서 론

오랫동안 전 세계 여러 나라에서 원자력 발전을 사용하면서 최근에는 발전 이후 남은 사용후핵연료에 대한 안전 관리 문제의 중요성이 커지고 있다(Wang et al., 2018). 사용후핵연료 관리 방안으로는 중간저장, 재처리, 직접처분 방식이 있으며, 현재 대부분의 국가에서 원전부지 내부에 습식 또는 건식으로 임시저장 중인 폐기물을 이후에는 중간저장을 거쳐 재처리 후 처분하거나 직접처분해야 한다(Kim et al., 2022).

직접처분 방식은 사용후핵연료를 재처리하지 않고 처분하는 것으로, 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)에서는 지하 수백 m 심층의 안정적인 지층구조에 방사성 폐기물 처분장(심층처분장)을 건설하여 처분하는 방법이 가장 적절하다고 권고하고 있다(Gonzalez, 1997). 이러한 심층처분장은 인간과 생태계에 방사선으로 인한 피해가 없도록 방사성 폐기물을 지하 심층에 처분하여 영구적으로 격리하는 시설로, 원자력 발전에 사용되었던 사용후핵연료 등 고준위 방사성 폐기물이 주요 처분 대상이다(Park and Park, 2016).

사용후핵연료는 원자력 발전으로는 더 이상 사용할 수 없지만 계속해서 방사성 핵종을 방출하는데, 심층처분장에 처분하였을 때 시설의 예상치 못한 결함이나 시설 통로 등을 통해서 방사성 핵종이 누출될 위험이 있다. 이는 인간 및 생태계에 직접적인 위협을 가할 수 있기 때문에, 누출 모니터링을 포함한 시설 안전성 관리가 매우 중요하다. 따라서 심층처분장을 건설하고 안전하게 운영하기 위해서는, 건설 이전에 심층처분장과 비슷한 환경의 지하연구시설(Underground Research Laboratory, URL)을 건설하여 관련 공학적 기술 검증, 심층처분 운영 및 관리 시스템의 타당성, 안정성, 안전성 및 적합성 평가 등이 선행되어야 한다(Kim et al., 2022).

현재 원자력 발전을 하는 많은 국가에서 URL을 건설하여 다양한 연구를 수행하고 있다. 대표적으로는, 핀란드의 Onkalo(Heikkinen et al., 2021; Follin et al., 2021), 스웨덴의 Äspö Hard Rock Laboratory(HRL)(Molron et al., 2020; Walton et al., 2015), 스위스의 Mont Terri URL(Cosma and Enescu, 2001; Manukyan et al., 2012)과 Grimsel Test Site(GTS)(Giertzuch et al., 2020), 미국의 Yucca 산 URL(Ramirez et al., 1997), 프랑스의 Tournemire URL(Lopes et al., 2019a; Cosenza et al., 2007), 일본의 Mizunami(Wu et al., 2021; Suzuki et al., 2004) 및 Horonobe URL(Aoyagi et al., 2019) 등이 있다.

한국의 경우에도 고준위 방사성 폐기물 URL로는 유일한 KURT(KAERI Underground Research Tunnel)에서 연구를 수행하고 있다(Baek et al., 2017). 더불어 범부처 사업으로 2021년부터 사용후핵연료의 저장과 처분, 관리 기법 구축을 위한 연구 사업이 진행 중에 있으며(http://www.iksnf.or.kr), 2030년에는 URL에서의 실증 연구를 시작하여 최종 관리 권고안에 따라 2051년부터는 처분 시설을 건설하는 것을 목표로 하고 있다(Kwon and Kim, 2017).

URL에서 수행하는 현장 실험 대상 요소로는 심부 지질환경, 지하수 함량, 열전달 및 열응력, 굴착손상영역(excavation damaged zone, EDZ), 처분용기 등이 있다(Birkholzer et al., 2019). 현장 실험은 부지 선정 단계부터 건설 및 운영 단계에 걸쳐 다양한 검증이 필요하고, 열-수리-역학-화학적(Thermo-hydro-mechanical-chemical, THMC)으로 맞물려 작용하는 복합적인 거동을 보인다(Kwon and Kim, 2017). THMC 거동 실험을 위해 코어 샘플을 얻거나 현장 부지 내 장비 설치를 위한 시추를 하게 되면 추가 손상이 발생할 수 있다.

지구물리탐사 방법은 비파괴적으로 매질의 물성을 파악하여 매질 내부를 평가할 수 있는 가장 효율적이면서도 적합한 기법으로(Walton et al., 2015), 시추공 조사 등의 직접 탐사에 비해 경제적이다. 물리탐사는 전통적으로 석유나 지하수, 광물 등의 자원 조사에 활용되어 왔으며(e.g., Daneshvar Saein et al., 2012; Watlet et al., 2018), 환경 오염 및 안전 분야(e.g., Castelluccio et al., 2018; Soupios et al., 2007)나 CO₂ 지중 저장 관련 분야(e.g., Lamert et al., 2012; Denchik et al., 2014; Caesary et al., 2020) 등에서도 활발하게 적용되며 응용 분야가 넓어지고 있다.

심층처분장이나 URL 내부 혹은 지표면에서도 물리탐사를 수행함으로써 시설의 안전성 평가하고 현장 실험을 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라(e.g., Shigeta et al., 2003; Siren et al., 2015; Macy et al., 2012), 지하 매질의 암반 균열과 지하수 분포 정보, 공학적 방벽 등의 구조지질학적, 수리지질학적, 역학적 특성도 파악할 수도 있다(e.g., Maineult et al., 2013; Baek et al., 2017; Heikkinen et al., 2021). 이에 따라 심층처분장에 적합한 부지를 조사하고 시설을 건설하여 장기적이고 안전하게 운영하기 위하여 URL에서 다양한 물리탐사법을 적용하여 연구하고 있다(e.g., Shigeta et al., 2003; Macy et al., 2012; Cosma and Enescu, 2001; Lopes et al., 2019b).

이 연구에서는 부지 선정 이후 심층처분장의 건설 단계에서부터 지구물리학적 방법의 적용성을 중점적으로 검토하였다. 먼저 심층처분장의 개념과 처분장 단계별로 주목해야 할 요소에 대해서 기술하고, 이를 파악하기 위해 사용할 수 있는 지구물리학적 물성과 탐사 기법에 대해서 소개하였다. 또한, 실제 지하연구시설에서의 물리탐사 기법을 활용한 사례를 분석하고 심층처분장 적용성에 대해 검토하였다.

본 론

심층처분장과 지하연구시설에서의 파쇄대 및 지하수 유동 변화

심층처분장은 생태계로부터 완전히 격리된 영구처분 시설로, 핵종이 생태계로 누출되는 주요한 경로인 균열 및 지하수의 흐름을 처분장 부지 선정, 건설, 운영의 모든 단계에서 파악할 수 있어야 한다(Fig. 1).

Fig. 1.

A schematic diagram of radioactive waste disposal site and major elements to be observed at each stage of construction.

- 심층처분장 개념 및 구조

심층처분장은 접근 터널, 처분 터널, 처분공 및 수직갱으로 구성되며, 처분 안전성 확보를 위해 천연 방벽(Natural barrier system)과 공학적 방벽(Engineered barrier system)으로 이루어진 다중방벽(Multi-barrier system; Fig. 2) 개념을 사용한다(Kwon and Kim, 2017). 천연 방벽은 처분 시설을 둘러싼 자연 암반과 토양의 전반적인 천연 지하구조를 말한다. 이와 달리 공학적 방벽은 폐기물을 밀봉하기 위한 인공물로서 일반적으로 폐기물을 담은 처분용기(Canister), 완충재(Buffer), 뒷채움재(Backfill)가 주로 검토되고 있다(Martin et al., 2007). 즉, 1) 고준위 방사성 폐기물 펠렛(Pellet)을 금속 캐니스터에 넣어 밀봉하고 2) 처분용기를 넣은 처분공과 처분터널을 벤토나이트 등의 완충재와 뒷채움재로 채워넣고, 3) 마지막으로 천연 방벽이 방사성 누출을 방지한다.

Fig. 2.

Multi-barrier system in deep disposal sites (Martin et al., 2007).

