서론
처분후보부지 지질조사를 위해서는 기술적 측면에서 다양한 방법과 절차를 거쳐야 한다. 광범위하고 무수히 많은 지역을 대상으로 하나의 처분장을 선정하는 것은 매우 어려운 일이며 다양한 변수를 고려해야 한다. 따라서 후보부지의 조사 및 제안은 단계적으로 조사 대상지역 또는 지점의 영역과 수를 줄여 나가는 것이 효율적인 방법이 될 수 있다. 핀란드, 스웨덴, 스위스, 독일 등 해외 국가의 경우에도 단계적 선택방법에 근거하여 각 국의 전 국토를 대상으로 지질학적 측면, 사회적 측면, 경제적 측면의 요소들을 각각 조사‧평가하여 후보지역과 부지를 단계별로 제외 또는 선택하였고 이 과정을 통해 각 단계의 후보부지 수를 점차 줄이는 방식을 채택하였다.
이를 감안하여 본 기술보고에서는 후보부지 조사과정을 세 단계에 걸쳐 조사하는 방안을 도출하였다. 단, 후보부지 조사단계를 시작하기 이전에 전 국토를 대상으로 한 지질조사자료와 관리사업자 또는 규제기관 등에서 결정한 후보부지 조사 및 평가시스템, 기술지침, 조사‧평가인자, 부지선정 방법론 등이 마련되어 있어야 한다. 후보부지 조사의 첫 번째 단계는 후보부지 조사를 위한 시작단계이며, 사전에 확보한 기초지질자료를 토대로 조사하는 문헌조사단계이다. 문헌조사단계에서는 전국을 대상으로 실제 현장조사보다는 기존의 지질자료 및 참고문헌 등을 토대로 조사하고, 주로 절대적인 기준을 바탕으로 그 기준에 부합하지 않는 부지를 제외하는 개념으로 조사한다. 이를 통해 부적합지역을 배제하고 전 국토에서 첫 번째 단계의 평가기준을 만족하는 복수의 후보부지를 선정하게 된다. 단, 문헌조사단계에서 조사해야 하는 일부 지질요소의 경우 배제기준을 설정할 수 없는 경우도 있으므로 이때는 해당 지질요소에 대해 선호기준 또는 비교우위기준을 적용할 수 있다.
두 번째 단계는 문헌조사단계에서 선정된 후보부지 전체를 대상으로 부지의 기본적 지질특성을 조사하는 기본조사단계이다. 기본조사단계에서는 조사대상 지질요소의 특성에 따라 정량적 지질특성값과 정성적 지질특성값이 동시에 확보될 수 있으며, 이에 따라 향후 부지평가 단계에서 배제조건과 선호조건의 개념을 동시에 적용하여 후보부지를 평가한다, 이 과정에서도 필수적인 요소에 대해서는 배제조건 개념을 적용하여 특정 기준을 만족하지 못할 경우 후보부지대상에서 제외한다. 이 단계에서는 실제 현장조사를 후보부지에서 실시하게 되며, 현장조사는 주로 지표지질조사를 중심으로 실시하고 최소 수량의 시추조사도 병행하여 실시한다. 이때 시추공별 시추심도는 조사지역의 지표 및 지하 지질특성 자료를 충분히 획득할 수 있도록 설계하여야 하는데, 처분심도를 지표하 500 m로 설정할 경우 그 두 배의 영역에 대해 지질환경을 평가할 필요가 있으므로 시추공은 지표하 약 1 km 심도까지 굴진하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 현장조사결과는 미리 결정한 부지평가방법을 통해 분석하고 배제조건을 만족하지 못하는 후보부지는 다른 지질요소의 평가결과와 관계없이 부적합지역으로 결정하여 배제시킨다. 나머지 조사대상 후보부지는 평가결과에 따라 우선순위를 결정한 후, 세 번째 단계의 평가를 위한 복수의 후보부지로 제안된다.
세 번째 단계에서는 기본조사단계에서 도출된 복수의 후보부지를 대상으로 현장정밀조사를 통해 최종 후보부지를 선정하는 심층조사단계이다. 이 단계에서는 지질조사자료를 토대로 주로 선호조건을 적용하여 비교우위 개념으로 후보부지를 평가하게 되며, 만약 기본조사단계에서 평가하지 않았던 추가적인 후보부지가 제안될 경우에는 배제조건과 선호조건을 동시에 적용하여 평가하게 된다. 심층조사단계에서는 지표지질조사와 시추조사를 병행하지만 주로 시추조사를 중점적으로 실시하여 지표하의 지질특성을 더욱 면밀히 조사한다. 따라서 이 단계에서는 기본조사단계 보다 시추공 수가 증가할 수 있고, 시추공의 심도는 최소 1 km를 확보할 필요가 있다. 심층조사단계의 조사결과를 토대로 부지평가를 통해 최종후보부지가 선정된다. 여기서 선정된 후보부지는 향후 지하연구시설(Underground Research Laboratory, URL) 등을 건설하고 장기간의 현장실증시험을 통해 처분시설 건설을 위한 인허가를 신청하게 된다.
한편, 문헌조사단계에서 제안된 복수의 후보부지를 대상으로 기본조사단계에 들어가기 이전에 부지공모 등의 절차를 거칠 경우 기본조사의 효율성을 확보할 수 있을 것으로 예상되므로 부지공모 및 설명 등을 위한 절차가 필요할 것이다. 또한, 기본조사단계의 결과를 바탕으로 심층조사단계를 착수하기 이전에 반드시 해당지역의 주민의사를 확인하고 주민의 동의를 얻은 후에 심층조사를 실시하여야 할 것이다. 심층조사의 경우 조사결과에 따라 최종후보부지로 선정될 수 있고, 또한 조사과정에서 심부시추 등의 작업이 이루어져야 하므로 지역주민의 동의 하에 조사가 이루어져야 한다. 이러한 절차는 정부가 확정한 ｢고준위방사성폐기물 관리 기본계획｣에 포함되어 있다.
단계별 광역지질조사 요소
조사단계별 지질조사 요소의 분류체계
고준위방사성폐기물 처분후보부지를 선정하기 위한 조사·평가 분야는 일반적으로 기술적 적합성 분야, 사회적 적합성 분야, 정치적 적합성 분야 등 3개 분야로 크게 구분된다(IAEA, 1994a; IAEA, 1994b). 이 중 기술적 적합성 분야는 다시 처분후보부지의 장기안전성 분야, 건설 및 운영적합성 분야, 토지 및 환경성 분야 등으로 구분할 수 있다. 처분장의 장기안전성 분야는 지질학적 관점에서 천연방벽의 역할을 수행하는 지질매체의 특성을 평가하는 것으로서 핵종의 격리, 지연 성능을 평가하고, 핵종의 이동 및 확산 가능성을 함께 평가하는 것이다. 따라서, 고준위방사성폐기물 처분부지의 지질학적 특성은 부지선정에 매우 중요한 결정 요소이다(Nagra, 2008; Nagra, 2014; NUMO, 2002a; NUMO, 2002b; NUMO 2002c).
본 기술보고에서는 이러한 조사 및 평가 분야를 감안하여 처분후보부지의 지질학적 장기안전성을 조사하기 위한 지질요소의 분류체계를 도출하였다. 3단계의 후보부지 조사단계별로 조사해야하는 지질요소를 부문(aspect) - 항목(item) - 인자(parameter)로 분류하고, 각 부문, 항목, 인자의 카테고리 내에 복수의 지질요소를 설정한 매트릭스 체제를 갖춘 조사요소 분류체계를 도출하였다. 이에 따라 부지조사 단계별로 복수의 부문, 항목, 인자로 구성된 처분부지 장기안전성 평가 요소들을 군집화하여 분류하였다.
