지난 7월호에 소개한 스위스 처분개념과 부지선정 절차에 이어 이번 호에는 부지선정에 있어 필요한 지질학적 정보와 이의 활용방법, 즉 부지조사와 특성화에 관해 스위스의 사례를 중심으로 소개한다. 앞선 국외 사례에서 알 수 있듯 부지선정을 위해 지질학적 정보가 다음과 같은 사유로 필요하다.

● 장기 안정성

● 모암의 방벽 특성

● 처분장의 공학적 타당성

● 향후 사업(campaigns)에 사용할 수 있는 정보의 신뢰성

이는 부문별 계획에서 사용한 기준과 상응한다. 지질학적 정보의 의미를 평가할 때 필요한 사전 기본 지식으로 안전 관련 요소 이해, 안전 및 공학적 타당성 평가 능력, 처분장 설계 개념 등이 있다. 부지선정 가능성을 검토하려면 전국적인 지질학적 자료가 필요하므로, 부지선정 절차를 시작하기 전에 충분한 준비가 필요하다. 이는 이미 여러 국외 사례와 같이 부지선정 절차 전에 수행되었고 종종 부지연구(site study)로 명명되기도 한다.

4. 부지조사와 부지 특성화 

4.1 스위스의 부지조사 및 특성화 프로그램 계획과 전략

스위스 Nagra는 부지조사 및 특성화 프로그램을 계획하는 데 있어 우선 다음과 같은 사항을 점검하고 프로그램 전략을 수립하였다.

● 부지조사 프로그램에 있어 요구되는 것은 무엇인가?

반드시 알아야 하는 것, 고려되어야만 하는 것, 알면 좋은 것 등에 대한 구분이 되어야 한다.

● 이미 알고 있는 것은 무엇인가?

어떤 정보가 활용 가능한지 아닌지, 얼마나 신뢰할 수 있는지 등을 고려해야 한다.

● 경계 조건은 무엇인가?

사업의 목적, 속한 사업 단계, 요구 수준의 정밀도, 조사 대상, 현장 조사와 관련한 법적 문제는 무엇인지 등이 이에 해당한다.

● 어떤 전문가가 필요한가?

얼마나 많은 전문가가 필요하며, 언제 그들이 필요한가? 소속 조직 내부 또는 외부에서 구하는지, 어떤 방식으로 구할 것인지 등에 관한 내용이 이에 포함된다.

그러나 이들보다 안전을 최우선으로 중요하게 생각하였다. 이러한 관점을 바탕으로 조사 및 특성화 프로그램이 계획되고 수행되었다. 이 모두는 시간 경과에 따라 불확실성을 줄이는 것과 관련 있으며, 계획 → 실행 → 확인 → 행동/개선 과정을 반복해서 진행하였다. 심층 조사는 지질학적 여건에 따라 달라지며, 대상이 되는 모암에 따라, 그리고 지체구조적 특징, 기타 지질학적 층서 등에 영향을 받는다. 지반공학의 경우 암석과 암반의 차이를 항상 염두에 둬야 한다.

부지조사와 특성화는 문헌조사, 원격탐사, 매핑, 지표 조사, 지구물리탐사, 조사 시추, 모니터링, 지하 조사, 실내 시험 등으로 구성된다. 그림 18은 Nagra가 처음 현장 조사를 시작하기 전에 사용했던 프로그램 수행 개념도이다.

4.2 스위스의 지질 환경과 부지조사 프로그램

스위스는 앞선 원고에서 소개된 핀란드, 스웨덴과 달리 복잡한 지질환경을 갖고 있다. 스위스 전체에서 융기가 진행된 이후 침식이 발생하는 특성이 있으며, 알프스 지역은 침식과 빙하작용에 영향을 받고 있다. 스위스 내에서도 신지체구조 활동(neotectonic activity)에서 차이가 발생하며 북부지역에서 상대적으로 조용한 특징을 보이는 것으로 조사되었다(그림 19). 스위스는 지질적 특성을 고려하여 고준위방사성폐기물 처분의 잠재적인 모암으로 알프스 주변의 결정질암과 북부의 Opalinus clay를 고려하였다. 이에 따라 스위스에서는 결정질암 프로그램과 퇴적암 프로그램이 둘 다 진행되었다. 

결정질암에 관한 처분 관련 조사 연구로 1980년~1986년 사이에 다음과 같은 내용이 진행되었다.

● 탄성파 탐사, 시추공 등을 이용한 현장 프로그램

● Stripa와 GTS의 URL 프로그램

● 설계 개념 개발, 안전성 및 타당성 평가(연구, 실험실 조사 등)

● 규제 검토 및 정부 결정

퇴적암에서의 처분 관련 조사 연구로 1980년~2002/2006년 사이에 다음과 같은 내용이 진행되었다.

● 다양한 지역에서 여러 유형의 퇴적물 연구로 시작해 단계적으로 범위를 좁히는 연구 진행(1988년, 1991년, 1994년)

● 2D와 3D 탄성파 탐사와 시추공 등 현장 프로그램 및 Mont Terri URL 프로그램

● Opalinus clay ‘Zurcher Weinland’ 프로젝트(목표: geo-synthesis, 설계, 안전성)

● 규제 검토 및 정부 결정

이후 부지선정 절차가 부문별 계획에 따라 2003/2006년~2022년 사이에 다음과 같이 단계별로 진행되었다.