- 부지 선정 단계

심층처분장이 건설되는 부지는 천연 방벽 역할을 할 수 있어야 하기 때문에 균열 및 파쇄대 분포와 단층의 구조로부터 자유로운 부지를 선택하여야 하며(Jeong et al., 2023), 건설 후에는 이들의 성장 및 발생 등을 확실하게 파악할 수 있어야 한다. 특히, 지하수의 흐름이 방사성 핵종 이동을 결정하기 때문에 수리지질학적 특성을 사전에 파악하는 것이 매우 중요하다. 또한, 처분장이 건설되는 부지는 장기간에 걸쳐 발생할 수 있는 열을 충분히 견딜 수 있어야 하며 지반이 매우 안정된 조건이어야 하는 등 여러 조건(e.g., Kwon and Kim, 2017)을 충족하여야 한다. 심층처부장 부지특성은 지하 암반의 종류와 특성에 따라 좌우되기 때문에 암석역학, 수리지질, 지화학, 열적 특성 등의 다양한 관점에서 연구가 필요하다(Kwon and Kim, 2017).

- 건설 단계

심층처분장이나 URL 건설을 위해 암반을 굴착하는 과정에서 새로운 균열이 생성되거나 기존 균열이 변형되면서 손상이 발생한다. 이러한 EDZ에서는 암반의 물리·역학적 및 수리학적 특성이 변하고 시설 내부로 지하수 유입량이 증가하게 되고, 이에 따른 공학적 방벽 재료 등의 변형이 발생할 수 있어 장기적인 운영 안전성 관점에서 문제가 된다(Kim et al., 2022; Maineult et al., 2013). EDZ는 크게, 균열 생성은 없지만 굴착으로 인해 변형이 생긴 굴착영향영역(Excavation Influenced Zone, EIZ 혹은 Excavation disturbed Zone, EdZ) (Follin et al., 2021), 높은 손상 영역(Highly Damaged Zone, HDZ) (Walton et al., 2015) 등으로 나누어 구분하기도 한다(Fig. 3).

Fig. 3.

Classification of excavation damage zones (Perras and Diederichs, 2016).

EDZ뿐만 아니라 암반 내부의 파쇄대나 균열도 오염물질 등을 운반하는 흐름의 주요 통로가 되며(Becker and Shapiro, 2000), 암석의 역학적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다(Davy et al., 2018). 처분장 건설 이전에 부지선정 단계에서 암반의 균열 및 파쇄대를 조사하지만 심부 수백 m 깊이에서의 암반상태와 같다고 볼 수 없다. 따라서 직접 심부 암반에서 균열 분포를 파악하고 부지선정 단계에서 수행한 조사 결과에 대해 검증하는 작업이 필요하다(IAEA, 1999). 특히, 암반 균열 내 지하수 흐름은 심층처분된 방사성 폐기물에서 핵종이 누출되어 생태계까지 닿게 되는 유일한 통로이며(Madeira et al., 2016), 심층처장분 내 지하수 유입은 열역학적 그리고 화학적 거동의 변화를 유발한다(Kwon and Kim, 2017). 이에 따라 암반의 파쇄대 분포와 이와 관련된 수리지질학적 및 역학적 물성을 특성화하고 지속해서 모니터링하는 것이 중요하다(e.g., Wu et al., 2021; Molron et al., 2020; Ramirez et al., 1997; Cosenza et al., 2007).

- 운영 단계

처분장 운영 중에 발생하는 방사성 폐기물의 붕괴열은 지하수와 파쇄대에 영향을 미치는데, 열전달에 의해 수포화도 변화가 발생하거나 열응력 작용에 의해 파쇄대 특성이 변형될 수 있다(Cosenza et al., 2007). 이에 URL에서는 열응력 시험 및 지하수, 균열 변화 모니터링에 대한 연구도 진행된다(Ramirez et al., 1997; Siren et al., 2015). 또한 방사성 폐기물이 처분된 용기와 공학적 방벽에도 붕괴열에 의한 변형이 발생할 수 있는데(Jockwer et al., 2007; Kim et al., 2019), 이는 예상치 못한 지하수 유입과 처분용기의 빠른 부식 및 방사능 핵종 유출 문제로 직결될 수 있다. 따라서 공학적 방벽과 처분용기의 성능을 평가하는 데 있어 수분 함량과 온도 변화를 모니터링 하는 것이 중요하다(Lopes et al., 2019a; Biryukov et al., 2016).

심층처분장 및 URL에서의 물리탐사 기법 적용

물리탐사 기법을 통해 심층처분장 및 URL에서 발생할 수 있는 파쇄대 및 균열 분포, 지하수 유동과 관련한 현장 실험에서의 여러 물성을 비파괴적으로 파악할 수 있다. URL에서의 주요 연구 분야로 EDZ 평가(e.g., Heikkinen et al., 2021; Lesparre et al., 2013; Walton et al., 2015), 암반 균열 분포 및 투수성 평가(e.g., Cosma and Enescu, 2001; Molron et al., 2020; Wu et al., 2021), 지하수 변화 모니터링(e.g., Giertzuch et al., 2020; Manukyan et al., 2012; Baek et al., 2017; Maineult et al., 2013), 열응력 작용 평가(e.g., Ramirez et al., 1997; Siren et al., 2015; Cosenza et al., 2007), 공학적 방벽 모니터링(e.g., Lopes et al., 2019a; Lopes et al., 2019b) 등이 있으며 심층처분장 건설 및 운영 등 전반적인 과정에 필요하다.

지구물리학적 물성 변화

심층처분장 및 URL의 안전성 평가를 위해서 주로 사용하는 물리적 특성으로 전기비저항, 복소전기비저항, 유전상수, 흐름 전위, 탄성파 속도 및 밀도 등이 있다. URL에서의 물리탐사 적용 대상별 물성의 변화에 대해서 알아본다.

- 굴착 손상 영역(EDZ) 특성

EDZ에서는 미세 파쇄대가 증가하면서 공극률 및 수분 함량도 증가하는 등의 변화가 발생한다(Heikkinen et al., 2021). 이로 인해 매질의 밀도 감소, 탄성파 산란 증가와 같은 물성 변화가 나타나는데(Cosma et al., 2010), 파쇄대와 공극의 뚜렷한 증가로 탄성파 속도는 늦어지지만(Schuster et al., 2001; Sato et al., 1997), 수분 함량이 증가하면 유전상수는 높아지고(Heikkinen et al., 2021) 전기비저항은 일반적으로 감소한다(Suzuki et al., 2004). 그러나 굴착으로 인한 비정상적 응력장에 의해 배경 매질보다 전기비저항이 높게 형성되기도 한다(Gibert et al., 2006; Lesparre et al., 2013).

- 암반 균열 및 투수성 특성

심층처분장 암반 균열은 두 가지로 나눌 수 있는데, 기존의 모암이 가지고 있는 불연속성 파쇄와 폐기물 붕괴열의 응력 작용으로 발생한 균열이 있으며 이는 지하수로 포화되기도 한다. 암석의 불연속성을 감지하고 특성화하는 데에는 탄성파 속도가 민감하게 반응하여 파쇄대 파악에 유리하다(Cosma and Enescu, 2001). 뿐만 아니라 유전상수, 전기비저항 등의 물성이 암반과 균열에서 다른 특성을 보여 명확히 대비되며, 특히 지하수가 침투하게 되면 높은 유전상수 및 낮은 전기비저항을 띠게 된다(Molron et al., 2020; Wu et al., 2021).

- 수리지질학적 특성

지하수 분포, 수포화도 변화 등은 물리탐사에서 주요하게 파악할 수 있는 특성 중 하나이다. 암반과 구분되는 지하수를 특성화하는 물성으로는 유전상수, 탄성파 속도 및 전기비저항이 있고, 수포화도가 변함에 따라 복소전기비저항의 진폭 스펙트럼 변화가 나타난다(Cosenza et al., 2007). 유전상수는 물에서 가장 큰 값을 보이기 때문에 심층처분장에서의 미세한 균열을 탐지하는 데에 이용할 수 있다(Giertzuch et al., 2020). 또한, 시설 굴착 시 새로 생성된 균열에서 유체가 유입하여 흐름이 발생하면 전류 흐름의 형태를 띠기 때문에 흐름 전위가 증가하는 반응을 보인다(Maineult et al., 2013; Song and Nam, 2018).

- 열전달 및 열응력 영향 특성

전기비저항은 온도 변화에 민감한 대표적인 물성이다. 온도가 증가하면 전기비저항이 감소하지만 열에 의해 수분 함량이 낮아지면 전기비저항이 증가하기 때문에 전기비저항 반응이 불규칙한 양상으로 나타나기도 한다(Ramirez et al., 1997). 탄성파 속도와 유전상수도 열응력에 의한 기존 암석의 내부 손상 강도가 달라짐에 따라 손상대가 확장되면서 변화하는 특징이 있다(Siren et al., 2015).

