서론

지속가능한 원자력 발전을 위해서는 방사성 폐기물의 안전한 관리 방안이 뒷받침되어야 한다. 특히, 사용후핵연료(spent fuel, SF)와 재처리 과정에서 발생하는 폐액을 고화시킨 고준위 방사성 폐기물(high level raidoactive wastes, HLW)의 경우 방사성 핵종이 많고 방사선 방호를 위한 제반 조치가 필요하기 때문에 지하심부 수 백 m의 심도에 공동을 굴착하여 처분하는 심지층처분방식(deep geological disposal)이 현재의 기술수준에 가장 적합한 기술로 인식되고 있다. 심지층처분방식의 기본개념은 방사성 핵종이 반감기를 거쳐 무해한 수준에 도달하기까지의 충분히 긴 시간동안 인간환경으로부터 안전하게 격리시키는 것이다. 이를 위해 폐기물 처분용기 수납을 위한 공동을 지하 수백 m 심도에 굴착하고 완충재, 뒷채움재, 밀봉재를 이용한 인공방벽시스템(engineered barrier system)을 구축하고 주변 암반에 의한 천연방벽시스템(natural barrier system)을 포함한 다중방벽시스템(multi-barrier system) 구성하는 것을 기본개념으로 하고 있다(Fig. 1). 이러한 고준위방사성폐기물 심지층처분장을 운영하고 있는 국가는 아직까지는 없으며 핀란드와 스웨덴이 처분장 부지를 확정하고 건설 및 운영을 위한 준비과정에 있다. 국내에서는 상대적으로 방사능 위험도가 낮은 중저준위폐기물(low and intermediate level radioactive wastes, LILW) 지층처분을 위한 처분장이 2015년 경주 지역에 건설되어 운영 중에 있다. 고준위방사성폐기물의 경우, 고준위방사성폐기물 관리절차에 관한 법률 제정을 위한 기본계획이 2016년 7월에 수립된 바 있으나 부지선정, 인허가 절차 및 실행기구 설치 등을 위한 제반 법적 기반은 아직 마련되어 있지 않다.

Fig. 1.

The concept of multi-barrier system for deep geological disposal of high-level radioactive wastes (http://tokai-sc.jaea.go.jp).

심지층처분과 열-수리-역학 복합거동

심지층처분의 기본개념은 방사성폐기물에 포함된 유해한 핵종을 인간환경으로부터 장기간 격리시킬 목적으로 지하 심부 수백 m에 공동을 굴착하여 처분하는 것이다. 지하 심부의 경우, 심도에 비례하여 굴착 공동에 작용하는 지압(earth pressure) 혹은 초기응력(in-situ stress)이 증가하기 때문에 과도한 응력이 발생할 경우 처분장의 안전성이 위협받게 된다. 처분장 심도($z,m$)에 작용하는 초기응력($\sigma$, Pa)값은 처분장 부지 암반의 단위중량(unit weight, $\gamma$, kN/m³)을 이용하여 $\sigma =\gamma z$로 추정할 수 있다. 공동 굴착과정에서 초기응력은 재분배되어 특정위치에 집중될 수 있고 이러한 응력집중양상은 굴착공동의 형상 및 크기에 따라 달라진다. 따라서 처분공동의 안전성 평가를 위해서는 초기응력의 정확한 측정 및 유도응력 발생양상의 정밀도 높은 추정이 필요하다.

지하 심부 처분공동으로부터의 방사성 핵종 유출은 지하수 유동에 의해 발생하게 된다. 방사성폐기물은 특수하게 설계된 금속처분용기에 처분되어 일차적으로 수천 년에서 일만 년까지 안전하게 보관된다. 그러나 장기간에 걸친 지하수와의 접촉에 의해 처분용기가 부식(corrosion) 되거나 초기 결함이 존재하는 경우 주변 지하수 유동을 따라 방사성 핵종이 유출되어 인간환경에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 처분용기의 부식 및 방사성 핵종 유출을 유발하는 지하수와 처분용기의 접촉을 방지하기 위해 처분용기 주변에는 팽윤 특징을 가지는 벤토나이트 완충재가 설치된다. 벤토나이트 완충재는 지하수와 접촉시 부피가 팽창하여 공극이 폐쇄되고 투수계수가 낮아져 지하수 침투가 어려워지고 핵종의 이동을 차단하게 된다. 한편, 벤토나이트 완충재는 팽윤과정에서 최대 수 MPa에 이르는 팽윤압이 발생하여 처분용기 및 주변 굴착공동에 추가적인 압력을 작용하여 처분장의 역학적 안정성에 영향을 미칠 수 있다(Cho et al., 2012).

