고준위 방사성 폐기물 및 사용후 핵 연료의 심부 시추공 처분

1. 서 론

원자력 발전소로부터에서 나오는 사용후 핵 연료(spent nuclear fuel, SNF) 또는 사용후 핵 연료재처리 과정에서 발생하는 고체화된 고준위 방사성 폐기물(high-level radioactive waste, HLW)의 심부 시추공 처분(deep borehole disposal, DBD)은 1970년대 중반에 처음으로 제안된 개념이다. 이 개념은 1990년대 초반에 스웨덴(Birgersson et al., 1992) 및 2000년대 초반에 영국(Nuclear Industry Radioactive Waste Executive, NIREX, 2004)에서 다시 고려되었다. 그리고 가장 최근에는 사용후 핵연료 및 고준위 방사성 폐기물의 터널 또는 갱도형태의 저장소 처분(tunnelled or mined repository disposal, TMRD)에 대한 하나의 대안으로서 심부시추공 처분이 언급되고 있다(Beswick, 2008; Gibb et al., 2008; Brady et al., 2009; Arnold et al., 2011; Clayton et al., 2011). 2012년에 미국의 블루리본위원회(Blue Ribbon Commission on America's Nuclear Future, BRC, 2012)는 심부 시추공 처분에 수반되는 몇몇 불확실성의 해결을 돕기 위한 지속적인 연구개발을 추천하였다. 블루리본위원회는 특히 심부 시추공 처분이 본질적으로 재사용할 잠재성이 없는 특정한 형태의 폐기물 처분에 고려될 수 있음을 강조하였다. 한편 블루리본위원회는 심부 시추공 처분에 부적합할 것으로 판단되는 폐기물의 처분을 위한 터널 또는 갱도 형태의 저장소 처분의 필요성도 배제하지는 않고 있다.

본 연구에서는 심부 시추공 처분의 개념과 더불어 그 잠재적 장점 및 기술적 도전을 함께 서술함으로써 심부 시추공 처분의 타당성 조사 및 의사결정을 위한 부지 선정, 거동 예측, 성능 평가 및 안전성 분석에서 있어서 자연 방벽인 지층의 중요성 및 핵심 과학인 지질학의 필요성을 강조하고자 한다.

2. 심부 시추공 처분의 개념

미국에서 논의되고 있는 심부 시추공 처분(DBD)의 가장 최근 개념은 화성암(화강암, 응회암) 및 변성암(편암, 편마암)과 같은 결정질 기반암(crystalline basement rock) 내에 약 5,000 m (16,400 ft) 심도의 시추공을 뚫고 하부 약 2,000 m (6,600 ft)에 사용후 핵 연료(SNF) 또는 고준위 방사성 폐기물(HLW)이 담겨있는 일련의 폐기물 용기(waste package)를 적치(emplacement)한 후에 상부 약 3,000 m (9,800 ft)를 밀봉(sealing), 충전(plugging), 뒤채움(backfilling)하는 것이다. 폐기물 용기는 개별적으로 또는 10~20개씩 연이어서 적치될 수 있다. 하나의 시추공은 약 5 m (16 ft) 길이의 폐기물 용기를 최대 400개까지 처분할 수 있다(Beswick, 2008; Gibb et al., 2008; Brady et al., 2009; Arnold et al., 2011; Clayton et al., 2011; Blue Ribbon Commission on America's Nuclear Future, 2012). 참고로 미국의 전망치인109,300톤의 사용후 핵 연료 및 고준위 방사성 폐기물 재고를 처분하기 위해서는 대략 1,000개의 심부 시추공이 필요하며, 현재의 계획은 2~3 km²의 지역에 약 100개의 심부 시추공이 분포할 정도의 일련의 아주 조밀한 심부 시추공 배열을 필요로 하고 있다(Brady et al., 2009).