- 공학적 방벽 특성

심층처분장을 장기적으로 운영할 때 공학적 방벽에 지하수가 유입되어 포화하였다가 방사성 폐기물 붕괴열에 의해 수포화도가 감소하는 현상이 계속 반복되면서 처분용기, 완충재 등에 영향을 미칠 것으로 예상된다(Kwon and Kim, 2017). 전기비저항은 공학적 방벽의 반응을 특징짓는 핵심 변수인 수분 함량과 온도 변화에 민감하게 반응하므로 방벽 안정성 평가 및 모니터링에 활용 가능하다(Lopes et al., 2019b). 또한, 탄성파 점탄성 품질 계수를 평가하여 벤토나이트 완충재의 수포화도 변화를 관찰할 수 있다(Biryukov et al., 2016).

물리탐사 기법 적용성

- 탄성파 탐사

탄성파 탐사에서 사용하는 실체파 및 표면파의 속도는 암반의 불연속 경계에서 크게 변화하는 것이 잘 알려져 있으며(Schuster et al., 2001), 실체파 탐사는 반사법이나 굴절법을 통해 지질구조를 파악하고, 표면파 탐사는 분산 특성으로부터 S파 속도 구조를 파악한다. 심층처분장 건설 과정에서 변형된 암석은 탄성파 반사법을 사용하면 탄성파 속도와 회절 분석을 통해 구조를 알 수 있으며(Enescu and Cosma, 2010), 공극 및 유체 포화도가 증가하면 탄성파 속도는 느려지므로 이를 해석하면 EDZ 내 수포화도 변화 관찰이 가능하다(Manukyan et al., 2012). 다른 방법으로 표면파 스펙트럼 분석(Spectral Analysis of Surfaces Waves, SASW)이나 다중 채널 표면파 분석(Multi Channel Analysis of Surface Waves, MASW), SIST(swept impact seismic technique) 기법 등을 이용하여 암반과 불연속면 사이의 탄성파 속도 차이를 분석하여 모니터링할 수도 있다(Leparoux et al., 2012; Cosma and Enescu, 2001).

- 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사

GPR 탐사는 약 100 MHz ~ 2 GHz의 레이더파를 송신하고 감쇠하며 전파하다가 반사되어 되돌아온 레이더파를 측정하며, 매질 반사 특성을 분석하여 매질 내부를 파악할 수 있다. 다른 기법에 비해 가탐심도는 낮지만 고주파수의 전자기파를 사용함으로써 분해능이 높다는 이점이 있는 GPR 탐사는, 레이더파가 균열, 공극, 지하수 등과 같은 유전율이 다른 불연속성 특성에 의해 반사되기 때문에 매질의 정보를 파악할 수 있다(Xiang et al., 2013). 특히 물은 유전율이 가장 커서 심층처분장에 분포한 균열 및 공극에서의 지하수 모니터링에 GPR 탐사가 유용하다(Giertzuch et al., 2020; Baek et al., 2017). 지하수가 포화되어 있지 않더라도 매질 내에 손상이 발생한 파쇄대나 균열에서 반사된 전자기파는 잡음에 비해 진폭이 더 크게 발생한다. 따라서 처분장 암반에서 반사 지연과 전자파 속도에 따라 손상 영역의 깊이 및 규모를 계산할 수 있어 EDZ 평가에 적용성이 높다(Siren et al., 2015; Heikkinen et al., 2021; Walton et al., 2015).

- 전기비저항(Electrical Resistivity Tomography, ERT) 탐사, 인공분극(Mise-a-la-Masse, MAM) 탐사

ERT는 매질에 전류를 흘려보내 전기비저항 분포 특성을 얻으며, 파쇄대가 발생하게 되면 파쇄대 내에 수분 함량이 증가하면서 전기비저항이 낮아지게 되어 균열을 파악하는 데 적용할 수 있다(Ramirez et al., 1997; Wu et al., 2021). 다른 탐사법에 비해 해상도는 낮지만 시간 경과에 따라 변화하는 EDZ를 모니터링할 수 있으며(Gibert et al., 2006), 다른 물리탐사법과 함께 사용하여 복합 탐사를 수행하기도 한다(Suzuki et al., 2004; Walton et al., 2015). 또한, 전기비저항은 온도에 민감하게 반응하기 때문에 공학적 방벽에서 발생할 수 있는 온도 변화와 그에 따른 수포화도 변화를 관찰하여 수리지질학적 특성과 안전성을 평가하는 데에도 활용 가능하다(Lopes et al., 2019a, 2019b).

MAM 탐사는 ERT와 비슷하지만, 전류 전극 중 하나를 매질 내 전도체에 설치하고 나머지 전류 전극을 이와 멀리 떨어진 곳에 설치한 뒤, 전위 전극으로 전위차를 측정하는 탐사법으로 시추공을 이용하여 EDZ 분포 및 연결성을 파악할 수 있다(e.g., Follin et al., 2021).

- 유도분극(induced polarization, IP) 탐사

IP 탐사는 ERT와 동일한 물성을 활용하며, 시간경과 IP 탐사(time-domain IP, TDIP), 복소전기비저항(complex resistivity, CR) 탐사, 광대역 IP(spectral IP, SIP) 탐사가 있다. TDIP 탐사는 직류를 이용하여 매질의 충전율 분포를 파악하는 탐사법으로 단일 탐사로 심층처분장 내 균열 탐지에 적용하기는 어려우나 ERT와 함께 수행하여 지질 경계나 광물 탐지에 이용할 수 있다(Heikkinen et al., 2021). 교류를 사용하는 CR 탐사는 단일 송신 진동수를 사용하고, CR의 스펙트럼 분석에 다양한 진동수를 사용하면 SIP 탐사라 한다. 두 기법은 매질의 진동수 진폭과 위상 정보를 파악하며 이로부터 EDZ변화와 수포화도 변화에 의한 전기적 반응을 관찰하는 데 적용할 수 있다(Kruschwitz and Yaramanci, 2004; Cosenza et al., 2007).

- 자연 전위(self/spontaneous potential, SP) 탐사

SP 탐사는 매질 내에 유체가 흐르면서 발생하는 자연 전위인 흐름 전위를 측정하여 유체의 흐름과 정보를 파악할 수 있다. 다른 탐사법들과 달리 인공 송신원을 이용하지 않기 때문에 탐사 수행이 용이하고 지하수 유동을 실시간으로 측정할 수 있는 이점이 있다(Song and Nam, 2018). 심층처분장 내에서 굴착으로 변형된 암반의 투수성을 평가하거나 유입된 유체의 흐름을 모니터링하는 데 적용할 수 있으며(KAERI, 2015; Maineult et al., 2013), 붕괴열 등에 의한 온도 차이로 인해 유체 흐름이 발생하였을 때 유체 흐름 속도를 기반으로 자연 전위 방정식을 계산할 수 있다(Song and Nam, 2018).

현장 시설 및 실험 사례

방사성 폐기물 처분과 관련한 연구는 중저준위 방사성 폐기물까지 포함하면 OECD NEA(Nuclear Energy Agency) 회원 국가들을 중심으로 전 세계적으로 10여 개 국가에서 진행되고 있다(OECD, 2013). 이 장에서는 사용후핵연료 등 고준위 방사성 폐기물에 초점을 맞춰 이에 관한 처분시설 및 연구시설과 연구 실험 사례를 소개한다.

주요 심층처분장 및 URL 소개

해외 심층처분 사업 선도 국가로는 핀란드, 스웨덴, 스위스, 미국, 프랑스, 일본 등이 있으며, 한국에서도 URL을 건설하여 연구 중에 있다(Fig. 4; OECD, 2013). URL은 심층처분장 부지와 지질특성이 유사한 부지에 건설되며, 목적에 따라 크게 연구용 URL(Generic URL)과 인허가용 URL(Site specific URL)로 구분할 수 있다. 연구용 URL은 암반 매질에 대한 데이터베이스를 구축하거나 안전성 평가를 위한 실험 및 검증, 처분과 관련한 개념 연구 및 실증 실험이 주요 관심사이며, 세부적으로 기존 폐광산이나 터널 시설을 확장하여 활용하는 generic URL(G-URL)과 새롭게 시설을 건설하는 purposed built generic URL(PBG-URL)로 나눌 수 있고 최근에는 PBG-URL을 건설하는 추세이다(Bae et al., 2013). 인허가용 URL은 향후 동일한 부지에 폐기물을 처분할 것을 고려한 시설로 처분 시스템 성능을 안전하게 구현하기 위한 실증 실험과 더불어 해당 부지 특성에 대한 연구도 추가로 진행하게 된다.

