서론

지난 2017년 6월 19일 0시를 기점으로 국내 최초의 상용 원자로로 1978년부터 운영되던 고리 1호기가 영구 정지되면서 후쿠시마 사고 이후 국내외적으로 불고 있는 탈원전 정책과 함께 국내 원자력 발전 역사에 또 다른 큰 변환점을 맞게 되었다. 그러나 원전 정책의 어떠한 변화에도 불구하고 사용후핵연료를 포함한 고준위방사성폐기물은 국내에 존재하고 계속 발생되고 있으며, 더구나 국내 사용후핵연료의 원전부지내 임시 저장능력이 수 년 내에 포화되기 시작할 것으로 예상됨(KHNP, 2017)에 따라 이들을 인간생활로부터 안전하게 영구히 고립시킬 수 있는 최종 처분 및 관련 기술의 확보는 그 필요성을 넘어서 매우 시급한 상황이다.

우리나라의 고준위폐기물처분연구는 한국원자력연구원에서 1997년부터 처음 시작하였다. 초기 10년간은 국내에서 발생되는 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor) 및 가압중수로(PHWR, Pressurized Heavy Water Reactor) 사용후핵연료를 심부 지층에 영구처분하기 위한 심층처분시스템 개발을 목표로 연구가 수행되어 2006년에는 국내에서 발생하는 사용후핵연료를 지하암반에 직접처분하기 위한 한국형 기준처분시스템(KRS, Korean Reference Spent Fuel Disposal System)을 개발하였다(KAERI, 2006; Lee et al., 2007; KAERI, 2008). 이후 2007년부터는 사용후핵연료에 포함된 유용한 물질을 재활용하기 위한 파이로프로세싱 공정에서 발생할 것으로 예상되는 방사성폐기물을 대상으로 선진핵주기고준위폐기물처분시스템(A-KRS, Ad-vanced Korean Reference Disposal System of HLW waste)을 개발하였다(KAERI, 2009)(Fig. 1). 이러한 고준위폐기물처분 연구개발의 최종 목표는 국내에서 발생 가능한 모든 형태의 고준위폐기물과 장반감기 폐기물을 국내 고유의 심부 지질환경에 안전하게 처분할 수 있는 시스템을 개발하고 그의 목표 성능과 안전성을 입증하는 것이다.

Fig. 1.

R&D programme of KAERI for HLW disposal technology development.

고준위폐기물 심층처분시스템개발을 위해서는 처분장 지하 깊은 곳의 지질환경 조건에서 핵종의 유출로 인한 천연방벽(암반)의 지연/희석 기능과 공학적방벽(처분용기, 완충재 등)의 격납/격리 기능에 대한 성능 및 안전성을 입증해야 한다. 이러한 심층처분시스템 개발 및 성능과 안전성 입증을 위한 핵심 인프라의 하나가 지하연구시설(URL, Underground Research Laboratory)이며 이는 방사성폐기물 처분시설 개발 프로그램(RDP: Repository Development Program)을 지원하기 위한 제반 행위, 즉, 처분시스템의 현장실증시험, 예비안전성평가, 처분장 건설‧운영 중 엔지니어링기술 실증‧시연, 지하심부 지질특성 조사기술개발, 전문가 양성 및 대국민 교육홍보 등이 종합적으로 이루어지는 지하연구시설을 말한다. 여기에서 RDP란 방사성폐기물 처분사업 추진의 전 과정을 말하는 것으로, 구체적으로는 초기 단계의 처분개념 개발, 처분시스템 최적화 및 부지선정 절차, 부지특성조사 및 상세설계, 처분시설 건설 및 운영허가에 이르기까지의 전 과정을 말한다(KAERI, 2016). 국내에는 순수한 연구목적의 지하연구시설로서 한국원자력연구원에 위치하는 소규모의 KURT (KAERI Underground Research Tunnel)가 운영되고 있으며 일반적인 지하연구시설(URL)의 목적 및 기능과 유사하다.

KURT는 2006년 말 한국원자력연구원 부지 내에 1단계 시설이 구축되어 각종 현장 검증시험을 수행하고 있으며 이 후 연구개발 업무의 확대 및 해외기관과의 협력사업 등으로 시설 규모의 확장 필요성이 대두되어 2015년 1월까지 규모를 확장하여 현재의 2단계 시설을 확보하였다. 본 논문에서는 2006년 11월 8일부터 성공적으로 운영되고 있는 국내 유일의 연구용 지하처분연구시설인 KURT의 건설과정과 현황을 살펴보고 향후 국내 고준위폐기물처분을 위한 KURT의 역할을 기술하였다.

KURT의 건설 배경 및 목적

고준위폐기물 심층처분시스템의 개발이 성공적으로 이루어지기 위해서는 먼저 기준처분시스템의 주요 구성요소들의 타당성(feasibility), 안정성(stability), 안전성(safety) 및 적합성(appropriateness)에 대한 실험적 검증을 통해 처분시스템 성능과 안전성에 대한 신뢰가 확보되어야 한다. 기준처분시스템의 건전성을 실험적으로 입증하려면 심층처분시스템이 위치하게 될 심부 지하 환경을 모사할 수 있는 지하연구시설(URL)의 확보가 필요하다. 또한 지하연구시설에서 도출되는 결과들은 고준위폐기물관리 국가정책 수립을 지원하기 위한 과학적이고 객관적인 증거를 제시함으로써 국민의 동의 없이는 진행될 수 없는 고준위방사성폐기물 처분사업의 국민 수용성 확보에 필수적인 기초자료가 된다.