지하 심부 암반은 평균적으로 100 m 심도 증가에 따라 약 2~4°C의 구배로 온도가 상승하는 것으로 알려져 있다. 또한, 고준위방사성폐기물에는 다수의 방사성 핵종이 포함되어 있어 이들 핵종의 자연 방사성 붕괴열로 인해 처분장 주변의 온도가 상승하게 된다. 처분장 내 온도 상승은 처분용기 및 완충재 등의 설계뿐만 아니라 주변 암반의 체적변형률 증가 및 열응력을 유발시켜 처분장의 역학적 안정성에도 영향을 미치게 되므로 일정온도 이상을 초과하지 않도록 처분공 및 처분공동의 간격을 설계해야 한다. 이를 위해서는 처분시스템 구성요소 및 주변 암반의 열물성을 정확하게 파악하여 열전달 양상을 파악할 필요가 있다. 이외에도 처분용기 주변 완충재 및 지하수의 pH 조건, 미생물 부존 환경 등에 따라 지하수와 광물의 화학반응 및 핵종 이동 양상이 달라질 수 있다. 지하수 중의 용존산소가 많을수록 처분용기의 부식속도가 빨라지나 지하 심부조건에서는 일반적으로 용존산소가 희박하여 방사성폐기물의 처분에 유리하다.

Fig. 2은 심지층처분장 성능 평가에 고려되어야 할 열적(thermal), 수리적(hydraulic), 역학적(mechanical), 화학적(chemical) 거동을 도식화 한 것이다. 온도변화, 지하수 및 지하유체 유동, 화학반응 및 주변 환경 변화와 응력집중 등의 열-수리-역학-화학적 거동이 상호간에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 예를 들어, 처분공동 굴착에 의한 응력변화는 주변 지층 및 암반의 공극구조 및 투수계수의 변화를 초래하여 수리유동 및 공극 유체압력 분포를 변화시킨다. 이는 유효응력의 변화를 가져와 공동의 역학적 안전성에 영향을 미치게 된다. 이와 같이 대부분의 열-수리-역학-화학적 거동은 독립적으로 발생하기보다 하나의 거동이 다른 거동에 영향을 미치는 상호 연계된 복합적이고 복잡한 양상을 보인다.

Fig. 2.

Coupled Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical processes in deep underground disposal (Yow and Hunt, 2002).

심지층처분과정에서의 상호연계거동에 대한 이해도 증진과 신뢰성 높은 예측 해석모델 개발 목적으로 실험적 연구와 수치해석모델 개발 노력이 병행되어 왔다. 대표적인 사례로 DECOVALEX(DEvelpment of COupled models and their VALidation against EXperiment, http://decovalex.org) 국제공동프로젝트가 있다. DECOVALEX 프로젝트는 개발된 수치해석모델의 검증을 위한 benchmark test(BMT)와 실험실 및 현장 실험결과와의 암맹평가(blind test) 및 비교분석을 수행하는 test case(TC)로 구성된다. DECOVALEX 프로젝트는 1992년에 시작되어 다양한 BMT와 TC를 수행해 왔으며 2017년 현재 진행되고 있는 DECOVALEX 2019의 세부 Task는 Table 1과 같다.

Table 1. Tasks of DECOVALEX-2019 (Park et al., 2016)

지질조건에 따른 THMC 복합거동의 차이

처분장 설계를 위해서는 심지층처분시스템에서의 천연방벽에 해당하는 처분공동 주변 지질 및 암반조건이 고려되어야 한다. 이는 주변 지질 및 암반조건에 의해 Fig. 2에 제시된 THMC 상호거동 발생 양상이 달라지기 때문이다. 고준위방사성폐기물 처분장이 위치하는 지질조건은 크게 결정질암, 점토질암, 암염으로 구분할 수 있으며 각각의 주요 특징은 Table 2와 같다. 국내 지질조건을 고려할 때 암염층에의 처분장 건설 검토의 필요성은 매우 낮으므로 결정질암 천연방벽과 점토질의 인공방벽시스템에서의 복합거동에 대해서만 조사하였다.