Fig. 4.

List of major underground research laboratory (URL) sites for high level radioactive waste.

핀란드의 Onkalo는 대표적인 인허가용 URL로 화강암 부지의 Olkiluoto 섬에 2004년부터 건설을 시작하여 약 500 m 심도와 총 8 km길이의 터널 규모를 가지고 있다. 화강암은 결정질암 중 하나로 풍화 작용의 영향을 덜 받으며 강도가 강하다는 이점이 있고(Jeong et al., 2023), 시설은 현재 실증 실험을 마치고 심층처분장으로 사용하기 위해 건설 진행 중에 있다. 미국은 5개의 URL을 건설하였으며, 인허가용 URL로 뉴멕시코주의 waste isolation pilot plant (WIPP)와 네바다주 유카 산(Yucca Mountain)의 exploratory studies facility(ESF)가 있다. WIPP는 1999년 이후부터 실제 폐기물 처분을 진행하고 있는 심층처분장이며, 암염 부지에 약 655 m 심도로 건설되었다. ESF는 응회암 암반에 300 m 건설되었고, 2009년 이후로는 유카산 프로젝트가 중단되어 운영이 중지되었다(OECD, 2013). 이외에 프랑스 Meuse/Haute Marne에 위치한 Bure URL도 실증 실험을 마치고 현재 폐기물 처분 시작을 위해 대기 중에 있다.

PBG-URL로는 스웨덴의 Oskarshamn에 위치한 Äspö HRL이 있다. 이 시설은 1990년부터 실험을 시작하였고 화강암반을 기반으로 하며, 심도는 240 ~ 460 m로 총 터널 길이 3.6 km의 규모이다. 일본은 Mizunami URL과 Horonobe URL를 건설 중에 있으며 목표 심도는 각각 1,000 m, 500 m로 화강암과 퇴적암 기반이다. 한국원자력연구원 내에 위치한 KURT는 심도 120 m 깊이의 화강암반에 건설되었고, 2006년부터 운영되면서 다양한 연구를 수행하고 있다.

G-URL은 스위스와 프랑스가 대표적인데, 스위스는 Mont Terri URL과 Grimsel Test Site(GTS)가 있다. 각각 Opalinus 점토암과 화강암을 기반으로 하고 있고, 점토암은 입자가 매우 작아 수리전도도가 낮기 때문에 처분장으로 적합한 암종으로 평가되고 있다(Jeong et al., 2023). Mont Terri URL은 기존의 도로 터널 인근 300 m심도에 있으며, GTS URL은 유틸리티 터널을 연구시설로 변경한 것으로 알프스 산맥 하부 450 m 심도에 있다. 프랑스의 Tournemire URL은 철도 터널을 확장한 시설로 Auvergne 지역 점토암 셰일 부지의 250 m 심도에 건설되었다.

URL 실증 실험에서의 물리탐사 적용사례

물리탐사 기법은 URL 및 심층처분의 전반적인 과정에서 활용될 수 있으며, 부지선정 이후 건설 및 운영 단계에서 EDZ, 암반의 열-수리-역학적(THM) 거동, 공학적 방벽 시스템 등의 연구에 적용되어왔다(Table 1).

굴착 손상 영역

- EDZ 분포 평가

스위스 Mont Terri URL에서 새롭게 굴착한 EB-niche 터널에서 원형 측선 및 수평 측선을 설치하여 CR 탐사를 수행하였다(Kruschwitz and Yaramanci, 2004). 터널은 2.6 m 높이와 2.9 m 바닥면 너비를 가진 말굽 형태이며, 독일 radic-research사의 SIP-Fuchs 장비로 자료를 획득하였다. 2개의 원형 측선에 약 8° 간격으로 45개의 전극을 설치하였으며, 전극 간격은 약 21 cm이다. 터널 벽면 1 m 높이에 위치한 수평 측선에 45개의 전극을 설치하였으며, 전극 간격은 12.5 cm이다. 역산에는 1 Hz 측정자료만 사용하였으며, 전기비저항 분포로부터 손상영역을 평가하였다. 손상되지 않은 영역은 전기비저항이 약 8 ~ 16 ohm-m이였고, 바닥은 콘크리트이기 때문에 100 ~ 300 ohm-m의 높은 전기비저항을 띠었으며 위상은 거의 0에 가까웠다. Opalinus 점토암이 분포하는 천장의 전기비저항 값은 16 ~ 60 ohm-m이고 일반적인 위상보다 낮아 굴착 손상 영역으로 해석하였다. 시추 결과 굴착 이후 1개월 뒤 천장의 EDZ 두께는 약 1 m였으며, 2개월 뒤에는 벽 상부의 표면 영역까지 확대된 것으로 확인되었다.

Mont Terri URL Gallery 04 갱도에서도 EDZ 연구가 진행하였는데, 평균 직경 5 m의 갱도를 초기 20 m 길이까지 굴착하였을 때와 굴착 재개 이후에 ERT를 수행하였다(Gibert et al., 2006). 갱도 벽면에 수평 측선과 원형 측선을 설치하여 굴착 재개 전인 7월부터 굴착 이후 다음 해 1월까지 탐사를 진행하였다. 수평 측선은 바닥면에서 1.1 m 높이에 위치하며, 17개의 전극을 50 cm 간격으로 설치하였다. 원형 측선은 갱도 단면에서 1 m, 1.5 m, 4 m 떨어진 곳에 3개의 측선을 설치하였고 측선당 32 개의 전극을 Wenner 배열로 약 55 cm 간격으로 설치하였다. 시간경과에 따른 겉보기비저항 가단면도를 보면, 원형 측선 1과 2에서 7월과 굴착 재개 시점인 9월 사이에 겉보기비저항의 눈에 띄는 변화가 나타났으며, 특히 갱도 천단에서 고비저항대 영역이 크게 증가하였다. 반면, 터널 표면 근처에서 전기비저항이 감소하였는데 물을 주입하여 발생한 변화로 해석할 수 있다(Fig. 5).

Fig. 5.

Pseudo-sections for differences of 2 months each during the exploration period (Gibert et al., 2006).

프랑스 Tournemire URL에서는 MASW 탐사를 이용하여 콘크리트로 마감된 굴착 터널의 EDZ를 평가하였다(Leparoux et al., 2012). 24개의 100 Hz 지오폰을 이용하여 0.1 m 간격으로 9.2 m 길이의 MASW 현장자료를 취득하였다. EDZ 넓이와 S파 속도 구조가 다른 수치 모델에 대한 수치 모델링을 수행하였으며, 취득된 표면파 자료와 각 수치 모델들의 분산 결과를 비교하였다. EDZ 특성에 따라 기본 모드와 첫 번째 상위 모드의 분산 곡선 모양과 위상 속도가 크게 달라지는 것을 확인하였고 MASW 분산곡선이 EDZ에 민감하다는 것을 보여주었다. 역산 결과는 콘크리트 층 아래의 EDZ 영역을 보여주고 있으며 MASW를 이용한 EDZ 평가는 콘크리트 층이 있는 상태에서 S파 속도 프로파일을 2 m 깊이까지 측정할 수 있음을 입증하였다.

스웨덴 Äspö HRL에서 ERT, IP, GPR 탐사를 복합 수행하여 EDZ 및 HDZ를 파악하였다(Walton et al., 2015). ERT와 IP 탐사는 두 곳의 터널에서 다중 기울기 배열(multi-gradient array)로 전극 간격을 6 cm으로 하여 약 1 m 깊이까지 수행하였고, GPR탐사는 600 ~ 2,600 MHz 대역의 저주파 안테나와 800 ~ 3,000 MHz 대역의 고주파 안테나를 사용하여 자료를 얻었다. ERT 수행 결과 저비저항 이상대 영역이 나타나 염수가 침투한 열린 균열로 해석하였으며, IP 탐사 결과에서도 저비저항 영역에서 충전율 이상이 보였다. GPR 탐사는 저주파 안테나로 얻은 단면에서 잠재적 균열 지역이 더 명확하게 확인되었으며, 이후 더 정확한 평가와 판단을 위해 시추공 탐사를 추가로 진행하여 결과를 비교하며 해석하였다. HDZ의 두께는 약 5 ~ 10 cm, EDZ는 굴착면 아래 15 ~ 35 cm까지 확장된 것으로 확인하였다(Fig. 6).

