지난 11월호는 국내 고준위방사성폐기물 처분장 부지선정 현황 및 관련 연구에 관한 소개 글로 국내 원자력 산업과 현황 그리고 고준위방사성폐기물 처분 관련 국가정책의 변화 등에 관하여 소개하였다. 또한 방사성폐기물 처분장 부지선정 과정에서 겪었던 다양한 경험 등을 소개하고, 성공적인 처분을 위해 관련 연구기관들이 수행 중인 연구 내용을 소개하였다.
이번 호에서는 고준위방사성폐기물 지층처분의 첫 과정인 부지선정과 관련한 부지연구(또는 예비조사, site study)에 대해 한국지질자원연구원(KIGAM)이 연구했던 내용을 중심으로 서술하고자 한다. 본 원고에서 부지연구의 의미는 부지선정 과정이 시작되기 전의 부지에 관한 전반적인 연구로 정의하기로 한다. 국내의 부지연구는 부지조사와 부지 특성화에서 수행되는 내용을 포함하고 있다.

4. 전국규모 부지연구

4.1 각국의 처분단계 위치 및 부지선정

2016년 7월 제1차 고준위방폐물 관리 기본계획이 발표됨에 따라 우리나라의 고준위방폐물 처분사업이 빠르게 시작될 것으로 예상되었으나, 이에 관한 연구는 부족한 상황이었다. 기본계획에 따르면 우리나라의 부지선정은 단계별 절차로 진행되는 것으로 기획되었으며, 첫 단계는 부적합지역 배제 단계였다(11월호 그림 5). 이에 2016년 9월 한국지질자원연구원 내 방사성폐기물지층처분연구단이 조직되어 부지연구에 관한 로드맵과 수행할 연구를 계획하였다. 그림 14는 앞서 소개된 고준위방폐물 주요국과 우리나라의 중요 단계에서의 위치를 제시한 것이다(한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단, 2020).
선도국들의 부지선정 과정을 상세하게 살펴보면 그림 15와 같이 표현할 수 있다. 그림 내 숫자는 연도를 의미한다.
북유럽의 핀란드와 스웨덴 두 국가의 부지선정 과정(또는 방식)의 차이는 핀란드는 부지선정 과정을 시작하면서 광역조사, 기본조사를 수행했던 반면에 스웨덴은 예비조사, 광역조사, 기본조사 등을 부지선정 절차가 시작되기 전에 수행하였다. 부지선정 과정에서는 기존 자료의 평가와 심층 조사만을 수행하였다. 대신 스웨덴의 경우 자국 내 지질환경이 상대적으로 단순하여 처분모암을 결정질암으로 정한 후 지하연구실험실(URL)을 건설하였다. 반면에 스위스는 지질환경이 복잡하여 결정질암과 이암이 분포한 지역에 지하연구실험실을 건설하여 연구를 수행한 후 부지선정 절차에서 암종을 결정하였다.
그림 15에서 언급된 세부 단계는 여러 나라의 상세 방식의 차이를 하나로 표현하는 과정에서 분류된 것으로 볼 수 있다. 즉, IAEA를 포함한 많은 국가에서 채택한 단계별 부지선정 절차는 동일하나 각 단계의 진행 과정에서 세부적으로 비교할 때 약간의 차이가 있을 수 있다. 한 예로 기본조사 단계에서 심층조사지역을 선정하는 내용은 부지평가 단계에서 심층조사지역을 선정하는 내용 등과 동일하게 간주할 수 있다. 이러한 의미로 부지연구는 예비조사 등으로 표현할 수 있다. 세부 단계에 포함된 내용을 아래에 요약하였다.

● 예비조사: 처분 타당성 평가, 방법론 개발, 처분시스템 개발, 시추조사, 물리탐사, 지질 DB구축
● 광역조사: 전국규모 검토, 기본조사지역 선정
● 기본조사: 지질조사, 시추조사, 물리탐사 등을 통한 심층조사지역 선정
● 부지평가: 기존 문헌들을 평가하여 심층조사지역 선정
● 심층조사: 2개 또는 3개 부지를 대상으로 최종 후보부지선정을 위한 심부 시추조사 중심의 지질조사
● 인허가: 인허가 시설 건설, 인허가용 시험, 건설 허가 획득
● 건설: 최종 처분시설 건설, 운영 허가 획득
● 처분: 사용후핵연료 최종 처분 및 운영