Table 2. Characteristics of potential host rocks for deep underground disposal (USNRC, 2011)

결정질암에서의 THMC 거동

처분장 건설시 결정질 모암이 가지는 장점으로는 낮은 투수계수, 높은 강도, 높은 흡착 및 낮은 용해침전 특성 등을 들 수 있다. 상대적으로 높은 강도 특성은 처분장 심도를 깊게 위치시킬 수 있어 지하수 유동에 의한 핵종 이동 시간이 늘어나는 장점을 가진다. 반면에 취성파괴에 의한 처분 공동 주변 영역에서의 균열 형성은 지하수 유동 경로를 제공하여 완충재로의 유입 지하수량을 증가시키고 핵종 이동을 촉진시킬 수 있는 문제점이 있다. 따라서 결정질암을 대상으로 한 처분장 건설 과정에서는 Fig. 3(a)의 굵은 실선(붉은색)으로 표시된 거동에 대한 검토가 중점적으로 수행되어야 한다.

Fig. 3.

Coupled processes in different host rock conditions (USNRC, 2011).

점토질암에서의 THMC 거동

점토질 모암이 가지는 가장 큰 특징으로는 자기충전(self-sealing)을 들 수 있다. 굴착과정에서 형성된 처분공동 주변 굴착영향영역의 균열들이 수분을 흡수 팽창함으로써 장기간에 걸쳐 회복되는 능력을 지칭한다. 이는 처분용기에의 지하수 차단 및 핵종 이동을 방지할 수 있는 역할을 할 수 있다. 또한, 높은 흡착 특성으로 인해 지하수를 통한 핵종 이동을 지연시킬 수 있다. 그러나 상대적으로 낮은 강도특성으로 인해 지하 심부에 위치할 경우 높은 응력 집중으로 인해 처분공동의 안전성을 위협받을 수 있는 단점이 있다. Fig. 3(b)는 이러한 점토질 모암 처분장에서 중점적으로 검토되어야 할 복합거동을 나타낸다.

Fig. 3의 비교에서 알 수 있는 바와 같이 모암의 지질조건에 따라 처분장 안전성에 중대한 영향을 미치는 복합거동 양상이 달라지기 때문에 처분장 부지에 대한 면밀한 검토 및 이해를 바탕으로 핵심적인 거동을 파악한 후 이에 적절한 해석모델을 선택해야 할 것이다.

처분공동 주변 굴착영향영역에서의 THMC 복합 거동

심지층처분시스템은 처분용기, 용기 주변 완충재 및 처분공동의 뒷채움재 등을 포함한 인공방벽 및 처분공동 주변의 모암 일부를 포함하는 근계영역(near field)과 천연방벽시스템에 해당하는 원계영역(far field)로 구분할 수 있다. THMC 복합 거동은 원계영역보다는 근계영역에서 발생 가능성 및 그 중요도가 높다고 할 수 있다(Fig. 4).

인공방벽을 구성하는 완충재 및 뒷채움재에서 THMC 복합 거동은 점토질에서의 거동과 유사하고 대표적 물리거동으로는 붕괴열에 의한 지하수의 증발과 재응축, 포화도 변화 및 불포화매질의 흡수력(suction)에 의한 수리 유동 변화, 벤토나이트 팽윤압에 의한 공극률 변화 및 완충재를 통한 열전도 등이 있다(Cho et al., 2012).

Fig. 4.

Coupled THMC processes in the engineered barrier system (http://tokai-sc.jaea.go.jp).

본 논문에서는 인공방벽의 일부이며 처분공동 주변의 굴착영향(손상)영역(Excavation-Disturbed or Damaged Zone, EDZ)이 THMC 거동에 미치는 영향 및 특징에 대해 소개한다. 이는 국내 처분장 건설 환경에 해당하는 화강암 및 화강편마암의 결정질암을 대상으로 한 EDZ 관련 연구를 분석한 결과에 해당한다. 결정질암은 높은 강도에 의한 공동 안전성, 핵종 이동을 지연시킬 수 있는 강한 흡착성 등의 장점이 있으나 공동 굴착에 따른 영향영역에서의 균열 발생 시 점토질암과 같은 자기충전(self-sealing) 특성이 없어 이들 균열을 통한 다량의 지하수 유입 및 핵종 유출에 대한 충분한 검토가 요구된다.