Fig. 6.

(a) Inversion of resistivity model, (b) the observed fractures from the boreholes, (c) GPR section, (d) the GPR traces at the locations of boreholes A, B, and C (Walton et al., 2015).

핀란드 Onkalo URL의 ONK-TKU-3620 연구 갱도에 대해 다양한 물리탐사를 적용한 EDZ 연구가 진행되었다(Heikkinen et al., 2021; Reyes-Montes and Flynn, 2021; Follin et al., 2021). GPR 탐사는 갱도 바닥면에 최대 길이 9 m의 측선 31개에 대해 1.6 GHz 안테나로 자료를 취득하였고, ERT와 IP 복합 탐사는 8 m 길이의 11개 측선에서 다중 기울기 배열(Dahlin and Zhou, 2006) 자료를 취득하였다. 탄성파 탐사와 MAM 탐사는 갱도 바닥면에 설치된 30개의 시추공에서 수행하여 심도 1 m 깊이까지의 정보를 얻었으며, 각각 24개의 AE(acoustic emission) 센서와 단극자(pole-pole) 배열의 전극을 설치하여 측정하였다.

GPR EDZ 해석법으로 자료를 분석한 결과, 갱도 표면에 EDZ 반응이 많이 나타났고 가탐심도는 암반 특성과 염분이 섞인 지하수 등으로 인해 1 m 이내였으며 EDZ 평균 깊이는 0.1 m, 두께는 0.1 ~ 0.3 m 로 나타났다. ERT 결과에서는 10,000 ~ 50,000 ohm-m의 매우 높은 전기비저항을 보이는 배경 매질과 대비되어 바닥과 수직면으로 500 ~ 1,000 ohm-m 범위의 낮은 전기비저항 영역이 뚜렷하게 나타나 파쇄대의 가능성이 높다고 해석하였고, IP 탐사 결과 단면에서는 높은 충전성을 보이는 영역이 저비저항 영역과 일치하게 나타났다. 탄성파 탐사 결과에서는 0.6 m 깊이까지 해상도 높은 단면을 얻었고 P파 속도는 4,800 ~ 6,500 m/s 범위로 계산되었는데, 북쪽 영역(B37-B36-B45-B46)에서 EDZ로 해석할 수 있는 일정한 저속도대 및 파쇄대에 의한 이방성 반응이 관찰되었다. MAM 탐사 결과로는 파쇄대 등의 낮은 전기비저항에 대해 시추공 사이의 전기적 연결성이 나타남에 따라 EDZ로 해석하였다.

- EDZ 수리지질 특성 평가

일본 Mizunami URL에서 심부 500 m 깊이의 터널에 발생한 EDZ를 평가하기 위해 터널 벽에서 수평으로 위치한 5 m 길이의 2개의 시추공에 물을 채운 뒤 전기비저항 및 탄성파 토모그래피를 수행하였다(Suzuki et al., 2004). 전기비저항 토모그래피는 단극자 배열을 사용하여 자료를 얻었고 탄성파 토모그래피는 15, 31, 78 kHz 진동수 범위에서 압전 송신기와 멀티 하이드로폰을 사용하여 탐사하였다. 탐사 결과 터널 주변의 물이 흐르는 경로로 보이는 1 m 두께의 300 ~ 500 ohm-m 정도의 저비저항 및 4.2 km/s의 저속도 영역을 확인하였으며, 동일한 시추공에서 시행된 투과성 및 증발 시험을 통해서 높은 투과성을 보이는 개방 균열(open fracture) 영역임을 확인하였다. 굴착 후 3년간 측정한 전기비저항 토모그래피 자료를 시간 경과로 해석하였고 지하수 유동에 의해 수분 함량이 감소함에 따라 30 cm 이내 두께에서 1,500 ~ 2,000 ohm-m까지 증가함을 보였다.

스위스 Mont Terri URL에서는 굴착 갱도에서의 시추공 SP 탐사와 마이크로 터널에서의 탄성파 탐사를 수행하여 EDZ에서의 수포화도 거동을 모니터링하였다. Gallery 04(Ga04) 갱도와 Ga08 갱도를 잇는 시추공(BEZ-G5)에서 SP 탐사를 수행하여 공극수 유입을 관찰하였다(Maineult et al., 2013). 10 m 길이의 반원형 PVC 배관 외부에 비분극 전극을 설치하여 시추공에 삽입하였고, 전극 간격은 15 cm 이며, 첫번째 전극은 시추공 입구에서 5 cm 거리에 위치한다. 기준 전극(reference electrode)은 Ga04 갱도 오른쪽 하부에 위치시켰고 40개 채널의 Keithley-2701와 DMM-7708 장비를 사용하였다. SP 신호는 모든 전극에서 유사하게 나타났으며, 약 20 mV의 값을 보이며 빠르게 안정화되었다가 4일째 이후에는 부분적인 건조로 인해 약 70 ~ 80 mV 정도 감소하는 반응을 보였다. 갱도 균열 분포 정보와 비교한 결과, SP 이상 중 5 곳은 단층과 관련 있는 것으로 나타났고, 모래층에 위치한 SP 이상 3 곳은 단층이 아닌 모래층을 통해 순환되는 지하수 유입에 의한 반응으로 추정하였다(Fig. 7).

Fig. 7.

Major self-potential anomalies obtained from self- potential data and drill-core mapping in borehole BEZ-G5 (Maineult et al., 2013).

탄성파 탐사는 폐기물 처분장의 규모를 25 ~ 40% 축소시킨 지름 1 m, 길이 13 m의 마이크로 터널에 대해 건조한 모래를 채우고 완전 포화 및 압력을 가하는 단계까지 조건을 바꾸어 가면서 진행하였다(Manukyan et al., 2012). 마이크로 터널과 수직한 방향으로 29 m 길이의 하향 송신 시추공과 25 m 길이의 상향 수신 시추공을 천공하였다. 송신 시추공에서 0.25 m 간격으로 sparker 송신원을 발생시켰으며, 수신 시추공에 24채널 하이드로폰 센서를 1 m 간격으로 설치하였다. 또한, 마이크로 터널 내부 벽면에 8개의 100 Hz 수직 성분 지오폰을 등간격으로 설치하여 탄성파 속도 변화를 측정하였다. 하이드로폰의 초동 시간에 기초하여 시추공 주시 단면을 나타낸 결과, 초기 완전 불포화 A조건은 건조한 모래로 인해 약 500 m/s의 매우 낮은 P파 속도를 보였고, 50 % 포화된 B조건에서는 물이 공극 및 EDZ에 부분적으로 침투하여 속도가 미세하게 증가하면서 이동 시간이 약간 감소하였다. 8개월이 지나 완전히 포화된 C조건과 주입 후 12개월이 지나 압력을 받고 있는 D조건에서는 모래가 완전 포화되고, EDZ가 자기 밀봉(self-sealing) 특성을 보이면서 약 2,000 m/s로 속도가 증가하여 이동 시간이 더욱 단축되는 것을 확인할 수 있었다.

- 장기 운영 모니터링

스위스 Mont Terri URL의 Ga08 갱도에서 발생하였던 EDZ에 대해 10여년의 시간이 지난 2017년 12월과 2018년 2월 사이에 탄성파 탐사를 수행하였다(Williams et al., 2022). 갱도 측벽에 길이 24.0 ~ 35.0 m의 규모로 측선을 설정하였으며, 2D 굴절법 탐사를 7번 반복하였다. 각 측선에서 7 cm 길이의 금속 핀이 있는 30 Hz 단일 성분 지오폰을 갱도 숏크리트에 구멍을 뚫어 0.5 m 간격으로 설치하였으며, 송신원으로는 해머를 사용하였다. 갱도에서 깊이가 증가함에 따라 P파 속도가 선형적으로 증가하였으며, 깊이 0.5 m 부근에서 나타난 급격한 속도 감소 반응은 숏크리트-암반 경계면으로 해석하였다. EDZ 영향으로 깊이 3 m 이내에 상대적으로 느린 속도(<1.0 km/s) 분포가 비균질적으로 측정되었으며, 이는 EDZ 균열망이 조밀할수록 더욱 큰 효과로 나타났다.