● 정부 차원의 방법론(2008)

● 1단계: 제안서 개발, 검토, 정부 결정(2008~2011)

● 2단계: 자료 평가, 현장 조사, 제안서 개발, 정부 결정(2010~2018)

● 3단계: 현장 조사, 제안서 개발, 부지선정 발표(2016~2022)

1980년에 시작한 결정질암 프로그램은 일부 퇴적암에 관한 연구도 포함되어 있었다. 스위스 북부지역에 대해 초기 12개 시추공 조사가 계획되었으나 실제로 7개만 굴진 되었으며, 반사법 및 굴절법의 탄성파 탐사가 수행되었다. 최근 해석에 따르면 상당히 깊은 심도의 페름-석탄기 함몰지대(Permo-Carbonifeous trough)가 있는 것으로 나타났다(그림 20)

스위스 북부지역에서 수행된 부지조사를 요약하면 다음과 같다(Nagra, 1993).

● 최종 심도 1,306 m∼2,482 m 사이의 7개의 심부 시추공 시추. 대부분 코어 회수  결정질 기반에서 5,900 m 및 상부 퇴적층에서 6,400 m 시추

● 지구물리탐사 조사(400 km 반사파 탐사, 230 km 굴절파 탐사, 중력측정, 항공자력탐사)

● 수압의 장기 거동 모니터링

● 수리지질학적 모델링

● 지화학 조사

● 지질 조사 및 지질도 편찬

● 남부 Black forest(독일)에서의 결정질 기반 노두의 지질학적 연구

● 신지체구조 연구(미소지진 관측, 지형학 연구, 응력 측정 등 기록을 위한 7개 관측소 설치)

북부 스위스에서 수행된 탄성파 탐사를 이용한 심부 구조 조사는 당시의 정밀도 등으로 인해 신뢰할 수 없었으며, 또한 상부를 덮고 있는 퇴적층으로 인해 송신원이 제대로 투과되지 않았다. 그러나 퇴적물 상부는 결정질 기반암을 표면 효과(surface effect)로부터 보호하여 빙하기 동안 신선한 지하수의 침투를 방지할 수 있다는 결론을 얻었다. 수리지질 조사 결과는 그림 21과 같으며, 균열에서의 수리전도도가 확연하게 높게 나타남을 알 수 있다.

결정질암 프로그램은 이미 잘 알려진 GTS(Grimsel Test Site) 지하연구실험실을 운영하였다. GTS는 과학과 기술을 위한 훌륭한 플랫폼을 제공하고 있으며, 여러 국가 파트너와의 협력뿐 아니라 사회와의 상호 협력 등 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 스위스에서 결정질암에 관한 연구로부터 아래와 같은 결론을 도출하였다. 

● 예상보다 훨씬 큰 페름-석탄기 함몰지대(Permo-Carboniferous Trough)의 공간적 범위와 심도 확인 → 부지 가능성에 큰 영향

● 물 전달 구조(water-conducting feature)의 복잡성과 속성 → 유동 경로 제공

● 두꺼운 퇴적물 덮개와 이질성 → 신뢰할 수 있는 탐사 가능성 제한

● 그러나 적절한 처분장 개념과 잘 선정된 부지에서는 충분한 안전성을 달성할 수 있음

퇴적암 프로그램은 1987년에 속도를 내기 시작했다. 스위스 북부의 퇴적 분지로 Molasse와 Opalinus clay 등이 존재하였다(그림 22). 고준위방사성폐기물 처분 분지로서는 핵종 방벽으로서의 품질, 충분한 두께, 적합한 심도 그리고 건설을 위한 충분한 강도 등이 요구된다. Molasse 지층은 이방성이 가장 큰 문제로 대두되었으며, 빠른 유동 경로의 연결성으로 인한 방벽의 효율성, 유동 경로의 탐사를 신뢰할 수 있을 것인지의 의문점, 연결된 유동 경로가 없는 충분히 큰 영역이 존재하는지 등의 문제가 존재하였다. 반면 Opalinus clay는 소규모의 이방성이 존재하나 대규모에서 균질하며, 빠른 유동 경로가 없으며, 탐사 가능성과 충분한 강도를 가지고 있었다. 

이러한 스위스 북부의 퇴적암에 관한 연구로부터 아래와 같은 중간 결론을 도출하였다.

● 하천-육지 퇴적물은 물 전달 구조의 복잡성 및 탐사 가능성 제한 → 추가 조사 안 함

● 해양 퇴적물은 ‘균질한’ 이동 특성 및 우수한 탐사 가능성 → 모암으로 우선 선정

해양 퇴적물인 Opalinus clay 지층의 위, 아래로 격리층(confining unit)이 존재하는 추가적 이점이 있었다. 이에 대한 조사는 Zurcher Weinland 프로젝트를 통해 3D 탄성파 탐사와 Benken 시추공의 시추가 수행되었다(그림 23). 