스웨덴, 스위스, 핀란드, 프랑스, 미국 등의 선진국들은 이미 원자력발전의 시작과 동시에 처분연구를 시작하였으며 대부분 국가들이 자국 지질조건 및 처분시스템을 실증하기 위한 처분심도의 지하연구시설을 건설하여 운영함으로써(Table 1) 국민의 신뢰를 바탕으로 한 고준위폐기물처분사업을 순조롭게 진행하고 있다. 우리나라는 다소 늦었지만 1997년부터 시작된 국내 고준위폐기물처분연구의 결과로서 한국형 기준처분시스템(KRS)의 개념이 정립되고 구체적인 개념설계가 이루어지면서 이러한 다양한 국가적 요구 사항들을 동시에 충족시키기 위한 핵심 인프라인 지하연구시설의 확보가 시급한 문제로 제안되었다. 다행히 2002년 말에 진행된 제 3차 원자력연구개발사업의 기획 과정에서 국내 지질조건에 적합한 지하연구시설의 확보 필요성이 강력히 제기되어 2003년부터 5년간 수행된 제 3차 원자력연구개발사업 기간 중에 비록 소규모이긴 하지만 지하연구시설을 확보하기로 결정하였다. 이후 다각적인 검토를 거쳐 최종적으로 한국원자력연구원 내에 부지가 선정되어 자연 환경과 토지이용성 및 적합성에 대한 평가를 거쳐, 선정된 부지에 대한 지표조사와 물리탐사, 시추, 암석 및 암반물성시험을 포함한 지질조사가 실시되었으며, 지표 및 지질조사 결과를 바탕으로 지하처분연구시설(KURT)의 위치 및 건설이 최종 결정되었다. 시설의 건설은 적은 예산에도 불구하고 국내 최고의 설계, 건설 및 감리회사가 참여하였으며, 가장 중요한 토목 부문은 현대건설(주)이, 설계와 감리업무는 벽산엔지니어링(주)에서 수행하였다.

Table 1. Main underground research laboratories for the research on radioactive waste repository in the world

사전적 의미로의 고준위폐기물처분연구를 위한 지하연구시설(URL)의 정의는 방사성폐기물처분시설 개발 프로그램을 위한 제반 행위, 즉, 처분시스템의 성능‧안전성 현장 실증‧시연, 세이프티 케이스(Safety Case), 처분장 건설‧운영 엔지니어링기술 검증‧시연, 지하심부 지질특성 조사·분석기술 개발, 전문가 양성, 대국민 홍보 등이 종합적으로 이루어지는 지하연구시설이다(OECD/NEA, 2001). 따라서 KURT의 주요 목적은 일반적인 지하연구시설(URL)의 목적과 크게 다르지 않으며, 특히 우리나라 처분조건하에서의 심부지질환경을 평가하기 위한 조사기술개발, 현장실험 및 연구를 통한 처분요소기술의 설계 성능과 안전성 검증, 조사를 통하여 취득한 지질환경자료를 처분개념 수립과 처분시스템 개발에 필요한 입력자료로 제공하고 안전성입증을 위한 세이프티 케이스(safety case) 개발, 고준위방사성폐기물처분에 대한 이해당사자 및 대국민 이해증진과 수용성 확보 거점 역할 등의 주요 고유 목적을 갖는다(Kwon et al., 2006).

KURT 부지 및 주변지역의 위치와 지질

KURT 연구시설은 한국원자력연구원 부지의 북서쪽 경계지역에 위치하며 해발 205.0 m 산중턱 지점(해발 115.0 m)에서 N54W 방향으로 위치한다. 행정구역상으로는 대전 유성구 덕진동에 속한다. KURT 부지를 포함한 광역적인 연구원 부지는 북대전 IC 서쪽에 위치하며 북쪽 보덕봉(263.6 m)의 남쪽 산자락에 위치하고 있으며 용바위 고개와 연결되는 218.1 m와 208.2 m의 봉우리를 가진 능선이 덕진소류지의 유역 경계를 나타내며, 남쪽으로는 적오산과의 사이 소계곡과 함께 주변에 비해 비교적 낮고 완만한 지형을 형성하고 있다. KURT 부지의 지형은 대체적으로 운산봉(573.8 m), 금병산(364.1 m), 대곡사(346.3 m), 보덕봉(263.6 m)을 연결하는 SW-NE 방향의 산계를 이루고 있다.