4.2 국내와 일본의 전국규모 부지연구

4.2.1 일본의 전국규모 과학 특성 지도

일본의 고준위방사성폐기물 R&D 프로젝트는 1976년에 시작되었으며, 결정질암에 건설된 Mizunami 지하연구실험실과 퇴적암에 건설된 Horonobe 지하연구실험실을 건설 및 운영하는 등 활발하게 진행하였다. 그러나 부지선정 등에 있어 어려움을 겪은 후 2015년 새롭게 제정된 최종 처분 법률에 근거하여 검토된 기본 정책에 따라 단순히 지방자치단체의 신청을 기다리는 대신 과학적으로 유망한 지역을 제안하는 등 정부 주도의 활동 촉진 정책이 추가되었다. 이를 위해 전국규모의 과학적으로 적절한 지역(scientifically appropriate area)에 관한 지도인 ‘지층처분에 적합한 과학적 특성의 전국규모 지도’(nationwide map of “scientific feature” relevant for geological disposal)를 제작하였다(그림 16).
이와 함께 11개의 개별 지도가 제작되었다. 개별 지도는 세부적인 과학적 특성 관련 지도로 다음과 같다.

● 화산/화성 활동 지도
● 단층 활동 지도
● 융기/침식 지도
● 지열 활동 지도
● 화산 열수 유체 및 심층 유체 지도
● 미고결 퇴적물 지도
● 화쇄류(Pyroclastic flows) 등 지도
● 광물 자원 지도(석유전/가스전)
● 광물 자원 지도(탄광)
● 광물 자원 지도(금속광)
● 운송 지도

4.2.2 국내 전국규모 부지연구

지난 11월호에서 소개된 바와 같이 우리나라의 방사성폐기물 처분장 추진에 있어 많은 실패와 어려움을 경험하였다. 특히, 경주의 중저준위 방사성폐기물 처분부지의 선정 과정에서 주민과의 소통 부족과 신뢰성 확보 실패 등으로 많은 사회적 비용과 시간이 소요되었다. 이러한 경험으로부터 처분사업의 신뢰성과 투명성 확보를 통한 사회적 수용성 확보가 가장 중요함을 인식하였다. 이는 같은 동양권 문화인 이웃 나라 일본의 경우와도 유사하다. 같은 실수를 반복하지 않기 위하여 고준위방사성폐기물 지층처분을 위해서는 사회적 수용성을 높여야 한다. 이를 위해 우리나라의 지질환경에 대한 정보의 신뢰성과 투명성을 확보해야 한다. 한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단은 그동안의 고준위방사성폐기물 지층처분 후보부지 선정과 관련한 연구를 통해서 부지평가와 관련된 지질학적 요소들을 부분, 항목, 인자로 계층적으로 분류하였다(그림 17). 전국규모, 부지규모, 단계별로 고려해야 할 항목과 인자를 재분류한 결과, 1단계인 전국규모 검토를 위한 항목은 모두 8종으로 검토되었다. 항목은 부지규모로 변경될 경우 20개 이상으로 급증한다. 2017년부터 2019년까지 3년 동안 연구를 통해 8종에 대한 지질환경정보를 제작, 발간하였다. 아울러 제작된 지질환경정보도의 신뢰성과 투명성 확보를 위해 지질환경정보 검증시스템(GIVES, Geoenvironmental Verification System)을 개발하였다.

4.3 국내 8종 지질환경정보도

2019년 발간된 8종의 지질환경정보도는 암종(rock type), 광상(ore deposit), 선형구조(lineament), 단층(fault), 지진(earthquake), 융기/침강(uplift/subsidence), 지하수(groundwater), 지열(geothermal properties)에 관한 것이다. 다음에 제시되는 내용은 한국지질자원연구원 연구보고서(2019) 및 성과물, 관련 논문(고경태 외, 2019; 천대성 외, 2022 등) 등의 내용을 중심으로 작성되었다.