이러한 심부 시추공 처분의 개념에 대한 다양한 개략도가 그림 1, 그림 2, 그림 3, 그림 4, 그림 5 및 그림 6에 도시되어 있다. 그림 1은 고준위 방사성 폐기물 및 사용후 핵 연료의 심부 시추공 처분을 위한 일반적인 개념도이다(Arnold et al., 2011). 우측 아래의 작은 그림은 3,000 m 심도 아래에 위치하는 폐기물 처분 지역(waste disposal zone)을 보여주며, 우측 위의 작은 그림은 3,000 m 심도 위에 위치하는 시추공 밀봉 시스템(borehole seal system)을 보여준다. 그림에서 파란 점선은 천부 담지하수(shallow fresh groundwater)와 심부 염지하수(deep saline groundwater)의 전형적인 경계를 나타낸다. 참고로 두바이의 부르즈 할리파 타워(Burj Khalifa Tower) 높이는 약 830 m이다. 그리고 핀란드의 온칼로 사용후 핵 연료 저장소(Onkalo spent nuclear fuel repository) 깊이는 약 520 m이며, 미국의 폐기물 격리 시험 시설(Waste Isolation Pilot Plant, WIPP) 깊이는 약 660 m이다. 그림 2는 천부 터널 또는 갱도 형태의 저장소 처분(검은 수평 상자) 대비 심부 시추공 처분(빨간 수직 원통) 개념을 묘사하는 퇴적암 하부의 결정질 기반암의 개략도이다(Blue Ribbon Commission on America’s Nuclear Future, 2012).

Fig. 1.

Generalized concept for deep borehole disposal of high-level radioactive waste (HLW) and spent nuclear fuel (SNF) (Arnold et al., 2011). The right lower small figure shows the waster disposal zone, which is located below the depth of 3,000 m, and the right upper small figure shows the borehole seal system, which is located above the depth of 3,000 m. The dashed blue line indicates a typical boundary between shallow fresh groundwater and deep saline groundwater. For reference, the Burj Khalifa Tower, Dubai is about 830 m high. The Onkalo spent nuclear fuel repository, Finland is about 520 m deep, and the WIPP (Waste Isolation Pilot Plant), USA is about 660 m deep.

Fig. 2.

Schematic section of crystalline basement rocks with overlying sedimentary rocks depicting the concept of deep borehole disposal of nuclear waste (vertical red cylinder) in contrast to disposal in an relatively shallow underground tunnelled or mined repository (horizontal black box) (Blue Ribbon Commission on America’s Nuclear Future, 2012).

Fig. 3.

Schematic section of deep borehole disposal of waste packages for pressurized water reactor (PWR) or boiling water reactor (BWR) spent nuclear fuel (SNF), high-level radioactive waste (HLW), or other waste forms (Brady et al., 2009).