KURT를 포함한 광역 지질은 경기변성암 복합체 내에 위치하며 주로 선캠브리아기의 편마암류와 중생대의 심성암과 맥암류로 구성되어 있다(Fig. 2). 선캠브리아기의 변성암류는 흑운모 편마암 및 편암으로 나누어지며 KURT 주변의 주요 구성 암석인 심성암류는 크게 시대미상의 편상화강암과 중생대 복운모화강암으로 나뉘어진다. 이 중 복운모화강암은 전 범위에 걸쳐 가장 광범위하게 분포하는 암석으로 편상화강암을 관입하고 있다. 복운모화강암은 중립 내지 세립질이며 주 구성광물은 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모, 백운모 등이고 저어콘, 금홍석, 인회석 등이 소량 관찰된다. 사장석과 미사장석은 쌍정이나 입자 경계를 따라서 부분적으로 견운모화 되어 있는 양상을 보이기도 하며 운모류는 벽개면을 따라 녹니석화 되어 있기도 하다(Kim et al, 2004). KURT 및 주변에 설치된 심부시추공에서 나타나는 지질은 중립질 내지 세립질 복운모화강암으로 이루어져 있다. 대전도폭에서는 편상화강암을 쥬라기의 편마상 화강암으로 보았고 복운모화강암과는 동일 마그마에서 유래된 것으로 보았다(Lee et al, 1980). 부지 주변 외곽부에는 중생대 심성암류가 시대미상의 변성퇴적암류를 관입하고 있다(Park et al, 1977). 이 밖에 맥암류와 석영반암이 KURT 부지 지역 전반에 걸쳐 이들을 관입하고 있다.

Fig. 2.

Geologic map of the KURT site and surrounding areas (Kim et al., 2004).

KURT 1단계(Phase I) 시설 구축

앞서 KURT 건설배경에서도 설명하였듯이 KURT 1단계 연구시설은 고준위폐기물 처분에 관한 다양한 연구의 이론적 개념 및 실험을 통해 도출한 결과를 실제 KAERI 기준처분시스템(KRS)에 적용하기 위해 건설되었다. 2003년 초부터 KURT 건설을 위한 상세 부지조사와 설계가 시작되었다. 1단계 시설의 설계요건은 최우선적으로, 제한된 예산 내에서 최소한의 암반보강으로 최대한의 자연 상태와 함께 터널의 장기 안전성을 확보하는 것이었다. 아울러 향후 현장시험에 사용될 연구모듈은 지표로부터 최대한의 심도가 확보된 양호한 암반에 위치하여야 하며 향후 원활한 현장실험이 수행될 수 있도록 하였다. 당시 제한된 설계요건과 부지 상황 하에서도 향후 확장 가능성을 고려하였으며 예산대비 고효율 및 안전성이 확보된 건설방법을 선택하였다. 설계진행과 함께 시설건설에 대한 인허가 절차를 함께 수행하여 2004년 11월에 건설을 위한 인허가 절차를 완료하였다. 인허가 조건으로 방사성물질의 사용이 금지되어 있으며 특히 환경오염 최소화의 권고사항이 포함되어 있다. 따라서 현재까지도 KURT 내에서는 어떠한 방사성물질도 사용할 수 없으며, 현장시험 수행 시에는 염료 및 소금물과 같은 대체물질을 사용하면서 환경오염을 최대한 방지하는 방법을 이용하고 있다.

인허가 다음 해인 2005년 3월에 건설공사를 착수하여 2006년 11월에 준공하여 우선적으로 심부지질환경 조사기술개발과 관련된 기초적인 현장시험을 시작하게 되었다. 공사 말기에 터널 막장면 전방부에 대규모의 지하수 주유동로(MWCF: Main Water Conducing Features)가 예측되었으며, 향후 이에 대한 조사기술 확보 후 시설을 확장할 수 있을 경우 관통하기로 하고 설계변경을 수행하여 최종 1단계 건설이 마무리되었다. 터널은 가급적 직선으로 하였으며 지질 상태를 고려하여 필요한 구간에서는 약간의 곡선구간을 허용하였다. 갱구부에 근접한 구간의 터널 굴착면은 락볼트(rock bolt), 숏크리트 라이닝 등으로 충분히 보강하고, 터널 안 쪽 부분의 벽은 안전에 지장이 없는 범위에서 가급적 지보를 최소화하여 실험용 암반이 노출되도록 하였다. 굴착에 따른 암반 손상을 최소화하기 위해 조절발파기법이 적용되었으며, 시설의 종단경사는 실험에 필요한 차량의 주행 안정성, 환기의 효율성, 배수 및 시공 능률 등을 고려하여 결정하였다. KURT 1단계 처분연구시설은 전체적인 윤곽은 ‘T’자형으로 공사 중 터널굴착, 버럭처리, 시설물 설치가 용이하며 운영 중 유지보수가 유리하도록 설계하였다(Fig. 3). 이후 2008년까지 전기용량 증설, 통신설비 구축 등의 부대시설을 보강하는 작업이 이루어졌으며 효율적인 현장시험 지원과 늘어나는 방문객들 대상의 홍보를 지원하기 위한 지상시설이 가건물 형태로 건립되었다(KAERI, 2010).

Fig. 3.

Layout of the KURT Phase I facilities (Cho et al., 2008).

최종적으로 KURT 1단계 시설은 총 연장 263 m 터널로서 면벽식 갱구부(portal)을 가지고 부지의 계곡이 끝나는 막다른 위치를 차지하고 있었다. 갱구부로부터 180 m 길이 진입터널 끝에 양쪽으로 총 2개의 연구모듈을 갖추었으며 각각 30.0 m 및 45.0 m 연장으로 굴착하여 처분기술개발 및 검증시험에 활용되었다. 진입터널은 약 10% 하향경사이며 터널 내부 집수정을 통한 배수시스템 운영을 위하여 두 개의 연구모듈(Research Module, RM)은 약 2% 상향경사를 갖도록 하였다(Fig. 3). 두 개의 연구모듈의 심도는 산 지표 위 산 정상 부근 아래에 위치하도록 하여 최대의 지하 심도를 얻도록 하였으며 지표면으로부터 최대 심도는 약 90 m를 확보하였다(Cho et al, 2008).

