서론

2017년 3월 말까지 약 134,000 드럼의 중․저준위 방폐물이 발생하였으며, 원자력발전소에서 발생한 폐기물이 약 70%를 차지하고, 그 외 연구시설, 원자력연료 제조시설 및 방사성동위원소(RI) 이용시설 등에서 발생한 폐기물이 나머지 30%를 차지한다. 중․저준위 방폐물은 2100년까지 약 835,200 드럼이 발생할 것으로 예측된다.

1986년 원자력법 개정 후, 2004년까지 처분시설 부지를 선정하기 위한 9번의 시도가 있었으나 모두 실패하였다. 이에 따라 2004년 12월, 원자력위원회에서 고준위폐기물(반감기 20년 이상의 알파선을 방출하는 핵종으로 4,000 Bq/g 이상의 방사능농도 또는 열발생율이 2 kW/m³인 방폐물로 대부분의 사용후핵연료가 해당됨)과 중․저준위폐기물(고준위폐기물 기준 이하의 방폐물이 해당되며 원자력발전소 등에서 사용된 작업복, 장갑, 부품 등이 있음) 처분을 분리하기로 정책을 수정하였다.

2005년, 수정된 부지 선정 절차를 거쳐 경주시가 최종 후보부지로 선정되었다. 2007년 1월, 한국수력원자력(주)에서 10만 드럼 규모의 1단계 동굴처분시설 건설․운영허가 신청서를 원자력 규제기관인 교육과학기술부에 제출하여 교육과학기술부로부터 규제 업무를 위탁받은 한국원자력안전기술원(KINS, Korea Institute of Nuclear Safety)에서 건설․운영허가 신청서류를 검토 후 2008년 7월 승인하였다.

2009년 1월, 방사성폐기물 관리법(2008년)에 따라 방폐물 생산자와의 상호 견제를 통한 방폐물의 안전한 처분을 위해 한국원자력환경공단(이하 공단)이 설립되었다. 2010년 공단은 한국수력원자력(주)로부터 1단계 처분시설 건설사업을 이관받아 사업을 수행하였으며, 2014년 1단계 동굴처분시설 준공 후 현재 운영하고 있다. 공단은 2011년부터 2단계 표층처분시설 건설사업을 수행하고 있으며, 2020년 준공될 예정이다.

부지선정

정부는 1986년부터 약 19년 동안 9번의 처분부지 선정 시도가 있었으나 모두 실패하였다. 실패 주요 원인으로는 1) 처분시설에 대한 지역 주민의 안전성 우려, 2) 관련 기관들의 투명성이 결여된 정책 결정, 3) 정부 및 원자력산업계가 제안하는 처분시설 유치지역의 지원에 대한 신뢰 결여 등으로 분석되었다.

이러한 이유로 인하여 지식경제부 장관은 부지선정에 대한 새로운 접근방법을 마련하여 발표하였다. 자세한 사항은 다음과 같다; 1) 중․저준위 방폐물 처분과 고준위 방폐물 처분의 분리, 2) 부지선정위원회의 구성, 3) 주민투표 과정을 통한 결정, 4) 지역지원을 위한 특별법 제정

이에 따라, 지식경제부는 부지선정위원회를 구성하여 부지선정 과정에서의 투명성과 공정성을 확보 할 수 있었다. 부지선정위원회는 다양한 분야의 민간전문가 17명으로 구성되었고, 부지선정 전체과정을 관리․감독 하였다. 2005년 3월 31일, 유치지역에 대한 특별재정지원, 드럼반입수수료, 한국수력원자력(주) 본사 이전 등의 지원방안을 포함하는 “중․저준위 방폐장 유치지역 지원에 관한 특별법”을 제정하였다.

후보부지 선정 절차는 다음과 같다. 먼저 지자체가 지방의회의 동의를 받아 처분시설 유치지원을 한다. 다음으로, 부지적합성 평가 결과에 따라 지식경제부는 지자체에 국민투표법에 따라 주민투표를 수행할 것을 요청하고, 그 결과를 바탕으로 선호도가 가장 높은 지역이 최종 후보부지로 선정된다.

