한 안전성 평가에서 처분 부지의 지하수 유동계는 매우 주의 깊게 분석되어야 한다.
KURT란? 우리나라에서는 심지층 처분 연구를 위한 지하 환경 연구시설인 KURT(KAERI Underground Research Tunnel)의 건설을 전후로 하여 KURT 주변에 분포하는 결정질 화강암층에 대한 여러 가지 조사와 연구가 시작되어 지금까지 이루어지고 있다[8]. KURT의 건설이 완료된 이후에는 부지 특성화(site characterization)를 위해 시설 내에서 여러 가지 조사와 현장 실험이 이루어졌고, 그것들을 통해 축적된 현장 자료를 이용하여 KURT 현장 주변에 대한 지하수 유동계가 모의되었고 그 특성이 분석되었다[2].
TDRW의 이동 시간 계산 방식은? 안전성 평가에 필요한 입력 자료 중에서 매우 중요한 항목이기 때문에, 방사성 핵종의 이동 시간을 계산하는 것에 대한 연구가 지금까지 이루어져 왔으며, 그 중 일부 연구는 핵종의 이동 시간을 일반적인 공간 차원(space-domain)에서가 아니라 시간 차원(time-domain)에서 계산하는 기법을 이용하여 계산하였다[3-5]. 시간 차원에서 이동 시간을 계산하는 대표적인 기법으로 TDRW(Time-Domain Random Walk)가 있는데, 이 기법은 유체 내의 입자 운동을 확률변수로 표현하고, 이류와 분산을 통해 용질 입자가 이동하여 공간에 분포되어 있는 상태가 시간에 따라 변화하는 양상을 표현한 방정식을 세워서 그 해를 통해 이동 시간을 계산한다.
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참고문헌 (15)

  1. C.H. Kang, "Current Status of Radioactive Waste Management in Korea", Journal of Hydrologic Engineering, 14(11), pp. 1197-1199 (2009). 

  2. KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute), "Geological Disposal of Pyroprocessed Waste from PWR Spent Nuclear Fuel in Korea", KAERI/TR-4525/2011, KAERI (2011). 

  3. O. Banton, F. Delay, and G. Pore, "A New Time Domain Random Walk Method for Solute Transport in 1-D Heterogeneous Media", Ground Water, 35(6), pp. 1008-1013 (1997). 

  4. F. Delay and J. Bodin, "Time Domain Random Walk Method to Simulate Transport by Advection-Dispersion and Matrix Diffusion in Fracture Networks", Geophysical Research Letters, 28(21), pp. 4051-4054 (2001). 

  5. J. Bodin, G. Porel, and F. Delay, "Simulation of Solute Transport in Discrete Fracture Networks Using the Time Domain Random Walk Method", Earth and Planetary Science Letters, 208, pp. 297-304 (2003). 

  6. S.L. Painter, V. Cvetkovic, and O. Pensado, "Time-Domain Random Walk Algorithm for Simulating Radionuclide Transport in Fractured Porous Rock", Nuclear Technology, 163(1), pp. 129-136 (2008). 

  7. S. Painter, V. Cvetkovic, J. Mancillas, and O. Pensado, "Time-Domain Particle Tracking Methods for Simulating Transport with Retention and First-Order Transformation", Water Resources Research, 44, W01406, doi:10.1029/2007WR005944 (2008). 

  8. W.J. Cho, S.K. Kwon, and J.H. Park, "KURT, A Small-Scale Underground Research Laboratory for the Research on a High-Level Waste Disposal", Annals of Nuclear Energy, 35(1), pp. 132-140 (2008). 

  9. K.W. Park, Y.K. Koh, K.S. Kim, and J.W. Choi, "Construction of the Geological Model around KURT area based on the surface investigations", J. Korean Radioact. Waste Soc., 7(4), pp. 191-205 (2009). 

  10. K.W. Park, K.S. Kim, Y.K. Koh, and J.W. Choi, "Synthetic Study on the Geological and Hydrogeological Model around KURT", J. Korean Radioact. Waste Soc., 9(1), pp. 13-21 (2011). 

  11. K.S. Kim, K.W. Park, G.Y. Kim, and H.J. Choi, "Development of Advanced Korean Reference HLW Disposal System - Site Characteristics", KAERI/TR-4265/2011, KAERI (2011). 

  12. N.Y. Ko, K.W. Park, K.S. Kim, and J.W. Choi, "Groundwater Flow Modeling in the KURT site for a Case Study about a Hypothetical Geological Disposal Facility of Radioactive Wastes", J. Korean Radioact. Waste Soc., 10(3), pp. 143-149 (2012). 

  13. V. Cvetkovic, J.O. Selroos, and H. Cheng, "Transport of Reactive Tracers in Rock Fractures", Journal of Fluid Mechanics, 378, pp. 335-356 (1999). 

  14. C. Zheng and G.D. Bennett, Applied Contaminant Transport Modeling, 2nd ed., p. 621, John Wiley and Sons, Inc., New York (2002). 

  15. SKB, Data Report for the Safety Assessment SRSite, TR-10-52, SKB (2010). 

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