본 기술보고에서 도출한 지질요소의 조사 부문(aspect)은 지질 및 지질구조, 지진, 제4기 지질, 수리지질, 지구화학, 지질공학/암반공학, 기타 등으로서 총 7개 부문으로 구성되어 있다. 각 부문은 후보부지 조사단계별로 그 하위에 항목(item)과 인자(parameter)를 각각 설정하여 단계별 부지조사를 위한 지질요소를 망라하였다.
부문별 조사항목 및 인자
후보부지 조사단계별로 조사 부문별 항목과 인자를 도출하기 위하여 해외 주요국의 부지지질조사 방법과 평가요소 등을 참고하여 고준위방사성폐기물 처분부지 조사와 처분 장기안전성 평가에 공통적으로 사용되는 요소들을 도출하였다. 지질학 부문별로 1차적으로 도출한 각 지질요소에 대해 한반도의 지질특성을 고려하고 국내 고준위방사성폐기물 처분부지의 지질학적 안전성에 영향을 미칠 것으로 판단되는 요소들을 2차적으로 선정하였다. 선정방법은 지질분야 전문연구기관인 한국지질자원연구원의 방사성폐기물 처분연구관련 전문가 그룹과 외부 연구기관 및 대학 등의 전문가들을 대상으로 수차례의 자료검토 및 토론 등을 통해 전문가들이 공통적으로 제시하는 지질요소들을 최종 도출하였다.
지질 및 지질구조
지질 및 지질구조 부문의 단계별 지질조사 요소를 정리하면 Table 1과 같이 암상 항목, 연성지질구조 항목, 취성지질구조 항목, 신기구조 항목 등 4개의 항목으로 구분된다.
Table 1. Investigation parameters of geology and structural geology aspect
암상 항목
암상 항목에는 암종, 암종의 다양성, 암종의 균질성, 면적 부피, 광석 등 다섯 가지의 조사인자를 설정하였다. 이 중에서 광석 인자는 기타 부문의 침입조건 항목에서 조사하므로, 지질 및 지질구조 부문에서는 제외되었으나, 다른 지질 인자와 함께 설명하였다.
암종은 처분장이 위치하게 될 암석을 의미한다. 기본적으로 한 종류의 암종에 처분장이 위치하는 것이 가장 선호된다. 왜냐하면 부지 내에 분포하는 암종이 많을수록 암종 간의 경계면이 많아지면서 지질구조가 복잡해지고 설계 시 고려해야 할 사항이 많아지기 때문이다. 또한 암종간의 경계면은 상대적으로 강도가 약한 특성을 나타내므로 처분장에 불리한 조건을 형성한다. 만약 부지 내에 두 종류 이상의 암종이 분포할 경우에는 가장 넓은 분포를 차지하는 암종을 비교 평가한다. 암종에 따라서 각기 다른 열적 특성, 역학적 특성, 화학적 조성을 나타내며, 이 특성에 따라서 암종의 열전도도, 단열 발생 형태와 지하수의 성분 등이 달라진다. 따라서 암종은 처분장의 선정에 가장 중요한 인자로 모든 단계에서 조사하여야 한다.
암종의 면적, 부피, 깊이는 부지가 위치하기 위해서 필요한 최소한의 면적, 부피, 깊이를 의미한다. 아무리 암종이 좋아도 최소한의 면적, 부피, 깊이가 확보되지 않는다면 처분대상 고준위방사성폐기물 전체를 처분할 수 없으므로 그 지역은 배제되어야 한다. 따라서 암종의 면적, 부피, 깊이는 모든 단계에서 조사되어야 한다.
연성지질구조 항목
암석은 오랜 기간 동안 압력과 온도의 영향을 받아 변형된다. 온도와 압력이 높은 지하 5 km 이상의 지각 심부에서는 연성변형작용이 일어나며 습곡구조, 엽리구조, 선구조, 연성전단대와 같은 연성지질구조를 형성한다. 연성지질구조 항목에는 연성전단대, 습곡구조, 엽리구조와 같은 세 종류의 조사인자를 설정하였다. 연성지질구조 항목은 상대적으로 중요도가 떨어지므로 후보부지 지질조사 1단계에서는 적용하지 않고, 조사 2단계부터 적용한다(Chae et al., 2017).
취성지질구조 항목
온도와 압력이 낮은 지하 5 km 이하의 지각 상부에서는 암석이 압력을 받으면 취성변형작용이 일어나며 단열, 단층, 절리, 단층대과 같은 취성지질구조를 형성한다(Chae et al., 2017).
단층대는 조밀하게 형성된 불연속면, 입자규모의 파쇄작용에 의해 형성된 단층각력, 단층점토, 파쇄암 등을 포함하기 때문에 단층대주변 암석에 비해 역학적 강도가 현저히 떨어지며, 유체흐름의 통로로서 작용된다. 즉, 단층대는 고준위방사성폐기물 처분부지의 장기지질안정성에 악영향을 미치는 대표적인 요소 중 하나로 고려되기 때문에, 중요도가 가장 높은 부지조사인자로서 제시되어야 한다. 따라서 모든 단계에서 검토하여야 한다(Chae et al., 2017).
단층대는 심부 처분장의 전체적 배치와 기반암의 격리, 지연 특성에 큰 영향을 미치기 때문에, 스웨덴, 핀란드, 미국, 일본 등 대부분의 처분 연구 국가에서는 이를 매우 중요한 인자로서 고려하고 있다. 이 경우에 단층대의 연장과 거리가 가장 중요한 인자가 된다(Chae et al., 2017).
신기구조 항목
신기구조 항목은 ‘활동성단층’과 ‘화산’ 두개의 조사인자로 구성된다.
활동성단층(capable fault)이란 최근에 움직임이 있었고 향후 움직일 가능성이 있는 단층을 의미한다. 즉, 가까운 미래에 지진이나 지각변형을 야기할 수 있는 단층이기 때문에 앞서 제시한 단층대 인자와는 다른 별도의 주요 조사인자로서 분리하여야 한다. 활동성단층 인자는 부지평가에 있어서 가장 중요한 인자이기 때문에 전체 조사 및 평가단계에서 철저하게 조사하여야 한다.
기본적으로 후보부지에는 제4기단층(Quaternary fault)이 존재해서는 안 된다. 또한 활동성단층으로 예측되는 단층의 손상대(damage zone)에 포함될 수 있는 지역이나 활동성단층이 분기할 것으로 예측되는 지역은 불리하다. 단층의 손상대란 단층에 따른 변위를 흡수하기 위하여 발생한 단층주변의 2차적인 구조들과 이를 포함하는 지역을 말한다.
단층손상대를 파악하기 위해서는 제4기단층 주변의 정밀 지질조사와 트렌치 조사가 필수적이다. 정밀 지질조사와 트렌치 조사를 통해서 분기되는 2차적인 단층의 기하학적 특성을 파악할 수 있으며, 이를 통해서 단층손상대의 범위를 예측할 수 있을 것이다. 예측된 단층손상대 내에 후보부지가 포함될 경우는 불리하다.
