서 론

고준위방사성폐기물(high-level radioactive wastes, HLW)은 높은 방사능과 열로 인해 최소 10만년이 넘는 장기간 동안 생물권으로부터 완전히 격리되어야 한다. 현재 고준위방사성폐기물의 장기간 격리를 위해 지하 심부에 처분하는 심층처분방식(deep geological disposal)이 가장 현실적인 기술로 인식되어 많은 국가에서 적용하고 있다.

고준위방사성폐기물의 심층처분을 위한 부지를 선정하기 위해 전 세계 많은 국가가 단계적 부지 선정 과정을 채택하여 적용하고 있다. 단계적 부지 선정 방법이란 최종 처분 부지를 한번에 결정하는 것이 어렵기 때문에 조사 대상 지역의 수를 점차적으로 단계별로 줄여 나가 최종 처분 후보부지를 선정하는 방식이다. 국제원자력기구(IAEA)는 단계적 접근법에 따라 최종 후보부지를 선정하도록 권고하고 있으며, 핀란드, 스웨덴, 스위스, 일본 등 많은 국가도 현재 단계적 부지 선정 방법을 따르고 있다(IAEA, 1994; Nagra, 2016; NUMO, 2004; Posiva, 1999; SKB, 1998). 국내에서도 고준위방사성폐기물 처분 후보부지를 선정하기 위해서 단계적 부지 선정 방법에 근거하여 처분 후보부지를 선정하는 것을 최선의 방법으로써 고려될 수 있다.

단계적 부지 선정 방법을 효과적으로 진행하기 위해서는 국내 지질환경에 적합한 단계별 지질환경 평가요소 구축이 선행되어야 한다. 특히 심층처분을 위한 여러 후보부지를 공정하게 평가하기 위해 정해진 평가요소와 조사방법에 맞춰 조사를 수행하는 것이 매우 중요하다. 체계적으로 갖추어진 평가요소 없이 심층처분 후보부지를 조사하고 평가하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 해외 선도국의 경우에도 각 국가의 지질환경에 맞추어 후보부지 선정을 위한 단계별 지질환경 평가요소를 제안하여 적용하고 있으며 국내의 경우도 국내 지질환경에 맞는 적합한 단계별 지질환경 평가요소가 필요하다(KIGAM, 2016; NUMO, 2004; Park et al., 2017; Posiva, 2000; SKB, 1998). 대표적으로 고준위방사성폐기물 처분의 선도국인 핀란드는 3단계 조사방법론에 근거하여 최종 Olkiluoto에 처분부지를 확정하고 현재 처분장 건설 중에 있다. 핀란드는 1단계 부지식별조사단계(site identification survey)에서 전 국토를 대상으로 조사와 평가를 실시하였고, 2단계 예비부지특성화단계(preliminary site characterization)에서는 암반 구조, 지하수 유동 시스템을 중심으로 조사와 평가를 하였으며, 3단계 상세부지특성화단계(detailed site characterization)에서는 암반 및 수리화학 단열 특성 데이터 확보에 중점을 두고 조사를 실시하였다(posiva, 1999).

2016년 5월 25일에 발표된 ｢고준위방사성폐기물 관리 기본계획(안)｣(2016.7.25 확정)에 따르면 최종 처분부지 선정은 3단계 12년에 걸쳐서 선정하게 되어있다(MOTIE, 2020). 정부안에 따라서 Choi et al.(2017)은 3단계 지질조사 방법론을 제시한 바 있다. 제시된 3단계 지질조사 방법론에 맞추어 Choi et al.(2017)은 후보부지 선정 단계별 지질환경 평가요소를 제안하였으나, 평가요소로써 제시한 평가항목과 평가인자의 정의가 분명하지 않았고, 조사단계별 수행되어야 하는 평가항목과 평가인자에 대한 수정보완이 필요하였다.

본 기술보고서에서는 Choi et al.(2017)에서 제시된 단계별 평가항목과 평가인자를 바탕으로 하여, 평가요소로써 평가항목과 평가인자의 정의를 명확히 하고 재분류하였다. 이를 통해 평가항목별 평가인자의 수준(level)을 일치시키고 평가인자를 추가적으로 도출하여 후보부지 선정 단계별 지질환경 평가요소를 새롭게 제안하고자 한다.

후보부지 선정을 위한 단계별 지질환경 평가요소 분류체계

단계별 지질환경 평가요소 분류체계는 처분 후보부지 선정을 위한 지질환경 조사단계의 특징에 맞춰서 갖추어진 계층구조에 각 조사단계에서 평가해야 할 복수의 지질환경 평가요소를 설정한 체계를 말한다. 이에 따라 국내 지질환경에 적합한 평가요소를 제안하기 위해서 먼저 국내 환경에 맞추어 제안되어진 지질환경 조사단계의 특징에 대한 이해와 평가요소를 분류하기 위한 계층구조 및 분류 정의를 명확히 하는 것이 필요하다.

Choi et al.(2017)에서 제시한 3단계 지질조사 방법론은 다음과 같다. 첫 번째 단계는 부적합지역 배제에 해당하는 문헌조사단계로서 전국을 대상으로 기존 지질자료와 참고문헌 등을 통해 조사를 실시한다. 현장조사는 문헌조사의 검토를 위해서만 최소한으로 수행한다. 주로 평가인자의 배제조건을 바탕으로 기준에 부합하지 않을 때는 심층처분 후보부지에서 배제하여 첫 번째 단계의 평가 기준을 만족하는 복수의 심층처분 후보부지를 선정하게 된다. 문헌조사단계 이후 부지공모 과정을 거치게 된다.

두 번째 단계는 부지 기본조사에 해당하는 단계로 문헌조사단계 평가 기준을 만족한 심층처분 후보부지를 대상으로 조사를 수행한다. 주로 지표지질조사가 중심이 되며, 시추조사는 최소 수량으로 실시한다. 기본조사단계에서는 평가인자에 대한 정량적인 지질특성 값과 정성적인 지질특성 값을 얻기 위한 조사를 실시한다. 지질특성 값을 이용하여 부지평가 단계에서 배제조건과 선호조건이 모두 적용이 가능하다. 이 결과를 통해 세 번째 단계의 평가를 위한 복수의 심층처분 후보부지를 제안하게 된다. 또한 이 단계 이후 주민의사 확인 과정을 거치게 된다.

세 번째 단계는 부지 심층조사에 해당하는 단계로서 기본조사단계의 평가 기준을 만족한 심층처분 후보부지를 대상으로 조사를 실시한다. 현장정밀조사를 실시하며 지표지질조사와 시추조사를 병행하고 주로 시추조사를 중심으로 수행하여 심부 지질환경을 상세히 조사하게 된다. 조사에 필요한 시추공 수는 기본조사단계에 비해 증가하게 되며, 시추 심도도 깊어질 수 있다. 심층조사단계를 통해 얻어진 지질특성 값을 이용하여 3차원 통합 지질모델을 구축하게 된다. 심층조사단계의 조사결과를 통한 부지평가를 실시하여 최종 심층처분 후보부지를 선정하게 되고, 선정된 최종 심층처분 후보부지는 인허가 과정을 거쳐 영구처분장이 건설된다.

본 기술보고서에서는 Choi et al.(2017)이 제시한 3단계 지질조사 방법론에 근거하여 단계별 지질환경 평가요소를 평가항목(item)-평가인자(parameter) 계층구조로 구분하였다. Choi et al.(2017)은 조사단계별 조사해야 할 지질요소를 평가부문(aspect)-항목(item)-인자(parameter) 계층구조로 구분하여 평가요소를 도출하였지만, 도출된 평가부문은 관련된 학문(예: 지질공학/암반공학), 연구 대상 또는 매체(예: 지질, 지질구조, 지진, 제4기 지질, 수리지질, 지구화학) 등이 구분 없이 사용되어 평가요소의 정의에 혼란을 주고 있다. 그리고 Choi et al.(2017)이 제시한 평가항목의 많은 부분이 여러 학문 분야에서 공통적으로 연구되거나, 협력하여 연구되어야 할 대상 또는 매체이므로 학문에 따른 평가부문의 구분은 큰 의미가 없다. 따라서 평가부문은 분류체계에 혼란을 가져올 가능성이 높기 때문에 삭제하였다. 본 기술보고에서는 분류체계를 명확하게 하기 위해서 평가항목과 평가인자를 다음과 같이 정의하였다. 평가항목은 지질환경 조사와 평가 시에 요구되는 조사 대상 또는 매체를 의미하며, 평가인자는 조사 대상 또는 매체의 다양한 특성을 의미한다. 예를 들면, 단층은 평가항목이며 단층의 위치, 길이, 고려거리 등은 평가인자가 된다. 따라서 평가인자는 정량적 또는 정성적인 값으로 분명하게 제시될 수 있어야 하며, 값으로 분명히 제시되기 어렵다면 평가인자로 사용하기 어렵다. 이 정의에 따르면 Choi et al.(2017)에서 제시한 일부 평가인자는 평가항목에 해당하며, 반대로 일부 평가항목은 평가인자에 해당한다. 예로, Choi et al.(2017)의 분류에서는 암종과 단층이 인자로 제안되었으나, 이번 분류에서는 항목으로 분류되었다. 반대로 현장응력은 Choi et al.(2017)의 분류에서 항목으로 제안되었으나 이번 분류에서는 인자로 재분류되었다(Table 1).