암반 균열 및 투수성 평가

- 암반 균열 매핑

스위스 GTS URL에서 SIST 반사법 탐사를 수행하였다(Park et al., 1996; Cosma and Enescu, 2001). WT 터널에서 서로 120 m 거리에 위치한 150 m와 190 m 길이의 두 개의 시추공을 천공하였으며, 터널-시추공 탐사와 시추공-시추공 탐사를 실시하였다. 터널-시추공 탐사는 송신원으로 1.5 kW 전기 해머 드릴 SIST 20을 사용하였으며, 수신 시추공에는 3축 가속도계를 설치하였다. 탄성파 자료의 진폭 스펙트럼을 보면 500 ~ 2,000 Hz 대역의 탄성파 신호가 110 m 깊이의 가속도계까지 도달하였다. 시추공-시추공 탐사에서 기존 단일 펄스 모델(PH52)을 기반으로 압전(Piezoelectric) SIST 송신을 구축하였고, 주파수 대역은 500 ~ 2,500 Hz로 압전 세라믹 묶음(stack)에 고전압 펄스의 제어된 일련의 고전압 펄스를 적용하여 탄성파 신호를 생성시켰다. 탐사 결과로 3D 불연속면 분포를 얻어 이미지화 하여 탄성파 단층 매핑을 얻었고, 반사 및 투과 자료의 공동 분석을 통해 불연속 구조 모델을 구성하였다. 대다수의 반사체 그룹의 주향방향은 60° 경사를 가진 터널과 수직방향을 보이며, 터널 벽면에서 주로 관찰된 황반암맥(lamprophyre dyke)로 해석되었다. 또 다른 반사체 그룹의 주향방향은 60° 경사로 터널과 거의 평행하며 터널과 시추공 관찰을 통해 파쇄대를 포함하고 있음을 확인하였다(Fig. 8).

Fig. 8.

GTS structural mapping derived from SIST investigations, including cross-hole studies and tunnel-to-hole (Cosma and Enescu, 2001).

스웨덴 Äspö HRL은 균열 매핑에서 지표면 기반이라는 제약조건과 미터 단위의 개별 균열을 탐지해야 한다는 제약조건을 고려하였을 때 GPR 탐사가 적합하다고 판단하였다(Molron et al., 2020). 터널 벽면 3.4 m × 19 m 영역에서 160, 450, 750 MHz 안테나를 사용하여 자료를 획득하였다. 측점 간격은 2.34 cm이며, 측선간 거리는 450, 750 MHz 안테나에서는 0.05 m, 160 MHz 안테나에서는 0.10 m로 설정하였다. 9 ~ 9.5 m 길이의 3개의 시추공을 천공하여 GPR 탐사에서 파악된 17개의 반사 이벤트를 분석하였다. GPR 단면 해석을 위해 구조조정/참반사 보정(migration) 전후 자료를 비교하여 단순화한 균열 네트워크 모델을 제작하였는데, 1 ~ 4 m 크기의 균열로 해석할 수 있는 반사 정보를 21개를 얻었고 함께 수행하였던 로깅 및 유압 테스트 자료와 기존 데이터베이스로부터 공통된 개방 균열 및 방향 등의 추세를 확인하였다.

일본 Mizunami URL에서 500 m 심도에 위치한 갱도에서 102 m 길이의 수평 시추공을 천공하여 지질조사, 시추공 영상촬영(televiewer), 물리검층과 수리시험을 실시하였으며, 이를 기반으로 암반 균열(Discrete fracture network, DFN) 모델을 구성하여 암반 정보를 파악하였다(Wu et al., 2021). 시추공에서의 전기비저항 자료는 25 cm 전극 간격을 가진 short normal 전기비저항 검층을 통해 획득되었다. 시추공 조사를 통해 균열, 전기비저항, 투수성 정보를 얻었으며 지하수면 아래에 위치함에 따라 균열은 포화 상태로 확인되었다. 전기비저항 검층 결과에서 250 ~ 2,770 ohm-m 범위의 전기비저항 분포를 얻었고, 평균 2,000 ohm-m에 비해 600 ohm-m 값을 보이는 영역은 투수성이 높은 지점과 일치하게 나타나 균열대로 해석하였다.

- 균열 내 유체 포화에 의한 극성 반응 변화

한국 KURT에서는 터널 벽면 내부의 수리지질학적 특성을 파악하기 위해 약 80 m 심도의 갱도에서 GPR 탐사를 수행하였다(Baek et al., 2017). 갱도 벽면에 분포하는 파쇄대의 영상과 특성을 파악하기 위하여 5 m × 2.5 m 영역을 다이아몬드로 평평하게 연삭하였으며, 2.4 m × 1.8 m 영역에서 20 cm 간격으로 격자를 구성하여 GPR 탐사를 실시하였다. GPR 탐사는 수평 방향 13개 측선, 수직 방향 10개 측선에서 250, 500, 1000 MHz 안테나를 이용하여 자료를 획득하였다. GPR 자료에서 관측된 반사 쌍곡선을 이용하여 조사영역의 레이더 속도를 화강암에서의 일반적인 속도인 0.115 m/ns로 가정하였다.

500 MHz와 1,000 MHz 안테나를 사용하여 동일한 측선에서 단면을 얻은 결과, 500 MHz를 통해 얻은 x-z 단면에서는 양의 극성을 보인 반면 1,000 MHz를 통해 얻은 단면에서는 음의 극성을 띠었다. 이러한 극성 변화를 규명하기 위해 수치실험을 진행하였고, 그 결과로 균열에서 양의 극성을 띠다가 물로 포화되었을 때 음의 극성을 보이는 것을 확인하였다(Fig. 9).

Fig. 9.

Simulation effects that change with saturation in the fracture at GPR 200 MHz. a) field data, b) A synthetic model with fracture and fault, c) Simulation of water-to-air transition, d) Simulation of water-to-quartz transition (Baek et al., 2017).

- 추적자를 이용한 파쇄대 탐지

스위스 GTS URL에서 지하 암반의 주요 균열과 수리적 특성을 파악하기 위해 추적자 시험을 수행하고, 시추공 레이더 모니터링을 실시하였다(Giertzuch et al., 2020). 추적자 용액은 에탄올과 염화나트륨, 물을 섞은 혼합물이었으며 터널 하부에 95.6 kg 만큼 약 90분 동안 주입하였다. 갱도 인근에 분포하는 전단대와 평행한 30 m 길이의 시추공 GEO3에서 250 MHz의 시추공 안테나를 사용하여 자료를 획득하였으며, 모니터링 자료는 주입 15분 전부터 10 ~15분 간격으로 6시간 동안 30개의 반사파 자료를 획득하였다. 송신과 수신 안테나 사이의 거리는 1.76 m로 고정하였으며, 샘플링 간격은 0.6551 ns, 측정 시간 400 ns, 중합(stacking) 16회로 설정하여 약 3분 동안 측정간격 5 cm인 543개의 트레이스 자료를 측정하였다.

추적자를 주입하기 전과 99분 후의 시추공 레이더 단면을 비교한 결과, 추적자 주입 전의 단면에서는 전단대와 시추공 GEO3 인근의 시추공과 추적자 시험 주입공을 확연히 구분할 수 있었지만 99분 후 단면에서는 추적자 반응을 확인하기 어려웠다. 따라서 주입 후 시간에 따른 차분 영상에 추가 자료처리를 실시하여 영상을 재구성하였으며, 시간 경과에 따른 GPR 차분 영상의 변화를 분석하였다. 주입 24분 후 단면을 보면, 깊이 17 ~ 22 m 구간에서 시추공과 6 m와 11 m 떨어진 지점에서 2개의 강한 반사 이벤트를 확인하였다. 반사 이벤트 1과 반사 이벤트 2는 주입공이 위치한 지점에서 서로 반대 방향에 위치하며, 시간에 따른 추적자의 이동을 관찰한 결과, 주입 후 추적자는 반사 이벤트 1과 반사 이벤트 2를 따라 2개의 경로로 전파되었으며, 주입 159분 후에는 반사 반응이 감소하였다.

열응력 및 열전달 영향 평가

- EDZ 확장 평가

핀란드 Onkalo URL에서 수평 및 수직 처분 개념의 적용 가능성을 평가하기 위해 처분공에 대한 암반 손상 및 히터 실험을 진행하였고, 발생 균열을 식별하기 위해 직경 1.524 m, 길이 7.2 m의 실험공 내부에서 GPR 탐사를 실시하였다(Siren et al., 2015). GPR 탐사 장비는 GSSI SIR-3000을 이용하였으며 1,500 MHz 안테나로 자료를 획득하였다. 히팅 전, 후 여러 번에 걸쳐 탐사하였으며, GPR EDZ 방법을 이용해 손상 분포 및 깊이를 분석하였다(Silvast and Wiljanen, 2008; Heikkinen et al., 2010). 히팅 전에는 손상 영역의 깊이가 6 ~ 120 mm 범위이며, 실험공 상부 남-북 방향에서 250 ~ 300 mm 깊이까지 손상 영역이 관찰되었다. 히팅 후에는 EDZ 손상대의 깊이가 120 ~ 180 mm 깊이까지 확장됨을 GPR-EDZ 반응에서 확인할 수 있다(Fig. 10).

