[논문]고준위방사성폐기물 심층처분 부지조사를 위한 암반공학적 요소: 국내외 현황 및 사례 조사

최승범; 김유홍; 김은경; 천대성

doi:10.7474/tus.2020.30.2.136

고준위방사성폐기물 심층처분 부지조사를 위한 암반공학적 요소: 국내외 현황 및 사례 조사
Rock Mechanical Aspects in Site Characterization for HLW Geological Disposal: Current Status and Case Studies 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.2, 2020년, pp.136 - 148

최승범 (한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단) , 김유홍 (한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단) , 김은경 (한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단) , 천대성 (한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단)

초록
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우리나라는 1978년부터 원자력발전소를 운영해왔으며 그에 따른 고준위방사성폐기물 발생이 누적되고 있다. 이를 안전하게 처분하기 위한 영구 처분시설이 시급한 실정이나 처분 부지를 선정하는 과정에서 광범위하고 정밀한 부지조사가 요구되기 때문에 장기간에 걸친 조사가 선행되어야한다. 이러한 부지조사는 단계별로 진행되는 것이 일반적이며 이 과정에서 다학제적 평가가 이루어진다. 본 논문에서는 부지조사 과정에서 요구되는 암반공학적 요소를 중점으로 사례조사를 수행하였다. 단계별로 고려되는 암반공학적 평가요소와 그 적용 사례를 정리하였으며 이 과정에서 수행된 해외 연구 사례를 조사하였다. 동시에 국내 연구현황을 정리하였고 부지조사와 관련된 향후 연구 계획을 간략히 보고하였다. 향후 연구를 통해 부지조사 시 참고할 수 있는 기반자료를 생산하고자 하며 본 논문에서 수집된 사례 역시 활용할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nuclear power plants have been operated in Korea since 1978, thus the high-level radioactive waste (HLW) produced from the plants has been accumulated accordingly. Hence, it is urgent to secure a final repository for HLW disposal, however, siting process should be preceded, which usually takes long time, as it requires broad and precise investigation. The investigation is generally carried out in stages, which consists of multidisciplinary approaches. In this study, the case studies mainly pertaining to rock mechanics were conducted. Rock mechanical aspects required in each stage and their applications were investigated and corresponding R&D researches were presented as well. At the same time, current research status in Korea was presented, followed by a brief future research plan with regard to the site investigation. The future research aims to produce fundamental information for siting process, and the compiled cases in this study will be utilized as references in the research.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Stepwise siting process for a HLW disposal repository (IAEA, 1994)
표 Table 2. Descriptions of site characterization studies using boreholes in Sweden (SKB, 2002)
그림 Fig. 1. Location of deep boreholes in Olkiluoto area (Posiva, 2008)
표 Table 3. Rock mass classification system used in Finland (Posiva, 2000)
표 Table 4. Specification and important R&Ds of site-specific URLs (after, NEA, 2001, KIGAM, 2007, Wang et al., 2018)
표 Table 5. Important parameters regarding rock mechanics (SKB, 1998)
표 Table 6. Important parameters regarding thermal properties (SKB, 1998)
표 Table 7. Important parameters regarding hydrogeology (SKB, 1998)
표 Table 8. R&D works related with rock mechanics conducted in Finland (Posiva, 2006)
표 Table 9. Stepwise site characterization for a HLW disposal repository (한국지질자원연구원, 2016)
표 Table 10. Evaluation item and corresponding parameters excerpted from 'intact rock' item (KIGAM, 2019)
표 Table 11. Evaluation item and corresponding parameters excerpted from 'rock mass' item (KIGAM, 2019)
그림 Fig. 2. Areal distribution of rock types in domestic geological condition (KIGAM, 2019)