Table 1. Typical modifications of the assessment factors in this study, compared with those in Choi et al. (2017)

후보부지 선정을 위한 단계별 평가항목 및 평가인자

암종 항목 및 평가인자

암종은 암석의 종류를 뜻하며 처분 후보부지 선정에 가장 중요한 항목이다. 암종 항목이 고준위방사성폐기물 심층처분에 중요한 이유는 암종마다 가지는 고유한 지질학적 특성이 다르기 때문이다. 예컨대 열적 특성, 역학적 특성, 화학적 조성이 암종마다 다르게 나타나며, 이를 통해 암석의 열물성, 단열 발달, 지하수 조성 등이 달라진다. 뿐만 아니라 암종에 따라 고준위방사성폐기물의 처분시스템이 달라진다.

암종 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 먼저 암종의 분포를 파악하기 위해 단계별로 축척을 달리하여 지질도를 작성하여야 한다. 한국지질자원연구원에서 발간되는 지질도폭을 사용할 수 있으며, 각 조사단계에 맞는 축척의 지질도폭을 참고하여 문헌조사 및 현장조사를 실시한다. 1단계 문헌조사단계에서는 전국규모 조사를 위해 한국지질자원연구원에서 발간한 1:25만 통합지질도(KIGAM, 2019)를 기초자료로 활용할 수 있다(Fig. 1). 2단계 기본조사단계와 3단계 심층조사단계에서는 지질도의 축척보다 더 큰 축척의 지형도를 이용하여 조사를 수행한다.

Table 2. Geoscientific site assessment parameters of the rock type, ore deposit, lineament, fault, earthquake, and volcano items in relation to the geological investigation stages

Fig. 1.

250k Harmonized geological map 2019 ver. published by KIGAM (KIGAM, 2019), and this figure legend will be accessed on KIGAM website from 2021.

암종의 면적과 부피는 처분암종이 분포하는 지표면적과 부피를 의미한다. 국내에서 발생한 고준위방사성폐기물의 양을 고려하여 계산된 처분에 필요한 최소한의 부피가 확보 되어야 한다. 최소한의 부피가 확보 되지 못하면 암종이 좋더라도 그 지역에 처분할 수가 없게 된다(Choi et al., 2017). 1단계에서는 문헌조사를 바탕으로 수행되는 만큼 지표 중심으로 암종 분포 면적을 파악하고, 2단계와 3단계에서는 지표조사와 시추조사를 통해서 처분암종의 부피를 추정한다.

암종의 광물조성은 암석을 구성하는 광물의 집합체를 의미하며, 동일 암종이라도 암석의 광물조성은 암종이 바뀌지 않는 범위에서 다르게 나타날 수 있다. 또한 암석은 오랜 시간 동안 물-암석 반응, 열수작용 등 다양한 반응을 겪으면서 암석의 광물조성이 달라질 수 있다. 광물조성으로 인해 수리화학 특성이 달라지며, 지하 암반 단열 내 이차광물과 단열충전광물에 의해서도 수리화학 특성이 달라질 수 있다. 그렇기 때문에 2단계와 3단계 조사에서 심부 암석에 대한 구체적인 광물조성 조사가 필요하며, 조사된 광물조성은 핵종 이동 모델의 데이터로 활용될 수 있다.

모암 다양성은 부지에 분포하는 암종의 다양성을 의미하는 것으로 부지 내 분포하는 암종의 개수를 나타낸다. 부지 내 분포하는 암종의 개수가 증가하면 암종 간의 경계면 수도 증가하여 지질구조가 복잡해지며, 경계면이 많다는 것은 암석역학 측면에서도 불리하여 처분장 설계 시 고려해야 할 사항이 많아진다는 것을 의미한다. 그래서 처분장이 위치할 곳은 단일 암종이 선호된다.

모암의 균질성은 처분장이 위치하는 곳의 암석의 균질성을 의미하는 것으로 같은 암종이라도 한 지역에서 암석의 상이 균질하지 않을 수 있다. 모암이 균질할수록 장기적으로 고려해야 할 변수가 줄어들어 모암이 균질한 지역이 처분부지로 선호된다. 모암 균질성은 처분장이 위치할 처분 깊이에서 조사가 이루어져야 하므로 2단계와 3단계 시추조사를 통해 수행되어야 한다.

광상 항목 및 평가인자

광상은 인간생활에 유용하게 사용되는 천연 광물자원이 농집되어 있는 부분을 말하며, 광물자원이 농집되어 있는 지역은 잠재적 이용과 개발 가능성이 있으므로 그 지역은 처분 후보부지로 부적합하여 배제하게 된다. 현재 광물자원이 개발되고 있는 지역, 휴폐광산, 미래 개발 가능성이 있는 지역은 처분 후보부지에서 모두 배제해야 한다. 또한 현재는 경제적 가치가 없더라도 미래에 유용할 수 있는 광물자원이 발견되는 지역도 배제될 수 있다.

광상 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 1단계에서는 1:250k 축척으로 기존에 조사된 광산을 중심으로 전국규모의 문헌조사를 실시한다. 1단계에서 조사가 실시되더라도 1:250k 축척으로 소규모 광상을 확인하는데 어려움이 있으므로, 2단계는 1:50k, 3단계는 1:25k 축척으로 소규모 광상 분포 지질조사를 실시한다.

국내에는 휴광, 폐광, 가행광을 포함하여 약 2,600개의 금속, 비금속, 석탄 광산이 있다. 광상이 존재하는 지역의 광상 종류를 기본적으로 파악하는 것이 중요하다. 왜냐하면 광상의 종류에 따라서 광상의 분포와 조사 방식이 달라지기 때문이다. 따라서 광상 종류는 모든 단계에서 조사가 이루어져야 한다.

광상으로부터 거리는 1단계 전국규모에서는 축척이 작기 때문에 광상으로부터의 거리를 조사하는 것은 의미가 거의 없으며, 2단계와 3단계 부지규모에서는 광상으로부터의 거리를 조사할 필요가 있다.

선형구조 항목 및 평가인자

선형구조는 지표상에서 발견할 수 있는 직선과 완곡의 지형요소로 단층, 파쇄대, 습곡축, 지질경계 등의 대규모 구조요소를 반영한 것이다(Hobbs et al., 1976). 선형구조는 고준위방사성폐기물 처분장 건설에서 선도국인 핀란드에서 가장 중요하게 고려했던 요소 중 하나이다. 선형구조가 중요한 이유는 지질도 작성 시에 인지되지 않았던 단층대 또는 단열대를 고려할 수 있는 보수적인 접근법이기 때문이다.

선형구조 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 먼저 선형구조들에 의해 구획되어있는 안쪽 공간은 상대적으로 안정한 지역으로 볼 수 있다(Posiva, 1999). 선형구조의 위치를 파악하여 구조적으로 안정한 지역을 찾는 것이 장기지질안정성을 위해 중요한 접근법으로 고려될 수 있다. 1단계 전국규모에서의 선형구조의 위치와 길이는 한국지질자원연구원에서 발간한 선형구조도(KIGAM, 2019)를 활용할 수 있다(Fig. 2).

Fig. 2.

Lineament map 2019 ver. published by KIGAM (KIGAM, 2019).

선형구조의 길이는 선형구조의 등급을 구분할 때 중요하게 사용된다. 핀란드는 최종 처분 후보부지를 선정할 때, 선형구조의 길이와 폭을 기준으로 등급(class)을 구분하고 점점 그 구획을 좁혀서 안정한 공간을 찾는 방법을 적용하였다. 여기에서 폭은 불확실성이 높아 길이가 폭에 비해 더 큰 중요성을 가진다. 이를 고려하여 1단계에서는 길이가 긴 대규모 선형구조를 조사하고, 2단계와 3단계에서 길이가 짧은 소규모 선형구조를 조사하는 것이 필요하다.

단층 항목 및 평가인자

단층은 외력에 의해 지각 변형이 일어나 생긴 취성지질구조 중 두 지괴가 이동 변위를 가지고 어긋난 구조를 의미한다. 형성된 단층은 역학적으로 취약하며, 많은 경우 지표수와 지하수 유동의 통로 역할을 하게 된다. 또 단층이 처분시설을 직접적으로 타격할 경우 처분시설의 폐쇄성을 무너뜨릴 수 있다. 고준위방사성폐기물 처분장이 장기간 인간 생활권으로부터 격리되어 있기 위해서 지각 변위나 취성변형 작용이 일어나는 곳에 처분한다는 것은 상당히 위험하다. 따라서 단층은 매우 중요하게 조사가 이루어져야 하는 항목이다.