1단계 시설 완공 이후 KURT 시설은 장심도 시추 조사를 통한 처분심도의 수리 및 지화학 조사기술 개발, 장심도 시추공 등을 이용한 수리 및 지화학 모니터링을 통한 부지특성모델 구축 데이터 획득, 현장 시추공 히터시험(Borehole Heater Test, BHT)을 통한 암반의 열-역학적 거동특성 파악 및 모델링 해석기법 개발, KURT 근계암반의 손상대 규모 현장평가로서 암반손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ) 평가 및 열적, 역학적, 수리적 특성 변화 평가 모델링 기법 확보, KURT 화강암질 단열암반에서의 용질이동 지연특성의 이해를 위한 용질이동실험, 처분용기재질의 장기 부식률 실험적 측정 및 메커니즘 규명 등에 성공적으로 활용되었거나 활용 중에 있다. 특히 미국 샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories, SNL)과의 국제공동연구로서 단열 간극에 대한 압력 영향 측정 기술 개발 및 SP (Streaming Potential) 신호와 단열암반 지하수 유동과의 상관관계 연구가 수행되었다. 또한 고준위방사성폐기물 처분에 관한 국민이해 증진을 위한 교육 및 홍보(연평균 1,000명 이상 방문)를 통해 고준위방사성폐기물처분에 대한 이해당사자 및 대국민 수용성 확보의 거점지로 활용되고 있다.

KURT 2단계(Phase II) 시설 확장

2006년 11월 KURT 1단계 시설이 준공된 후 시설 내에서 다양한 현장실증연구가 수행되면서 현장 실증연구의 범위가 확대되고 해외기관과의 협력 또한 활발히 진행됨에 따라 현장시험 수요가 급증하여 시설의 용량 포화 문제가 발생하였다. 특히 수행 중인 여러 현장시험들 간에 상호 간섭현상이 발생하여 시험 결과의 신뢰도 확보에 영향을 주기 시작하였다. 아울러 2012년부터 수행되는 제 4차 원자력연구개발사업(2012~2016)의 주요 연구목표가 1/3 규모 공학적방벽 장기 성능시험이 포함된 공학적방벽의 기존 성능 대비 20% 이상 향상, 지하수 주유동로(MWCF)에 대한 수리지질학적, 지화학적 특성 규명 및 추적자시험, KURT 기반의 세이프티 케이스(safety case) 개발 및 안정성 평가기술의 불확실성 저감화 등으로 기획되면서 이들 목표 달성을 위한 추가적인 KURT 내 현장시험 공간이 필요하게 되었다. 특히 1단계 시설 건설 중 향후 연구대상으로 남겨놓았던 지하수 주유동로에 대한 연구가 가장 시급한 연구과제가 되었다. 이는 심층처분장에서의 주요 핵종이동경로에 대한 가장 중요한 연구대상으로서 이들의 구조 및 수리지질 특성, 지구화학 및 용질이동 특성에 대한 종합적인 연구로 수행되어야 하기 때문에 이를 위한 KURT 시설의 규모를 확장해야 할 필요성이 제기되어 최종적으로 현장시험 기반구축(시설 확장) 분야가 최종 연구목표 중 하나로 추가되었다. 이에 따라 KURT 2단계 시설이 기존 시설의 진입터널 막장 부분부터 연장 굴착하여 환형으로 확장되었으며 2014년 1월 착수하여 2015년 1월에 완공되었다.

2단계 시설 설계

KURT 2단계 시설을 설계하기 위하여 확장된 구역에서 향후 10년 동안 수행하게 될 현장 시험연구 계획을 수립하여 각 현장시험 별로 요구되는 조건을 도출하고 이를 확장 시설 설계에 입력자료로 반영하여 최적의 확장 설계안을 설정하였다. 최종적으로 지구과학분야, 천연방벽 지연특성 분야, 공학적방벽 격리특성 분야, 국제협력연구 분야 등 4개 분야에 걸쳐서 총 12개의 현장시험 계획이 제안되었다(Fig. 4). 부차적으로는 미래 KURT의 장기 청사진을 제시함으로써 앞으로 시설의 추가 확장 구축이 이루어질 수 있는 기반을 마련하였다.

Fig. 4.

Planned in situ tests and experiments at KURT.