Opalinus clay 내에 Mont Terri 지하연구실험실이 건설되어 운영되고 있으며, 이 시설은 점차 시간 경과에 따라 대규모 인프라 시설로 성장하고, 매우 광범위한 프로그램을 가지고 국제적인 협력을 진행하고 있다. 상대적으로 시설 접근이 쉽고 스위스의 방사성 프로그램의 초석을 만든 시설로 알려져 있다. 위와 같은 프로그램과 연구, 조사로부터 Opalinus clay는 다음과 같은 특성이 밝혀졌다. 

● 매우 효과적인 이동 방벽

● 격리층이 이동 방벽으로서의 중요한 역할을 수행

● 자연 동위원소 추적자 프로파일에 의한 확산이 지배적인 이동 과정이라는 독립적 증거

● 점토 물질의 방사성 핵종 보유에 대한 자세한 이해 → 많은 원소에 대한 강력한 흡착

● 예상보다 더 적합한 암석역학적 특성

● 폐기물 및 공학적방벽의 배치 가능

결정질암과 퇴적암 프로그램의 결과를 정리하면 아래와 같다.

● 스위스에서 지질학적 처분에 관한 연구는 일찍 시작됨

● 필수적인 역량(사내 역량, 전문 센터, 협력 네트워크) 및 인프라(실험실 및 지하연구실험실)가 개발됨

● 다양한 지질학적 특성으로 인해 광범위한 선택지가 조사됨(지질학적 조사를 포함)

● 지질학적 조사는 학습 곡선을 크게 향상 시킴, 예로 ‘결정질암 옵션’과 ‘하천-육지 퇴적물’의 장단점을 파악함

● 스위스에서 고준위방사성폐기물 처분장 모암으로서 ‘결정질암’이 다음과 같은 스위스 특유의 약점을 가짐 

- 매우 작은 규모의 대상 부지(유연성이 매우 제한)    

- 강한 구조적 변형    

- 탐사에 불리한 상황(두꺼운 퇴적층 덮개)

● 따라서, 2002년에 스위스 북부 부지선정 지역에서 Opalinus clay가 고준위방사성폐기물 처분장 모암으로 선호됨

● 부지선정 과정(약 2006년 시작)에서 모든 옵션이 다시 조사됨

4.3 부문별 계획 관점의 부지조사

부지조사 및 특성화는 부문별 계획에 따라 진행되었다. 부문별 계획은 부지선정 절차의 각 단계에 유효하게 적용되었다. 

기준 그룹 1인 모암의 특성은 1) 공간적 분포, 2) 수리적 방벽이 주요 내용 중 하나로서, 공간적 분포는 공학적 타당성, 모암의 탈압축(decompaction, 시간 경과에 따라 퇴적층의 압력이 줄어들거나 물리적, 화학적 변화 등으로 인해 부피가 증가하는 과정), 침식 등과 같은 진화를 고려한 처분장의 심도, 모암의 두께, 모암의 수평적 범위, 부지 영역의 규모 등이 포함된다. 

처분장의 최대 심도와 선호 심도는 지반공학적으로 모암과 공학적방벽에 손상을 주지 않는 적절한 심도로 결정하는 것이 중요하다. 목표 심도는 지하연구실험실을 운영하면서 심도에 따라 관찰된 터널 및 지하공간 주변의 손상 및 파괴 현상과 지반공학 모델링을 통해 결정되었다(그림 24).

탈압축 관점에서 최소한으로 요구되는 심도에 대한 검토가 수행되었으며, 그림 25는 지하연구실험실과 시추공 등에서 검토된 처분장 심도에 따른 수리전도도의 양상이다. 수리전도도는 핵종이 누출되었을 때, 지상까지 핵종의 이동시간을 결정하는 중요한 인자 중 하나이다. 이외에도 일반적인 침식과 빙하에 의한 영향, 이 둘의 결합에 따른 영향을 고려한 최소 두께를 고려해야 하고, 이들은 과거 침식과 빙하 기록을 토대로 미래를 예측하였다. 

수리 방벽에서는 처분장 모암의 균질 다공성 매질의 수리전도도와 다양한 폐기물 유형, 벤토나이트의 열화에 따른 효과를 고려한 수리전도도 수치와 기준이 결정된다. 동위원소가 심도에 따라 어떻게 확산하는지 중요하며, Opalinus clay에서 ²H와 ¹⁸O의 자연적으로 발생한 두 개의 동위원소에 대한 조사를 한 결과 확산이 주요 메커니즘이며, 형태는 그림 26과 같았다. 

처분 모암이 이암일 때의 장점 중 하나가 자가 치유(self-sealing)이며, 수집된 자료를 토대로 자가 치유와 관련한 임계값은 점토광물 함유량이 20%와 40%인 경우이다(그림 27(좌)). 또한 수리전도도가 점토광물 함유량과 관계가 있는 것으로 조사되었다(그림 27 (우)).