단층 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 먼저 단층이 있는 지역은 장기지질안정성에 취약하기 때문에 단층의 위치를 파악하여 그 위치에는 처분장이 건설되어서는 안 된다. 1단계에서는 축척이 작기 때문에 큰 단층을 중심으로 조사를 수행하며, 2단계와 3단계에서는 소규모 단층을 포함하여 더 자세한 조사가 이루어져야 한다. 1단계 전국규모 조사에서는 한국지질자원연구원에서 발간한 1:25만 단층도(KIGAM, 2019)를 통해 단층의 위치와 길이를 조사할 수 있다(Fig. 3).

Fig. 3.

250k Fault map 2019 ver. published by KIGAM (KIGAM, 2019).

단층의 길이는 단층의 규모를 판단하기 위해서 중요하기 때문에 조사와 평가가 되어야 하는 인자이다. 또한 단층의 연장에 대한 이해를 위해서도 필요하다. 발달하고 있는 단층과 단층 사이가 서로 연결된 연결단층대(hard-linked faults)가 존재하거나 또는 기하학적으로 연결되지는 않지만 연성 변형작용을 통해 공유(soft-linked faults)하는 형태로 존재하는지 등의 단층 특성이 면밀히 조사되어야 한다(Trudgill and Cartwright, 1994).

단층의 이동 특성은 주향이동단층, 역단층, 정단층이 있으며, 단층의 이동 특성 조사를 통해 장기지질안정성을 평가할 수 있다. 역단층의 경우 상반은 이차적인 단층과 절리가 생길 수 있기 때문에 역학적으로 불리하다. 정단층은 수직응력이 수평응력과 비교하였을 때 더 우세하여 전단 미끄러짐 현상이 발생할 가능성이 높다. 그렇기 때문에 장기지질안정성의 평가를 위해 단층의 이동 특성에 대해 조사가 필요하다.

단층의 고려거리(respect distance)는 단층으로부터 직접적으로 영향을 받은 영향범위(influence range)와 단층 위치의 불확실성을 고려한 안전거리(safety distance)를 더한 값이다. 영향범위는 단층의 기하학적 특성, 단층의 운동 이력, 운동 특성, 운동사를 고려하여 결정한다. 단층의 기하학 특성에는 단층의 연결구조, 단층손상대 등 다양한 지질학적 현상이 고려된다. 고려거리 설정을 위해 암석 역학적 분석과 수리지질학적 분석이 함께 수행되어야 한다. 고려거리는 2단계와 3단계 부지 규모에서 조사가 수행되어야 한다.

제4기 단층 여부는 단층운동의 재발생으로 인해 지각변형이 일어날 수 있는 가능성이 큰 지역을 조사하고자 하는 것으로, 이러한 지각변형은 지진을 동반하게 된다. 지각변형과 지진은 처분장을 굉장히 취약하게 하기 때문에 제4기 단층 여부는 중요한 인자로 구분하여 조사하는 것이 필요하다.

단층손상대(fault damage zones)는 단층대의 주된 구조적 단위로 습곡과 단열 등 단층운동으로 인한 2차 지질구조를 관찰할 수 있다. 일반적으로 단층손상대에 있는 단열과 다른 불연속면들은 수리지질학적으로 투수성을 크게 만든다. 또한 암석 역학적으로 강도도 저하된다.

지진 항목 및 평가인자

지진은 지구 내부의 축적된 에너지가 단층의 형태로 짧은 시간 방출되는 것으로, 이때 발생한 지진파는 주변부로 전파된다. 우리나라는 판 내부에 위치하고 있어서 판 경계부 지역에 비해 상대적으로 지진의 발생 규모와 발생 빈도는 적다. 그러나 역사 및 계기 지진 자료에 의하면 지속적으로 지진이 발생하고 있으며, 특히 최근에 경주 및 포항 지진 등 비교적 규모가 큰 지진이 발생하였기 때문에 주의 깊게 고려되어야 하는 항목이다.

지진 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 지진은 발생 규모와 발생 빈도로 크게 구분 지을 수 있다. 먼저 발생 가능 최대 지진 규모는 지진으로 발생하는 피해를 경감시키기 위해 예측할 필요가 있다. 단층에서의 지진에너지는 유한하기 때문에 발생 가능 최대 지진 규모가 항상 존재한다(Lee et al., 1998). 지체구조구별로 지진의 확률분포 등을 이용하여 최대지진동 크기를 예측할 수 있다(Kim et al., 2001). 발생 가능 최대 지진 규모 예측은 부지평가에도 활용 될 수 있으며, 처분장의 내진설계에서도 사용될 수 있다.

지진 발생 규모가 크면 안정성이 취약한 것과 마찬가지로 지진이 자주 발생하는 지역 역시 상대적으로 부지의 장기지질안정성에 취약할 수밖에 없다. 최근 국내에서도 지진이 빈번하게 발생하고 있고, 그 규모 또한 크게 나타나고 있기 때문에 지진 발생 빈도 역시 부지에서 반드시 조사와 평가가 되어야 할 인자이다.

화산 항목 및 평가인자

화산활동은 마그마가 분출하는 현상을 말하며, 넓게는 광화작용, 화성암의 관입, 그리고 암석의 변질작용 등 마그마 작용에 의한 것도 화산활동으로 간주한다. 화산활동은 지각의 움직임을 야기하며, 주변 암반의 강도도 저하시켜 처분장의 안정성에 위협을 가할 수 있고 암석의 변성과 수리특성 변화를 가져와 방사성 핵종 이동과 처분부지의 장기 예측을 크게 변화시킬 수 있다.

화산 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 2와 같다. 먼저 화산의 위치를 조사하여 과거 화산활동이 있었던 지역과 미래에 화산활동이 있을 수 있는 지역을 배제하여야 한다. 화산 중에서도 제4기 화산은 제4기의 지질학적 기간 동안 화산활동이 있었던 화산을 말하며, 현재 남한의 제4기 화산으로 기록되고 있는 화산은 제주도 한라산과 울릉도 성인봉이 있다.

분화규모(volcanic explosivity index, VEI)는 미국지질조사소(USGS)와 하와이대학이 제시한 화산 분화규모를 나타내는 지수로, 이 지수는 화산 분출물의 총량과 분연주의 높이 등으로 결정된다(USGS, 2020). 화산 근처 주변 지역은 화산의 분화 규모에 따라 영향을 미치는 주변 지역의 범위가 다르게 나타난다. 화산의 분화규모가 작을 때는 영향범위가 작지만, 클수록 그 영향범위가 커지기 때문에 처분장을 건설함에 있어서 분화규모에 따른 영향범위를 고려해야 한다.

융기/침강 항목 및 평가인자

고준위방사성폐기물 처분장의 안정성이 요구되는 시간은 최소 10만년 이상이다. 이 긴 시간 동안 처분장 위치의 지반이 융기하여 점점 지표 가까이 오게 되면 처분장의 안정성에 큰 악영향을 줄 뿐 아니라 생태계를 위협할 수 있다. 융기/침강은 지역적 또는 광역적으로 지구조적 변형을 야기할 수 있으며, 지하수 유동을 바꿀 수 있고, 지화학적 환경에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대 환원환경에 위치해 있던 처분장은 지반의 융기로 인해 주변 환경이 산화환경으로 변화될 수 있다. 융기/침강이 우세하면 장기간에 걸친 지질환경 변화를 예측하는데 있어서도 어려움이 있다. 그렇기 때문에 융기/침강이 심한 지역은 피해서 처분장이 건설되어야 한다.

융기/침강 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 3과 같다. 먼저 융기율/침강율은 처분장의 처분심도를 결정하는데 중요한 요소로서 우선적으로 조사와 평가가 되어야 하는 인자이다.

Table 3. Geoscientific site assessment parameters of the uplift/subsidence, hydrogeology, and geothermal properties items in relation to the geological investigation stages

해수면은 빙하의 증가와 감소, 지구온난화 등 다양한 요인에 의해 변동이 일어난다. 해수면 변동에 의한 영향으로는 대표적으로 해수 범람에 따른 피해와 지표 및 지하의 수문평형 변화가 있다. 해수면 변동은 지반의 융기/침강과도 밀접한 관련이 있으므로 이를 종합적으로 조사함으로써 해수면 변동이 처분장에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

GNSS(global navigation satellite system)은 위성항법시스템으로 인공위성을 이용하여 지각의 고도와 이동속도 등에 관한 정보를 제공하는 시스템을 말한다. 이 시스템을 활용하여 지진에 의해 발생하는 수직변위를 측량하고 분석할 수 있으며, GNSS 수직변위량 데이터 분석을 통해 현 시점의 한반도 지각의 수직적 움직임 분석이 가능하다. 그렇기 때문에 GNSS 수직변위량은 융기/침강 항목에서 조사와 평가가 되어야 할 인자이다.