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 기본조사 및 상세조사에서 요구되는 다양한 분야 중 암반공학적 요소를 중심으로 조사를 수행했으며, 이를 통해 향후 연구 및 사업 진행 시 참고할 수 있는 기반자료를 제공하고자 하였다. 마지막으로 처분부지 선정과 관련하여 국내 연구현황을 정리하고 현재 한국지질자원연구원에서수행 중인 부지조사 연구와 향후 계획을 소개하고자 하였다.
본 논문에서는 고준위방사성폐기물 처분 부지조사와 관련된 연구사례를 조사하였다. 국내외적으로 통용되는 조사절차는 단계별로 진행되며 대개 3, 4단계를 거친다.
본 논문에서는 국내외 고준위방사성폐기물처분 부지조사와 관련된 연구사례를 조사하여 정리하였다. 특히, 기본조사 및 상세조사에서 요구되는 다양한 분야 중 암반공학적 요소를 중심으로 조사를 수행했으며, 이를 통해 향후 연구 및 사업 진행 시 참고할 수 있는 기반자료를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 국내외 고준위방사성폐기물처분 부지조사와 관련된 연구사례를 조사하여 정리하였다. 특히, 기본조사 및 상세조사에서 요구되는 다양한 분야 중 암반공학적 요소를 중심으로 조사를 수행했으며, 이를 통해 향후 연구 및 사업 진행 시 참고할 수 있는 기반자료를 제공하고자 하였다. 마지막으로 처분부지 선정과 관련하여 국내 연구현황을 정리하고 현재 한국지질자원연구원에서수행 중인 부지조사 연구와 향후 계획을 소개하고자 하였다.