4.3.1 암종 지질환경정보도

암종은 암석의 종류를 뜻하며, 암종에 따라 고유한 지질학적, 열적, 역학적 특성 등이 달라 처분암종에 따라 처분시스템이 결정되므로 부지선정에서 매우 중요한 항목이다.
암종 지질환경정보도에 사용된 자료는 한국지질자원연구원에서 2002년 발간이 완료된 1:25만 지질도폭 총 13매 중 섬 지역을 포함하고 있는 지질도폭을 제외한 9매를 이용하여 통합작업과 검증 작업을 수행하였다. 또한 한국지질자원연구원 웹사이트에서 지질주제도로 정보가 제공되고 있는 2007년에 1차 통합된 전국규모의 1:25만 버전을 동시에 활용하였다. 1:25만의 경계부에 해당하는 불일치 지역에 대해 2018년까지 발간된 1:5만 도폭을 이용하여 검토하였다. 발견된 47개의 불일치 지역 중 불일치 사항은 지질경계, 암종, 시대, 기호 등이며, 불일치 부분을 해결하기 위하여 기존 문헌자료 분석, 현장 조사, 시료채취, 박편 관찰, 연대측정 등을 통해 수정하였다.
그림 18은 검증의 한 예로서 첫 번째 열은 1:25만 지질도폭의 경계부분에서 나타난 불일치 지역이며, 두 번째 열은 2007년 1차 통합된 지질도폭의 모습, 세 번째는 불일치 지역에 해당하는 1:5만 도폭을 나타낸 것이다. 그림 내 서술 내용은 불일치 지역에서 검증해야 할 부분과 검증 방법, 수정 사항 등에 대한 것이다. 제작된 통합지질도 2018년 버전에 대해 전문가 3인의 검토를 통해 수정, 보완하였다. 시대가 일치하지 않는 지역은 현장 조사를 거쳐 채취된 시료에 대해 절대연령 측정을 통해 시대를 결정하여 수정하였다. 이러한 절차를 통해 1:25만 암종 지질환경정보도 2019년 버전이 제작되었다(그림 19).

4.3.2 광상 지질환경정보도

초장기간 처분이 요구되는 고준위방사성폐기물 지층처분에 있어 광상은 미래 세대의 침입 가능성 등을 고려해야 하므로 기존 개발한 광산의 위치는 중요한 평가항목 중 하나이다. 이에 광산 정보를 보유한 (구) 한국광물자원공사, (구) 한국광해관리공단(현재 두 기관이 통합되어 한국광해광업공단으로 변경), 한국지질자원연구원의 자료를 이용하여 상호검증을 통해서 광산분포도를 제작하였다.
검증에 사용된 자료는 한국지질자원연구원의 3,059개, (구) 한국광물자원공사의 10,840개, (구) 한국광해관리공단의 5,544개로 총 19,443개이다. 자료는 광상, 광종, 광산명, 주소, 참조보고서, 생산 연도, 자료조사 형식 등이 포함되어 있으며, (구)한국광물자원공사의 자료를 기초로 제작되었다. 검증을 위하여 3개 기관의 자료를 이용하여 광산 위치를 GPS에 의한 표준화와 행정구역을 GPS로 변환하는 방법을 사용하여 점으로 표현하였다. 광산 위치가 일치하지 않는 경우는 현장조사를 수행하여 보정하였다. 대규모 광산은 노천채굴 및 갱내채굴 등 복잡하고 광범위한 갱도를 형성하여 위치 표기가 표준화가 되지 않아 1.5 km×1.8 km인 광구로 위치 표현 방식을 변경하였다. 이렇게 광구로 위치를 표현함에 따라 비표준화된 위치 표기를 상쇄할 수 있으며, 광상의 분포 가능성을 표시할 수 있었다. 광구로 표현된 (구) 한국광물자원공사의 온라인 자료를 사용하여 금속, 비금속, 석탄 등으로 광종을 분류하고 광산 위치에 대한 단순 오류사항을 수정하였다. 제작된 광상 지질환경정보도의 2018년 버전의 검증을 위해 (구)한국광해관리공단의 자료를 이용하여 검증을 수행하였으나, 두 기관 사이의 자료 차이가 매우 커서 검증 대신 자료를 모두 표기하는 방법을 사용하였다. 이후 한국지질자원연구원의 비공개 자료를 이용한 검증과 수정을 통해 광상 지질환경정보도 2019년 버전이 제작되었다(그림 20).