1)화산활동이 일어날 경우 마그마의 관입과 분출로 인해 처분장과 그 주변 암반이 파괴되어 방사성핵종을 지표로 방출할 가능성이 있다. 또한 화성활동에 의한 열, 열수의 방출은 주변암반 변질이나 수리특성의 변화를 일으키며, 열수 대류는 핵종 이동을 촉진 시킬 가능성이 있고 열수, 화산가스의 혼입에 따른 지하수의 수질변화나 열적영향은 공학적방벽의 성능저하를 일으킬 가능성이 있다. 따라서 화산활동은 처분장의 장기 안전성에 큰 위해요소로 작용할 수 있다.
제4기화산의 경우 제4기 동안에 분출 활동이 기록되어 있는 화산을 의미한다. 특히 과거 10,000년 이내(홀로세) 화산활동을 경험한 경우 활화산(active volcano)으로 따로 분류되기도 한다. 우리나라의 제4기화산은 모두 6곳으로 백두산, 제주도 한라산, 울릉도 성인봉, 추가령구조곡의 오리산과 황해도 신계, 길주명천지구대의 칠보산에 분포한다. 이 중에서 남한에 분포하는 제4기화산은 제주도 한라산과 울릉도 성인봉이며 현재 화산의 활동은 없는 것으로 보고되고 있다. 따라서 화산은 1단계에서만 조사하는 것으로 제안한다(Song et al., 2006).
지진
지진분야 단계별 조사요소는 Table 2와 같이 지진지체구조구 항목을 1단계 및 2단계 조사요소로, 지진활동도 항목을 2단계 및 3단계 조사요소로 선정하였다. 국외의 경우에서 조사한 바와 같이 부지 지질조사를 위해 지진부문에서 고려해야 할 조사항목은 역사/계기 지진활동도(seismic activity) 항목, 지진지체구조구(seismo-tectonic zone) 항목으로 나눌 수 있다. 이 두 가지 평가항목은 별개의 요소가 아니라 모두 유기적으로 연결되어 있다. 지진활동도의 특성에 따라 지진지체구조구를 나눌 수 있으며, 지진활동도와 지진지체구조구를 입력자료로 하여 최종적으로 지진재해도를 작성할 수 있다. 또한 지진재해도를 통해 지진활동도를 정량적으로 평가할 수 있다(Kim, 1996).
Table 2. Investigation parameters of earthquake aspect
지진지체구조구(Seismotectonic Map)
지진지체구조구는 유사한 지진학적 특성을 보이는 지역으로 구분한 것으로, 지진지체구조구내 동일한 지진원 지역내에서는 지진발생빈도, 최대 발생가능 지진의 규모, 지진활동변수가 모두 같다. 지금까지 여러 전문가에 의해 제시된 지진지체구조구는 전문가에 따라 지진원구역의 숫자 및 모양도 다양하게 제시되고 있다(Kim, 1996).
지진지체구조구의 각 지진원은 지진, 지구물리, 지구조, 지질 등의 정보를 이용하여 동일한 지진발생 특성을 갖는 지역을 설정하는 것으로 다음 사항을 고려하여야 설정한다.
- 지진활동도(진원깊이, 지진발생 메카니즘 등)
- 응력분포도
- 지구물리탐사도(중력, 자력, S파 속도 등)
- 단층의 형태 및 방향
- 지형분포
현재까지 우리나라의 경우 확립된 지진지체구조구는 없으며, 각 전문가별로 다양한 지진지체구조구를 사용하고 있는 실정이다. 따라서 지진지체구조구를 조사요소로 활용하기 위해서는 전문가 협의를 통해 합의된 지진지체구조를 도출하거나, 이것이 어려울 경우 각 전문가들이 제시한 지진지체구를 확률적 방법의 적용과 전문가간 토의를 통해 2-3개 정도의 지진지체구조구도를 도출하여 이를 조사 및 평가에 이용하는 방법이 있다.
역사/계기 지진활동도
국내에는 약 2,000년에 걸친 역사지진 자료(Fig. 1)와 1905년 이후의 계기지진자료(Fig. 2)가 있다.
세계적으로 동일 지역에서 반복해서 피해가 큰 지진이 발생하는 주기는 100 ~ 1000년 정도이다. 하지만 지진자료가 기록 된지는 약 100년 정도 밖에 되 않기 때문에 지진의 주기를 판단하는데 있어서 피해역사지진자료는 대단히 중요한 의미를 갖는다. 특히 판경계부 지역에서는 지진 발생주기가 짧지만, 우리나라와 같이 판내부 지역에서의 지진 발생주기는 상대적으로 매우 길기 때문에 계기지진자료뿐만 아니라 역사지진자료도 반드시 분석하여야 한다.
외국의 경우에서와 마찬가지로 지진활동이 활발하거나, 비교적 규모가 큰 지진이 발생한 지역은 향후 부지평가 시 배제조건으로 적용되고 있다. 그러나 국내 역사지진의 경우 진앙 결정 정확도가 낮고, 계기지진도 실제적으로 관측된 기간이 매우 짧아 지진자료가 부족한 실정이다. 따라서 국내의 역사 및 계기 지진자료는 향후 부지평가 시 배제조건으로 적용하기 보다는 선호조건에서 지진활동도 감점기준을 설정하여 이를 반영하는 것이 합리적으로 판단된다.
지진재해도(Seismic Hazard Map)
지진재해도는 재현주기별 최대지진가속도값을 등고선도로 작성한 것으로, 역사/계기 지진목록, 지진지체구조구도, 거리-진폭 감쇠관계식 등을 입력자료로 한다. 지진재해도는 지진관련 정보를 모두 포함하고 있지만, 역으로 각각의 입력자료에 포함된 불확실성이 모두 반영되어 있음을 고려하여야 한다.
지진특성에 대한 조사를 위해 1단계의 경우 문헌조사에 의해 전국을 대상으로 하여야 하므로, 지진지체구에서 최대발생가능지진 규모를 인자로 하여 조사하는 것이 광역조사에 가장 적합한 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 최대발생가능 지진이 규모가 큰 지진원 구역을 향후 부지평가 시 배제하거나 가중치를 두어 감점 요건으로 활용할 수 있을 것이다.
2단계에서는 선정된 지역에 대한 기본조사이므로 반드시 고려하여야 할 요소가 부지 반경 일정 범위에서의 대규모 지진발생 가능성 여부이다. 이를 평가하기 위해서는 과거의 지진활동도에 의해 판단할 수밖에 없다. 또한 이를 적용하기 위한 역사 및 계기지진의 평가 기준 규모를 사전에 설정하여야 한다. 또한 역사지진자료의 정확도가 낮고 계기지진 자료는 불충분하므로, 지진활동도의 불완전성을 보완하기 위해 지진지체구조구의 최대발생가능지진의 규모와 지진발생빈도를 이용하여 보완할 수 있을 것이다.
3단계에서는 최종부지 선정에서 이를 위해서는 지진활동도가 가장 낮은 지역을 선호조건으로 하고, 자료의 신뢰도가 높은 계기지진활동을 가중치를 높게 평가하는 것이 가장 합리적이라 판단된다. 물론 약 2,000년 이상의 역사지진자료에 의한 역사지진활동도의 동시에 고려되어야 할 것이다. 또한 지질/지진학 분야뿐만 아니라 토목, 건축 등의 다양한 분야의 전문가들과 협조가 필수적이다.