퇴적과 침식은 지형변화를 일으킬 수 있으며, 지반의 융기/침강과 해수면 변동에크게 영향을 받을 수 있다. 퇴적과 침식은 침강, 융기와 동일한 효과를 내므로 퇴적률과 침식률이 높은 지역은 처분장 후보 지역으로 부적합하다. 뿐만 아니라 퇴적률이 높은 지역은 미고화 퇴적층이 두껍게 퇴적될 수 있는데 미고화 퇴적층은 강도가 낮기 때문에 처분장 지역으로 부적합하다. 따라서 처분장이 위치할 지역은 퇴적률과 침식률이 낮아야 한다.

수리지질 항목 및 평가인자

지하수는 미래에 어떠한 외력으로 인해 처분장에서 방사성 핵종이 누출 되었을 경우 방사성 핵종이 지하수에 용해되어 다른 곳으로 이동해 갈 수 있도록 하는 주 매개체 역할을 할 수 있다. 따라서 지하수의 흐름을 이해하는 것은 처분장의 장기지질안정성에서 매우 중요하게 고려되어야 하는 항목이다.

수리지질 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 3과 같다. 지하수위를 통해 부지의 지하수 흐름에 대한 정보를 얻을 수 있다. 지하수위 변동을 조사하는 것은 지하매질에서의 지하수 유동에 대한 가장 기초적인 정보를 제공한다. 지속적인 지하수위 모니터링을 통해 지하수위 변동을 예측할 수 있으며, 지하수위 자료를 이용하여 수두구배를 계산해서 지하수 속도장을 얻을 수 있다. 그리고 지하수 오염물 거동 모델링의 입력 변수로 활용할 수 있다.

지하수 유동(유속, 유향)은 지하수의 속도와 흐름의 방향이 방사성 핵종의 이동과 주변 환경의 방사성 핵종 오염에 상당히 큰 영향을 미치므로 중요하게 고려되어야 한다. 지하수의 유속은 느릴수록 방사성 핵종의 이동을 지연시킬 수 있다.

수리전도도(hydraulic conductivity)는 다공성 지하매질의 투수성을 말하며, 지하수 흐름의 용이성을 나타내는 값이다. 특히 수리전도도는 암반의 파쇄대, 절리 등의 공간을 통해 그 값이 주로 커지는 경향을 보인다. 지하수 유동 관점에서 지하수 속도의 크기와 분포는 수리전도도에 의해 결정이 된다. 이러한 수리전도도는 지하수 모델링의 주요 변수 계수로 사용될 수 있다.

물리적 성질(밀도, 점성, 온도)는 지하수의 유동과 부존 특성을 파악하기 위한 기본적인 지하수 물리적 정보로 부지규모에서 조사를 실시하여 지하수 모델링의 입력 계수로 활용할 수 있다.

저류계수(storage coefficient)는 단위수두가 변화할 때 단위체적당 배출 또는 유입되는 양으로 지하수의 부존 특성을 파악하기 위해 반드시 조사되어야 하는 평가인자이다. 처분장 부지의 지하수 부존량이 적을수록 처분장의 부지로 선호 될 수 있다.

투수량 계수(transmissibility)는 대수층의 투수성을 나타내는 대표적인 수리상수이다. 단일 대수층에서 투수량 계수는 수리전도도와 대수층 두께의 곱으로 나타낼 수 있다.

단열을 따른 유동 특성(유동경로, 거리)는 심부에서의 지하수는 일반적으로 단열을 통해 주로 유동하게 되기 때문에 단열을 따라 지하수가 흐를 수 있는 유동경로와 그 거리를 예측하여 조사와 평가하는 것이 필요하다. 처분장으로부터 방사성 핵종이 누출된다면 지하수를 매개체로 하여 이동하게 되기 때문이다. 하지만 국내 지질 특성상 심부에 지하수가 없는 지역을 찾기는 굉장히 어려운 점이 있다(Park and Bae, 2005).

함양지역은 지하수가 모이는 지역을 의미하고, 배출지역은 지하수가 그 지역으로부터 퍼져 나가는 지역을 의미한다. 처분장에서 방사성 핵종이 누출되었을 경우 방사성 핵종으로 오염된 지하수가 최대한 다른 지역으로 퍼져나가는 것을 지연시켜야 한다. 지하수 함양/배출지역의 조사는 부지규모 조사단계인 2단계와 3단계에서 실시하여 정밀한 조사가 이루어져야 한다.

강수량은 지표로 떨어지는 강수의 양을 말하며, 증발산량은 지표에서 대기로 증발되는 수증기량과 식물로부터 대기로 증산되는 수증기량을 합친 것을 말한다. 강수량과 증발산량은 조사와 평가할 지역의 지하수 함양량을 파악하기 위해 필요한 자료이다.

조사지역에서 지하수의 함양이 일어난다면 지하수의 침투속도(seepage velocity) 값을 통해 지하수 함양 속도를 얻을 수 있다. 침투속도는 다중환경추적자 시험 또는 동위원소 분석을 통해 값을 얻을 수 있다.

조사지역에서 지하수의 배출이 일어난다면 지하수 배출거리(discharge distance)의 조사와 평가가 필요하다. 방사성 핵종이 이동할 경우 이동 경로를 길게 하는 것이 생물권으로부터 격리시키기 위해 중요하기 때문에 배출거리 값을 정량적으로 파악하여야 한다. 지하수의 배출거리는 지하수 유동속도에 의해서 변하기 때문에 다양한 지하수 흐름 특성을 고려해야 한다.

지하수의 경계요소는 지하수 유동 모델링 틀을 세우는데 있어서 중요한 자료로 활용 될 수 있다. 경계요소에는 고정수두경계, 무흐름경계, 지형구배, 지표수계 등이 있다. 다양한 경계요소에 대한 자료는 지하수의 광역적 유동 흐름을 이해할 수 있게 도와주며 장기 안정성 예측을 위해서도 귀중하게 사용될 수 있다.

단열이 존재한다고 해서 모든 단열에 지하수가 흐르는 것이 아니다. 단열과 단열 사이의 수리적 연결성을 파악하는 것은 지하수 유동을 파악하는데 반드시 필요하다. 단열의 수리적 연결성을 확인하여 수리적 연결성이 우세한 지역은 처분장 건설 지역으로 가능한 피해야 한다. 단열의 수리적 연결성은 3단계 부지규모 조사단계에서 상세하고 정밀하게 조사와 평가가 이루어져야 한다.

지열 항목 및 평가인자

지열은 지구 내부에서 지표면으로 전달되는 열을 말하며, 전달되는 열의 양을 지열류량이라고 한다. 지열류량이 높은 지역은 온천으로 사용되거나 개발될 수 있기 때문에 처분장 건설 지역으로 적합하지 않다. 또한 이렇게 전달된 열은 처분시스템의 기능에 손상을 가할 수 있기 때문에 중요하게 조사와 평가가 되어야 할 항목이다.

지열 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 3과 같다. 먼저 지구 내부로 향하는 방향으로의 깊이가 깊어짐에 따라서 온도가 증가하는 정도를 나타내는 지온경사(geothermal gradient)의 조사와 평가가 필요하다. 지층의 변화가 있거나 단열 파쇄대로 지하수가 유동하는 구간은 일부 지온경사의 변화가 나타날 수 있다. 지온경사 값을 통해 처분장을 건설할 처분 깊이에서의 온도를 예측할 수 있다.

암석의 열전도도(thermal conductivity)는 암석이 열을 전달하는 능력을 측정한 값이다. 처분장으로부터 지속적으로 열이 발생하게 되는데, 이 열을 암석이 얼마나 잘 전달하여 방출할 수 있는지는 암석의 열전도도로 알 수 있다. 처분장에서 발생하는 열이 암석을 통해 외부로 전달되지 않으면 처분장 내부에서 과열이 되어 처분시스템의 기능을 상실할 수 있기 때문에 암석의 열전도도는 낮으면 안 된다. 하지만 암석의 열전도도가 높으면 열이 암석을 통해 멀리 열을 전달할 수 있기 때문에 암반의 열적 변질을 가져올 수 있다.

암석의 열팽창률은 열에 의해서 암석이 팽창하는 정도를 나타내는 값이다. 고준위방사성폐기물은 지속적으로 열을 발산하기 때문에 열로 인한 암반역학의 장기지질안정성에 미치는 영향을 조사와 평가를 해야 한다. 암석의 팽창이 크면 심부 암반의 장기지질안정성에 악영향을 미칠 수 있다.