4.3.3 단층 지질환경정보도

단층은 고준위방사성폐기물 영구처분시설을 직접적으로 타격하여 안전성에 심각한 영향을 줄 수 있는 항목이다. 2019년 제작 당시 사용할 수 있었던 자료는 1:25만 지질도폭에서 추출한 단층도이다. 1:25만 지질도폭이 2002년에 발간되었기 때문에 그 후에 발간된 1:5만 지질도폭의 단층은 반영하지 못하였다. 현재는 2016년 발생한 경주 지진 등으로 행정안전부에서 국가활성단층연구단을 발족하여 활성단층지도를 제작 중이므로(김영석 외, 2020) 이들 정보가 추가되면 단층 지질환경정보도의 신뢰도는 더 높아질 것으로 기대된다. 2017년부터 3년간 수행된 연구에서는 2002년 이후에 발간된 1:5만 지질도폭의 단층을 반영하고, 2002년 이전에 발간된 1:5만 지질도폭도을 최대한 반영하고자 하였다.
검증에는 한국지질자원연구원의 1:5만 지질도폭에서 추출한 단층과 1:25만 지질도폭에서 추출한 단층이 사용되었다. 표 1은 이들 단층의 통합할 때 설정한 원칙을 제시한 것이다. 검증은 한국지질자원연구원의 1:25만 지질도폭 자료에 1:5만 지질도폭에 기재된 2.5 km 이상의 단층 자료와 상호 비교 검증을 수행하였다. 단층 통합에 있어 보수적 통합방법을 사용하였다(그림 21). 제작된 단층 지질환경정보도 2018년 버전은 대단층 자료의 일부 미반영 문제, 최신자료 반영 여부 등의 필요성 등 해결 사안 등이 포함되어 있었다. 지괴별 구조지질학 전문가의 자문과 일부 제4기 단층 특성 정보의 수정 등을 통해 통합된 단층 지질환경정보도 2019년 버전이 제작되었다(그림 21).

4.3.4 선형구조 지질환경정보도

선형구조는 단층대나 지질 경계등 지질학적 특징이 지형상에 나타나는 것이며, 부지평가 시 가장 기본적인 자료로 사용된다. 선형구조도를 만드는 데는 정해진 규칙이나 프로그램은 없으며 보통 전문가가 수작업을 통해서 작성한다. 2019년 발간한 선형구조 지질환경정보도에서 사용된 선형구조도는 오랫동안 만들어진 것으로 명확한 메타데이터가 없다. 선형구조 지질환경정보도는 여러 전문가를 통해서 새로운 선형구조도를 작성하였고 과거 선형구조도와 함께 통합하여 신뢰성을 향상했다. 그림 22와 23은 선형구조 지질환경정보도 제작에 활용된 검증 방법과 발간된 선형구조 지질환경정보도 2019년 버전이다.
앞서 설명한 4개의 지질환경정보도 이외 지진, 융기/침강, 지하수, 지열 지질환경정보도가 2019년 발간되었다(그림 24). 이들 정보는 지질환경정보검증시스템(GIVES, https://data.kigam.re.kr/gives/)에서 온라인으로도 확인할 수 있다.

4.3.5 지질환경정보 검증시스템(GIVES)

고준위방사성폐기물 처분사업과 관련하여 2019년 이전의 지질조사자료 자료관리 시스템은 stand-alone 시스템으로 개발되어 사용자의 자료 접근의 어려움뿐 아니라 자료관리 측면에서 불편함이 존재하였다. 지질환경정보 검증시스템(GIVES, Geoenvironmental Information Verification System)은 자료관리, 자료의 접근성 확보뿐만 아니라 지질환경정보 검증을 통해 신뢰성 높은 지질환경정보도를 만들고 사용자가 온라인으로 지질환경정보도를 만든 메타 자료와 알고리즘을 검색할 수 있게 함으로써 투명성과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 시스템이다. 이 시스템은 D-GIVES(Deep GIVES)로 확장되어 2020년부터 2024년까지 수행한 심부 암반의 다학제적인 평가인자가 추가되었다. 추가 자료와 업데이트 등 정보는 지질환경정보도의 이력관리를 통해서 관리되어 신뢰성을 확보하였다. 그림 25와 26은 지질환경정보 검증시스템의 정보 제공 체계에 대한 개념도와 웹화면 모습이다.