기준 그룹 2인 장기 안정성과 관련하여 1) 부지와 암석 물성의 장기 안정성, 2) 대규모 침식(융기와 침식), 3) 처분장 유발 효과(repository induced effects) 등이 있다. 부지와 암석 물성의 장기 안정성과 관련하여 지구동역학과 신지체구조에 대한 개념모델, 지진 활동, 지화학 현상에 대한 개념모델, 가능성이 작지만 검토해야 하는 화산작용과 같은 활동, 카르스트화 등에 대한 조사가 수행되었다. 또한 지체구조적으로 교란된 지역의 분포에 관한 조사를 병행하였다. 융기/침식과 관련하여 측지 측량과 하안단구의 장기적 진화 특성을 조사하여 지역별 융기와 침식 상황의 조사가 수행된다(7월호 그림. 12 (좌)). 처분장 유발 효과와 관련하여 굴착손상영역, 화학적 상호작용, 모암에 관한 가스 생성 영향과 온도 상승의 영향 등이 조사되었다. 다른 관점의 장기 안정성은 천연자원의 존재에 따른 향후 개발과 관련된 것으로 탄화수소, 이산화탄소 저장, 광물자원, 지열 에너지 등이 조사되었다.

기준 그룹 3인 지질정보의 신뢰성에서는 1) 지반공학적 관점에서의 암석 및 암반의 탐사 가능성, 2) 장기 진화의 예측 신뢰성이 있다. 지반공학적 관점에서 암석 및 암반의 탐사 가능성에는 지역적 균열대, 지층의 연속성, 반사법 등에 의한 지하 탐사 조건, 표면 탐사 조건 등이 포함되어 있고, 장기 진화의 예측 신뢰성에는 지체구조와 장기 격리 능력에 관한 독립된 증거 등이 포함된다. 조사된 지역적 균열대의 모습은 그림 28과 같다. 장기 진화의 예측 신뢰성에는 동위원소의 확산에 관한 독립된 증거에 관한 자연 발생 동위원소를 활용한 변화 예측 등이 포함된다(그림 27).

기준 그룹 4인 건설 적합성에는 1) 지반공학 물성과 조건, 2) 처분 공간 접근성 등이 해당하며, 지반공학적 물성에는 강도와 변형 물성이 대표적이며, 처분 공간 접속성에는 처분장 위 지층의 지반공학적, 수리지질학적 조건이나 천연가스의 발생 등이 해당한다. 지질정보에 기반하여 부지의 개수를 축소하는 데 있어 정보가 충분한지에 대한 평가가 수행되어야 하는데, 이를 위해 부지로서 가능성이 있는지를 기준이나 해당 지표 등을 통해 확인하고, 이와 관련된 정보의 불확실성을 평가한다. 불확실성이 부지를 결정하는 데 필수적으로 고려해야 할 때는 결정에 앞서 정보를 보완해야 한다.

4.4 2단계, 3단계에서 수행된 부지조사와 특성화

스위스의 부지선정 절차는 7월호에서 언급한 바와 같이 ‘백색 지도’에서 시작하여 전국 규모의 지체구조에서 적합한 지역 선정, 모암의 위치, 지역 규모의 지체구조 등을 통해 1단계가 마무리된 후 지난 7월호의 그림 16과 같이 부지선정 대상 부지가 결정되었다. 그림 29는 1단계에서 수행되었던 순차적 배제 지역의 제외 과정을 제시한 것이다.

2단계에서 대상 부지에 대해 더욱 상세한 조사를 수행하였다. 한 예로 2009년과 2011년 사이에 수행되었던 2D 탄성파 탐사의 경우, 측선이 1,300 km 이상이 되었으며, 이러한 조사를 통해 지체구조와 관련하여 정밀하게 재조정되었으며, 2018년 이후 3단계에서 세 부지에 대한 심층 조사가 수행되었다. 물리탐사의 경우, 2단계에서는 2D 탄성파 탐사만 이루어졌으나, 3단계에서는 2D와 3D 탄성파 탐사가 수행되었다. 

2, 3단계에서 수행된 조사와 특성화는 크게 1) 물리탐사, 2) 심부 시추 프로그램, 3) 현장 수리시험 등으로 구분할 수 있다.

4.4.1 물리탐사

부지선정 과정에서 기존 탄성파 자료는 사용할 만하였으나, 시간 경과에 따라 자료획득 기술이 디지털이나 무선 등으로 변경되었고, 오래된 방식으로 저장되는 경우 읽을 수 없어 새로운 보관 절차가 필요했다. 또한 적은 중첩과 과소 표본화로 인해 대상심도와 현장 인자의 확인이 요구되었다. 따라서 최신 처리 방식으로 재처리하는 것이 가치가 있었고, 최신 기술과 새로운 시추 정보 등을 반영하여 기존 자료를 재처리하여 더욱 명확한 자료 처리가 가능하였다. 2단계에서는 기존 측선 밀도를 증가시키고 현대의 자료획득 인자를 획득하고자 2011년에서 2012년 사이에 305 km에 달하는 20개의 측선과 바브레이터(vibrator)와 폭약을 통해 2D 탄성파 탐사를 보완하였다. 그림 31은 재처리한 결과와 새롭게 획득한 결과를 비교한 것으로, 새롭게 획득한 탄성파 자료는 중생대 이전의 고해상도와 자세한 이미지를 제공하였으며, 이런 이미지는 지역 규모의 단층대를 세부적으로 조정하는데 사용되었다. 또한 심부 시추공과 결합하여 2D 탄성파 분석이 수행되었다(그림 32). 