위와 같은 절차에 따라서 경주, 군산, 영덕, 포항 등 4개 지자체에서 주민투표를 실시하였고, 투표 결과에 따라 경주가 최종후보지로 선정되었다. 투표결과는 Table1과 같다.

Table1. Results of Referendums

2006년 1월 2일, 지식경제부는 중․저준위 방폐물 80만 드럼의 처분 부지로 선정된 경북 경주시 양북면 봉길리 49번지 일대(약 214만 m²)를 전원개발사업 예정구역으로 지정했다.(지식경제부 고시 제2005-133호)

1단계 처분시설 건설사업

개요

2004년 12월 17일, 제253차 원자력위원회에서 승인된 기본 원칙에 따라, 정부는 1단계로 10만 드럼 규모의 처분시설을 건설하고, 이 후 80만 드럼 규모까지 처분시설을 단계적으로 확장하기로 하였다.

2006년 4월, 한국수력원자력(주)는 1단계 처분시설의 처분방식을 선정하기 위한 “처분방식선정위원회”를 구성하였다. 다양한 분야의 전문가 16명으로 구성된 처분방식선정위원회는, 2006년 6월, 1단계 처분시설을 동굴처분방식으로 선정하였으며, 2단계 이후의 처분시설의 처분방식은 부지여건, 방폐물 처분 정책 등의 제반여건을 고려하여 결정하도록 하였다. 1단계 동굴처분시설처럼 대심도 지하공간에 중․저준위 방폐물 처분시설을 건설한 곳은 암반조건이 양호한 핀란드와 스웨덴이 유일하며, 아시아에서는 최초이다.

10만 드럼을 처분할 수 있는 1단계 동굴처분시설의 초기 배치도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Layout of the Wolsong LILW Disposal Center.

1단계 동굴처분시설은 지상시설과 지하시설로 구분된다.

지상시설은 2010년 7월에 완공되어 현재 운영 중으로, 인수저장건물, 방사성폐기물건물, 지원건물, 전원공급건물 등으로 구성되며 주요 시설의 역할은 아래와 같다.

-인수저장건물(Radioactive Waste Receipt & Storage Building) : 각 발생지에서 운반되어 온 방사성 폐기물을 인수하고, 인수한 폐기물의 인수기준 적합 여부를 검사하는 시설.

-방사성폐기물건물(Radwaste Building) : 폐기물의 보관 및 분류, 압축설비 및 고화설비 등을 구역별로 배치하여 오염된 포장물을 제염하고 포장하는 시설.

-지원건물 I(Service Building I) : 폐기물 처분시설의 고유기능을 직접적으로 지원하는 시설로써, 출입통제시설과 함께 방사선 방호를 위한 주제어실, 보건물리실, 세탁실 등 포함.

-지원건물 II(Service Building II) : 인수저장건물 및 방사성폐기물건물에 유틸리티 공급을 위한 시설로써, 비상디젤발전기 및 관련 계통(오일탱크, 유류탱크, 전원계통 등), 소방펌프, 물처리실, 공기압축기시설 등 포함.

-장비수리실 및 종합창고(Equipment Maintenance Shop & Warehouse) : 처분시설 운영에 필요한 물품을 보관하고 저장하는 시설과 운영에 필요한 각종 장비의 보수와 수리를 위한 시설.

Fig. 2는 지상시설의 배치도이다.

Fig. 2.

Layout of the surface facilities; a) Waste Water Treatment Building, b)Garage, c)Equipment Maintenance Shop & Warehouse, d)Radioactive Waste Receipt & Storage Building, e)Radioactive Waste Treatment Building, f)Service Building I.

각 발생지에서 운반되어 온 방폐물을 인수하고, 인수한 폐기물의 인수기준 적합여부를 검사하는 인수저장건물에는 약 6천 드럼(2017년 4월 기준)이 관리되고 있다.