지구화학 항목 및 평가인자

처분장으로부터 방사성 핵종이 누출되었을 경우 지하수에 방사성 핵종이 용해되어 이동을 하게 되며, 이러한 이동을 지연시키는데 지화학적 환경이 많은 영향을 준다. 특히 지하수의 화학적 특성이 방사성 핵종 이동 지연을 좌우시킬 수 있다. 예를 들면 수소이온농도, 산화환원전위, 용존산소농도 등에 따라 방사성 핵종의 변화상태, 용해도, 산화환원 평형상태가 달라지고, 이 변화는 방사성 핵종이 암석과 반응하는데 직접적으로 영향을 준다.

지구화학 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 4와 같다. 모암의 화학조성에 따라서 방사성 핵종을 흡착시킬 수 있는 능력이 다르게 나타나며, 지하수의 화학성분에도 영향을 미치게 된다. 처분장으로부터 방사성 핵종이 누출되었을 경우 공학적 방벽인 캐니스터와 완충재를 거쳐 천연 방벽인 모암으로 흘러나오기 때문에 모암과 방사성 핵종과의 반응 및 흡착에 대한 이해가 필요하다. 모암의 화학조성을 조사, 평가하여 방사성 핵종과의 반응 기작을 예측할 수 있다.

Table 4. Geoscientific site assessment parameters of the geochemistry, radionuclide behaviors, and microorganism items in relation to the geological investigation stages

모암의 화학조성뿐만 아니라 단열충전광물의 화학조성도 고려하여야 한다. 천연 방벽인 모암이 처분장을 대부분 둘러싸게 되지만, 모암에 발달하고 있는 단열의 영향을 무시할 수 없다. 그 이유는 지하 심부에서 단열은 지하수의 주 유동로이며, 지하수는 방사성 핵종이 용해되어 이동할 수 있는 주 매개체이기 때문이다. 이러한 단열에 존재하는 단열충전광물은 종류에 따라 방사성 핵종 이동에 영향을 미칠 수 있는 능력이 각각 다르다.

지하수를 구성하고 있는 화학성분을 파악하는 것은 방사성 핵종의 거동을 이해하기 위해 굉장히 중요하다. 지하수 구성물질에는 지하수에 용해되어 있는 양이온, 음이온을 의미한다. 지하수에 황화이온과 염소이온은 공학적 방벽 중 캐니스터 부식 속도를 증가시킬 수 있으며, 캐니스터의 부식은 처분장으로부터의 방사성 핵종 누출을 일으킬 수 있는 원인이 되고 고준위방사성폐기물의 완전 고립에 악영향을 미친다. 또한 지하수 구성물질의 종류와 그 농도에 따라 모암과의 화학적 풍화 작용을 촉진시켜 장기적으로 보았을 때 모암의 성질을 변화시킬 수 있다.

지하수 특성 변수에는 대표적으로 용존산소, 수소이온농도, 산화환원전위, 전기전도도 등이 있다. 이러한 변수 값 중 지하수 내 용존산소와 수소이온농도는 공학적 방벽의 캐니스터 부식에 영향을 미치며, 방사성 핵종이 누출 되었을 경우 지하수에 방사성 핵종 용해도를 변화시킬 수 있는데 방사성 핵종 용해도가 높아지면 방사성 핵종은 지하수와 함께 다른 곳으로 이동을 쉽게 할 수 있게 된다. 특히 용존산소, 수소이온농도, 산화환원전위, 전기전도도 등 지하수 특성 변수 값은 방사성 핵종의 결합상태, 용해도, 평형관계 등을 변화시키기 때문에 반드시 조사와 평가가 되어야 한다.

지하수 안정동위원소 및 방사성동위원소는 지하수 유동 연구에서 주로 사용되는 수리화학 인자로 매우 중요하다. 동위원소를 통해 지하수의 기원을 파악할 수 있기 때문이다. 이러한 동위원소는 하나의 추적자로서의 역할을 수행하기 때문에 지하수 유동체계를 이해하는데 도움을 준다. 지하수의 동위원소를 통해 지하수의 연령 측정이 가능하며, 대표적으로 삼중수소를 이용해 지하수 연령 측정을 하고 있다(Kim et al., 2008). 지하수 연령 측정을 통해 그 구간에서의 지하수 체류시간을 알 수 있고, 일반적으로 체류시간이 길면 방사성 핵종 이동을 지연시킬 수 있게 된다.

지하수 내 용존가스는 지표 강우로 인해 가스가 용해되어 지하수로 유입된다. 지하수의 용존가스를 분석하면 지하수 유동경로를 파악할 수 있으며 생지화학적 반응에 대해서 논할 수 있다. 그리고 지하수에 존재하는 용존가스 종류에 따라 처분장 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 대표적으로 메탄은 캐니스터 부식을 가속화 시킬 수 있고, 지하수 내 수소 가스는 미생물의 환원 반응 지시자로 사용된다.

지하수 총용존고형물(total dissolved solids, TDS)은 용존 성분의 총량을 질량으로 나타낸 값으로, 전기전도도와 함께 측정된다. 지하수의 총용존고형물 값은 전기전도도와 정비례 상관관계를 가진다. 총용존고형물 값이 높아지게 되면 지하수 내 용존 되어 있는 성분이 많게 되므로 모암 및 단열충전광물 그리고 벤토나이트 완충재로부터 방사성 핵종이 흡착될 수 있는 가능성이 낮아진다(Choi et al., 2017).

지하수의 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC)는 지하수에 용해되어 있는 유기탄소의 양을 의미한다. 용존유기탄소는 황산염 이온이 황화이온으로 변화할 수 있도록 박테리아에 영향을 줄 수 있으며, 용존유기탄소는 수리화학 부문의 기본 정보로서 조사와 평가가 필요하다. 용존유기탄소는 2단계와 3단계 모두 조사 되어야 한다.

콜로이드(colloid)는 크기가 매우 작은 입자를 말한다. 처분장으로부터 방사성 핵종이 누출되었을 경우 콜로이드에 방사성 핵종이 결합될 수 있고, 이 콜로이드는 지하수와 함께 다른 곳으로 이동을 쉽게 하여 방사성 핵종의 이동을 가속화 시킬 수도 있다. 이러한 콜로이드는 방사성 핵종 이동 지연에 영향을 미칠 수 있다.

부식질(humus)은 지하에 존재하는 생물 이외의 유기물을 의미하는 것으로 산-염기용액에 부식질이 용해되는 정도에 따라 부식산(humic acid), 풀브산(fulvic acid), 휴민(humin)으로 나눌 수 있으며, 부식질은 금속이온과의 착물을 형성할 수 있다. 또한 부식산과 풀브산은 토양에서 중금속의 용해를 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 특히 금속이온에 높은 친화력을 가지고 있는 부식산은 토양 내 여과 작용과 수착 특성

핵종거동 항목 및 평가인자

방사성 핵종이 어떠한 외력이나 변화에 의해 처분장으로부터 누출되어 천연 방벽을 따라 이동하게 되거나 또는 어느 시점부터 공학적 방벽의 기능이 상실되어 방사성 핵종이 누출된다면, 방사성 핵종이 지질 매질에서의 상호 반응하는 것과 이러한 반응을 통한 거동 이해 및 예측이 필요하게 되기 때문에 핵종거동은 장기 안정성 평가를 위해 반드시 고려되어야 한다. 심부에서 방사성 핵종 거동은 환경에 따라 다양하고 복잡하게 나타나며 지하수 유동, 지화학 환경, 단열 체계 등 다양한 분야에 대한 복합적인 이해를 통해 거동 예측이 가능하다. 처분장에서 반감기가 짧은 방사성 핵종보다는 반감기가 긴 방사성 핵종이 더욱 중요하며 반감기가 긴 방사성 핵종은 악틴족 계열이 있다(Park et al., 2007).

핵종거동 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 4와 같다. 먼저 방사성 핵종이 이동할 수 있는 유동로는 핵종 이동을 지연시키기 위해 파악해야 한다. 공학적 방벽이 긴 시간이 지나서 어느 시점부터는 방벽의 기능을 상실하게 될 것인데, 이 때 천연 방벽의 역할이 굉장히 중요해진다. 이 시점부터는 고준위방사성폐기물로부터 방사성 핵종이 천연 방벽으로 누출을 하게 되면 천연 방벽에 존재하는 지하수를 따라 이동이 가능하기 때문에 지하수 이동을 최소화 할 수 있는 처분부지를 찾아야 한다.

방사성 핵종의 분산(dispersion)은 심부 지질 매질의 공극을 통해 방사성 핵종이 퍼져나가는 현상을 말하며, 단열 내에서의 현상을 포함한다. 오염물질의 분산은 공극 및 단열을 통해 이동해 가게 될 때 속도 측면에서 보면 단면에서는 포물선 모양의 속도 차이를 보이게 되며, 공극과 단열을 통해 이동을 하면서 오염물질의 농도가 희석된다(Choi et al., 2017). 하지만 핵종의 경우 이동하면서 농도 희석이 반드시 적용되지 않을 수 있다(SKB, 1990). 핵종 거동은 하나의 기작으로 설명하기 어려우며, 복합적인 기작에 의해 설명이 가능하다. 핵종 거동 모델링에 있어서도 분산계수는 핵종 거동 예측의 신뢰도를 높이기 위해 반드시 필요한 인자이다.