결과적으로 지역 규모의 구조의 위치 확인에 따라 부지선정 대상 지역의 경계가 확정되었다. 

3D 탄성파 탐사는 2015년에서 2017년 사이에 수행되었고, 세 부지에서의 탐사 면적은 그림 33과 같이 65 km²에서 93 km² 사이였다. 탐사 대상은 지체구조 영역, 침식 시나리오에 관한 최소 심도, 지층의 최대 심도, 과도하게 깊은 빙하에 의한 채널 등을 찾는 것이었다. 

사용된 탐사 배열로는 ZNO-97(ZNO는 Zurich Nordost를, 97은 97년도에 수행됨을 의미)에서 적용된 교차-확산 배열(cross-spread layout)과 JO-15, NL-16, ZNO-16 등에서 적용된 실용적 송신 지점을 배치하는 반-규칙적(semi-regular) 배열이 있다. 교차-확산 배열은 규칙적인 공간 샘플링이 가능하여 공간 필터링 기술에 유리하나 다수의 폭발원과 토지 사용에 따른 사용 허가 등이 필요하다. 반면 반-규칙적 배열은 효율적인 바이브레이터 송신원의 사용으로 더욱 균일한 적용 범위가 분포하지만, 교차-확산 배열 영역처리에는 불리한 점이 있다. 탐사 설계에 있어 해결 과제로는 얕은 대상 지층의 경우 조밀한 조사가 수행되어야 한다는 점, 도시지역은 허가와 함께 신호 대 잡음비에 대해 고려해야 한다는 점, 상당한 불균질한 피복 두께, 속도 역전에 관한 점 등이 있다. 또 다른 해결 과제로 탐사 지역에서의 주민들의 동의 여부가 있었는데, 개별적인 접촉과 상세한 설명으로 98%의 동의를 얻어 탐사를 수행할 수 있었다. 그림 34에서 36은 탄성파 탐사와 관련한 일련의 사례를 제시한 것이다.

요약하면, 다양한 목적의 자료를 제공하기 위해 세 부지에서 3D 탄성파 탐사가 계획되고 실행되었다. 물리탐사 목적 중 하나는 부지선정 절차를 위한 지층과 지하구조의 탄성파 이미지를 제공하는 것이며, 또한 시추 계획과 예측을 위한 정보 제공, 선택된 부지인 ‘Nordlich Lagern’의 향후 저류층 모델링을 위한 것이었다. 요구 수준의 이미지를 획득하기 위해서는 주의 깊은 탐사 계획이 필요하였고, 빠른 자료 처리 방식은 최첨단 처리 모듈을 시험하고 비교할 수 있는 환경과 최초의 견고한 지하 이미지를 제공하였다. 더욱 상세한 이미지는 추가 처리로부터 얻어질 수 있었다. 이러한 결과물은 사전적 지층 해석과 지하 구조 해석의 기초를 제공하였다.

4.4.2 심부 시추 프로그램

심부 시추를 통해 심부의 지질학적 다양한 정보를 획득하기 위하여 TBO(Tiefenbohrung, deep borehole) 사업을 3단계에서 수행하였다. 시추공의 위치는 처분장 경계 외부에 위치하면서도 시추공 간의 다양한 상관관계를 통해 처분장 경계와 지질 조건을 잘 파악할 수 있도록 분산시켰다. 또한 3D 탄성파 탐사와 첫 번째로 수행된 시추공의 결과에 따라 조사 프로그램을 조정할 수 있는 유연성을 갖도록 하였다.

TBO 사업의 목적은 다음과 같이 5가지로 나뉠 수 있다. 

● 공간적 범위 평가    

- 격납 구역의 두께, 심도, 수평적 범위 등 확인    

- 구조지질학적 항목의 특성화 및 평가

● 수리 방벽 효과    

- 수리적 분리 확인    

- 상부/하부 격리층의 방벽 효율성 평가    

- 모암의 방벽 효율성 확인

● 장기 안정성    

- 지체구조 특성화    

- 모암의 THM 특성화    

- 여러 사용 목적 간의 갈등 평가(페름-석탄기 함몰지대)

● 지질학적 예측의 신뢰성    

- 구조지질학적 항목 평가    

- 상부/하부 격리층의 연속성 특성화    

- 모암의 연속성 확인

● 공학적 적합성    

- 모암과 응력의 지반공학적 특성 특성화

세 부지에 대해 2019년부터 2022년 사이에 수행된 심부 시추공과 기존 시추공의 위치는 위의 그림 30에 제시되었다. 시추는 수직 시추 이외 경사 시추, 방향성 시추를 활용하여 하나의 시추 지점에서 평가할 수 있는 영역에 더욱 넓은 영역을 조사할 수 있도록 계획하고 수행하였다. 