한국의 원전은 모두 해안가에 위치하고 있다. 이에 따라 공단은 원자력발전소에서 처분시설까지 중․저준위 방폐물을 운반하기 위한 선박인 ‘청정누리호'를 건조하여 운영 하고 있다. 청정누리호의 주요 제원은 Table2와 같으며 Fig. 3은 청정누리호의 사진이다. 청정누리호는 국제원자력기구(IAEA, International Atomic Energy Agency) 및 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 국제기준과 선박안전법, 원자력안전법 등의 국내규정을 적용하여 안전성이 충분히 확보되도록 설계․건조되어 해양수산부의 승인을 받았다. 선박의 안전성과 운영 절차의 적절성도 원자력안전위원회와 원자력전문규제기관의 점검을 통해 확인되었다. 또한 공단은 방폐물의 운반을 위해 300개의 컨테이너와 5대의 운반트럭(15 ton)을 운영하고 있다.

Table 2. Specification of transport vessel, Cheong-Jung Nuri

Fig. 3.

Cheong-Jung Nuri, a Transport vessel of LILW radioactive waste

지하시설은 건설 자재 등의 운반을 위한 건설동굴과 방폐물 운반을 위한 운영터널, 작업자 출입을 위한 수직구, 그리고 방폐물이 최종 처분될 사일로(6기)로 구성되어 있다.

Fig. 4와 같이 사일로는 해수면으로 부터 약 80~130 m 아래에 건설 되며, 지름은 25 m이고 높이는 50 m이다. 처분용량은 100,000 드럼으로 각 사일로 당 약 16,700 드럼을 처분 할 수 있다.

Fig. 4.

Cross section view of the underground facilities.

지하시설 중 건설동굴, 운영동굴 및 수직구의 굴착 공사는 2008년 8월에 시작하였고, 사일로 굴착 공사는 2011년 2월에 시작하였다. 2012년 12월말, 건설동굴(1,950 m)과 운영동굴(1,415 m), 수직구(207 m)에 대한 굴착 공사와 콘크리트 라이닝 작업이 완료되었다. 하역동굴(306 m) 굴착 공사는 2012년 6월 완료되었다.

건설 및 설계

2008년 7월, 1단계 처분시설의 건설․운영허가를 취득하여 8월에 건설을 착수하였다. 같은해 9월, 한국원자력안전기술원(KINS)이 사용전검사를 시작하였다. 방폐물 처분시설의 사용전검사는 해당 시설의 건설, 성능 및 전반적인 작동 상태 적합성 등을 확인하기 위한 것이다. 공사는 2014년 6월 완료되었으며, 원자력안전위원회의 심사를 거쳐 2014년 12월 사용전검사 합격통지를 받았다.

모든 사일로는 숏크리트와 콘크리트 라이닝으로 강화되었다. 대부분의 폐기물 패키지는 콘크리트 처분용기를 사용하여 사일로에 처분된다. 사일로의 공학적 방벽 시스템은 처분용기, 뒷채움(backfills), 그리고 콘크리트 사일로로 구성되어 있다. 폐쇄 후 단계의 사일로의 개념도는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Concept of disposal silos after closure.

중․저준위 방폐물은 처분용기의 크기와 특성을 고려하여 처분용기의 무결성을 유지하면서, 용기사이의 간격을 최소화여 6개의 사일로에 분리하여 처분한다. 처분 효율성을 위해 200 L 드럼 16개(4×4) 처분용기와 200 L 드럼 9개(3×3) 처분용기가 사용된다. 폐기물 드럼은 처분용기 안쪽에 위치하며 처분용기는 원격 조종 장치를 통해 크레인으로 정치된다.

규제 지침

원자력안전법에 따른 인허가 요건 준수 확인을 위해, 중․저준위 방폐물 처분시설 건설 기간 동안 원자력안전위원회는 처분시설 건설자를 대상으로 사용전검사를 수행한다. 만약 위반사항이 발생 할 경우 즉시 원자력안전위원회 위원장은 처분시설 건설자에게 처분시설의 안전성을 확보를 위한 시정 및 보완조치를 명령하게 된다.