방사성 핵종의 확산(diffusion)은 심부 지질 매질에서 공극 또는 단열에서의 농도 및 압력 차이에 의해 발생하는 것을 말한다. 특히 지하수의 주 유동로인 단열에서 암석 매질로의 핵종 확산이 일어나게 되면 암석 매질의 비표면적이 크기 때문에 핵종의 수착이 더욱 잘 일어나게 된다(Choi et al., 2017). 또한 핵종 거동 모델링을 위해서는 분산과 수착 기작 뿐 만 아니라 확산에 대한 영향을 고려하여야 모델링의 신뢰성과 정확도가 더욱 높아진다.

방사성 핵종의 흡착분배계수는 방사성 핵종이 지하수에 용해되어 있는 양에 암반 단위 무게 당 방사성 핵종이 수착되는 양을 나타낸 값으로, 핵종의 이동 지연에 가장 큰 영향을 미치는 기작이다. 핵종이 수착 되는 과정에는 대표적으로 반데르발스 힘에 의한 물리적 흡착, 정전기적 흡착, 화학적 치환이 있다. 핵종이 수착 될 수 있는 부분은 크게 모암 매질과 단열충전광물이 있으며, 단열충전광물을 고려해야 하는 이유는 심부에서 지하수 주 유동로는 단열이 되며 단열을 채우고 있는 주 물질이 단열충전광물이기 때문이다.

미생물 항목 및 평가인자

미생물은 고준위방사성폐기물 처분장의 장기 안정성을 고려할 때 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는 요소이다. 미생물은 크기가 굉장히 작기 때문에 지하수 내 입자 형태로 존재할 수 있는데 지하수 내 콜로이드와 비슷한 역할을 하게 된다. 방사성 핵종이 지하수 내에 존재하는 이러한 작은 크기의 미생물에 수착되어 다른 곳으로 이동을 쉽게 할 수 있게 된다. 하지만 미생물이 생체막으로 형성되어 있을 경우는 반대로 방사성 핵종의 이동을 지연시키는 역할을 한다. 미생물 작용은 심부 지화학 환경에 변화를 줄 수도 있는데, 혐기성 미생물의 경우는 산화된 형태의 이온을 환원시킨다.

미생물 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 4와 같다. 미생물은 종류가 다양하나, 그 중에서도 방사성 핵종과 반응을 하거나 지화학 환경에 변화를 주는 미생물을 파악하는 것이 중요하다. 심부에는 다양한 종류의 혐기성 미생물들이 존재하며, 이러한 혐기성 미생물들은 지화학 환경을 변화시킨다(Lee et al., 2010). 특히 방사성 핵종 거동에 영향을 주는 지화학 환경에는 산화환원환경이 대표적이며, 이에 영향을 미칠 수 있는 미생물 종류를 파악하는 것이 중요하다. 산화환원환경에 영향을 주는 미생물에는 금속환원박테리아가 대표적이다(KAERI, 2016).

미생물 종류를 조사와 평가하는 것과 함께 미생물 종류에 대한 개체수 조사도 필요하다. 방사성 핵종 거동에 영향을 주는 미생물의 개체수가 방사성 핵종 거동에 영향을 미칠 정도의 양인지 파악하는 것이 필요하다.

방사성 핵종 거동에 영향을 미치는 미생물의 분포 심도를 파악하여 고준위방사성폐기물의 처분 심도를 결정할 때 고려해야 한다. 심도 결정에는 융기/침강, 암석역학, 지화학 등 분야가 함께 고려되어야 하며 미생물의 분포 또한 장기 안정성 측면에서 고려되어야 한다.

토층 항목 및 평가인자

토층은 풍화현상에 의해 만들어진 것으로 암반층 위에 존재한다. 토층은 암반의 분포 심도 파악과 암반 역학적 장기 안정성을 고려할 때 필요하며, 지하수 유동과 지화학 환경 조건 형성에도 영향을 준다. 토층이 잘 발달하는 지역은 토층이 발달한 심도가 깊을 것이며, 이에 따라 암반이 분포하는 심도도 깊을 것이다. 토층이 잘 발달해 있으면 암반 내에도 풍화대가 발달되어 있을 가능성이 높다. 토층의 발달 정도에 따라 지표수가 심부 암반에 도달하는 시간과 양에 차이가 있을 수 있으며 이것은 지표수에 용해되어 있는 산소 유입 정도에 영향을 미쳐 심부 지화학 환경 조성에 변화를 줄 수 있다.

토층 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 5와 같다. 먼저 토층이 발달되어 있는 심도가 깊으면 암반은 토층이 발달한 심도만큼 덜 두껍게 발달하게 되기 때문에 처분장의 장기 안정성에 영향을 미칠 수 있어 조사와 평가가 필요하다(Choi et al., 2017). 토층의 심도가 깊으면 토층의 면적도 상대적으로 넓게 발달될 가능성이 커진다.

Table 5. Geoscientific site assessment parameters of the soil and fracture items in relation to the geological investigation stages

토층을 구성하는 토양의 종류는 그 종류마다 함유되어 있는 원소가 다르며 원소들의 차이로 인해 심부 지화학 환경에 영향을 줄 수 있다. 모암의 종류에 따라 토층을 구성하는 토양의 종류도 차이를 보인다.

토층의 기본물성은 그 기본물성과 기본물성의 변화에 따라 토층의 지지력에 영향을 미치게 된다. 토층 사면 안정성은 토층의 액성한계와 소성한계인 연경도에 영향을 받게 되며, 액성한계 값이 크게 되면 토층의 지지력 저하를 가져올 수 있다(Kim, 2006). 특히 집중호우 시 토양의 함수비가 증가함에 따라 토층의 지지력이 쉽게 저하될 수 있다.

토층의 강도정수는 사면 안전율을 계산하기 위해 가장 중요한 영향인자로서 점착력(cohesion)과 내부마찰각(internal friction angle)이 해당된다. 토층 사면의 안정성을 위해 사면 안전율은 사면 활동 면상에서의 활동력과 저항력 비를 이용해 계산할 수 있다. 토층 사면이 안정하지 않으면 암반에 영향을 줄 수 있기 때문에 조사와 평가가 필요하다.

단열 항목 및 평가인자

암반에 존재하는 단열은 암반의 강도 저하와 역학적 안정성을 약화시킨다. 결정질암의 경우 단열을 포함하고 있는 암반은 암반 자체의 단기적 역학적 특성이 안정적이라고 하여도 처분장의 장기 안정성 측면에서는 단열의 거동에 더 지배를 받게 된다. 그리고 단열은 지하수의 주 유동로 역할을 하기 때문에 방사성 핵종의 이동을 강화시키는 역할을 한다. 비교적 쉽게 단열이 형성되는 암반 또는 현재 단열을 많이 포함하고 있는 암반인 지역은 처분장의 완전 고립을 위해 반드시 조사와 평가가 되어야 한다. 단열 항목의 평가인자는 ASTM, ISRM 등 국내외에서 제안된 규격화된 시험법을 참고하여 값을 얻을 수 있다(ASTM, 2020; ISRM, 2020).

단열 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 5와 같다. 단열의 밀도는 단위 부피당 존재하는 단열의 수를 의미한다. 단열의 밀도가 높으면 그 지역에 단열이 발달 되어 있다는 의미이며, 밀도가 높은 지역은 고준위방사성폐기물을 처분하는데 불리한 지역이 된다. 각 지역의 단열 밀도 값은 지질공학 및 암반공학 모델링의 입력 자료로 사용 가능하다. 단열 밀도는 불연속균열망(discrete fracture network, DFN)을 위한 지하수 유동 모델링에서도 사용될 수 있다.

단열의 규모는 형성되어 있는 단열의 길이와 폭을 말한다. 단열의 길이와 폭이 크면 처분 지역으로 불리하지만, 단열의 길이와 폭이 작다고 해도 작은 단열이 많이 분포한다면 그 곳은 처분 지역으로 불리하다. 단열의 길이와 폭만으로 처분 지역을 결정할 수 없으며, 단열 규모를 포함한 다른 평가인자도 함께 고려해야 한다.

단열의 방향은 단열이 암반에 발달되어 있는 방향을 말하며, 단열의 간극은 불연속면간의 틈을 의미한다. 단열이 발달하고 있는 방향과 간극에 따라 지하수 유동이 달라지며, 장기적인 지하수 유동을 예측할 수 있다. 발달되어 있는 방향과 간극에 따라 역학적으로 T-H-M 거동도 다르게 나타난다. 따라서 역학적인 장기 안정성에도 방향에 따라 해석결과가 다르기 때문에 조사가 필요하다.