최우선적으로 계획된 각 현장시험의 목표를 설정하고 확장영역에서 이러한 목표를 달성하기 위한 설계요건을 도출하여 설계에 반영하였다. 이를 위하여 고려된 주요 설계요건은 크게 4가지로 요약될 수 있다. 첫째, 2단계 확장 설계를 위하여 사전 시행되는 지질조사는 기존 1단계 시설의 조사, 설계, 감리자료를 재분석하여, 확장 영역에서 예상되는 MWCF를 확인하는 최적의 조사를 수행한다. 둘째, 기본계획 수립 과정에서는 시설 사용자의 현장 시험 요구조건을 종합적으로 분석하여 설계에 반영되도록 하여 최소한 4 곳의 독립적인 추가 연구터널을 확보할 수 있도록 하되, 인접 시험공간과의 수리 및 지하수화학 특성의 간섭이 발생되지 않도록 최대한 이격시킨다. 셋째, 확장 터널의 배치는 MWCF의 분포특성을 고려하여 가능한 한 수리 및 지하수화학 특성의 교란 정도를 최소화할 수 있도록 계획한다. 넷째, 확장 설계는 공사비의 변동에 능동적으로 대처할 수 있는 방안이 제시되어야 하며, 미래 지하 500 m 심도까지의 시설 확장 구상을 위해 요구되는 도서 작성과 기술사항을 검토한다(KAERI, 2013).

이와 같은 설계요건과 함께 KURT 확장영역에 대한 지질조사, 시추조사 및 물리탐사, 지질구조 및 수리지질 특성 분석 등을 수행하여 터널의 레이아웃 및 설계에 반영하였다. KURT 주변지역의 등고선도 및 위성사진을 이용한 광역적 선구조 분석, 원지반의 경사도, 피복토피고, 수계발달 형태를 분석하여 반영하였으며, 터널 배치가 MWCF 발달방향에 최대한 수직 통과할 수 있도록 설정하였다. 터널의 배치방향은 터널의 안정성을 유지하되 가장 경제적으로 건설하기 위하여 지질조건으로 인한 불리한 영향을 최소화 할 수 있도록 계획하였으며 이를 위하여 기본조사 및 추가조사과정에서 확인한 지질구조대 및 함수절리대 등의 지질구조선 분포 상태, 수리지질 특성, 주응력 방향 등을 고려하여 연구터널 배치 방향을 결정하였다. 또한 터널의 단면은 1단계 시설과 동일하게 굴착단면이 작고 시공성이 양호한 마제형단면으로 선정하였으며, 연구터널이 지상에서 100 m 이상의 깊은 심도에 위치하고 있어 장비의 통행, 운반 및 버럭 처리와 배수 저수조(sump pit)의 위치에 따른 원활한 배수를 고려하여 종단 경사를 -10∼-3.6% 범위로 선정하였다.

이상과 같이 다각적인 조사와 검토과정을 거쳐 2단계 확장구역에 대한 최종 터널배치 및 설계안을 작성하였다(Fig. 5).

Fig. 5.

Layout of the KURT Phase II facilities (KAERI, 2013).

건설을 위한 인허가 및 확장 공사

KURT가 위치한 한국원자력연구원은 “과학기술분야 정부출연 연구기관 등의 설립‧운영 및 육성에 관한 법률”에 따라 설립되었고, “공공기관의 운영에 관한 법률”에 의해 공공기관으로 지정을 받아 연구원내 원자력연구개발사업(연구시설 증설, 증축)을 현재도 진행 중이다. 또한 한국원자력연구원 부지는 “연구개발특구의 육성에 관한 특별법”에 의하여 연구개발특구지역에 해당하며, “개발제한구역의 지정관리에 관한 특별법”의 적용을 받는 개발제한구역에 해당하기 때문에 KURT 2단계 확장공사를 위해서는 “연구개발특구의 육성에 관한 특별법”에 의한 입주변경과 실시계획변경, “개발제한구역의 지정관리에 관한 특별법”에 의한 개발행위허가, 개발제한구역 관리계획 등을 신청하여 승인 및 확정을 받아야 한다. 이러한 일련의 인허가 과정 중에 크고 작은 문제를 해결해야 했지만 최종적으로 2013년 9월 모든 인허가 과정을 마치고 입찰 과정에 의한 시공사를 선정(현대건설(주))하여 2014년 1월 착공을 하였다.

확장 공사는 설계도서(도면, 시방서)에 따라 정해진 공기에 최소의 비용으로 안전한 시공을 위해 시공계획을 수립하고 공사수행 조직표, 세부공정표, 시공절차 및 방법, 주요장비, 자재, 인력투입 계획이 포함된 시공계획서를 작성하여 효율적인 공사관리가 이루어지도록 현장여건을 최대한 활용하였다. 공사과정에서 예상되는 문제점을 사전에 예측하여 대책을 수립하고 공종별 작업순서에 따른 검측 및 검사업무, 작업공종별 특성을 고려한 인원과 장비의 안전관리, 예상되는 지역민원 및 환경관리, 현장여건 및 특수성을 고려한 시공계획 수립 등을 통하여 안전하고 효율적인 공사가 진행되도록 관리하였다.

지하공간 굴착 시공을 위해 주변 시설물들의 피해를 방지할 수 있는 적합한 굴착방법을 선정하기 위해 시험발파를 시행하였고 발파진동, 비산, 폭풍압 등의 발파 공해는 지형, 지질조건, 암반상태 등 현장 여건에 따라 다양한 상태를 보이기 때문에 시험발파 결과를 분석하여 인근 시설물들의 발파 영향권을 사전에 분석‧예측하여 안전한 공사가 진행되도록 하였다. 또한 설계 시 고려된 지하수 주유동로(MWCF)의 발달 유무, 방향성 및 위치를 확인하기 위해 감지공(probe hole)을 시행하였고 지하수 유출을 방지하여 터널 안정성 확보를 위해 선진 그라우팅(pre-grouting) 및 사후 그라우팅(after-grouting)을 시행하였다. 원활한 공사 진행과 지하수 정화, 분진방지 및 주변 환경보호를 위해 별도의 콘크리트 배치플랜트장, 오폐수처리장 및 세륜 시설 등 부대시설을 설치하였다.