원자력안전위원회의 지침(NSSC, 2014)에 의하면 중․저준위 방폐물 처분시설은 정상 또는 비정상시에도 구조적․기능적 건전성이 유지되도록 설계되어야 한다. 이를 위하여 처분시설의 설계 및 건설은 실증된 공학적 방법에 기초를 두어야 하며, 새로운 설계 및 건설방법이 적용될 경우에는 타당한 근거가 제시되어 그 안전성이 입증되어야 한다. 또한 처분시설에 설치되는 설비 및 기기는 안전하게 계속 사용할 수 있다는 것을 확인하기 위하여 주기적으로 시험 및 검사 할 수 있도록 설계되어야 한다.

안전성 평가 결과

장기적인 안전성 입증을 위해 다양한 시나리오에 따른 평가를 수행하였고(Park et al., 2009), 안전성 평가 결과는 규제 기준을 만족하였다. 처분시설 폐쇄후 근계에서 누출된 방사성핵종이 지하수를 따라 원계로 이동하여 미치는 현상을 고려한 시나리오(BS-1) 및 처분시설에서 발생한 기체가 공기중 이동경로를 통해 미치는 현상을 고려하는 시나리오(BS-2)에 따라 계산한 예상선량 최대치는 각각 1.05E-03 mSv/yr 와 1.08E-04 mSv/yr 로 모두 규제치인 0.1 mSv/yr 이하로 나타났다.(Korea Radioactive Waste Agency 2008) 한국인이 1년 동안 자연적으로 받는 방사선량이 약 3.08 mSv 임을 고려할 때, 이는 매우 적은 수치임을 알 수 있다.

사일로 굴착 및 굴착물 관리(사토/암반)

사일로 같은 대형 지하 구조물의 굴착방법은 굴착면적, 굴착 각도, 공법의 경제적 실현 가능성 등을 고려하여 결정해야 하며, 대형 지하 구조물의 성공적인 굴착을 위해서는 굴착 후에도 지면지지 없이 안정성이 보장되어야 한다.

방폐물 저장공간을 사일로 형식으로 한 것은 역학적 안정성이 우수 할 뿐만 아니라 적은 굴착량으로도 최대한의 저장공간을 확보할 수 있다는 점에서 효율적이기 때문이다. 사일로 굴착은 응력집중이 가장 큰 돔부의 굴착 순서와 형식이 매우 중요하다. 당초에는 돔부 중앙의 센터 필러를 남겨두고 돔 원주방향으로 굴착하는 방법을 계획하였다. 하지만 시공중 선진시추조사와 TSP(Tunnel Seismic Prediction) 탐사 결과 Q값이 0.1이하부터 400까지 다양한 범위로 분포하고 있었고 암반 변형계수는 50~3,000 MPa, 측압계수는 1.17~1.92의 범위였으며, N16~28W/62~72NE의 방향의 단층대 분포가 확인되었다. 이에 따라 핀란드의 S&R사의 지반조건 분석, 미국의 PB사의 사일로 굴착계획, 대한터널공학회의 3차원 정밀해석, 지하수 유동해석 등의 자문을 시행하고 그 결과를 반영하여 돔을 높이별로 3개 층으로 나누어 층별 분할굴착 하는 방법으로 변경하였다.

또한 굴착기간을 줄이기 위하여 굴착과 콘크리트 라이닝 타설작업을 동시에 진행하는 것으로 일정을 조절하였다. 시험결과 안전이격거리는 183 m로 분석되었고 굴착과 라이닝 타설작업을 동시에 진행하였다. 시공중 계측결과에 의하면 Q값이 0.1~10의 범위의 제일 불량한 암반에서도 설계에서 예측한 변위 대비 약 22%가 발생하였고, 지보재의 응력도 설계 대비 20% 이내로 발생하여 안정성을 확보하였다. 또한 8개월 동안 2,000개의 유지관리 센서를 통한 계측결과 지중변위가 최대 40 mm 발생하였고, 숏크리트에 작용하는 응력도 최대 1.3 MPa이 발생하여 모두 안정된 상태를 유지하고 있는 것으로 분석되었다.

1단계 동굴처분시설 부지의 사일로는 암반조건을 건설계획에 충분히 고려하여 일관된 공법을 적용하기보다 다양한 암반 특성에 따른 맞춤형 굴착공법을 설계와 시공에 적용하였다.