5. 부지조사 및 부지 특성화

제2차 고준위방폐물 관리 기본계획의 부지선정 절차(안)에 따르면 부적합지역 우선 배제 단계 이후는 부지적합성 기본조사와 부지적합성 심층조사를 수행하게 되어 있다. 기본조사와 심층조사의 단계별 지질환경 평가인자는 우리나라 각 기관에 따라 다소 차이가 날 수 있으나 큰 틀에서는 유사하다. 앞 장에서 전국규모 부적합지역 배제와 관련한 8종의 지질환경정보도 연구와 함께 한국지질자원연구원은 국내 지질환경에 적합한 단계별 지질환경 평가요소를 제안하였다(한국지질자원연구원, 2019; 김은경 외 2020). 처분 후보부지 선정을 위한 지질환경 평가요소는 국내 지질환경을 고려하여 평가항목 17개와 평가인자 103개를 도출하였다.
암종에 따라 지질학적 특성이 다르므로 국내 고준위방사성폐기물 처분모암을 결정하기 위해서는 국내 지질환경을 반영한 여러 암종의 심부 특성에 관한 이해가 필요하다. 처분시설은 지하 500 m 심도에 건설될 것으로 예상되므로 심부 시추공을 활용한 심부 특성 연구가 필수적이다. 제시된 103개의 평가인자는 지구과학적으로 다양한 분야와 관련되어 있어 다학제적인 연구가 수행되어야 한다. 선도국의 경우 그림 15에서 제시된 바와 같이 부지선정 절차에서뿐 아니라 예비조사, 광역조사 등의 단계에서 30년 이상의 시추를 통한 연구가 수행되었다. 국내는 처분모암을 결정하기 위한 기초자료가 매우 부족한 상태일 뿐 아니라 특정 암종인 화강암에 집중되었기에 복잡한 국내 지질환경을 고려하여 심부 시추공에 기반한 다학제적인 연구 수행의 필요성이 대두되었다.

5.1 국내 암종 분포와 지체구조

5.1.1 암종 분포

국내에 분포하는 암종은 분포 면적에 따라 크게 선캠브리아기 변성암복합체, 고생대 퇴적암, 중생대 화강암, 신생대 화성암류로 분류된다. 그림 27은 1:25만 지질도폭들을 이용하여 우리나라에 분포하는 암종을 면적에 따라 분류하고 작성한 암종별, 시대별 분포 면적을 제시한 것이다. 외부의 큰 원에서 제시된 암종별 분포 면적을 비교해 보면, 심성암(plutonic rock)과 변성암(metamorphic rock)이 각각 30%로 가장 넓은 면적을 차지하고 있으며, 다음으로 퇴적암(sedimentary rock)이 25%의 면적을 차지하고 있다. 화산암(volcanic rock)의 경우 약 9%로 가장 적게 분포하고 있다. 또한 내부 작은 원은 각 암종 내에 지질시대와 암종으로 분포를 표시하였다. 심성암의 경우 쥐라기와 백악기 시대가 가장 많이 분포하며, 변성암 내에서는 흑운모화강편마암, 화강편마암, 편암의 순서로 분포를 나타내고 있다. 퇴적암의 경우 백악기의 퇴적암이 가장 넓게 분포하고 있음을 알 수 있다.

5.1.2 지체구조(tectonic regime)

한반도는 유라시아판의 동쪽 연변부에 위치하며, 지체구조(구)는 선캠브리아기의 암석이 주로 분포하는 영남육괴, 경기육괴, 낭림육괴, 관모봉육괴와 현생 누대의 암석이 주로 분포하는 경상분지, 옥천대, 임진강대, 평남분지, 두만강분지 등으로 이루어져 있다. 이중 국내에 분포하는 지체구조(구)는 그림 28과 같이 경기육괴(GM), 영남육괴(YM), 옥천대(OB), 경상분지(GB)로 구분할 수 있다(한국지질자원연구원, 2010; Cheong and Kim, 2012, Cheon et al., 2023).

5.2 고준위방사성폐기물 관련 심부 시추

국내에서 수행된 심도 500 m 이상의 심부 시추는 지열이나 이산화탄소 지중저장, 단층 모니터링 등을 위한 목적으로 한국지질자원연구원 등에서 수행한 20 여공이 있다. 고준위방사성폐기물 지층처분과 관련하여 2020년 이전에 화강암과 편마암 등의 결정질암을 대상으로 10 여공의 시추가 강원도 고성, 경상북도 안동, 대전 등에서 수행되었다. 선도국에 비해 늦게 시작된 부지연구 및 국내의 복잡한 지질학적 특성을 고려하여 한국지질자원연구원은 2020년부터 5년 동안 지체구조와 처분모암으로 고려된 암종을 대상으로 표 2와 같이 매년 750 m급 심부 시추를 수행하였다. 표 2에서 시추가 수행되지 않은 빈 영역(NA)은 대상 암종이 존재하지 않거나 충분한 규모로 분포하지 않는 경우, 단층이나 미고결층 존재 등으로 고준위방사성폐기물 지층처분에 적합하지 않다고 알려진 곳이다. 시추 영역의 선정은 5년 동안 10개 공을 시추하는 예산과 기간 등의 한정된 상황도 고려되었다. 그림 29는 고준위방사성폐기물 지층처분과 관련되어 시추가 수행된 위치를 지체구조가 반영된 지질도 위에 표시한 것이다.