그림은 아주 깊은 적치 심도, 아주 깊은 심도에 존재하는 암석의 낮은 투수계수, 아주 깊은 심도에 존재하는 고염도 고밀도 지하수의 낮은 부력 및 아주 깊은 심도에 존재하는 환원 조건으로 인한 방사성 핵종의 낮은 용해도와 유동성 등과 같은 심부 시추공 처분의 잠재적 장점을 묘사하고 있다. 그림 3은 가압경수로(pressurized water reactor, PWR) 또는 비등경수로(boiling water reactor, BWR) 사용후 핵연료, 고준위 방사성 폐기물 및 기타 폐기물 형태를 위한 폐기물 용기의 심부 시추공 처분의 개략도이다(Brady et al., 2009). 그림에서 보다시피 일반적으로 폐기물 처분 지역은 심부의 결정질 기반암 내에 위치하고 시추공 밀봉 지역은 천부의 퇴적암 내에 위치하도록 심부 시추공 처분이 이루어진다. 그림은 폐기물을 적치한 상태의 배치를 보여준다. 따라서 그림에서 시추공 밀봉 시스템은 아직 존재하지 않는다. 그림 4는 심부 시추공 완결의 개략도이다(Arnold et al., 2011). 그림은 폐기물을 적치하고 그 위에 시멘트 마개(cement plug)를 설치한 이후에 일련의 나머지 시추공 케이싱(borehole casing)을 절단하고 제거하기 이전 상태의 배치를 보여준다. 따라서 그림에서 시추공 밀봉 시스템은 아직 존재하지 않는다. 그림 5는 심부 시추공 밀봉 시스템(밀봉, 충전, 뒤채움) 기준 설계의 개략도이다(Arnold et al., 2011). 그림에서 보다시피 시추공 밀봉 시스템은 하부의 무관 밀봉 지역(lower uncased sealing/plugging zone)과 상부의 유관 밀봉 지역(upper cased sealing/plugging zone)으로 나누어진다. 하부의 무관 밀봉 지역은 일련의 교량(가교) 충전재(bridge plug), 밀봉재(시멘트, 벤토나이트, 벤토나이트-모래), 충전재(시멘트) 및 뒤채움재(모래, 세립분쇄암) 등으로 구성되어 있으며, 시멘트와 벤토나이트를 분리함으로써 이둘 사이의 화학 반응을 최소화하기 위한 규사(silica sand) 또는 세립분쇄암(finely crushed rock) 주머니(ballast)를 포함한다. 그리고 상부의 유관 밀봉 지역은 시멘트 케이싱안에 API (American Petroleum Institute) 유형 충전재(하부로부터 2개의 교량 충전재와 2개의 시멘트 충전재가 교호) 및 뒤채움재(모래, 세립분쇄암) 등으로 구성되어 있다. 그림 6은 심부 시추공 일반(포괄) 처분 시스템(generic disposal system, GDS) 모델링에 사용되는 상업용 사용후 핵 연료, DOE 고준위 방사성 폐기물 및 상업용 고준위 방사성 폐기물의 심부 시추공 처분의 개략도이다(Clayton et al., 2011). 그림에서 보다시피 심부 시추공 일반 처분 시스템 모델은 하부로부터 약 2 km 길이의 폐기물 처분 지역(waste disposal zone), 약 1 km 길이의 밀봉 지역(seal zone) 및 약 2 km 길이의 상부 시추공 지역(upper borehole zone)으로 구성된다. 이 중에서 상부 시추공 지역은 주변의 천부 대수층과 연결되어 있는 것으로 가정한다. 그리고 심부 시추공 일반 처분 시스템 모델에서 지하수 유동 및 방사성 핵종 이동은 방사성 폐기물의 붕괴열로 인한 열적 대류 및 천부 대수층 내의 지하수 양수에 기인하는 것으로 가정한다. 따라서 밀봉 지역 꼭대기까지 도달한 방사성 핵종은 천부 대수층에 들어갈 수 있으며, 천부 대수층 내 양수정(pumping well) 또는 급수정(water supply well)으로부터 양수되어 지표 및 생태계로 이동·노출될 수 있다.

Fig. 4.

Schematic view of deep borehole completion (Arnold et al., 2011). The configuration shown is after emplacing waste and setting an overlying cement plug, but before cutting and removing a series of remaining borehole casing including guidance tieback. As a result, borehole seal systems are not yet present. Note that vertical dimensions are not to scale.

Fig. 5.

Schematic view of deep borehole sealing, plugging, and backfilling reference design (Arnold et al., 2011). The borehole seal system is separated into the lower uncased sealing/plugging zone and the upper cased sealing/plugging zone.

Fig. 6.

Schematic illustration of deep borehole disposal of commercial used nuclear fuel (UNF), DOE high-level radioactive waste (DHLW), and/or commercial high-level radioactive waste (CHLW) used in deep borehole generic disposal system (GDS) modeling (Clayton et al., 2011).