제4기지질
제4기지질 부문의 단계별 조사요소를 정리하면 Table 3과 같이 장주기자연변화 항목, 해수면변화 항목, 지각변화 항목, 해안변화 항목, 지표변화 항목 등 5개의 항목으로 구분된다. 제4기지질은 지질 및 지질구조 부문의 신기구조 항목과 연계하여 제4기 지질시대동안의 지각운동과 변형에 대해 평가하는 것으로서, 지질시대 동안 가장 최근의 운동역사를 나타내는 것이다. 따라서, 해외 주요국의 처분후보부지 선정방법에서도 제4기지질에 대해서는 중요하게 평가하고 있으며, 특히 지각의 융기/침강 특성은 처분장의 설치 심도를 결정하는데 고려해야할 인자이다. 이를 통해 최소 10만년 이상의 장기적 측면에서 처분장의 안전성을 평가할 수 있어야 한다.
Table 3. Investigation parameters of Quarternary aspect
장주기자연변화
장주기자연변화에서는 1단계 조사에서 한반도 전역을 대상으로 한 융기/침강특성을 조사한다. 이는 전술한 바와 같이 광역적인 융기/침강 속도에 따라 처분심도를 결정하여 장기간의 처분안전성을 확보하기 위한 것이다. 제4기 퇴적층뿐만 아니라 기반암으로 구성된 지반까지를 포함한 넓은 범위의 상승 또한 하강을 융기/침강이라고 한다. 장기간의 융기 또는 침강이 일어나는 지역은 장기간에 걸쳐 지표하 특정 깊이에 처분한 폐기물의 처분안전성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 융기 및 침강이 우세한 지역인 경우 지하수 유동 시스템에 부정적인 영향을 주며 지구조적 변형을 일으킬 수 있다.
해수면 변화
해수면은 일반적으로 해양 수면의 평균적인 높이를 나타낸다. 해수면 변동은 다양한 요인에 의해서 일어나며 대륙빙하의 팽창 수축에 의한 전 세계적 해수면 변동은 장주기적 자연현상에 해당된다. 국립해양조사원의 2012년도 평균 해수면 상승률을 보면 해역별로 남해가 3.22 mm/yr, 동해 2.60 mm/yr, 서해 1.67 mm/yr 순으로 나타난다(국립해양조사원, 2014). 지역별 해수면 변동은 지구온난화에 의한 점진적인 해수면 상승 이외에도 해양의 복잡한 역학적 특성에 의하여 하강 또는 상승할 수 있음을 지시한다. 이러한 해수면 변동은 간접적으로 처분부지의 지표/지하 수문평형의 변화와 해수 범람에 따른 직접적인 피해를 야기 시킬 수 있다. 따라서 처분부지는 이러한 해수면 변동의 영향을 받지 않는 지질학적 또는 지리학적 환경에 위치하여야 한다. 조사지역의 제4기퇴적층을 대상으로 과거 해성 퇴적층의 흔적을 찾아내면 과거 이 지역이 해수가 범람하였거나 조사지역 해발 고도가 해수면보다 낮았을 가능성에 대해 알 수 있다.
해수면 변동을 평가하기 위해서는 해성 퇴적층 분포, 지화학 분석, 미고생물 분석, 퇴적 절대연령 측정 등이 수행되어야 한다. 해성 퇴적층 분포조사는 미고화 퇴적층 시추조사를 통해 지표하 퇴적층의 시료를 채취하여 실시하며, 시추 심도는 기반암 상부에 분포하는 미고화 퇴적층 전 구간을 대상으로 한다. 안정동위원소 등 지화학 분석은 미고화 퇴적층의 퇴적물을 대상으로 원소분석(elemental analysis) 또는 안정동위원소분석(isotope analysis)을 통하여 해성 퇴적층의 분포 유무와 고환경변화 패턴을 유추하여 과거 해수면 변동의 영향 반경과 그 강도 등을 추정한다. 미고생물 분석은 미고화퇴적층의 퇴적물을 대상으로 규조(diatom), 와편모조류(dinoflagellate) 등 해성기원 미고생물을 추적하여 과거 해성층의 퇴적 유무와 퇴적환경 변화 특성을 유추한다. 퇴적 절대연령 측정은 해성 퇴적층의 분포가 확인될 경우 해성 퇴적층의 퇴적 연대를 알기 위하여 제4기 퇴적층 절대연대측정 기법들(탄소연대측정법(14C), 루미네선스 연대측정법(OSL) 등)을 활용하여 퇴적층의 절대연대측정을 실시한다(Choi, 1993; Choi, 1995; Choi, 1996; Choi and Lee, 2007).
수리지질
수리지질 부문의 관련 지질조사 항목 및 인자는 아래 Table 4와 같이 지하수 유동, 파쇄대/절리, 지하수 특성, 지하수 함양/배출 항목으로 구분한다. 수리지질 부문의 특성은 처분의 장기안전성 측면에서 상당히 큰 중요도를 갖는 것으로서, 지표뿐만 아니라 지하 심부의 수리지질특성에 따라 핵종이동 특성이 영향 받을 수 있다. 따라서, 다양한 평가 인자에 대해 처분부지 조사의 초기 단계부터 최종 단계까지 정밀한 조사가 이루어져야 한다.
Table 4. Investigation parameters of hydro-geology aspect
파쇄대/절리
파쇄대/절리 투수계수는 지하수 유동 및 핵종 오염물 거동에 매우 중요한 항목이 된다. 일반적으로 파쇄대/절리 투수계수는 구간별 패커시험을 통해서 구하며, 심도가 깊어질수록 작아지는 특성을 갖는 것으로 기존 해외 연구사례에서 종종 보고된다. 파쇄대의 절리 투수계수가 매우 중요한 인자이지만 개개의 부수적인 국부 단열대의 투수계수에 대한 정확한 선호조건을 만드는 것은 가능하지 않다. 왜냐하면 국부 지하수 흐름과 오염물 거동 경로들의 중요도를 결정하는 것은 기하학적인 조건과 특징이기 때문이다. 그럼에도 불구하고 통상적으로 단열 빈도가 낮고, 작은 투수계수를 갖는 것이 일반적으로 유리하다.
3단계 조사에서는 주로 파쇄대의 수리적 연결성 측면과 캐니스터 및 처분공(deposition hole) 규모에서 정밀하게 수행되어야 한다. 단순히 2단계에서 조사한 개별 파쇄대/절리의 투수계수만으로는 캐니스터 및 처분공규모에서 파쇄대와 절리의 수리적 연결성에 따른 지하수 유동을 충분히 이해하는 것이 불가능하다. 이를 위해서는 패커와 수리간섭교차시험을 시추공에서 심도별로 바꿔가면서 수행하여야 하며, 경우에 따라서는 추적자 시험과 병행할 수도 있다. 이를 통해서 수리적 연결성이 확인되면 수리적 단락은 가능한 피하고, 경우에 따라서 그라우팅을 수행하여 저장소 설계 및 위치를 부분적으로 조정하여야 한다.