제안 방법

먼저, 전국 규모의 조사를 수행하여 부적합 지역을 배제하고 남은 후보지에 대한 기본조사를 수행한다. 기본조사를 통해 부지 특성화 및 적합성 평가를 수행하고 대상 지역의주민의사를 확인하여 다음 단계인 상세조사를 수행한다. 핀란드의 경우, 1980년대부터 부지선정에 착수하여 전국 규모 조사, 예비 후보지 특성화, 상세조사에 각각 3년, 7년, 8년의 연구를 수행하였다(Posiva, 2000).
이는 문헌조사를 시작으로 광역/지역적 조사를 걸쳐 상세조사 단계로 진행되며 후보 부지의 특성을 다학제적으로 평가한다. 단계별로 진행되는 다양한 조사항목 중, 암반공학적 요소를 중점으로 사례를 정리했으며, 이 과정에서요구되는 암반공학적 평가인자와 관련된 연구동향을 정리하였다. 방사성폐기물처분 분야 기술 선도국들의 사례를 중심으로 하여향후 국내 방폐장 부지선정을 위한 연구를 수행할 때 참고할 수 있을 것으로 판단된다.
방사성폐기물처분 분야 기술 선도국들의 사례를 중심으로 하여향후 국내 방폐장 부지선정을 위한 연구를 수행할 때 참고할 수 있을 것으로 판단된다. 동시에 부지선정과 관련된 국내 연구 현황을정리하였다. 2016년 발표된 정부안에 따른 일련의 연구 동향을 정리하였고, 향후 한국지질자원연구원에서 수행할 연구 계획을 간략히 기재하였다.
상기 과정은 IAEA가 제안하고 있는 전반적인 가이드라인으로, 각 국가의 지질학적, 사회적, 정책적 특성을 반영하여 단계별 부지조사를 수행한다. 따라서 세부적인 구성이나 용어에서 일부 차이를 보일 수 있으며, 본 논문에서는 광역/기본조사 단계, 상세조사 단계로 대별하여 정리하였다.
이 중 암반공학적 요소를 포함한 마지막 두 조사 내용은 다음과 같다. 먼저 수리 조사는 각 부지 전역의 수리전도도 측정을위해 광범위하게 수행되었으며, 수리 시험 유닛(Hydraulic Testing Unit, HTU)을 이용한 더블패커 주입 시험과 유량계를 사용한 정수두 시험을 병행하였다. 주입 시험은 부지 당 수 백회, 정수두 시험은 이 보다 많은 수량을 수행하였으며 두 시험 결과는 양호한 호환성을 보였다.
방사성폐기물처분 부지선정을 위한 부지조사는 단계적으로 수행되는 것이 일반적이다. 먼저, 전국 규모의 조사를 수행하여 부적합 지역을 배제하고 남은 후보지에 대한 기본조사를 수행한다. 기본조사를 통해 부지 특성화 및 적합성 평가를 수행하고 대상 지역의주민의사를 확인하여 다음 단계인 상세조사를 수행한다.
주입 시험은 부지 당 수 백회, 정수두 시험은 이 보다 많은 수량을 수행하였으며 두 시험 결과는 양호한 호환성을 보였다. 무결암과 불연속면 부분의 수리전도도 차이를 조사하기 위해 2 m 간격의 패커 시험을 수행했으며, 동시에 심도에 따른 수리전도도 변화 양상을 파악하였다. 이러한 수리물성은 지반 모델링뿐만 아니라 그라우팅 성능 평가 등에 활용되었다.
이러한 수리물성은 지반 모델링뿐만 아니라 그라우팅 성능 평가 등에 활용되었다. 불연속면망의연결성을 파악하기 위한 장기 양수시험(long term pumping, interference test)을 수행하였고 지하수위를 측정하였다. 상기 자료들을 종합하여 지하수 유동 모델링을 수행했으며 이는 지역적 규모(regional scale, ~10 km)에서 부지 규모(site scale, ~3 km), 처분용기 규모(canister scale, ~10 m) 수준까지를 포함하였다.
부지 확정 단계(site confirmation stage)에서는 이전 단계에서 수집, 생산된 조사결과를 종합하여 처분장 건설 허가에 필요한결과를 도출한다. 상기 과정은 IAEA가 제안하고 있는 전반적인 가이드라인으로, 각 국가의 지질학적, 사회적, 정책적 특성을 반영하여 단계별 부지조사를 수행한다. 따라서 세부적인 구성이나 용어에서 일부 차이를 보일 수 있으며, 본 논문에서는 광역/기본조사 단계, 상세조사 단계로 대별하여 정리하였다.
불연속면망의연결성을 파악하기 위한 장기 양수시험(long term pumping, interference test)을 수행하였고 지하수위를 측정하였다. 상기 자료들을 종합하여 지하수 유동 모델링을 수행했으며 이는 지역적 규모(regional scale, ~10 km)에서 부지 규모(site scale, ~3 km), 처분용기 규모(canister scale, ~10 m) 수준까지를 포함하였다.
광역/기본조사를 통해 조건에 적합한 단수 혹은 복수의 부지로 후보지를 압축한다. 선정된 후보지에 대해 보다 정밀한 조사가 수행되며 특히, 심부지질 특성을 중점적으로 조사하기 때문에 선행 단계에 비해 더많은 수량, 심도의 시추공 조사를 수행한다. 다시 핀란드의 예를 들면, 기본조사를 수행한 5개 부지의 조사 결과와 추가 선정된 부지를 포함하여 상세조사를 수행할 4개(Romuvaara,Kivetty, Hästholmen, and Olkiluoto)의 부지를 선정하였다.
1차 선정된 후보 부지에 대한 부지 특성화 단계(site characterization)에서는 부지 적합성 검토에 필요한 상세정보를 수집한다. 실내시험과 현장시험 결과를 포함한 다양한 정보를 수집하고 예비 안정성 평가를 수행하여 가장 적합한 부지를 선정한다. 부지 확정 단계(site confirmation stage)에서는 이전 단계에서 수집, 생산된 조사결과를 종합하여 처분장 건설 허가에 필요한결과를 도출한다.
처분 개념 및 계획 단계(conceptual and planning stage)에서는 부지선정과 관련된 전반적인 계획(처분량, 일정, 예산 등)을 수립하고다음 단계에서 고려될 잠재적 후보 암종, 지질조건을 도출한다. 장기 안정성을 비롯한 기술적 실현 가능성뿐만 아니라 사회, 정책, 환경적인 요소를 포괄적으로 검토한다. 지역적/광역적 조사 단계(area survey stage)에서는 주 혹은 도 단위의 광역적 부지에 대한 적합성 검토를 수행한다.

대상 데이터

다시 핀란드의 예를 들면, 기본조사를 수행한 5개 부지의 조사 결과와 추가 선정된 부지를 포함하여 상세조사를 수행할 4개(Romuvaara,Kivetty, Hästholmen, and Olkiluoto)의 부지를 선정하였다.
단계별로 중복되는 인자가 있으나 이는 단계가 심화될수록 그 정밀도 및 조사 수량을 높여 측정하는 방식으로 구성되어, 독립적인 인자는 총103개이다. 평가항목 및 인자 선정은 국내외 선행연구 결과를 종합적으로 고려하고 전문가 자문의견을 수렴하여 선정하였다. 무결암, 암반 항목을 예로 들면 각각 Table 10,Table 11과 같다.