3. 심부 시추공 처분의 잠재적 장점

4. 심부 시추공 처분의 기술적 도전

5. 결 론

가장 최근에 고준위 방사성 폐기물(HLW) 및 사용후 핵 연료(SNF)의 터널 또는 갱도 형태의 저장소 처분(TMRD)에 대한 하나의 대안으로서 심부 시추공 처분(DBD)이 제안되고 있다. 본 연구에서는 심부 시추공 처분의 개념과 더불어 그 잠재적 장점 및 기술적 도전이 함께 서술되었다. 심부 시추공 처분의 개념은 결정질 기반암 내에 아주 깊은 심도의 시추공을 뚫고 하부에 사용후 핵 연료 또는 고준위 방사성 폐기물이 담겨있는 일련의 폐기물 용기를 적치한 후에 상부를 밀봉, 충전, 뒤채움하는 것이다. 심부 시추공 처분의 가장 큰 잠재적 장점은 깊은 심도와 좁은 면적이다. 그리고 심부 시추공 처분의 기술적 도전은 대심도 시추, 폐기물 포장 및 밀봉, 폐기물 고화 및 재포장, 폐기물 용기 적치, 시추공 밀봉, 적치 폐기물 회수, 부지 특성화의 복잡성, 그리고 다중 방벽의 역할 등이다. 그러한 심부 시추공 처분의 잠재적 장점 및 기술적 도전의 관점에서 심부 시추공 처분의 타당성 조사 및 의사 결정을 위한 부지 선정, 거동 예측, 성능 평가 및 안전성 분석에서 있어서 자연방벽인 지층의 중요성 및 핵심 과학인 지질학의 필요성이 반드시 고려되어야 한다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 방사성폐기물관리기술개발사업 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구는 또한 부분적으로 미래창조과학부 산하 한국연구재단의 Brain Korea 21 사업 지원에 의해 수행되었습니다. 아울러 본 논문의 심사 과정에서 발전적인 조언과 비판을 해주신 익명의 두 심사자님께 깊은 감사를 드립니다.

References

• Arnold, B.W., Brady, P.V., Bauer, S.J., Herrick, C., Pye, S., and Finger, J., (2011), Reference design and operations for deep borehole disposal of high-level radioactive waste, Technical Report SAND2011-6749, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, USA, p66.
• Beswick, J., (2008), Status of technology for deep borehole disposal, Technical Report EPS International Contract No. NP 01185, UK Nuclear Decommissioning Authority (NDA), Harwell, Didcot, Oxon, UK, p91.
• Birgersson, L., Skagius, K., Wiborgh, M., and Widén, H., (1992), Project Alternative Systems Study - PASS, Analysis of performance and long-term safety of repository concepts, Technical Report 92-43, Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB), Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Stockholm, Sweden, p84, 6 appendices.
• Blue Ribbon Commission on America’s Nuclear Future, (2012), Report to the Secretary of Energy. Technical Report Blue Ribbon Commission on America’s Nuclear Future (BRC), US Department of Energy, Washington, DC, USA, p158.
• Brady, P.V., Arnold, B.W., Freeze, G.A., Swift, P.N., Bauer, S.J., Kanney, J.L., Rechard, R.P., and Stein, J.S., (2009), Deep borehole disposal of high-level radioactive waste, Technical Report SAND2009-4401, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, USA, p74.
• Clayton, D., Freeze, G., Hadgu, T., Hardin, E., Lee, J.H., Prouty, J., Rogers, R., Nutt, W.M., Birkholzer, J., Liu, H.H., Zheng, L., and Chu, S., (2011), Generic disposal system modeling - Fiscal year 2011 progress report, Fuel cycle research and development, Technical Report FCRD-USED-2011-000184, SAND2011-5828P, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, USA, p443.
• Gibb, F.G.F., Taylor, K.J., and Burakov, B.E., (2008), The ‘granite encapsulation’ route to the safe disposal of Pu and other actinides, Journal of Nuclear Materials, 374, p364-369. [https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.08.018]
• Nuclear Industry Radioactive Waste Executive, (2004), A review of the deep borehole disposal concept for radioactive waste, Technical Report N/108, United Kingdom Nuclear Industry Radioactive Waste Executive (NIREX) Limited, Harwell, Didcot, Oxfordshire, UK, p78.