지하수 특성
2단계 조사에서는 반드시 광역적 규모 내에서 전반적인 지하수 유동 및 부존 특성에 대해서 조사하여야 한다. 이를 위해서 공극율, 저류계수, 지하수 밀도 및 점성과 경계조건 등에 대해 조사하여야 한다. 공극율 및 저류계수는 지하수 유동이라기보다는 부존특성에 좀 더 밀접히 연관되어 있어서 대체적으로 작을수록 선호조건이 될 수 있지만, 뚜렷한 기준이나 근거는 아직까지 정해져 있지 못하다. 마찬가지로 지하수 밀도 및 점성은 해안가 근처에 위치한 경우 염분에 의해서 밀도류 흐름이 발생할 수 있는데, 이러한 경우 지하수의 밀도 및 점성은 사전에 조사하는 것이 필요하다. 그러나 이것도 광역적인 부지평가단계에서 선호 또는 배제조건이 될 수는 없고, 향후 정밀조사를 위한 기본적인 정보 제공과 지하수 모델링을 위한 입력 자료로 활용하는 차원에서 조사한다. 지하수 경계조건은 지하수 모델링에서 매우 귀중한 개념자료로 이용되므로 광역부지조사단계에서 반드시 조사하여야 하는 항목이다. 이것은 주로 지형도 및 지표수와의 관계를 통해서 개념적으로 접근할 수 있다. 그리고 핵종 누출 시 핵종 오염물의 이동거리를 최대한 길게 만들어서 안정성을 높이려는 시도가 종종 있어 왔다.
지하수 유동
지하수 유동 측면에서 지하수 흐름의 크기 및 분포는 주로 수리전도도에 의해서 결정되어진다. 그러나 수리전도도는 광역적인 규모에서 수리전도도가 아주 높은 값을 가진다 하더라도, 광역조사 및 상세조사에서 규모가 작아지면서 부지 및 저장소 크기 규모에서 수리전도도는 아주 작은 크기의 값을 가질 수 있다. 따라서, 1단계 지질조사에서 수리전도도 조사와 검토는 향후 구체적인 조사를 위한 기본 정보 및 수리지질 모델링을 위한 자료 획득과 향후 부지평가 시 선호조건 측면에서 의미가 있다고 할 수 있다.
2단계 지질조사에서는 광역부지규모에서 각각의 관정에서 양수시험 및 순간충격시험과 같은 대수층 수리시험을 통해서 구하는데, 수리전도도가 낮을수록 지하수 유동이 적기 때문에 낮은 값이 유리하다. 이에 따라서 후보부지의 장기안전성 및 핵종 누출 시 환경위해성에 미치는 영향이 작을 것을 기대한다. 2단계 지질조사에서는 향후 정밀조사를 위한 기본적인 정보 제공과 지하수 모델링을 위한 입력 자료로 활용하는 차원에서 조사한다. 3단계 지질조사에서는 수리전도도가 처분유역규모에 대한 지하수 유속인자와 연관이 있으며, 유속과 유로가 너무 크면 안 되는 것이 중요하다.
2단계 지질조사에서는 광역부지 조사단계에 해당하므로, 광역적 부지규모에서 인자들을 결정하였다. 수두구배조사는 기존 활용중인 농업, 생활, 공업용 지하수 관정의 모니터링 및 지하수 기초조사 및 시군구 지하수 이용실태 DB, 수문지질도 및 국가 지하수 관측망 등 다양한 기존 자료의 취합과 분석을 토대로 지하수위 등고선도를 작성함으로써, 수두구배를 계산할 수 있다. 이 때 지형 고도 자료는 수치지형도(Digital Elevation Model, DEM) 자료로부터 추출하여 고도구배를 구할 수 있는데 계산된 수두구배와 비교해 볼 수 있다. 일반적으로 자연상태에서의 수두구배는 고도구배보다 작기 때문에 만약 수두구배가 고도구배보다 크면 인위적인 영향에 의한 것인지 면밀한 검토가 필요하다. 일반적으로 수두구배가 낮으면 지하수 유동측면에서 지하수속도가 느리므로 이를 선호하는 조건이 된다.
3단계 지질조사는 심층조사 단계이므로, 좀 더 규모가 작고 신뢰도가 높은 자료 획득을 위해서 조사를 수행하는 단계이다. 따라서, 처분공 규모와 처분심도 위치에서 자료획득에 초점을 맞추어야 하고 좀 더 많은 자료와 신뢰성 있는 자료 획득을 목적으로 수행되어져야 한다. 2단계 지질조사와 마찬가지로 이 항목들은 특정한 선호 또는 배제조건이 될 수 없으며 차후 정밀 지하수모델링에 필요한 입력 자료로 활용하는 것이 바람직하다. 지하수 유동 항목은 수두구배, 수리전도도가 있으나, 부지규모가 아니라 캐니스터(canister) 및 처분공(deposition hole) 규모에서 조사를 수행하여야 한다.
지하수 함양/배출
지하수 함양과 배출 지역에 대한 조사는 2단계 지질조사에서는 광역적인 규모, 3단계 지질조사에서 부지규모에서 정밀한 조사가 이루어져야 한다. 주로 지하수 함양 지역은 고도가 높은 지역에 있고, 지표피복의 투수성이 높은 곳에 있기 때문에 지하수 함양율이 높다. 즉 광역적인 지하수 유동을 지하수위 등고선 분포도를 작성한 후 지하수 함양지역과 배출지역을 파악할 수 있고, 관정별로 지하수 유향 유속을 측정해서 전체적인 지하수 흐름분포를 파악할 수도 있다. 또한 강우에 의한 지하수 변동양상을 통해서 관정별 지하수 함양량을 구한 후에 함양/배출 지역을 결정할 수 있다. 지하수 함양/배출 지역을 결정한 후에 구체적인 침투속도와 배출거리 등을 다중환경추적자 시험 및 동위원소 분석을 통해서 정량적으로 파악할 수 있다. 그러나 지하수 함양과 배출은 향후 부지평가 시 배제조건이 될 수 없고, 보통 선호조건 측면에서 많이 논의되며, 일반적으로 지하수 함양지역을 선호한다.
지구화학
지구화학 부문의 관련 조사 항목 및 인자는 Table 5와 같이 모암 지구화학, 수리화학, 핵종이동 항목으로 구분한다. 지구화학은 암석 자체의 화학특성 뿐만 아니라 지하수의 화학특성이 처분 적합성에 어느 정도 선호되는 조건인지를 판단하는 것으로서 처분부지의 광역적 지구화학 특성을 명확히 조사하고 이해해야 한다. 또한, 모암과 지하수의 화학특성을 기반으로 핵종이동 특성을 분석함으로써 장기적 처분안전성 확보가 가능한지를 평가한다(Baltes and Brewitz, 2001; DETEC, 2008).
Table 5. Investigation parameters of geo-chemical and hydro-chemical aspect
궁극적으로 모암, 단열 충진광물의 지구화학 특성과 수리화학적 데이터, 그리고 핵종이동과 관련된 정보 등 모든 지구화학 데이터는 처분장 부지 규모의 반응이동 모델의 수립에 입력 데이터로 활용된다. 이와 같이 부지의 데이터에 기반해서 개발된 반응이동 모델을 통해 처분장에서 캐니스터의 손상과 지하수의 침투의 이벤트가 일어날 때 시간적‧공간적 핵종 이동 및 농도 분포 등 처분장의 장기안전성 평가를 수행할 것이다.
모암 지구화학
모암 및 광물의 지구화학 특성은 모암이 가지는 핵종이동 지연능력을 좌우한다. 특히 많은 경우에 모암의 주 구성광물 및 일차광물보다 풍화나 변질에 의해 생성되는 이차광물, 그리고 모암에 발달하는 단열대를 충진하고 있는 단열 충진광물의 조성이 핵종이동 지연에 더 큰 기여를 하는 경우가 일반적이다. 이러한 이차광물 및 단열 충진광물은 암석 내에 소량 또는 미량으로 존재하는 경우가 많으므로 부지조사 시 주 구성광물에 대한 분석뿐 아니라 부 구성광물 및 미량 광물에 대한 분석이 조사항목으로 필수적으로 수행되어야 한다.