단열의 분포 및 기하학적 특성뿐 아니라 단열의 역학적 특성 조사가 필요하다. 단열의 전단강성(shear stiffness)은 단위 전단변형을 발생시키는데 필요한 전단응력으로 전단응력을 전단 변위 량으로 나눈 비례 상수 값을 의미한다. 이에 따라 단열면 또는 절리면의 변형거동을 정밀하게 파악해야 하며 대표적으로 전단변형 거동을 파악할 필요가 있다.

단열의 수직강성(normal stiffness)은 단열이 단위 수직변위를 발생시키는데 필요한 수직응력이다. 단열 또는 균열의 거동은 수직강성과 전단강성에 의해 지배되어 탄성거동을 보인다. 특히 심부 암반에서 관찰되는 암반 파괴는 무결암에 존재하는 균열의 전파에 의해 발생 된다. 이러한 균열의 전파는 연속적이며, 처분장의 안정성에 악영향을 미친다. 처분장 안정성 해석에 단열의 탄성정수가 요구되며, 탄성정수 계산을 위해 수직강성은 필요한 값이다.

절리면에서 최대마찰각(peak friction angle)은 최대 전단강도를 의미하며, 잔류마찰각(residual friction angle)은 최저 전단강도를 의미한다. 단열충전물질이 없는 절리면의 전단강도는 암석 종류, 절리면이 받는 수직응력, 절리면 거칠기, 크기 등에 영향을 받으며, 단열충전물질이 있는 절리면의 전단강도는 충전물질의 역학적 특성이 영향을 주게 된다(Kulatilake et al., 1995; Ulusay, 2014).

절리면의 팽창각(dilation angle)은 전단 거동 중에 발생한 전단 변위와 수직 변위의 비로 절리면 거칠기에 의해 발생한다. 절리면의 팽창각은 수직응력이 증가하면 감소하며, 수직응력이 감소하게 되면 팽창각은 증가하는 경향을 보인다.

절리면 거칠기계수는 기하학적 관점뿐만 아니라 역학적 관점에서도 조사가 필요하다. 암석의 절리는 암석의 종류와 지질환경에 따라 다양한 거칠기를 보인다. 암석의 거칠기는 암석에 전단 변형이 일어날 때, 접촉면 변화와 수직적 팽창 등 복합적 현상을 동반한다. 특히 절리면의 전단거동은 절리면 거칠기에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

절리면의 압축강도는 절리면의 고유 물성 관련 변수로 절리면을 포함하고 있는 암석의 일축압축강도를 말한다. 절리면의 압축강도는 단열 또는 절리의 역학적 특성 중 하나로, 암석의 전단강도에 영향을 주는 중요한 인자이다.

무결암 항목 및 평가인자

무결암은 그 지역 해당 심도의 고유 암석 특성을 파악하기 위해 반드시 고려되어야 하는 항목이다. 무결암 항목에서 고준위방사성폐기물 처분장 건설을 위해 조사와 평가가 되어야 할 인자는 크게 역학적 물성과 물리적 물성으로 구분될 수 있다. 역학적 물성은 무결암의 탄성계수, 포아송비, 일축압축강도, 인장강도, 강도정수 등이 해당하며, 물리적 물성은 무결암의 공극률, 투수계수, 밀도 등이 해당한다. 무결암 항목의 평가인자 값은 ASTM, ISRM 등에서 제안된 시험법을 통해서 얻을 수 있다(ASTM, 2020; ISRM, 2020).

무결암 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 6과 같다. 먼저 무결암의 함수비는 암석의 물리적, 화학적 풍화 정도가 증가하면 암석 내 공극과 균열이 증가하므로 함수비도 증가하게 된다. 고준위방사성폐기물은 심부에 완전히 격리시켜야 하기 때문에 함수비가 크면 방사성 핵종의 고립에 악영향을 미친다. 따라서 암석의 함수비를 장기 안정성을 위해 조사, 평가하는 인자로 고려해야 한다.

무결암의 비중은 물체의 중량과 그 물체 부피와 같은 부피를 갖는 4°C 물의 단위 중량에 대한 비이다. 비중은 암석의 물리적 역학적 특성을 나타내는 기본적인 값으로, 설계 정수로서 사용된다.

무결암의 공극률은 암석의 공학적 성질을 나타내는 주요 인자이다. 무결암의 공극률이 크면 방사성 핵종의 확산으로 인한 이동을 촉진시킨다. 동일 암석에 대해 풍화 정도가 크면 공극률이 보통 증가하며, 풍화 정도가 작으면 공극률은 작아진다. 공극률은 암반 분류 및 설계정수로 사용될 수 있다(Jang et al., 2005).

무결암의 탄성파속도는 암석의 밀도와 공극률, 광물 조성 등에 영향을 받는다. 동일 암석의 경우 물리적 화학적 풍화를 많이 받은 경우 탄성파 속도는 감소하며 적게 받은 경우 탄성파 속도가 증가한다. 일반적으로 탄성파속도는 함수비, 일축압축강도 값과 양의 상관관계를 가지고 있다.

무결암의 탄성계수(modulus of elasticity)는 정탄성계수와 동탄성계수로 구분되는데, 정탄성계수는 정하중에 의해 측정이 되며 동탄성계수는 동하중에 의해 측정 되는 값이다. 암석의 탄성계수는 암석의 기본적인 물성 중 하나로서 설계정수로 사용 가능하다.

무결암의 포아송비는 암석의 탄성적 특성 중 하나로 암석의 기본 물성이다. 포아송비는 암석의 외부 변형을 표현하며, 암석 변형거동을 결정하는 주요인자로서 모델링에서 사용될 수 있다.

무결암의 일축압축강도는 처분장뿐만 아니라 광산개발, 터널굴착, 시추 등 다양한 개발 활동에 있어서 필수적으로 조사와 평가가 되어야 하는 인자이다. 암석의 파괴로 인한 균열 생성을 예측하기 위해서는 파괴가 시작되는 시점의 응력에 대한 조사와 평가가 필요하다.

무결암의 인장강도는 인장시험을 통해 암석 시험편에 인장하중을 가하여 암석 시험편이 파괴될 때의 최대 인장하중을 암석 시험편 파단면의 단면적으로 나눈 값을 말한다. 인장강도 값은 암반역학 모델의 입력변수로 사용 가능하다. 인장강도는 암석 시추, 발파, 공동 주위의 암반 파괴 상황에서 주요하게 다루어진다.

무결암의 점착력과 내부마찰각은 암석의 물리적, 역학적 기본적인 특성 값으로 암석의 삼축압축시험을 통해 얻은 모어원으로부터 구할 수 있다. 점착력은 파괴선의 y절편으로부터, 내부마찰각은 파괴선의 기울기로부터 값을 구할 수 있다.

크립(creep)은 암석이 장기적으로 외력을 받으면 외력을 받는 시간에 의존적인 변형 거동을 보이게 되는데 이러한 변형 특성을 말한다. 암석에 크립 변형이 지속적으로 일어나게 될 경우 암석 파괴가 일어난다. 크립 거동의 형태는 1차 크립(천이), 2차 크립(정상), 3차 크립(가속)으로 나타난다(Jaeger et al., 2007). 처분장은 장기간 안정성이 요구되기 때문에 크립 특성을 필수적으로 확인해야 한다.

균열손상응력(crack damage stress)은 응력이 지속적으로 증가함에 따라 불안정한 상태의 균열들이 성장하게 되는 시점의 응력을 말한다. 균열손상응력 이상의 응력을 가해주게 되면 응력이 더 이상 증가하지 않더라도 균열이 성장하게 되어 암석 파괴가 일어난다.

무결암의 파괴인성(toughness)은 암석의 파괴역학 부분에서 중요하게 다루는 값 중 하나로, 장기간 지질학적 과정을 통해 암석은 절리, 균열 등의 역학적 취성 변화가 일어나게 된다. 암반 내 인장응력에 의한 균열 생성과 전파가 많이 발견되고 있어서 이런 파괴 형태를 파악하는 것이 중요하다.

투수계수(permeability coefficient)는 암석 매질의 특성으로만 정의되는 투수성을 표현한다. 투수계수는 무결암의 공극률과 관계가 깊으며, 암종, 풍화도에 따라서 값의 범위가 차이가 난다. 반면, 지하수의 수리전도도는 매질의 특성뿐만 아니라 유동하는 유체의 물성 영향을 함께 받는다.

암반 항목 및 평가인자

암반은 자연 환경에서 자연 그대로 존재하는 불연속면을 포함하는 암석 집합체를 의미한다. 고준위방사성폐기물 처분장의 천연 방벽 역할을 위해 암반의 역학적 장기 안정성이 중요하며, 암반의 역학적 안정성 문제로 인한 처분장의 결함이 발생되어서는 안 된다. 암반의 결함이 발생하면 결함으로 인해 생긴 불연속면으로 지하수 유동 경로가 새롭게 형성되며, 이로 인해 방사성 핵종의 이동이 가속화 될 수 있다. 암반 항목의 평가인자는 ASTM, ISRM 등에서 제안된 시험법을 참고하여 값을 얻을 수 있다(ASTM, 2020; ISRM, 2020).