고준위방사성폐기물 지층처분과 관련된 부지조사 및 부지 특성화는 지구과학적 다학제적 연구가 필요하므로, 시추 전, 시추 중, 시추 후, 회수 코어 등으로 시추 활동과 관련된 구분과 지질, 수리화학, 수리지질, 물리탐사(물리검층), 암석역학, 지질공학, 지열 등의 분야별 구분, 현장조사와 현장시험, 실내시험, 실내분석 등으로 구분하여 수행되었다.

한 예로 시추 전의 활동으로 시추 위치는 지체구조를 고려하고 분포 암종을 검토한 후 문헌과 지표지질조사 등을 수행하여 지질 특성과 선구조 등의 자료를 기반으로 선정하며, 선정된 시추 위치 주변에 대한 불연속면을 포함한 지표지질조사, 연대 측정 등의 활동이 수행된다. 시추 중에는 그림 30과 같은 절차에 의해 시추가 수행된다. 시추 중에는 심도와 암상 등에 따른 굴진 상태와 역학적 특성 등을 파악하기 위한 추력, 토크 등의 실시간 계측과 우라닌이 포함된 폐쇄 순환시스템을 사용하여 수리지질학적, 수리화학적 영향에 관한 계측 등이 수행된다. 필요에 따라 시추 중 싱글패커 등을 활용한 지하수 채수나 수리전도도 측정이 이루어진다. 시추 후에는 시추공을 활용한 물리검층, 지하수 채수, 현장 수리시험, 공내재하시험, 수압파쇄시험 등의 현장시험이 수행된다. 회수된 코어는 연대측정을 포함한 주상도, 구조지질 특성 등 지질학적 관점에서의 분석과 함께 불연속면의 기하학적 특성, 수리화학적, 지질공학적, 역학적, 수리지질학적 특성 분석 등에 이용된다.

5.3 다학제적 심부 특성 조사 및 연구

5.3.1 심부 시추와 로깅

암종과 시추 심도에 따라 시추 공경에 관한 설계나 방법이 달라질 수 있다. 한국지질자원연구원이 수행한 심부 시추공 10공의 목표 심도는 750 m였으며, 화강암, 퇴적암, 편마암 그리고 화산암 등 다양한 암종에서 수행되어 시추 시작 시 공경과 최종 시추 공경에는 차이가 있다. 최종 시추 공경은 50 mm 이상의 코어를 회수할 수 있도록 NQ 비트를 사용하였으나, 시작 시 공경은 5인치의 PQ나 4인치의 HQ를 사용하여 초기 50 m에서 250 m까지 다양하게 시추를 수행하였다. 시작 시 시추 공경과 심도는 제시된 공곡 기준과 층리, 엽리 등을 갖는 암종의 특성, 사용된 시험장치 등에 따라 달라졌다. 750 m의 최종 심도, 시험장치의 사양, 콘크리트 패드 설치 등의 경험 등을 통해 일반적으로 50 m까지 HQ로 시추 후 750 m까지 NQ로 시추가 수행되었다.
그림 32와 33은 국내의 심부 시추공의 전경, 시추 공경과 심도, 일정 등에 관한 사례와 스웨덴에서 수행했던 사례를 비교한 것이다. 시추공에서 수행된 시험의 종류를 고려할 때, 스웨덴에 비해 국내는 매우 짧은 기간에 심부 시추와 각종 시험을 수행하였음을 알 수 있다. 스위스(9월호 그림 38 참조)는 1,100 m 심도를 약 5개월 동안의 짧은 기간 운영하기도 하였는데, 이는 시추 암종이 퇴적암이며 코어를 회수하지 않은 구간이 많았던 점 등에 기인한 것으로 판단된다. 시추를 수행하면서 굴진속도, 회전수, 추력, 토크, 수압 등의 실시간 굴진 데이터(그림 34)를 획득하고, 폐쇄 순환수 시스템에 의한 시추 유입수와 유출수의 양과 농도, EC, pH 등을 통한 시추수 수질에 대해 실시간 계측을 수행하였다. 회수 코어에 관해 지질전문가가 상주하여 매일 로깅을 수행하였으며, 그림 35와 같이 지질구조나 암상에 관한 추가 분석도 수행되었다.