수리화학
수리화학은 부지조사 2단계 및 3단계 지질조사에서 1단계 조사결과 제안된 복수의 후보부지들을 대상으로 선호조건 위주의 조사를 수행한다.
구리 캐니스터는 산소 혹은 황화이온의 공격을 받는다. 특히 산소는 부식(pitting)을 유발할 수 있고 따라서 캐니스터의 장기적 안정성에 황화이온보다 더 나쁘게 작용한다. 산소는 처분 심도정도의 깊이에서는 일반적으로 존재하지 않기 때문에 높은 용존 산소를 가지는 부지는 가급적 피해야 한다. 산소의 존재는 Eh(산화환원전위)측정으로 정밀하게 측정할 수 있는데 Eh < 0 V가 산소가 없음을 확인하는 것이다. 미량의 산소가 Eh에 충분히 영향을 줄 수 있으며, Fe2+와 HS- 농도가 측정된다면 이들이 산소와 반응하므로 그들의 존재 자체가 지하수 중에 용존산소가 없음을 보여준다.
벤토나이트 역시 산소에 대해 완충능을 가진다. 왜냐하면 벤토나이트는 용존산소와 화학적으로 반응을 하며 또한 캐니스터로 가는 이동 경로를 차단하기 때문이다.
심부 지하수는 높은 염소 이온 농도를 가질 수 있다. 이는 그 자체로는 주목할 만 하지는 않지만 극단적으로 높은 농도는 pH에 대한 구리 캐니스터의 민감도를 증가시킬 수 있다. 따라서 지하수 중의 염소 농도를 측정하고 미래 변화를 예측하는 것이 필요하다.
암석이 핵종을 보유하는 능력은 지하수 유동과 암석의 미세단열로 용질 수착을 가능케 하는 매질 확산으로 구성된다. 이동경로 상의 지하수 화학은 수착과 이동 메카니즘에 영향을 주기 때문에 매우 중요하다. 스트론튬이나 세슘처럼 이온교환에 영향을 받는 수착은 물속의 다른 양이온 농도에 직접적 영향을 받는다. 우라늄, 넵튜늄, 테크네슘의 용해도와 이동성은 산화환원 조건에 매우 민감하다. 탄산염은 플루토늄이나 아메리슘과 착물을 형성하고 pH는 이들의 가수분해에 영향을 준다.
지하수내에 용존산소가 존재하면 고준위방사성폐기물 저장 캐니스터의 부식을 유발하고, 폐기물 고화체로부터 핵종의 용해를 촉진하며 용해된 핵종의 재침전을 방해하고 산화환원 전위에 활성을 띠는 많은 핵종들의 용해도를 일반적으로 증가시키므로 처분장의 안전성을 심각하게 저하시키는 결과를 야기한다. 따라서 용존산소의 존재가 확인된다면 그 부지는 보다 정밀한 수리화학 조사를 추가적으로 수행하고, 그 결과 역시 용존산소의 존재가 확인된다면 부지 포기를 고려하여야 한다.
핵종이동
핵종이동은 처분장의 성능평가 및 안전성평가에서 필수적으로 고려되어야할 핵심 항목이다. 핵종이동에 관련하여 문헌에서 중요하게 다루어지는 4가지 과정들은 다음과 같다.
먼저, 지하수 유동은 수리지질에서 고려하는 것과 기본적으로 같으나 용질이동, 특히 핵종이동에 중점을 두어 고려하여야 한다. 지하수의 유동이 일어나는 단열대(fracture zone)와 지하수가 이동하지 않는 단열대, 그리고 충진광물로 충진된 단열대에 대하여 지하수 유동과 핵종 이동 지연을 고려하여야 한다.
다음으로, 분산은 단열(fracture) 내에서 관찰되는 현상으로 매질 확산은 공극 혹은 단열에서 농도구배와 압력차에 의해 발생되며 핵종이동에 있어서 매우 중요한 인자이다. 단열표면에 의한 핵종 수착 역시 처분장에서 캐니스터가 손상되어 핵종이 누출될 시 그 이동을 지연시키는 인자로서 매우 중요하다. 단열대에서 분산은 단열 간의 다른 간극(aperture)을 통해, 그리고 서로 다른 방향의 단열들이 교차할 때 혼합에 의해 단열 내에서 포물선 모양의 속도 단면을 통해 일어난다.
확산은 공극 간 혹은 단열과 공극 간 압력과 농도 구배에 의해 일어난다. 단열대 매질을 통한 핵종 이동의 경우에 단열대로부터 암석 매질 공극으로의 확산 효과가 매우 중요하다. 만약 매질 확산이 일어난다면 수착의 가능성은 매우 커진다. 왜냐하면 암석 매질은 단열대 벽보다 훨씬 큰 비표면적을 제공하기 때문이다.
2단계 기본조사와 3단계 심층조사 시 확보한 지표 및 심부의 시추코아 시료를 활용한 핵종 수착 데이터에 기반하여 표면착화반응 모델링을 수행함으로써 처분장 내에서 모암, 단열표면 및 단열충진 광물과 반응하며 이동하는 지하수의 시간적 공간적 화학조성 진화에 따른 핵종수착 특성 변화를 열역학적 데이터의 기반 위에서 예측하도록 한다.
지질공학/암반공학/지열
지질공학 및 암반공학 부문의 관련 조사 항목과 인자는 Table 6과 같이 토층, 단열대/단열, 현지응력, 암반특성, 기상, 자연재해, 암석열물성 항목으로 구분한다. 지질공학 및 암반공학 부문은 후보부지의 물리적·역학적 안전성을 평가하는 요소들로서 처분부지의 장기안전성 측면뿐만 아니라 실제 처분시설 설계 및 건설단계에서도 고려되어야 하는 요소들이다(Barton et al., 1974; Bieniawski, 1989).
Table 6. Investigation parameters of engineering geology aspect
지열분포
지열분포는 지열류량의 상대적으로 분포를 의미한다. 심부에서의 지열이 지층을 통해 전달되는 양을 지열류량이라고 하는데 이는 지층 암반의 열전도도와 지온경사를 통해 산출된다. 지열류량이 높은 지역은 온천 및 지열개발 대상지역으로 사용되고 있으므로 지열류량 분포를 파악한 후 일정 지열류량 이상을 배제해야 할 것이다.
토층
토층의 발달은 암반의 풍화상태와 밀접한 관련이 있는 것으로서, 토층이 넓고 두껍게 발달하는 지역은 암반의 분포 심도가 깊을 뿐만 아니라 암반 내 풍화대의 두께도 토층이 얇은 지역에 비해 두껍게 나타난다. 토층과 암반 풍화대의 두께는 지하수 분포 및 유동, 이에 따른 지구화학적 산화조건 영역의 발달과도 관련이 있다. 또한 토층이 상대적으로 두껍게 발달하면 지표하 특정 심도를 기준으로 할 때 암반의 두께가 얇게 되어 처분 적합도에서 불리하게 작용할 수 있고, 처분시설 시공 시 시공비용 등의 측면에도 불리하다. 따라서, 토층이 넓고 두껍게 발달하는 지역은 선호조건 개념의 평가 시 감점요인으로 작용한다.