Fig. 5는 처분공동 주변의 굴착영향(손상)영역 발생 양상을 나타낸 것이다. 처분장이 위치하는 지하 수백 m 심도에서는 높은 압력으로 인한 스폴링(spalling) 등과 같은 고도손상영역(highly damazed zone, HDZ)이 공동 주변에 국소적으로 발생하게 된다. HDZ은 공동 주변에 광범위하게 형성되지는 않지만 해당 지역에서의 강도 및 투수 특성 변화는 매우 크다. 공동 굴착에 따른 응력재분배는 직경 5 m의 처분 공동 주변 2-3 m 범위에서 강도(strength)보다 높은 응력으로 인해 비가역적(irreversible) 물성 변화가 발생하는 굴착손상영역(stress-induced excavation damage zone, EDZ_SI)이 형성된다. 굴착손상영역 주변에는 응력재분배로 인한 단기 가역적 변형에 의한 굴착영향영역(excavation influenced or disturbed zone, EIZ or EdZ)이 광범위하게 생성되지만 균열 형성, 변형 및 투수특성의 변화는 크지 않다(Siren et al., 2015).

Fig. 5.

Excavation damage terminology in hard crystalline rock (Siren et al., 2015).

응력재분배와는 별도로 처분공동의 굴착방식에 따른 영향 영역(construction induced excavation damage zone, EDZ_CI)을 정의할 수 있다. 지하 암반내 공동 굴착방식은 폭약을 이용한 발파 굴착과 TBM(Tunnel Boring Machine)을 이용한 기계굴착으로 구분된다. 발파굴착이 기계굴착에 비해 상대적으로 영향영역이 넓게 형성되고 연약면이 발달된 지역에 폭약의 에너지가 집중되어 매우 심각한 암반 물성 변화를 초래할 수 있다. 일반적으로 발파굴착 및 기계굴착에 의한 영향영역 범위는 공동 주변 10~150 cm 및 1 cm 내외로 알려져 있다. 각 영역의 정의 및 범위, 물성변화 특징을 Table 3에 정리하였다.

Table 3. Definition and characteristics of excavation damage zone (Siren et al., 2015)

처분공동 주변 굴착영향영역에서의 역학적 강도 및 변형특성, 투수계수 등 수리학적 특성의 변화를 파악하기 위한 연구는 국내외에서 활발하게 수행되고 있다(Kwon 2012; Kim et al., 2009; Kim et al., 2008; Park et al., 2008; Park et al., 2007; Lee et al., 2011; Bossart et al., 2004,; Kim et al., 2009; Kim et al., 2013; Siren et al., 2015). 특히, 처분 공동 주변 균열 생성으로 인한 투수 특성의 증가는 지하수 유입량의 증가를 초래하여 처분용기의 부식 속도 및 방사성 핵종의 유출 가능성을 증가시킬 수 있다. Bossart et al. (2004)은 특수하게 설계된 장치를 이용하여 굴착 공동 벽면으로부터의 거리에 따른 수리전도도의 변화를 관측한 결과, 굴착영향영역에서의 수리전도도가 수백 배 증가함을 보였다 (Fig. 6). 국내에서도 유사한 방식으로 굴착 공동 주변 수리전도도를 측정하고 탄성파 속도 측정을 통한 역학적 물성의 변화가 굴착 공동 운영 성능에 미치는 영향을 수치해석을 통해 파악한 바 있다(Kim et al., 2013). 처분장의 장기적 운영 관점에서는 결정질암 내 균열에 작용하는 압력으로 인한 공극구조의 변형과 균열을 유동하는 지하수와 광물입자의 화학반응을 통한 침전(precipitation) 및 침출(dissolu-tion) 및 온도변화로 인한 이들 화학반응속도의 차이가 수리전도도에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다. Yasuhara (2006)는 THMC 환경조건에 따른 균열 투수계수의 증감을 실내실험을 통해 규명한 바 있다(Fig. 7).