과업기간 동안 수행된 굴착 및 보강공사의 공정은 Fig. 6에 나타내었다. 최적 굴착공법으로 NATM (New Austrian Tunnelling Method) 공법을 선정하였으며 발파에 의한 진동, 소음의 허용기준에 따라 사전 시험발파를 수행하여 안전성을 확보하였다. 매 발파마다 암반등급을 결정하여 보강공사를 시행하였으며 굴착 중 현장의 안전을 최우선으로 고려하였다. 굴착기간 동안에는 24시간 작업을 수행하여 하루 평균 2발파 및 5~6 m 굴진을 진행하였고 굴진 기간 동안 시설 안전과 관련된 다양한 계측을 수행하였다. 굴착 중에는 매 발파마다 터널 매핑, 암반등급 결정, 지하수 누수량 계측, 지질도 등을 작성하였고, 특이한 지질구조를 통과할 경우 지질시료 및 지하수 시료를 채취하여 분석하고 이를 데이터베이스화 하였다. 특히 대규모의 단열구간을 통과할 경우 선진 그라우팅공을 이용한 수리시험을 수행하여 확장영역의 초기 수리특성을 확보하였으며 일부 시추공은 굴착종료 이후에도 지속적인 수리특성 계측을 위한 모니터링 공으로 보존하였다. 또한 굴착 전 후의 지질조사 및 시험자료를 공간적으로 분석하여 3차원 암반특성모델을 구축하여 향후 수행될 현장시험구간의 지질구조 및 암반 분포특성을 확보하여 현장검증시험 사용자들과 안전성 평가 업무에 제공하였다.

Fig. 6.

Flow chart and activities for the KURT Phase II extension work.

최종적으로 2단계 확장공사를 마친 KURT 전체 시설은 총 터널 연장 길이 551 m, 6 m × 6 m 마제형 단면, 1단계에서 구축된 2개의 연구모듈을 포함하여 총 6개의 연구모듈, 지표면으로부터 약 120 m의 최대 심도를 갖는 규모를 갖추게 되었다(Table 2). 토목공사 완료 후, 시설운영 및 안전한 유지관리에 필요한 기계설비, 전기시스템, 환배기시스템, 배수시설, 통신시설 구축을 완료하였으며(Fig. 7), 특히 현장시험 수행자들의 안전을 위하여 터널내부 전체를 모니터링할 수 있는 CCTV 시스템과 지하대기환경 모니터링시스템을 구축하였고, 환기시설에 대한 시험‧조정‧평가(TAB: Testing, Adjusting and Balancing)를 수행하여 최적의 환기조건을 마련하고 터널 내 재난방재 시뮬레이션을 수행하여 최적의 현장연구 환경구축을 완료하였다. 2015년 9월 대전광역시로부터 준공허가를 받고 2015년 12월 데이터처리 및 시청각 시설을 갖춘 지상지원시설을 구축함으로써 최종적으로 2단계 시설이 완료(Fig. 8)되어 현재까지 계획된 현장시험을 성공적으로 수행하고 있다.

Table 2. Summary of the current KURT facilities

Fig. 7.

Photographs of the KURT Phase II tunnel.

Fig. 8.

Layout of the current KURT facilities.

KURT 현장 시험 현황

2006년 KURT의 운영이 시작된 이후 현재까지 수행되었거나 수행하고 있는 현장시험 및 연구내용을 Table 3에 정리하였다. KURT 1단계 시설에서는 설계단계부터 부지조사와 건설 중 조사를 포함하여 주로 KURT 부지의 기초 지질자료 수집과 심부환경 조사기술개발과 관련된 현장시험 및 연구가 진행되었으며 2단계 시설부터는 중규모 현장시험이 가능한 기반을 구축하여 본격적인 KURT 부지 기반 세이프티 케이스 개발 및 처분환경 진화를 고려한 종합성능평가체계 개발을 위한 공학규모 성능검증 기술개발과 관련된 다양한 현장시험이 진행되고 있다(Fig. 9). 특히 KURT로부터 지속적으로 생산되는 지질환경에 대한 자료를 이용한 부지특성모델 구축 프로그램, 처분심도에 못 미치는 단점을 극복하기 위해 KURT 내부에 설치된 심부시추공을 이용하여 장기적으로 운영되고 있는 수리 및 지화학 특성 모니터링 및 심부지질환경 조사기술개발 프로그램, 공학적방벽의 성능 검증을 위한 현장시험 등은 KURT를 활용한 가장 기본적인 장기 현장시험이다.

Table 3. Summary of main in-situ tests and experiments at the KURT (Continued)

Fig. 9.

Location of main in-situ tests and experiments in KURT.

Table 3에 정리된 KURT 현장시험 프로그램 중 MWCF 추적자 시험과 공학적방벽 복합거동 현장시험(In-DEBS)은 2단계 시설 운영과 함께 기획되어 진행되고 있는 대표적인 두 가지 현장시험이다.