토층의 분포는 먼저 정밀토양도를 이용하여 토층의 분포 면적과 개략 심도, 토층 구분 등을 할 수 있다. 정밀토양도는 토양통 및 토양상을 작도단위로 한 정밀 토양조사에 따라 작성된 도면이며, 1:25,000 축척으로 작성되어 있고 최소 작도 단위는 1 ha이다. 이를 통해 토층의 분포범위를 파악할 수 있다. 2단계와 3단계의 현장조사 시 지표지질조사 분야에서는 지표에 산출되는 미고결퇴적층(regolith)의 분포를 조사하여 토층의 분포 면적, 심도, 종류 등을 파악할 수 있다. 미고결퇴적층 지도작성(Regolith mapping)은 조사대상 면적에 따라 다양한 축척으로 조사 가능한데, 기본적으로 노두와 토층을 구분하고 토층의 경우 구성물질의 종류, 분포 면적, 지표 단면에서의 두께 등을 파악하여 도면으로 나타낸다. 심부지질조사를 위한 시추조사가 수행되는 과정에서 토층의 수직적 분포 두께, 토층의 종류, 심도별 토층의 지지력을 측정할 수 있다. 토층의 심도별 지지력은 표준관입시험(standard penetration test)을 실시하여 추정이 가능하다.
단열대/단열
단열대 및 단열의 분포는 후보부지에 발달하는 다양한 규모의 단열(대)의 분포, 기하양상, 역학적 특성 등을 토대로 부지규모 지질구조, 지하수 유동, 핵종이동, 암반의 건전성 등을 종합적으로 조사 및 평가하는 항목으로서 부지지질특성 조사에서 중요한 항목이다. 따라서 지질공학적‧암반공학적 측면에서 단열(대)에 대한 정밀한 조사와 시험이 수행되어야 한다.
단열(대)의 방향, 규모, 밀도, 거칠기, 간극은 단열의 특성을 조사하는 필수요인들로서 구조지질학, 지질공학, 암반공학적 관점에서 현장정밀조사를 실시하여야 한다. 후보부지와 그 인근의 일정 영역을 대상으로 단열(대)의 분포 여부, 방향, 길이, 폭, 거칠기, 간극을 일일이 조사하여야 하며, 단열(대)의 밀도는 부지 전체를 대상으로 평가한다.
이 요인들은 지표지질조사는 물론 심부지질조사를 통해 획득한 시추코어로깅 결과, 시추공 물리탐사 및 물리검층 결과를 종합적으로 검토하여 부지규모에서 3차원의 단열(대) 발달특성을 규명해야 한다. 이 자료는 각 조사단계의 최종적 성과물로 제시되는 지질공학/암반공학 모델링의 입력자료로 사용되므로 가급적 정밀한 조사가 필요하다.
단열(대) 등 불연속면의 분포, 기하특성 외에 각 단열(대)의 역학적 특성을 조사한다. 역학적 특성평가는 지표지질조사와 심부지질조사를 통해 획득한 암석 내 불연속면 시료를 이용하여 실내시험을 통해 실시한다. 실내시험을 통해 획득하는 특성 항목은 불연속면 전단강성, 수직강성, 최대마찰각, 겉보기점착력, 잔류마찰각, 팽창각, 절리거칢계수, 절리면압축강도 등이다.
현지응력
천연방벽으로 암반을 활용하기 위해서는 역학적 안정성 확보가 가장 중요하다. 암반의 불안정한 거동으로 인해 처분용기와 관련 시설이 부정적인 영향을 받지 않아야 되며, 지하수 유동경로가 될 수 있는 균열 등이 처분시설 주변에 새롭게 형성되지 않아야 한다. 즉 처분시설을 격리하고 위험물질의 이동을 차단 및 지연시키는 역할을 주변 암반이 장기간 안정적으로 수행할 수 있어야 한다. 처분용기가 위치하는 지하 심부에서 암반의 역학적 안정성을 좌우하는 여러 요소 가운데 주요 인자는 암반강도와 현지응력이며 조건에 따라 굴착된 암반이 안정적일 수도, 스폴링과 같은 파괴가 발생할 수도 있다. 이러한 암반 손상은 처분시설의 안전성을 심각하게 위협할 뿐만 아니라 처분시설 건설과정에서도 작업환경의 안전성, 시공기간, 비용 등에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 현지응력의 방향은 시설물 배치 등 엔지니어링 측면에서 매우 중요한 고려대상이 된다(Grimstad and Barton, 1993; Haimson and Cornet, 2003; Kang et al., 2006).
국외 처분부지조사 과정을 살펴보더라도 암반공학과 관련하여 초기 문헌조사 단계에서는 처분부지 심도에 위치한 기반암의 암종, 강도, 현지응력 크기 등을 조사하여 이를 토대로 선호 또는 배제조건을 적용하였다. 단, 이러한 판단은 관련 정보가 충분히 주어진 상태에서만 가능하며 정보가 없는 경우 다음 단계에서 시추조사를 통해 자료를 획득한 후 해당 항목을 평가할 것을 공통적으로 권고하고 있다.
문헌조사 이후 시추조사가 수행되는 단계에서는 주로 현지응력 추정, 강도 및 변형계수 등 무결암 특성 조사, 불연속면 특성 조사 등이 수행된다. 후보부지선정 이후에는 지하연구시설(URL)을 건설하고 장기간에 걸쳐 다양한 암반 현장시험 및 실내시험을 수행하는 단계가 포함되어 있다. 현지응력 문제의 경우 시설물 배치, 엔지니어링 요소 변경 등으로 해소 가능한 부분이 있으므로 정보 수집에 있어 암반강도의 중요도가 상대적으로 높게 평가되었다. 3단계 지질조사에서는 선별된 후보부지에 대한 시추조사 개수를 증가시켜 자료의 해상도를 높인 다음 현지응력 및 암반강도를 비교한다. 이 단계에는 암반의 장기안정성 평가를 위한 크립시험이 포함되며, 시공성 및 경제성 평가 시 활용할 수 있도록 시추공 암반분류를 수행할 필요가 있다. 이외 중요한 현장 시험 및 관련 실증은 후보부지 선정 후 지하연구시설을 건설하여 수행한다.
암반특성
2단계 기본조사 및 3단계 심층조사에서 강도를 비롯해 암반특성을 평가하기 위해서는 무결암 특성에 대한 조사가 필요하다. 무결암 특성 조사도 실내시험을 통해 실시하는데 한국암반공학회, ASTM(American Society for Testing Materials), ISRM(International Society for Rock Mechanics) 등에서 제안한 관련 국내외 규격 등을 참고하여 수행한다 (ASTM, 2016; ISRM, 2016). 세부 시험항목은 기본물성시험을 통해 비중, 공극률, 탄성파속도, 탄성계수, 포아송비를 구하고, 강도시험을 통해 일축압축강도, 인장강도, 강도정수(점착력, 내부마찰각)를 구하게 된다. 한편, 3단계 지질조사에서는 처분시설 주변 암반의 장기안정성 평가를 위한 크립시험은 심층조사 단계에서만 수행되며, 그 외 항목은 기본 및 심층조사 단계에서 모두 측정한다. 또한 3단계 지질조사에서는 처분시설 주변 및 상하부 암반을 대상으로 RMR(Rock Mass Rating), Q, GSI(Geological Strength Index) 등 암반분류를 수행한다.