암반 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 6과 같다. 먼저 암반의 변형계수는 지하 공동 주변의 암반 변형 해석에 활용되는 중요한 인자로서, 암반 거동을 수치 해석하는데 사용될 수 있다. 암반의 변형계수는 암반 내 존재하는 불연속면과 암석 시료 크기 등의 문제로 실내시험으로 결정하기 어려우며, 현장실험 또는 경험적 방법을 통해 추정 값을 얻을 수 있다.

Table 6. Geoscientific site assessment parameters of the intact rock, rock mass, natural hazard items in relation the geological investigation stages

암반의 포아송비는 암반의 변형거동을 파악하기 위해 필요한 주요 물성 인자이다. 포아송비 값을 이용하여 암반의 구조와 암반 거동 해석에 활용될 수 있다.

암반의 강도를 측정하는 것은 암반의 물리적 역학적 안정성을 평가하기 위한 가장 중요한 인자로서, 암석의 강도는 인장강도(tensile strength), 압축강도(compressive strength), 전단강도(shear strength)로 나눌 수 있다. 인장강도는 암반 주변의 파괴 현상을 이해하기 위해 필요하다. 압축강도는 암반의 수직방향으로 하중을 받을 때 파괴가 일어날 때 압력을 측정한 값이다. 고준위방사성폐기물 처분장 건설을 위해 처분장 굴착 후 응력의 재배치가 일어나게 되면 굴착된 곳 주변에 주응력 차이로 인한 응력장이 변화하게 되는데 이러한 응력이 강도 보다 값이 클 경우 파괴가 발생한다.

암반의 역학적 장기 안정성을 위해 암반을 분류하여 평가해야 한다. 암반분류를 통해 고준위방사성폐기물 처분장의 시공 및 경제성 평가를 할 수 있다. 암반분류를 위해 암반의 상하부 상태를 정량적으로 평가해야 하며, 각 암반분류의 장단점을 보완하기 위해 RQD, RMR, Q 등 복수의 분류법을 적용해 평가할 필요가 있다(Barton et al., 1974; Bieniawski, 1989; Deere and Miller, 1966).

현지응력의 크기와 방향은 역학적 장기 안정성을 확보하기 위해 고려해야 하는 인자로, 현지응력의 크기와 방향 따라 암반과 지하구조물의 안정성이 달라질 수 있다. 예컨대 암반이 스폴링에 의해 손상되면, 처분 건설 과정에서 작업의 안전성, 시간, 비용 등의 면에서 악영향을 미칠 수 있다. 현지응력의 크기와 방향에 따라 고준위방사성폐기물의 처분장의 배치가 달라질 수 있다.

암석의 이방성과 불균질성은 암반을 구성하는 조암광물과 조직의 차이로 인해 발생한다. 암석의 이방성과 불균질성 때문에 같은 지역의 동일 암종이라고 해도 암반의 강도가 서로 다르게 나타나며, 이러한 암석의 이방성과 불균질성은 암석의 역학적 성질의 차이를 만든다.

재해 항목 및 평가인자

재해는 처분 후보부지와 근처에서 발생할 수 있는 기상 조건을 고려한 항목으로 고준위방사성폐기물 처분장의 건설과정, 운영기간, 그리고 폐쇄 후 장기 안정성이 유지되어야 하는 기간 동안 처분장과 그 주변에 악영향을 미칠 재해에 대해 평가하기 위함이다(Choi et al., 2017). 처분장의 안정성이 유지되어야 하는 기간이 매우 길기 때문에 기상조건을 모두 반영하여 예측하기에 어려움이 있지만, 특히 건설과정과 운영기간 동안의 영향을 미칠 수 있는 재해를 평가하는데 의미가 있다.

재해 항목의 단계별 평가인자를 정리하면 Table 6과 같다. 홍수는 최근 지구온난화로 인해 집중호우의 빈도가 증가하여 강수량이 큰 폭으로 상승하였고, 세계적으로 극심한 홍수가 발생하는 경우가 잦다. 이러한 홍수는 처분 후보부지의 지하수 함양 특성을 변화시키고 지하수위 변동을 가져올 수 있다(Yun et al., 2013).

산사태/사면붕괴는 토괴/암괴의 붕괴로 인해 지반의 응력 변형을 가져올 수 있다. 인공시설물은 이러한 응력 변형으로 인해 서서히 변질과 변형을 받게 되며 초기에는 그 영향이 미미하나 지속될수록 그 영향이 커진다(KAERI, 2010).

산불은 고준위방사성폐기물 처분장의 건설과정과 운영기간 동안의 측면에서 그 기간 동안 발생하게 되면 처분하는 과정에서 접근의 어려움을 겪게 된다. 최대한 산불이 있었던 지역은 피하여 예기치 못한 경제적 손실과 접근의 어려움을 피해야 한다.

액상화 현상은 지반의 응력 변화가 일어날 수 있으며, 처분장의 건설과정과 운영기간에 싱크홀이 발생할 경우 처분에 어려움이 있을 수 있다. 액상화 현상이 발생한 지역은 진동과 충격이 가해질 수 있는 환경이 발생할 가능성이 크기 때문에 조사가 필요하다.

싱크홀은 석회암 지대에 주로 발생하는 지반이 함몰되어 나타나는 구멍을 말한다. 고준위방사성폐기물 처분장을 건설하는 것은 지하에 공동을 만들어 작업하는 것으로 이전에 싱크홀 기록 및 가능성이 존재한다면 건설과정 중이나 운영과정 중 그리고 장기 안정성 측면에서 취약하다는 것을 의미하게 된다.

결 론

본 기술보고에서는 고준위방사성폐기물의 심층처분 후보부지로 적합한 지역을 찾기 위해 국내에 적합한 단계별 지질환경 평가요소를 제안하였다. 제시된 단계별 지질환경 평가요소는 평가항목(item)과 평가인자(parameter) 계층구조로 구분하였고, 후보부지 평가 시 필요한 평가항목과 평가인자를 중요도를 고려하지 않고 가능한 포괄적으로 제시하려고 하였다.

Choi et al.(2017)이 제시한 3단계 지질조사 방법론에 근거하여 평가항목과 평가인자를 도출하였다. 제시된 평가항목은 암종, 광상, 선형구조, 단층, 지진, 화산, 융기/침강, 수리지질, 지열, 지구화학, 핵종거동, 미생물, 토층, 단열, 무결암, 암반, 재해로 총 17개이다. 또한 제시된 17개의 평가항목 별로 각 단계 성격에 맞추어 단계마다 조사와 평가가 되어야 할 평가인자를 제시하였다. 1단계 문헌조사단계는 전국을 대상으로 한 문헌조사를 바탕으로 수행되기 때문에 전국 규모로 조사하며 처분 후보부지로서 배제조건을 적용하기 적합한 평가항목과 평가인자를 제시하였다. 2단계 기본조사단계는 광역 규모를 토대로 조사를 실시하며 1단계 문헌조사단계보다 상세하게 조사가 수행되며, 지표 지질조사뿐만 아니라 시추조사도 함께 수행되어야하기 때문에 부지규모의 선호와 배제조건이 동시에 적용되기에 적합한 평가항목과 평가인자를 제시하였다. 3단계 심층조사단계는 부지 규모로 조사를 실시하며 시추조사가 중심이 되어야하기 때문에 지표 지질 특성과 심부 지질 특성 평가를 모두 고려한 평가항목과 평가인자를 제시하였다. 최종적으로 1단계 문헌조사단계에서 평가항목 9개와 평가인자 총 20개를 도출하였으며, 2단계 기본조사단계에서는 평가항목 16개와 평가인자 총 98개를 도출하였고, 3단계 심층조사단계에서는 평가항목 15개와 평가인자 총 98개를 도출하였다. 뿐만 아니라 이렇게 도출된 평가인자가 후보부지 지질환경 조사와 평가에 필요한 이유를 함께 제시하였다.

최종적으로 도출된 평가항목과 평가인자는 서로 간의 중요도를 고려하지 않고 고려 가능한 모든 평가항목과 평가인자를 제시하였다. 따라서 앞으로 실제 처분 후보부지를 평가할 때에는 본 기술보고서가 평가에 적용할 최적의 평가요소를 선정하는데 중요한 기초자료로 사용될 수 있을 것이다. 본 기술보고에서 제시된 평가항목과 평가인자는 지속적인 연구를 통해 더 심도있게 개발되어야 하며, 추후 처분 후보부지를 평가할 때 필수적으로 고려해야 하는 핵심 평가항목과 평가인자에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다.