Fig. 6과 Fig. 7은 동굴 및 사일로 전경과 건설 과정이다.

Fig. 6.

The view of Construction. a) Portal, b) Shaft entrance, c) Operation tunnel, d) Construction tunnel.

Fig. 7.

Silo construction.

1단계 동굴처분시설 건설 중 동굴, 사일로의 굴착과정 및 지상시설 건설과정에서 토사 및 암반 등 굴착물이 발생하였다.

굴착후 발생한 암반은 도로의 둑을 쌓거나 건물의 옆채움 자재로 사용할 수 있다. 특히 동굴굴착 발파에서 발생된 암반은 콘크리트 생산이나 항구 기초 사석으로 사용되며, 나머지는 사토장에 쌓아 처리한다. 굴착된 사토도 사토장에 쌓아 처리하거나 인근 지역 주민들의 요청이 있을 경우 지원한다. 사토장에 쌓아서 처리된 암반은 1단계 처분시설 폐쇄 시에 동굴과 사일로의 뒷채움재로도 사용 할 수 있다.

시공 작업

처분시설의 운영 기간과 폐쇄후에도 인공방벽으로서의 기능을 수행하고 사일로 콘크리트의 완전성을 유지하기 위해 모든 콘크리트 작업은 ACI(American Concrete Institute)와 ASTM(American Society for Testing and Materials) 코드와 기준에 따라 진행된다. 주요 시공작업은 다음과 같다.

1.콘크리트 생산, 운반 및 배치, 콘크리트 강화(consolidation).

2.추위와 더위의 상황에서 콘크리트 타설, 양생, 마감 및 수리 등 콘크리트 라이닝 작업.

청정누리 공원

공단은 처분시설 부지 복원과 생태 보전을 위하여 자연과 과학을 주제로 한 ‘청정누리 공원’을 건설하였으며, 이 공원은 환경친화적인 시설로 모든 사람이 방문하고자 하는 경주시의 관광 명소가 될 것이다. Fig. 8은 청정누리 공원의 조감도이다.

Fig. 8.

Layout of the Cheong-Jung Nuri Park.

2단계 처분시설 건설사업

개요

1단계 처분시설의 처분방식 선정 당시, 처분방식선정위원회에서 2단계 이후의 처분시설은 부지여건 및 방폐물 정책 등 제반여건을 고려하여 선정할 것을 권고하였다. 이에 따라, 환경관리센터 부지 내에 표층처분이 적합한 퇴적암 부지가 존재하며, 한국에서 발생되는 방폐물 대부분이 저준위 방폐물로 처분시설의 효율적 운영 등을 종합적으로 고려하여 2단계 처분시설은 표층처분 방식으로 선정하였다. 미국, 프랑스, 스페인, 일본 등 대부분의 국가에서 표층처분방식의 중․저준위 방페물 처분시설을 건설․운영 중에 있다.

12.5만 드럼을 처분할 2단계 처분시설의 조감도는 Fig. 9와 같다.

Fig. 9.

Bird's-eye-view of second stage of the LILW disposal facility.

2단계 처분시설은 처분시설, 지하점검로, 부대시설 및 공용시설로 구분된다. 처분시설은 처분고 20개, 이동형크레인(10 ton) 3조 등으로 구성된다. 처분고의 크기는 20 m×20 m×10.9 m (W×L×H)이며, 각 처분고에는 6,250 개의 드럼이 처분 될 예정이다. 지하점검로는 처분고 하부에 위치하며, 처분고 내의 응축수 등을 유도하여 오염여부 등을 검사․점검 하도록 한다. 부대시설은 전기공급건물, 크레인정비고, 통제건물, 경비실 등 4 개동으로 구성된다.

처분고는 해발 100 m 이상에 설치되어 지하수로부터 약 70 m 높게 위치 할 예정으로, 지진으로 인한 해일과 지하수의 영향이 거의 없다. 2단계 처분시설엔 저준위 및 극저준위 방폐물이 처분될 예정이며 폐쇄 후 300 년간 폐쇄후관리를 통해 안전성을 확인 할 예정이다.