지하수 주유동로(MWCF) 추적자 시험

2단계 시설 확장 중 주요 설계 요건 중 하나였던 지하수 주유동로(MWCF)의 특성 평가를 위하여 수행되고 있는 시험으로서 MWCF를 대상으로 현장 추적자시험을 통한 천연방벽 용질이동 특성 정량 평가기술개발이 시험의 최종 목표이며, 이를 통하여 MWCF 추적자 시험 장치 및 해석 기술 개발과 MWCF를 고려한 KURT 지하수 유동 모델링 기법 개발 및 검증이 수행되고 있다(Fig. 10).

Fig. 10.

MWCF tracer test at RM-6 in KURT.

현장시험은 KURT 6번 연구모듈(RM-6)에 추적자 시험공 및 관측공을 굴착하고 이들에 대한 지구물리 검층 및 수리시험을 수행한 후, 이 결과들을 근거로 지하수 및 용질이동모델링을 수행하여 추적자시험장치를 설계하고 제작하였다. 2016년 하반기부터 현장 추적자시험이 1차로 완료되었으며 현재 결과에 대한 해석이 진행 중이다. 이 시험으로부터 도출된 결과는 향후 고준위폐기물처분장 부지특성조사에서 지하수 주유동로로 판단되는 단열대에서의 추적자 시험에 활용하며 이를 통해 처분 부지 내 단열대의 용질이동 특성을 평가하는데 활용될 것이다.

THM 복합거동 현장시험(In-DEBS)

선진핵주기고준위폐기물처분시스템(A-KRS)을 기반으로 한 공학규모 공학적방벽 열-수리-역학적 복합거동 현장시험(In-DEBS, In-Situ Demonstration of Engineered Barrier System)이 2012년부터 기획되어 한국원자력연구원의 자체기술로 전체 시스템 구성요소를 설계하고 순수 국내 기술로 제작하여 2016년 5월 KURT 연구모듈 3번(RM-3)에 설치하였으며 예비 성능평가를 거쳐 2016년 7월에 정상운영이 시작되어 본격적인 열-수리-역학 데이터를 생산하고 있다(Fig. 11). 이 시험은 대규모 공학적방벽 제작기술 개발 및 검증, 처분시스템 설치방법 개발 및 검증, 공학적방벽 국내산 벤토나이트 완충재의 열-수리-역학(THM) 복합거동특성 현장시험 및 THM 복합모델링 기술 검증, 공학적방벽 완충재 THM 특성 측정 및 모니터링 기술 개발 등을 통한 국내 고준위폐기물 심층처분시스템 공학적방벽의 공학규모 성능검증을 최종 목표로 하고 있다.

Fig. 11.

In-DEBS experiment at RM-3 in KURT.

이 시험은 국내에서 최초로 설치하여 운영되는 처분시스템 공학규모 현장시험으로서, 기본 설계부터 현장 실증시험용 시스템 구성품들(완충재 블록, 내부 주철용기 및 히터, THM 복합거동 계측시스템 등)을 순수 국내 기술로 제작하고 설치하여 성공적으로 THM 특성 데이터를 생산할 수 있는 기술을 확보하였다. 세부적으로는 A-KRS 처분시스템의 1/2.3 공학규모의 시스템에 총 116개의 THM 센서를 배치하고, 관련기술을 보유한 ㈜맥테크와 함께 다이플롯팅 프레싱과 냉간정수압방식(Cold Isostatic Pressing, CIP) 및 CNC (Computer Numerical Control) 방식을 복합 적용한 완충재 블럭을 제작하여 3방향 건조밀도 균질도 향상을 확인하였다. 특히 완충재 물질은 클라리언트케미칼(주)에서 연구용으로 별도 생산한 국내원광 벤토나이트를 사용하였다. 또한 내부에는 상하온도차를 최소화할 수 있는 6개 구간으로 나눈 히터용기를 개발하였다. 데이터 관리를 위하여 KURT 지하 환경에 적합한 THM 거동특성 데이터 자동 측정 시스템을 개발하고 일체형 설치틀(OBPA: One Body Pre-Assembly) 및 OBPA의 정확한 적치를 위해 3축 이동 기능이 장착된 현장설치 크레인을 제작하여 최종 In-DEBS 설치를 성공적으로 완료하였다(KAERI, 2016). In-DEBS의 운영으로 공학규모 공학적방벽 제작 및 설치기술 확보의 중요성 뿐 아니라 여기에서 생산되는 데이터를 이용하여 현재 처분분야에서 국제적으로 이슈가 되고 있는 공학적방벽 THM 복합모델링 기술개발 및 검증 능력을 확보하게 되었다는 데 더 중요한 의의가 있다.

향후 이 기술은 고준위폐기물처분의 사업화 단계 진입 시 고준위폐기물처분의 인허가를 위한 심부 URL 실규모 현장시험 수행 능력 확보에 활용될 수 있으며, 또한 일반부지 조건에서의 공학적방벽 처분시스템의 구성요소 거동 특성과 완충재와 암반에서의 열-수리-역학 복합거동 해석에 관한 세이프티 케이스(safety case)를 구축하여 향후 우리나라 고유의 실규모 처분시스템 개발의 기초자료로 활용될 수 있는 매우 중요한 현장시험이다.