이론/모형

핀란드는 시공성(constructability) 평가를 위해 Q-system과 함께새로운 암반 분류법을 사용하였다. 이 분류법은 크게 네 가지 평가인자로 구성되었으며 상세한 구성은 Table 3과 같다.

성능/효과

이 단계에서는 문헌조사 위주로 연구가 수행되었기 때문으로 판단되며, 1990년 예비조사 단계에서부터 관련 연구의 보고서가 발행되기 시작하였다. 단계별로 살펴보면, 예비조사 단계에서 총7편의 보고서가 발행된 데 비해 상세조사 단계에서는 그 수가 29편으로 증가하였고, 부지 확정 후에는 더욱 증가한 것을 확인할 수 있다. 보고서의 주제별로 살펴보면 무결암, 불연속면, 열물성 조사 연구는 전 조사 단계별로 비교적 균등하게 수행되었으며, 이에 비해 암반분류, 부지 특성, 응력특성, 현지 측정 및 모니터링 관련 연구는 비교적 후반부에 집중적으로 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
단계별로 살펴보면, 예비조사 단계에서 총7편의 보고서가 발행된 데 비해 상세조사 단계에서는 그 수가 29편으로 증가하였고, 부지 확정 후에는 더욱 증가한 것을 확인할 수 있다. 보고서의 주제별로 살펴보면 무결암, 불연속면, 열물성 조사 연구는 전 조사 단계별로 비교적 균등하게 수행되었으며, 이에 비해 암반분류, 부지 특성, 응력특성, 현지 측정 및 모니터링 관련 연구는 비교적 후반부에 집중적으로 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 Olkiluoto 지역 확정 및 Onkalo를 활용한 연구를 수행하면서 나타난 추세로 파악된다.
먼저 수리 조사는 각 부지 전역의 수리전도도 측정을위해 광범위하게 수행되었으며, 수리 시험 유닛(Hydraulic Testing Unit, HTU)을 이용한 더블패커 주입 시험과 유량계를 사용한 정수두 시험을 병행하였다. 주입 시험은 부지 당 수 백회, 정수두 시험은 이 보다 많은 수량을 수행하였으며 두 시험 결과는 양호한 호환성을 보였다. 무결암과 불연속면 부분의 수리전도도 차이를 조사하기 위해 2 m 간격의 패커 시험을 수행했으며, 동시에 심도에 따른 수리전도도 변화 양상을 파악하였다.