Fig. 6.

Permeability distribution around the excavated underground cavern from pneumatic testing (Bossart et al., 2004).

Fig. 7.

Evolution of permeability in rock fracture under various THMC conditions (Yasuhara, 2006).

THMC 복합거동의 해석기술

Fig. 2에 제시된 복합거동의 정확한 파악 및 정밀도 높은 예측을 어렵게 하는 요인 중 하나로 장기적 거동에서의 재료 물성 및 경계조건의 불확실성을 들 수 있다. Fig. 8은 심지층처분장 건설 및 운영 과정에서의 작업 행위(events)와 이와 관련된 연계거동을 나타낸 것이다. 십만 년이라는 기간 동안 처분시스템 구성요소의 재료 물성 및 주변 경계 조건의 변화 및 불확실성을 고려할 때 실험적 접근보다는 모델 해석을 통한 파악 및 예측이 보다 유용할 수 있다.

Fig. 8.

Long-term changes of coupled THMC processes (http://www.decovalex.org).

THMC 복합거동의 모델 해석은 열-수리-역학-화학적 개별 거동을 지배하는 미분방정식을 상호 연계하여 해를 구하는 과정에 해당한다. 복합거동 연계해석 과정은 크게 완전연동(fully-coupled)과 불완전연동(weakly-coupled)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다(Choi et al., 2014).

완전연동방식은 아래 식과 같이 개별 거동의 지배방정식을 이산화하여 대각 성분에 위치시키고 상호 연계된 거동을 설명하기 위한 추가적인 항을 비대각 성분으로 포함한 행렬방정식을 구성하여 해를 구하는 방식이다. 상호 복합거동을 동시에(simultaneous) 고려한 하나의 행렬방정식만 풀면 되고 서로 다른 거동간의 데이터를 주고받는 과정이 불필요한 장점이 있다. 반면 행렬방정식의 크기가 방대하여 고성능 대용량의 컴퓨터 사양이 요구되고 비대칭 행렬방정식의 해를 구하기 위한 수치계산이 어려운 단점이 있다.

불완전연동 방식은 개별 거동의 지배방정식 및 행렬방정식을 순차적(sequential)으로 반복하여 계산하는 방식에 해당한다. 계산 과정에서 상호 연계된 거동의 재료 물성 및 경계 조건을 정해진 규칙을 적용하여 수정하고 해를 구하는 과정을 반복하게 된다. 예를 들어, 수리-역학 연계해석 과정에서는 계산된 공극압력을 이용하여 유효응력을 얻고 유효응력(혹은 변형률)의 함수로 공극률 및 투수계수를 수정하는 작업을 반복하게 된다. 이러한 순차적 연동방식은 기존에 개별 거동을 설명하기 위하여 개발되어온 다양한 지배방정식을 그대로 사용할 수 있다는 장점과 함께 반복계산과정에서 재료 물성 및 경계 조건을 수정하는 과정에서 발생하는 오차가 누적되고 계산에 소요되는 시간이 길어지는 단점을 지닌다.

여기서, $[K{]}_{H-M}=[K{{]}^T}_{{}_{M-H}}$ (t: transpose)이고,

DECOVALEX 프로젝트 초기에는 ROCMAS, THAMES, Code_Bright(https://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright
/code_bright?set_language=en) 등과 같은 자체 개발 코드를 이용한 완전연동방식이 일반적으로 적용되었으나 최근에는 TOUGH-FLAC(Rutqvist, 2012), COMSOL(http://www.comsol.kr), OpenGeoSys(http://www.opengeosys.org) 등과 같은 상용프로그램을 이용한 해석사례가 증가하는 추세를 보인다. 복잡 다양한 상호 거동을 설명하기 위해 기 개발된 구성모델을 순차적 방식에서는 손쉽게 활용가능한 특징이 있다.