Fig. 10.

GPR EDZ results (A) before and (B) after heating (Siren et al., 2015).

GPR 탐사 외에도 연속적인 초음파(continuous ultrasonic) 측정을 수행하여 실험하는 동안의 P파와 S파 속도 변화를 모니터링하였으며, 깊이 1.5, 2.3, 3.7, 5.4 m와 5.4 m 이하에서의 탄성파 속도를 산출하여 시간에 따른 변화를 분석하였다. 또한, 단일 시추공 히터 실험에서 별도의 실험용 터널 내부에 설치된 8개의 히터를 사용하여 가열됨에 따라 생기는 변화를 24 채널 acoustic emission(AE) 시스템이 있는 4개의 터널에서 모니터링하면서 진행하였다. 실험은 처음 3,200 W 출력을 점진적으로 증가시켜, 실험이 진행되는 3개월 동안 총 6,400 W 출력으로 터널을 가열하였고, 가열이 끝나갈 때에 가장 많은 AE 측정을 수행하였다. 측정 결과, AE 반응이 북쪽 및 남서쪽 방향으로 집중되어 있었으며, 이는 북쪽에 위치한 여러 개의 타설공(boring hole) 때문으로 해석하였다.

- 공극 유체 변화 모니터링

미국 유카산 ESF URL에서 전기비저항을 이용하여 single heater test(SHT)에 대한 암석 내 공극 유체 변화를 관찰하였다(Ramirez et al., 1997). SHT는 터널 입구에서 2.8 km, ESF 주 터널에서 40 m 떨어진 거리에 위치한다. 열응력 시추공에 최대 출력 4 kW인 단일 소자 전기 히터를 약 8개월 동안 가동하였으며 히터를 중심으로 주변 4 개의 시추공에 총 30개의 전극을 설치하여 30 ft²크기의 영역에 대한 ERT를 수행하였다. 가열 3일후부터 히터 바로 아래에 약간의 전도성 이상이 발생하였고 8일 후부터 전기비저항이 전체적으로 20 % 이상 증가하였다. 59일 이후부터는 불규칙한 패턴이 나타났는데 온도가 증가하면서 수분 함량이 낮아지는 현상으로 인한 전기비저항 반응으로 해석하였다.

프랑스 Tournemire URL로부터 점토질의 포화 샘플을 채취하여 일정한 습도의 불포화 조건과 가열 조건에서 건조 실험을 진행하였고, 0.18 Hz ~ 12 kHz의 낮은 주파수 대역에서 SIP 측정을 수행하여 샘플 내 수분 함량 및 균열 변화를 관찰하였다(Cosenza et al., 2007). SIP 측정은 SIP FUCHS-II 장비와 비분극 전극 Ag/AgCl을 사용하였고, 접촉 저항 및 전극 분극 등을 최소화하기 위해서 4전극 장치로 측정하였다. 불포화 단계 실험은 최소 1시간 ~ 최대 4일의 시간에 따라 손실 무게, 저항 스펙트럼, 상대습도, 샘플 표면 온도 등 다른 매개변수를 기록하면서 27일간 지속하였다. 가열 단계 실험은 불포화 조건 실험이 끝난 직후에 동일한 샘플을 70, 80, 90, 105 ℃ 온도에서 24시간동안 유지하며 각 온도 수준에서 무게 손실과 SIP 스펙트럼을 측정하였다(Fig. 11).

Fig. 11.

Amplitude variation with water content under desaturation and heating conditions (a) at 12kHz and (b) at 0.18 Hz (Cosenza et al., 2007).

실험 결과, 주파수에 따른 편차 없이 0.18 Hz 및 12 kHz 주파수에서 모두 일관된 진폭 변화가 관찰되었고 수분 함량 변화를 모니터링하는 데 유용한 것으로 확인하였다. 특히, 가열 단계에서는 온도가 증가할수록 SIP 진폭이 2-3배로 크게 증가하는데, 미세 균열 및 공극 내 수분이 상당 부분 증발하면서 진폭 스펙트럼에 영향을 미치는 것으로 해석하였다. 이에 비해 위상 변화는 덜 민감하게 나타났는데, 0.18 Hz에서 샘플의 높은 수분 함량에 대해 불규칙하게 반응하면서 계측기 오류와 동일한 분포를 보였다. 하지만 진폭 스펙트럼과 위상 스펙트럼을 비교하였을 때 수분 함량이 감소함에 따라 값이 증가하면서 유사하게 나타났다.

공학적 방벽 평가

- 열유압 반응 모니터링

프랑스 Tournemire URL에서 공학적 방벽(EBS)의 열유압 반응에 대한 가장 적합한 ERT 프로토콜을 정립하기 위해 현장 시연을 수행하였다(Lopes et al., 2019a, 2019b). EBS 설치 전 세 번의 공시험(blank test)을 수행하였는데, 공시험 1은 North-08 갱도 벽에서 2D ERT를 수행하였으며, 이후 공시험 2는 벽에 약 9 m 길이, 지름 10 cm의 2개의 시추공을 천공하여 PVC 튜브를 이용해 시추공간 전기비저항 토모그래피 탐사를 수행하여 암반 배경 전기비저항을 측정하였다. 다음으로 공시험 3은 시추공 사이에 EBS를 위한 지름 60 cm, 길이 9.05 m의 갱도를 천공하고 벤토나이트를 설치하기 전에 시추공간 전기비저항 토모그래피 탐사를 진행하였다.

공시험 1 결과에서는 대체로 100 ohm-m 이하의 낮은 전기비저항 분포로 배경 암반 매질을 적절히 보여주었으나 벽면 인근의 1 m 이내 심도에서 200 ohm-m의 높은 전기비저항이 나타나 갱도에 노출된 암반면이 포화도가 낮은 것으로 해석하였다. 공시험 2에서는 100 ohm-m 미만으로 균질한 분포를 보였으며 코어 표본에서 얻은 전기비저항과 유사하였고, 전극 주변과 몇몇 고비저항 영역은 인공물 영향으로 판단하였다. 공시험 3에서는 두 시추공 사이에 갱도가 비어있는 영향으로 2 m 깊이까지 500 ohm-m의 고비저항대가 분포하였다.

이후 추가 연구를 위해 해당 EBS 갱도에 벤토나이트 펠릿과 분말 혼합물을 4 m 길이로 채우고 2 m 길이의 시멘트 플러그를 추가로 채워넣었으며, EBS 양 끝에 Hydration mat와 한쪽 끝에 Heater를 설치하여 수분 함량 및 온도 변화를 주어 시추공간 전기비저항 토모그래피로 모니터링 하였다(Lopes et al., 2019a). 벤토나이트가 건조한 상태일 때는 높은 전기비저항을 보이면서 시멘트 플러그와 벤토나이트 영역이 확실하게 구분되었다(Fig. 12). 이후 완충재 전면에 26 L의 물을 주입하고 8일 후에 히터를 이용해 50 ℃ 로 온도를 설정하여 3일간 유지하여 모니터링하였는데, 물이 주입된 8일 동안 전기비저항이 점진적으로 감소하면서 약 5.1 m 깊이에서 5.4 m 깊이까지 물이 이동한 것으로 해석하였다.

Fig. 12.

Cross-borehole resistivity section of separating cement plug and bentonite area (Lopes et al., 2019a).