고준위폐기물 심층처분을 위한 KURT의 역할

현재 고준위방사성폐기물의 국가 관리 정책이 정해지지 않았고 실규모 현장 실증 시험이 가능한 처분심도의 지하연구시설이 아직 확보되지 못한 국내 상황에서 국내 유일의 지하연구시설로서 KURT의 고유 역할은 한국형 기준처분시스템 주요기술 검증으로 상용사업 기반기술을 구축하고 방사성폐기물 관리 국가 정책 수립을 위한 기초자료를 생산하며 처분관련 국제간 협력프로그램 활성화를 통한 국내 처분기술 수준을 향상시키는 것이다. 고유 역할 이외에도 처분기술 성능과 안전성 검증 현장의 지속적인 공개와 이해당사자들과의 소통을 통해 처분안전성에 대한 신뢰성과 투명성 확보 기반을 구축하는 것이 미래 고준위폐기물 심층처분의 성공을 위한 중장기적 역할이다.

2015년 6월 사용후핵연료 공론화위원회의 권고(안)이 나오고, 이를 기반으로 그 이듬해인 2016년 5월에 정부에 의해 부지확보, 지하연구시설, 중간저장, 영구처분시설 건설 등의 정책 방향이 포함된 고준위방사성폐기물 관리 기본계획(안)이 발표되었고, 당해 7월에 원자력진흥위원회로부터 기본계획(안)이 승인되면서 현재는 그동안 먼 훗날의 일로만 생각되던 고준위방사성폐기물 관리에 관한 국가 정책이 조만간 수립되고 장기적인 처분사업이 공식적으로 시작될 수 있을 것이라는 기대감이 높아지고 있는 상황이다. 물론 이 기본계획(안)은 중간저장을 포함하여 고준위폐기물의 다양한 관리방안을 제시하고 있으며 최근 들어서는 탈원전의 기조가 높아지고 있지만, 고준위폐기물과 관련된 국가 정책이 어떤 방향으로 정해지더라도 사용후핵연료를 포함한 고준위방사성폐기물은 현재에도 각 원전부지에 저장되고 있으며 계속 발생되기 때문에 최종처분은 반드시 필요하며 시급히 준비해야 할 대상이다.

이와 관련하여 한국원자력연구원(KAERI)은 사용후핵연료를 포함한 고준위폐기물의 안전하고 믿을 수 있는 심층처분기술을 개발해오고 있으며 개발된 기술의 타당성(feasibility), 안정성(stability), 안전성(safety)을 평가하기 위하여 KURT에서 다양한 현장시험을 성공적으로 수행중이다. 비록 KURT는 현재까지 개발된 처분개념의 심도 및 실규모 실증이 가능한 규모의 시설은 아니지만 국제원자력기구(IAEA)의 지하연구시설네트워크(URF Network)의 회원시설 역할을 수행하고 있다. 특히, 현재 및 적어도 향후 처분심도 연구용 URL 이전까지는 처분개념 및 처분기술의 개발 및 평가에 중요한 역할을 해야 한다. KURT는 향후 최종처분을 위해 반드시 필요한 연구용 URL 및 처분기술 상용화단계 이전 및 그 이후에도 전문인력 훈련, 양성과 처분기술의 대국민 신뢰도 및 수용성 확보를 위한 거점시설 역할을 지속적으로 담당할 것이다.

결론

한국원자력연구원 내에 위치하고 있는 심층처분연구를 위한 지하처분연구시설(KURT)은 2006년 11월에 1단계 시설을 확보한 이래 2015년 1월 시설확장을 거쳐 현재까지 10년이 넘는 기간 동안 안정적이고 성공적인 운영을 통해 국내 고준위폐기물 심층처분기술의 현장 검증을 위한 핵심 인프라 역할을 수행하고 있다. 이를 통해 우리나라의 처분연구 수준이 한 단계 상승되는 계기가 되었으며 처분안전성에 대한 국민의 수용성을 증진시키는 역할뿐만 아니라 관련 기관들 간의 산학연 협력 관계도 활성화시키는 계기를 제공하고 있다. 현재 수행 중인 주요 현장시험은 천연방벽 용질이동 특성을 정량적으로 평가하기 위한 KURT 내 지하수 주유동로(MWCF) 추적자시험 및 공학적방벽 열-수리-역학적 복합거동 현장시험(In-DEBS)이며, 특히 In-DEBS 시험은 국내 최초로 실규모 대비 약 1/2.3 크기 공학적방벽 현장시험 시스템을 순수 국내 기술로 설계, 제작, 설치, 운영에 성공하여 처분시스템의 중규모 현장시험 실증기반을 확보함으로써 향후 처분사업이 가시화되었을 때 처분시스템의 성능 및 안전성을 입증하여, 인허가와 전체 최종처분프로그램의 성패를 좌우할 수 있는 실규모 실증실험의 교두보역할을 할 것으로 기대된다. 또한 고준위폐기물처분이 국가적으로 시급한 현안으로 대두되고 있는 현 상황에서 국제규모로 확장된 KURT 시설은 적극적인 개방형 형태의 활용을 통하여 국내 처분기술수준의 향상 및 국제간 협력프로그램 활성화를 통한 처분관련 대국민 신뢰도 향상에 기여할 것이다.