심부 시추 시작 전에 필요한 조사와 필요 지점에 관해 검토한 후 시추 시작 지점을 결정하였으며, 이에 대해 세 부지에 대해 각각 하나의 보고서를 작성하여, Nagra는 정부에 26개의 심부 시추공과 11개의 제4기 지층용 시추공(quaternary borehole)을 제출하였으며, 최종적으로 8개의 수직 시추공과 1개의 방향성 시추공을 굴진하였다. 시추공의 심도는 830 m에서 1,370 m로서 총 10,740 m가 굴진되었고 이 중 60%는 코어를 회수하였다. 응력 측정 138회, 수리 시험 92회, 공별 VSP 등의 물리검층이 수행되었다.

지반조사의 목적에 따라 시추 영역의 경계가 결정되고 토지 사용에 관해 적절한 부지를 평가하였다. 시추 지점을 결정할 때 여러 고려 사항이 존재했지만, 가장 중요한 것으로 토지 소유주의 동의였다. 여러 과정을 통해 결정된 시추 지점에서 목표 심도 등과 같은 요구 조건을 고려하여 시추 부지를 조성하였다. Nagra는 2개의 시추 리그를 동시에 운영하였으며, 시추 작업은 6개월에서 8개월의 기간이 소요되었다. 시추는 코어 회수 여부에 따라 콘을 이용한 시추와 코어회수 비트를 이용한 시추가 수행되었으며, 목적에 따라 각기 다른 이수를 사용하여 시추가 이루어졌다. 첫 번째 시추공의 경우에는 물을 기반으로 한 이수를 사용했으나, 2번째에서부터 9번째 시추공까지는 K-silicate와 폴리머 이수를 사용하여 시추가 수행되었다. TBO 사업에서 조성한 시추 부지와 사업 시간표는 그림 37과 그림 38과 같다. 

회수된 시추 코어에 관해 자세한 조사, 시료 채취, 시험, 분석 등을 거쳐 종합적으로 분석되고 문서로 만들어져 보관되었다. 여기에는 지층의 층서학과 구조 특성, 강도, 지화학 등의 실내 시험을 위한 시료 채취와 시험, 향후 추가 조사를 위한 예비 시료 등에 활용되고 이후 코어 저장시설로 옮겨졌다. 그림 39는 이러한 작업에 관해 Nagra가 수행한 일련의 과정을 보여주는 예이다. 

시추공에서 물리검층이 탄성파 속도 검증, 암석 특성 측정(밀도, 점토 함량, 공극률, 석회질 측정(calcimetry), 음향방출음), 시추공 벽 이미지 생성, 암석 지층의 심도와 두께 검증 등을 목적으로 수행되었으며, 획득 정보는 특히 지표에서 3D 탄성파 탐사 결과를 확인하고 교정하는 데 사용되었다(그림 40). 또한 심부 시추공을 활용하여 획득한 정보는 그림 41과 같이 심도에 따라 정리되었다.

4.4.3 현장 수리시험

TBO에서 수행된 현장 수리시험은 1) 유체 검층, 2) 수리 패커 시험, 3) 추적자와 지하수 시료 채취가 있다. 유체 검층은 수리시험과 지하수 채취를 위한 투수성 영역이나 균열을 파악하기 위한 것으로, 국부 영역의 투수량계수를 정성 및 정량적으로 분석한다. 이를 수행하기 위해 시추수를 신선한 물로 교환한 후 전기전도도와 온도를 심도에 따라 검층한다. 

수리시험의 목적은 현장 조건에서 모암과 격리층의 수리적 특성화에 있으며, 수리시험을 통해 투수량계수(T), 수리전도도(K), 지층 압력(h), 유동 모델과 경계 조건을 추정한다. 또한 지화학 특성화에 필요한 고품질의 지하수를 채취하는 것도 중요한 목적 중 하나이다. 인자의 범위를 포함한 상기 인자에 대해 신뢰할 만한 값을 도출하고, 시험 장비에서 성능, 시험 분석과 평가에 이르기까지 모든 결과를 추적할 수 있도록 문서로 만들어 사용하였다.

투수성이 낮거나 매우 낮은 지층에서 시험을 위해, 패커 압력 유지 시스템과 다양한 직경의 얇은 튜빙/패커, 그리고 피스톤 펄스 발생기를 포함한 장비를 활용하였다. 투수성이 매우 낮은 지층은 매우 적은 유량으로 인한 압력과 유량 관계 해석 문제나 장시간 시험에 따른 이수 무게 신호가 시험 신호와 중첩되는 문제 등이 있었다. 그림 42는 낮거나 매우 낮은 투수성을 갖는 시험 구간에서 수행한 압력과 유량의 곡선이다. 시험 단계는 1) 시험 준비 단계, 2) 진단 단계, 3) 주요 단계로 나누어지며, 이들은 다시 세분된다. 시험 준비 단계 중 COM 단계에서는 온도와 압력 평형을 이루고, PSR 단계에서는 압력이 정적으로 회복되는지 파악한다. 이후 진단 단계의 PW 단계에서 첫 번째 수리전도도를 추정하고 다음에 오는 시험 순서를 계획한다. 이후 주요 단계 중 SW 단계에서 유체 주입 중 수리전도도를 추정하고, SWS 단계에서 유체 주입을 차단한 상태에서 정확한 유동 모델과 수리 인자를 추정한다. PW/PI 단계에서는 시험 종료 시 전체 시험 구간에서의 압축률(compressibility)을 추정한다.