기상
기상은 처분시설 운영과 향후 폐쇄기간 동안 기상 조건과 대기로 방출되는 핵종이동 영향을 예측하기 위해 조사할 필요가 있다. 후보부지 주변의 가장 가까운 복수의 관측소로부터 최대한 장기간 동안의 강우, 강설, 기온, 바람, 대기분산, 극한기상 현상 등의 자료를 수집하여 분석한다. 한편, 이러한 자료는 후보부지에 대한 자연재해 취약성 평가에도 입력요소로 활용한다.
자연재해
자연재해는 후보부지와 그 인근을 대상으로 기상조건에 따라 발생할 수 있는 자연재해 중 처분시설의 운영과 폐쇄기간 동안 영향을 미칠 수 있는 자연재해에 대하여 조사한다. 자연재해의 조사 및 취약성 평가를 통해 처분시설의 안전성을 예측할 수 있는 기간은 처분시설 운영 전체기간에 비해 매우 짧은 시간이지만 처분시설 시공 및 운영 과정에서 발생할 수 있는 다양한 재해의 취약성을 사전에 예측하는 측면에서 중요한 의미를 갖는다. 자연재해의 평가 기준은 세계적으로 확립되어 있는 것은 없으나, 각 재해유형별로 국내외에서 활용되고 있는 방법 중 신뢰도가 가장 높은 방법을 채택하여 평가할 수 있다.
암석열물성
암석의 열전도도는 고준위방사성폐기물 처분시설에서 발생하는 열이 외부로 전달되는 정도를 지시할 수 있는 중요한 요소 중의 하나이다. 열전도도가 낮으면 고준위방사성폐기물 처분시설이 과열될 수 있으며, 열전도도가 높으면 발생된 열이 멀리까지 전달되어 주변의 기반암에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 열전도도에 대한 특성은 중요하게 조사 및 평가되어야 한다.
지온경사는 국내 시추 굴착된 시추공에서 직접 온도검층을 실시하여 지온경사를 산출한다(Fig. 3). 천부의 지표수에 의한 영향, 심부 파쇄대의 지하수 유동 영향으로 지층의 온도 교란이 생기는 경우가 있으며, 대체로 지층의 변화가 없는 시추공에서는 파쇄대의 지하수 유동 구간만 제외하면 거의 같은 지온경사를 갖는다. 지표에서는 대기의 온도 영향을 받을 수 있으나, 20 m 심도 이하에서는 0.05°C/year 이하로 거의 변화가 없기 때문에 공저온도와 20 m 심도에서의 온도를 이용하여 지온경사를 구할 수 있다(Lee, 2012). 지층의 변화가 있는 곳은 지온경사도 변한다.
암석의 열팽창률은 온도가 상승하면 부피가 증가함에 따라 팽창하는 비율을 말한다. 여기에서는 암석에 가해지는 온도가 어느 정도인지에 따라 팽창률계수가 달라진다. 기본적으로 고준위방사성폐기물 처분공의 온도가 100°C라고 가정 할 때 고준위방사성폐기물의 붕괴열이 발생하여 특정 온도 이상으로 증가 했을 때의 암석 열팽창률 기준을 정해야 할 것이다.
기타
현재 천연자원 개발이 진행 중이거나 미래 광산개발 예정 또는 가능성이 있는 지역 또는 폐광산을 조사하여 배제한다. 개발 중인 광산지역은 국내 광산분포도를 통해 배제할 수 있고, 개발가능성이 있는 지역은 지질 및 지질구조 부문에서 수행하는 광석 조사를 통해 평가할 수 있다. 그러나, 2단계 기본조사 시에는 부지규모의 축척을 토대로 2차적인 조사가 필요하다. 예를 들어 기존에 개발되었거나 폐광된 광산들 중에는 문헌조사를 통해 확인할 수 없는 경우들이 있기 때문에 2단계 기본조사를 위한 후보부지가 결정되면 실제 현장조사를 통해 광산지역에 대한 확인조사가 필요하다. 기타 온천개발지와 대규모 토목공사예정지도 사전에 조사하여 부적합지역으로 배제하여야 한다. 이를 위해 정부 내 관련부처와의 면밀한 협의가 반드시 필요하다.
결론
본 기술보고서에서는 고준위방사성폐기물 처분선정을 위한 부지조사의 요소와 절차를 제안하였다. 광역지질조사 요소를 도출하기 위해 국외 처분부지 선정절차와 방법을 고려하여 우리나라의 지질환경에 적합한 조사요소를 제안하였다.
해외의 후보부지 지질조사에서 적용한 단계적 조사 및 부지제안의 방법을 토대로 3단계의 후보부지 지질조사 단계를 제안하였으며, 각 단계별 조사의 목적에 따라 세부적인 지질조사 요소를 제안하였다. 후보부지 지질조사 단계는 1단계는 문헌조사단계로서 전국을 대상으로 기존의 지질조사자료와 참고문헌 등을 이용하여 주로 실내분석을 통해 부적합지역을 배제하는 개념의 조사단계이다. 2단계는 기본조사단계로서 1단계의 분석결과를 통해 제안된 복수의 후보부지에 대해 주로 지표지질조사를 중심으로 후보부지의 기본적인 지질특성을 조사하는 것이다. 이때 최소규모의 시추조사를 병행하여 후보부지의 지하지질특성도 함께 조사하게 된다. 3단계는 심층지질조사단계로서 2단계 조사결과를 통해 제안된 복수의 후보부지를 대상으로 지하지질상태에 대한 조사를 집중적으로 실시하는 단계이다. 이를 위해 후보부지에 심부시추조사를 실시하여 다양한 요소의 지질특성자료를 획득하고, 지표지질조사자료와 심부지질조사사료를 종합하여 부지의 3차원 지질통합모델을 구축한다.
지질조사 요소는 각 요소의 지질학적 개념과 범위를 고려하여 부문(aspect) - 항목(item) - 인자(parameter)의 계층구조로 구분하였다. 후보부지 조사단계별로 부문에 해당하는 요소들을 제안하고, 각 부문별 조사 항목과 각 항목의 하부개념으로 지질학적 인자를 다시 제안하였다. 이를 통해 후보부지 선정에 필요한 조사 절차와 조사 및 평가해야 하는 지질학적 요소들을 정리하였고, 각 요소들의 자료를 확보하기 위한 조사방법을 별도로 나열하였다. 도출한 지질조사 항목과 인자는 국내 지질특성을 고려하여 고준위방사성폐기물 처분안전성에 영향을 미칠 것으로 판단되는 사항을 선별하였으며, 이 과정에서 국외 주요국의 처분부지 조사항목 및 부지평가 기준(criteria) 자료를 참고하였고, 국내 전문가 그룹의 토론을 통해 지질조사 요소를 제안하였다.
이를 통해 도출된 지질요소를 보면 1단계 문헌조사단계는 6개 부문, 8개 항목, 10개 인자, 2단계 기본조사단계는 7개 부문, 23개 항목, 51개 인자, 3단계 기본조사는 6개 부문, 20개 항목, 53개 인자를 조사하는 것으로 제안되었다.
본 기술보고에 제안한 후보부지의 지질조사 단계와 지질조사 요소는 처분안전성평가(safety assessment)를 고려하지 않고 순수히 후보부지의 지질특성 자료를 제공하는 측면에서 제안된 내용이다. 따라서, 향후 처분안전성평가 측면에서 이러한 조사 단계와 요소에 대해 검토하여 후보부지 조사 및 평가를 위한 최적의 지질조사 요소를 도출할 필요가 있고, 이 과정에서 일부의 내용은 변경될 수도 있을 것이다.