- 벤토나이트 모니터링 적용성 평가

벤토나이트 완충재에 대한 탄성파 탐사의 모니터링 적용 가능성을 평가하기 위해 스위스 GTS URL의 구조를 바탕으로 점탄성 유동 모델을 제작하여 수치적으로 실험하였다(Biryukov et al., 2016). 이 실험에서는 벤토나이트를 점탄성 매질로 고려하였으며(Karakurt, 2005; Tisato and Marelli, 2013), Tisato and Marelli(2013)의 자료를 바탕으로 온도와 수분 함량에 따른 점탄성 품질 계수(Qp, Qs)를 설정하였다. 수치 모델로 점탄성 generalized standard linear solid(GSLS) 모델을 사용하였으며(Emmerich and Korn, 1987), 모델에 대해 다중 시뮬레이션을 수행하였다. 주파수 범위는 1 kHz ~ 1 MHz로 설정하였고, GTS의 모암인 화강암 및 벤토나이트 등에 대한 탄성파 속도 및 점탄성 매개변수를 설정하여 실험하였다. 수치 실험 결과, 30 ~ 70 ℃ 온도에 따른 Qp, Qs는 큰 편차없이 거의 일정하였으나 수분 함량이 20% 일 때 최소값을 보이면서 높은 민감도를 보였다.

토 의

- 굴착손상영역 탐사

원형 측선을 사용한 2차원 ERT 및 IP 탐사는 기하학적 요소(i.e. k-factors)를 사용하여 원형 단면 정보를 얻음으로써 전체적인 EDZ 분포를 측정할 수 있다(Kruschwitz and Yaramanci, 2004). 이 때 IP 탐사는 전도성 광물, 변성 광물 등 암종에 대한 추가적인 정보를 제공하기도 한다(Heikkinen et al., 2021). MAM 탐사는 시추공 토모그래피 특성으로 EDZ 연결성에 대한 정보를 제공하지만 전기적 경로 원인을 구분하기는 어려워 탄성파 토모그래피와 함께 수행하는 것이 필요하다(Follin et al., 2021).

점토 암반에서 EDZ는 탄성 이방성 거동을 보이는데, 이러한 특성을 이용하여 수포화도 모니터링에 탄성파 탐사를 적용할 수 있었다(Manukyan et al., 2012). 콘크리트로 마감된 터널에서는 탄성파 굴절법이나 표면파 탐사는 높은 속도대의 콘크리트 층을 따라 통과하기 때문에 대상 지질 매질의 특성을 파악하는 데 어려움이 있는데(Leparoux et al., 2012), 이 때는 MASW 기법 등을 적용하여 정보를 얻을 수 있다.

유체의 염도나 온도 변화가 거의 나타나지 않을 때 유체 흐름의 지표로 SP 신호를 활용할 수 있으며, 정확도 높은 해석을 위해서 다른 물리탐사와 함께 수행하여 SP 신호가 유체의 흐름에 의한 것인지 단층을 나타내는지 분석할 수 있다(Maineult et al., 2013). 갱도를 굴착하는 중에 탐사를 수행할 때에는 갱도면에서 수 m 이상 충분히 거리를 두고 측선을 설치해야 교란 응력장의 영향을 받지 않는다. 또한, 전기적 물성을 분석하는 전기비저항 탐사는 터널 보강을 위해 설치하였던 금속 자재로 인해 전류 샘(electrical shortcut) 문제가 발생할 수 있기 때문에 주의가 필요하고 플라스틱 등의 절연체로 바꾸는 작업도 진행할 수 있다(Gibert et al., 2006).

- 암반 균열 및 투수성 거동 탐사

암석의 불연속성 구조를 특성화하기 위해서 SIST 기법으로 수초 동안의 짧은 시간에 탄성파를 수백 번 발생시킴으로써 높은 주파수와 높은 에너지 조건을 동시에 충족시킬 수 있다(Park et al., 1996). 이에 따라 화약을 사용하지 않고 고전압 펄스를 사용하여 암석의 낮은 탄성파 투명도를 극복하였다. 시추공 전기비저항 탐사는 물리검층과 함께 수행하여 보다 높은 해상도로 균열 및 투수성 분포를 파악할 수 있으며(Wu et al., 2021), 암반 균열 모델(DFN) 등을 제작하여 균열 분포 구조를 나타낼 수 있다.

일반 공극에서 GPR 파형 반응은 양의 극성이 나타나는 데 반해 물이 포화되면 음의 극성 반응을 보이면서 수분 함량 정보를 제공하였다(Baek et al., 2017). 미세한 균열은 GPR 반응이 미미해 해석에 어려움이 있는데, 추적자를 이용하면 추적자 유체의 경로가 되는 균열 및 파쇄대 반응이 증폭되어 나타난다(Giertzuch et al., 2020). 더불어 GPR 탐사로 얻은 균열 네트워크 모델에서 기존에 조사된 데이터베이스의 균열 특성(방향, 길이, 모양 등)을 이용하면 추세를 분석할 수 있어 복합 해석에 이점이 있다(Molron et al., 2020).

- 열응력 및 열전달에 의한 반응 모니터링

열응력 실험 전후를 비교하기 위해 GPR 스펙트럼 분석을 활용할 수 있다. 이 때 임계값에 도달한 높은 주파수 영역을 파쇄대로 분류하는 GPR EDZ 방법(Heikkinen et al., 2010)은 암반의 손상 영역을 이미지화 하는 이점이 있으며, 암반 강도 실험 결과와 종합 분석을 통해 수평 및 수직 처분의 적합성을 평가할 수 있다(Siren et al., 2015). 전기비저항은 가열 온도 단계에 따라 진폭 반응이 매우 크게 나타나는데, 반대로 온도가 증가할수록 수포화도는 낮아지기 때문에 전기비저항 패턴은 불규칙하게 생성될 수 있다(Ramirez et al., 1997).

- 공학적 방벽 평가 탐사

공학적 방벽 모니터링을 위해 전극을 EBS 터널 내부에 설치하면 방벽 시스템 등에 의해 전극이 손상되거나 제대로 작동하지 않는 오류가 발생할 수 있다. 따라서 외부 시추공을 천공하여 탐사를 수행하는 것도 고려할 수 있어야 한다(Lopes et al., 2019b). 벤토나이트 매질의 점탄성 거동 구현을 위한 수치 실험으로 GSLS 모델을 사용할 수 있으며(Biryukov et al., 2016), 모델 내 스프링으로 탄성을 구현하고 대시포트로 점성을 구현하여 벤토나이트의 점탄성 품질 계수를 평가할 수 있다.

결 론

심층처분장의 건설 및 운영 단계에서 발생할 수 있는 위험 요소를 파악하고 관리하기 위해 지하연구시설에서 사전 검증하는 단계가 필요하다. 암반의 균열과 지하수 유동은 방사성 핵종 누출의 지배적인 경로이자 운반체로서 주요한 관심 대상이다. 또한, 방사성 붕괴열에 의한 열전달 및 열응력에 의한 균열의 변형이나 지하수 유입 변화도 파악할 수 있어야 한다. 이에 물리탐사 기법은 매질의 물성을 이용하여 암반 내 균열 및 유체를 모니터링할 수 있으며 국내외 다양한 지하연구시설에서 연구가 진행되어 왔다. 물리탐사 기법을 통해 처분시설 건설 중 발생할 수 있는 EDZ와 암반 내 기존 균열 분포 구조를 평가하였으며, 균열 포화 정도와 유입 유체의 흐름을 파악하였다. 붕괴열 반응에 대한 실험을 통해 암석의 내부 손상 정도, 수포화도 변화, 공학적 방벽 반응 등에 대한 모니터링에도 물리탐사를 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

ERT 및 IP 탐사는 시간경과에 따른 EDZ의 변화를 모니터링할 수 있으며, 공학적 방벽 등에서 수포화도 및 온도 변화를 관찰하는 데 높은 민감도를 보이는 것을 확인하였다. SP 탐사는 유체 흐름 파악에 높은 정밀도를 보였으며, GPR 탐사는 높은 해상도로 EDZ 정보 및 미세한 균열 탐지에도 적용 가능하였다. 탄성파 탐사는 해상도 제고를 위해서 MASW, SIST 기법 등을 활용하였으며 균열 분포 구조를 얻는 데 이점이 있는 것으로 분석되었다

이 논문에서는 URL 사업 선도 국가들에서 수행한 물리탐사 기법 활용 사례를 정리하였으며 처분사업에서의 적용성을 분석하였다. 심층처분장 및 URL에서의 물리탐사 기법이 사업 전반에 걸쳐 시설의 안전성 평가 및 관리 시스템 구축에 있어 활용성이 높은 것으로 판단하였다. 국내에서도 KURT를 통해 관련 연구가 수행되고 있지만, 심층처분 분야에서의 물리탐사 기법 적용은 초기 단계라고 볼 수 있다. 따라서 이 논문에서 제시한 물리탐사 기법의 적용성 및 활용성에 대한 분석이 향후 국내 심층처분 및 URL사업에 활발하게 활용되길 기대해본다.