요약 및 결론

본 논문에서는 고준위방사성폐기물의 심지층처분 과정에서 검토되어야 할 열-수리-역학-화학적 거동이 상호 연계되어 발생하는 THMC 복합 거동의 종류와 특징을 소개하였다. 처분장 THMC 복합 거동은 완충재 및 뒷채움재와 처분 공동 주변 모암의 일부로 구성되는 인공방벽시스템에서 집중적으로 발생한다. 결정질암이 주된 국내 지질조건을 고려할 때 처분 공동 주변에는 굴착에 의한 응력재분배로 인한 굴착영향 및 손상영역이 생성되어 THMC 복합 거동을 좌우할 것으로 예상되므로 처분 공동 굴착과정에서 형성되는 굴착영향영역의 특징에 대한 검토를 실시하였다. 또한, THMC 복합 거동 평가를 위해 필요한 개별 거동 지배 인자 및 물성의 불확실성과 십만 년 이상의 오랜 기간 동안 이들 물성의 변화 및 경계/환경 조건의 변화를 실험적 연구에 비해 보다 효과적으로 평가할 수 있는 수치해석기법의 종류 및 특징을 파악하였다.

THMC 복합 거동은 다양한 개별 거동이 복잡하고 복합적으로 발생하는 특징을 가진다. 완충재와 뒷채움재뿐만 아니라 점토질암과 결정질암에서의 주된 거동 및 복합 거동의 양상이 상이하고 프로젝트의 내용 및 성격에 따라서도 핵심적인 복합 거동의 종류 및 특징이 달리진다. 따라서, 고준위방사성폐기물 처분과정에서의 THMC 복합 거동의 평가 및 사전 성능 예측을 위해서는 주어진 지질조건 및 처분장 건설 운영/건설조건에서 지배적인 거동을 파악하고 이해하는 작업이 선행되어야 한다. 지배적 복합거동을 적절히 설명하고 재현할 수 있는 수치해석모델 사용은 다양한 시나리오해석을 통해 프로젝트 전 기간에 걸쳐 예상되는 불확실성에의 대응 방안을 마련하는데 유용하게 사용될 수 있다.

결정질암이 주된 국내의 지질조건을 고려할 때 처분공동 주변 굴착영향영역에서의 THMC 거동에 대한 평가가 중요하다. 결정질암에 형성된 굴착영향영역의 균열은 비가역적으로 점토질암에서 보이는 자기충전 특징이 없기 때문에 균열 간극을 통한 지하수 유동은 처분용기의 부식 속도를 증가시켜 방사성핵종의 누출 시기 및 가능성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 처분 공동 굴착과정에서 굴착영향영역을 최소화하기 위한 충분한 검토가 수행되어야 하며 굴착영향영역에서의 제반 물성 변화에 대한 심도 깊은 이해가 요구된다. 굴착영향영역에서의 비가역적 암반 변형은 굴착에 따른 초기응력의 재분배로 인해 발생하므로 처분장 건설 부지 및 심도에서의 초기응력 방향과 크기를 정확히 측정/평가하고 이를 고려한 처분갱도 방향 및 사양이 설계되어야 할 것이다. 특히, 발파에 의한 갱도 굴착과정에서는 응력재분배의 영향보다 훨씬 심각한 역학적 및 수리적 물성 변화가 예상되므로 이들 영향을 최소화할 수 있는 특수한 발파기법 및 이에 따른 손상영역의 규모 및 특징을 파악하기 위한 연구가 요구된다.

THMC 거동의 복잡 다양성에 대한 해석모델 결과는 실증시험을 통한 검증을 통해 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해서는 처분장 환경과 유사한 지하연구시설(underground research laboratory, URL)을 구축하고 현장실증시험을 실시하고 실험결과와 해석모델 예측값을 비교분석하여 해석모델을 업그레이드하는 과정이 필수적이다. 또한, 방사성폐기물의 사업 특성상 개별 국가의 지질조건 및 처분장 특성과 함께 국제적인 인증 및 공감대 형성이 필요하므로 국제공동연구 및 지하연구시설 운영 참여를 통한 신뢰도 확보 노력이 필요할 것이다.

THMC 복합 거동 해석기술은 고준위 방사성폐기물의 심지층 처분뿐만 아니라 이산화탄소 심지층처분(Carbon Capture and Sequestration, CCS) 및 인공저류층 형성을 통한 지열발전(Enhanced Geothermal System, EGS) 사업의 성공적 수행을 위한 사전 성능 예측에도 유용하게 활용될 수 있다.