건설 및 설계

2016년 7월, 산업부로부터 전원개발사업 실시계획을 승인받아 2016년 8월 공사를 착수하여 2017년 6월 현재 부지정지 공사가 진행 중이다.

2017년 8월 원자력안전위원회로부터 건설운영허가를 승인 받은 후 2017년 9월 처분시설 본 공사를 착공 할 예정이었으나, 2016년 9월 12일 경주에 진도 5.8규모의 지진이 발생함에 따라 내진성능 상향(0.2 g→0.3 g, g는 최대지반가속도로 건물에 미치는 실제 지진의 힘을 의미하며, 통상적으로 0.2 g 는 약 진도 6.5 규모의 지진을 견딜 수 있으며 0.3 g는 약 7.0 규모의 지진을 견딜 수 있음)을 추진하여 현재 재설계 중이다. 2018년 3월 내진성능 상향 재설계를 완료하고, 2018년 8월 건설․운영허가 취득 후, 2018년 9월 본공사를 착공 할 예정이다.

처분고는 철근콘크리트 구조물로, 12.5만 드럼의 방폐물을 처분할 수 있도록 20개가 건설된다. 부지는 25만 드럼 규모의 부지에 대한 부지정지 공사를 수행하여 향후단계에 활용할 계획이다.

드럼과 처분고의 무결성 등을 유지하기 위해 드럼을 일정한 간격으로 분리하여 처분한다. 드럼은 이동형크레인을 이용하여 원격조종장치로 조종하여 처분되며, 처분 뒤에는 그라우트를 타설한다. 드럼 처분이 완료되면 처분덮개를 덮어 마무리한다. 처분덮개는 처분고 내로 물의 침투를 최소화하여 지하수를 통한 핵종누출을 억제할 수 있는 성능 목표치를 만족하기 위한 표면층, 배수층, 방벽층 등의 다중복토층으로 구성될 예정이다.

규제 지침

1단계 동굴처분시설의 규제 지침과 동일하게 적용된다.

안전성 평가

1단계 처분시설과 마찬가지로 장기안전성을 보여주기 위해 다양한 시나리오를 수행한다. 안전성평가는 현재 진행 중으로 건설․운영허가에 반영된다.

시공 작업

1단계 처분시설과 마찬가지로 운영 기간뿐 아니라 폐쇄후 관리기간에도 인공방벽으로서의 기능을 하고 사일로 콘크리트의 무결성을 유지하기 위해 모든 콘크리트 작업은 ACI, ASTM 코드와 기준에 따라서 수행된다.

결론

19년 동안 9번의 부지 선정 실패에도 불구하고, 실패 경험은 사회적 합의를 통해 지역과 주민이 직접 참여하여 부지로 선정할 수 있게 하는 새로운 접근법을 제시하였다. 결과적으로 경주가 중․저준위 방폐물 처분시설의 부지로 선정되어 2014년 6월, 1단계 처분시설이 완공되었으며 현재 2단계 처분시설 건설 중에 있다.

2단계 처분시설이 완공되면 세계최초로 동굴처분과 표층처분이 한 부지에 위치하는 복합처분시설이 된다. 세계최초의 복합처분시설인 만큼 안전성은 철저히 검증 될 예정이다.

지질, 지진, 기상, 수문학과 다른 인적재해 등을 고려하여 처분시설을 보완하고 강화하였으며, 폐쇄 후에도 최소한의 유지 보수 활동만으로도 무결성을 유지하도록 설계했다. 또한 다중방벽 개념을 적용함으로써 처분시설의 설계, 시공, 설치 및 운영이 부지폐쇄와 안정화에 적합하게 수행되고자 하였다.

처분시설의 안전성과 신뢰성 향상 등 방사성폐기물 관리사업의 성공적인 수행을 위하여 지속적인 노력이 진행되고 있다. 또한 글로벌 표준을 만족하는 관리시스템을 구축하고, 방사성폐기물 관리의 독립적인 조직을 통해 안전성과 전문성, 그리고 투명성을 강화하는 노력이 필요하다.