추적자 시험은 고품질의 지하수 시료를 채취하고 작업 유체(시추 이수, 시험 수, 인공 공극수)에 따른 시료의 오염도를 정량화하기 위해 수행되었다. 일정 수준에서 서로 다른 작업 유체를 추적하고, 시료 채취와 작업 유체 시험을 위한 현장 실험실을 구성하여, 정기적으로 작업 유체를 채취하고, 지하수를 채취하는 동안 추적자를 정기적으로 확인하는 방식으로 수행되었다. 그림 43은 정기적으로 측정한 시추 이수와 지하수 시료에서의 우라닌 농도를 나타낸 것이다.

지하수 시료 채취는 채취 구간의 체적과 채취 시간과 유량을 최적화하여 수행되며, 이수의 손실이 발생하였을 때 즉각적인 수리 패커 시험을 수행하였다. 시료 채취는 시간에 따라 정기적으로 채취되었으며, 추적자의 농도를 측정하고 현장에서도 물리화학적 인자를 기록하여, 실내 시험에서의 결과와 비교하는 데 활용하였다. 

가스임계압력시험은 opalinus clay를 통한 가스 방출을 설명하기 위한 점성-모세관 유동과 유동경로의 확장에 대한 일반적인 체계를 이해하기 위해 수행되었던 시험으로, 상대적인 가스 이동 과정과 가능한 가스 경로를 확인하여 가스임계압력을 위한 대표적인 인자를 추정하는 데 있다. 수행되었던 가스임계압력시험의 개념도와 획득한 자료는 그림 44와 같다.

성공적인 수리시험과 고품질의 자료가 7번의 유체 검층과 6번의 가스임계압력시험을 포함한 92회의 수리시험에서 얻어졌다. 또한 적은 오염도를 가진 지하수 시료를 20회 이상 채취했다. 그림 45는 TBO 사업에서 획득한 수리시험 결과의 예이다. 

5. 최종 후보지 제안 

최종 후보지인 Jura Ost에서 Nordlich Lagern을 거쳐 Zurich Nordost까지의 거리는 약 50 km로서 상대적으로 작다. Nagra는 선정된 세 부지에 대한 공통점과 차이점을 확인하기 위하여 앞서 서술한 바와 같이 심층 조사를 수행하였다. 수년 동안 세 부지에 관한 연구가 포괄적으로 수행되어 자료 기반의 의사결정이 가능하게 하였다. 자료는 매우 광범위하고 지하의 모습이 너무 완벽하여 Nagra는 처분장으로 가장 안전한 장소를 다음과 같이 결정할 수 있었다. 

지질학적 역사가 세 부지 모두에서 유사하므로 부지의 지질 조건이 매우 유사하며, 안전한 심층 처분장이 이 세 부지의 어느 곳에든 건설될 수 있었다. 세 부지 모두 필요한 두께, 품질 및 심도를 갖춘 Opalinus clay를 찾을 수 있어, 지난 7월호 그림 8의 부지선정 기준 그룹 1인 모암의 특성에서 좋을 점수를 획득했다는 것을 의미한다. 또한 기준 그룹 2의 장기 안정성에서도 세 부지 모두 장기간에 걸쳐 매우 안정적이다. 따라서 빙하와 강에 의한 침식으로부터 처분장은 장기적으로 보호될 수 있다. 게다가 열이나 가스 압력의 발생과 같은 방사성폐기물 처분에 따른 유발 영향도 모암의 안정성을 저해하지 않는다. 아울러 세 부지 모두 주변에 천연자원을 갖고 있지 않는 장점을 갖고 있다. 기준 그룹 3인 지질정보의 신뢰성에 대해서는 세 부지 간 차이보다 공통점이 더 선명하여 지질학적 진화를 예측할 수 있으며, 세 부지 모두 Opalinus clay는 일관되게 균질하였다. 부문별 계획 과정의 2단계까지 Nordlich Lagern이 다른 두 부지보다 공학적 관점에서 덜 적합할 것이라고 Nagra는 주장했었으나, 3단계의 심층 조사에서 건설 적합성와 관련된 새로운 자료와 결과를 얻게 되었다. 당시 스위스 연방 원자력 안전 검사원은 Nagra의 평가는 충분한 자료에 의해 뒷받침되지 않는다고 비판하였으며, 이러한 이유로 Nordlich Lagern은 다른 두 부지와 마찬가지로 심층 조사를 수행하여야 했다. 

심층 조사 후 Jura Ost, Nordlich Lagern, Zurich Nordost의 세  부지가 모두 처분장의 건설 요건을 충족하였지만, Nagra는 2022년 9월에 Nordlich Lagern 지역이 가장 적합한 것으로 최종 제안하였다. 최종 부지선정에서 결정적인 세 가지 주요 쟁점(지질 방벽의 품질, 지질 방벽의 안정성, 처분장 건설의 유연성)과 특성은 다음과 같다.