후속연구

동시에 부지선정과 관련된 국내 연구 현황을정리하였다. 2016년 발표된 정부안에 따른 일련의 연구 동향을 정리하였고, 향후 한국지질자원연구원에서 수행할 연구 계획을 간략히 기재하였다. 고준위방사성폐기물의 안전한 처분을 위하여 종합적인 부지 특성화, 특히 심부 암반의 특성화가 요구되며 이를 위해다양한 지체구조별, 암종별 심부 암반 특성화 연구를 수행할 계획이다.
2016년 발표된 정부안에 따른 일련의 연구 동향을 정리하였고, 향후 한국지질자원연구원에서 수행할 연구 계획을 간략히 기재하였다. 고준위방사성폐기물의 안전한 처분을 위하여 종합적인 부지 특성화, 특히 심부 암반의 특성화가 요구되며 이를 위해다양한 지체구조별, 암종별 심부 암반 특성화 연구를 수행할 계획이다. 이를 통해 향후 활용도가 높은 기반자료를 생산하고자 하며이는 연구 진행에 맞추어 발표될 예정이다.
현재 사용후핵연료는 각 원전 내 임시저장시설에 저장 중이며 향후 발생량을 고려할 때, 2021년 월성원전을 시작으로 각 원전 임시저장시설의 순차적인 포화가 예상된다. 따라서 조속한 대책 마련이 시급한 실정이나, 2016년 예고되었던 고준위방사성폐기물 관리법 입법이 중지되고 재검토-공론화위원회가 출범하는 등, 향후 사용후핵연료 관리 정책 수립 및 연구 진행에 난항이 예상된다.
국토의 효율적인 활용이 중요하다는 점을고려하면, 처분 후보 부지를 결정질암으로 예단할 필요가 없으며 다양한 암종과 그 지역적 특성을 종합적으로 고려하여 판단하여야한다. 따라서 한국지질자원연구원에서는 이러한 국내 지질학적 조건을 고려하여 다양한 지체구조별, 암종별 특성화 연구를 수행하고 있으며, 다수의 대심도 시추공 시추를 통해 다학제적 심부 암반 특성 연구를 수행할 계획이다. 이를 통해 향후 실제 부지 선정 과정시 활용할 수 있는 폭넓고 신뢰도 있는 기반자료를 생산하고자 하며 연구가 진행됨에 따라 연구 결과를 순차적으로 발표할 예정이다.
단계별로 진행되는 다양한 조사항목 중, 암반공학적 요소를 중점으로 사례를 정리했으며, 이 과정에서요구되는 암반공학적 평가인자와 관련된 연구동향을 정리하였다. 방사성폐기물처분 분야 기술 선도국들의 사례를 중심으로 하여향후 국내 방폐장 부지선정을 위한 연구를 수행할 때 참고할 수 있을 것으로 판단된다. 동시에 부지선정과 관련된 국내 연구 현황을정리하였다.
따라서 한국지질자원연구원에서는 이러한 국내 지질학적 조건을 고려하여 다양한 지체구조별, 암종별 특성화 연구를 수행하고 있으며, 다수의 대심도 시추공 시추를 통해 다학제적 심부 암반 특성 연구를 수행할 계획이다. 이를 통해 향후 실제 부지 선정 과정시 활용할 수 있는 폭넓고 신뢰도 있는 기반자료를 생산하고자 하며 연구가 진행됨에 따라 연구 결과를 순차적으로 발표할 예정이다.
고준위방사성폐기물의 안전한 처분을 위하여 종합적인 부지 특성화, 특히 심부 암반의 특성화가 요구되며 이를 위해다양한 지체구조별, 암종별 심부 암반 특성화 연구를 수행할 계획이다. 이를 통해 향후 활용도가 높은 기반자료를 생산하고자 하며이는 연구 진행에 맞추어 발표될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	결정질암의 장단점은 무엇인가?	현재 전세계적으로 잠재적인 방폐장 처분 모암으로서 고려되는 암종은 결정질암, 퇴적암, 응회암, 암염 등이 있다. 고준위방사성폐기물의 안전한 처분이라는 관점에서 볼 때, 결정질암의 장점은 높은 강도, 낮은 투수성 및 화학 반응도 등이며 단점은 낮은 굴착성(excavatability), 복잡한 지질 구조 등을 들 수 있다. 반면에 셰일 등의 퇴적암은 낮은 투수성, 자체 밀폐 및 높은 흡착성능이 장점이며낮은 강도 및 그에 따른 역학적 안정성 저하가 단점이다.
	방사성폐기물의 처분이란 무엇인가?	방사성폐기물의 처분이란 ‘방사성폐기물을 인간의 생활권으로부터 영구히 격리시키는 것’으로 정의되며, 고준위방사성폐기물,즉 사용후핵연료는 처분 시스템에 적치되어 최소 10만 년 이상의 기간 동안 격리되어야 한다. 현재까지 제안된 다양한 처분 개념 중,심층 암반에 구조물을 건설하여 지층에 처분하는 방식이 가장 현실적인 방안으로 여겨지고 있으며, 이를 위해 자세하고 정밀한 부지조사가 선행되어야 한다(IAEA, 2011).
	고준위방사성폐기물 처분을 위한 부지 선정을 장시간에 걸쳐 해야 하는 이유는 무엇인가?	우리나라는 1978년부터 원자력발전소를 운영해왔으며 그에 따른 고준위방사성폐기물 발생이 누적되고 있다. 이를 안전하게 처분하기 위한 영구 처분시설이 시급한 실정이나 처분 부지를 선정하는 과정에서 광범위하고 정밀한 부지조사가 요구되기 때문에 장기간에 걸친 조사가 선행되어야한다. 이러한 부지조사는 단계별로 진행되는 것이 일반적이며 이 과정에서 다학제적 평가가 이루어진다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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