● 지질 방벽의 품질(quality of geo-logical barrier)

Opalinus clay와 가장 가까운 물을 함유한 암석층 사이의 거리가 먼 경우, 고준위방사성폐기물의 격납에 효과적이다. 또한, Opalinus clay의 고대 공극수(ancient porewater) 즉, 아주 오랜 시간 동안 암석에 갇혀 있던 공극수는 매우 효과적인 격납 능력, 즉 좋은 방벽을의미한다. 세 부지 중 Nordlich Lagern의 Opalinus clay는 가장 가까운 물을 함유한 암석층과 거리가 가장 멀고 가장 오래된 공극수를 갖고 있었다(그림 46).

● 지질 방벽의 안정성(stability of geological barrier)

Opalinus clay는 현재뿐만 아니라 먼 미래에도 방사성 폐기물을  안전하게  담고 있어야 한다.  빙하와 강에 의한 침식과 같은 자연의 영향은 지표면과 지하의 상태를 변화시킬 수 있다. Nordlich Lagern의 모암은 깊은 심도로 인해 이러한 영향으로부터 부분적으로 처분장을 가장 잘 보호한다. 결과적으로 최고의 장기 안정성도 보장한다고 평가되었다(그림 47).

● 처분장 건설의 유연성(flexibility of geological barrier)

Nordlich Lagern의 지하 암석층은 주요 지질학적 결함없이 가장 큰 연결 면적을 갖고 있으므로 처분장 건설에 최대의 유연성을 제공한다. 따라서 Nagra의 관점에서 Nordlich Lagern 부지선정 지역은 전반적으로 최고의 안전성을 갖고 있다고 평가되었다(그림 48).

이러한 세 가지 주요 쟁점을 검토한 결과로부터 Nordlich Lagern이 심층 처분장으로 가장 적합한 지역으로 판단되었다. 처분장은 지하 시설과 함께 처분장 건설과 운영을 위한 지상 기반 시설도 필요하므로 Nordlich Lagern의 경우, Stadel 지역 사회의 Haberstal 지역의 확인 작업도 수행되었다. 

6. 맺으며 

이번 호에서 다룬 스위스의 부지선정 과정은 단계적 접근법을 적용했다는 점에서 핀란드, 스웨덴과 유사하다. 그러나 핀란드와 스웨덴이 처분 모암으로 결정질암을 선정한 것과 다르게 Opalinus clay라는 퇴적암을 처분 모암으로 선정하였다. 부지조사와 관련하여 결정질암 프로그램과 퇴적암 프로그램을 같이 수행하였으며, 서로 다른 암종에서 각각 지하연구실험실을 운영하고 있다는 점 등의 다른 특징도 있다. 또한 부지선정을 위해 ‘백색 지도(white map)’의 개념을 사용한 점이나 부문별 계획(sectoral plan DGR) 등을 사용한 점 역시 스위스 만의 차별점으로 볼 수 있다.

현재 스위스 Nagra는 최종 후보 부지를 제안한 후 허가를 기다리고 있으며, 조만간 그 결과가 나올 것으로 예상한다. 

최종 부지를 제안한 후 Nagra는 ‘Site proposal is the beginning...’ 표현을 사용하였다. 이는 2050년 또는 2060년부터 처분장을 운영하는 데 있어 부지선정은 그 시작점을 의미한다고 할 수 있다. 아직 처분 모암이나 부지선정 절차를 시작하지 못한 우리나라의 입장에서는 핀란드와 스웨덴의 방식 이외 스위스의 방식도 참고할 만한 좋은 사례로 생각된다.

참고문헌

1. HSK, 2005, Projekt Opalinuston Zürcher Weinland der Nagra

2. Nagra, 1994, Geology and Hydrogeology of the Crystalline Basement of Northern Switzerland, Technical report NTB 93-001, Wettingen, Switzerland

3. Nagra, 2008, Geologische Grundlagen, Technical report NTB 08-04, Wettingen, Switzerland

4. Nagra, 2013, Regionale strukturgeologische 2D-Seismik 2011/12, Technical report NTB 13-10, Wettingen, Switzerland

5. Nagra, 2014, Geological basics, Technical report NTB 14-02, Wettingen, Switzerland

6. Nagra, 2021, TBO Trüllikon-1-1, Technical report NTB 20-09, Wettingen, Switzerland

7. Nagra, 2022, TBO Bozberg-2-1, Technical report NTB 21-22, Wettingen, Switzerland

8. Nagra, 2022, Nagra-KIGAM seminar, Daejeon, Korea

9. Nagra, 2023, Nagra-KIGAM workshop, Wettingen, Swizerland

10. Madritsch, H, Heuberger, S., Meier, B.P., 2016, Permo-Carboniferous Trough in the northern foreland of the European Alps inferred from reprocessed & densified 2D-seismic reflection data, AAPG annual convention and exhibition, Calgary, Canada