5.3.2 물리검층과 물리탐사

물리탐사는 탄성파, 전기, 전자기파, 자력, 중력, 방사능과 같은 다양한 물리현상을 이용하여 지하를 탐사하는 기술로 지하 내부의 서로 다른 토양, 암상 등 지질의 변화, 혹은 단층, 파쇄대와 같은 지하 내부 구조의 변화에 기인한 물리적 성질의 차이에 의해 발생하는 반응을 측정하여 지하 구조를 해석하는 방법이다. 고준위방사성폐기물의 부지조사 및 부지 특성화에 활용되는 평가인자들은 많은 경우 물리적 특성의 변화를 동반하게 되어 물리탐사 방법을 이용하여 추정, 평가할 수 있다. 시추공 물리검층 방법은 시추공을 이용하여 심도에 따른 시추공 주변 암반의 지질환경 특성을 연속적이고 높은 수직 분해능으로 측정할 수 있으며 원위치(in-situ)에서의 다양한 물성을 측정하여 물성 상호 간의 관련성 평가가 가능하다.
한국지질자원연구원에서 보유한 물리검층 시스템 통해 총 7개의 물리검층 존데를 이용하여 각각의 시추공에 대하여 물리검층 자료를 획득하였다. 표 3은 각 물리검층에서 획득하는 현장 자료의 물성과 이로부터 조사·분석되는 평가인자에 대해 요약하였다. 표 4는 7개의 물리검층 존데와 측정 파라미터 등의 정보를 나열한 것이다. 이로부터 획득한 시추공의 다양한 물성을 측정한 사례는 그림 36과 같다. 물리검층에서 획득한 정보는 연속적이고 높은 수직 분해능을 제공하기 때문에 산발적인 경우가 많은 타 분야의 물성과 같이 분석되면 활용도는 더욱 높아진다. 이러한 예는 스위스(9월호 그림 41)의 TBO 프로그램에서 획득한 정보를 통합하여 제시한 사례에서도 확인할 수 있다.

물리탐사는 시추공 물리검층 외에도 항공자력탐사 등에 의한 선형구조도 분석에 사용되어 전국규모 선형구조 지질환경정보도 제작에 활용하였다(그림 37(좌)). 이와 유사한 선도국 사례로 지난 5월에 소개한 핀란드의 지구물리탐사에 의한 선형구조분석과 대상 블록의 선정 사례를 예로 들 수 있다. 최근 기술인 드론을 활용하여 심부 시추 위치 주변에 드론 활용 자력탐사를 통한 선형구조의 분석도 수행한 바 있다(그림 37 (중, 우)).

5.4 순환수 계측과 수리화학 성분분석

심부 지화학 조건은 고준위방사성폐기물 지층처분장에서 핵종의 이동성을 결정하므로 중요하게 고려되어야 하는 요소로, 수리화학 및 광물학 요소와 핵종거동 요소로 세분할 수 있다. 수리화학 및 광물학 요소에서는 처분심도에서 지하수 내 용존산소의 부재가 가장 중요하다. 용존산소의 부재는 실제 측정에 의한 지하수 내 용존산소의 부재, 음의 산화환원전위, 이가철의 존재, 혹은 황화이온의 존재로 확정할 수 있다. 핵종거동 요소에는 흡착분배계수가 가장 중요하며, 이외 확산계수, 분산계수, 방사성 핵종 유동로 등이 있다.
심부 암반에서 핵종이동의 주 매개체인 지하수는 균열을 통해 지배적으로 유동하므로 균열대 구간에서의 지하수 채수를 통한 수리화학 자료를 확보하는 것과 시추수 관리로 구분하여 수행하였다. 시추수 관리는 시추에 따른 기존 지하수에 대한 시추수의 영향을 최소화하고 시추수 혼입 정도를 계산하여 균열대 분포 구간 분석에 활용할 수 있다. 시추수에 형광물질(우라닌)을 일정 농도로 혼합한 후 폐쇄 순환시스템(그림 31)을 사용하여 관리하였다. 시추 중 시추수의 형광물질 농도를 지속적으로 모니터링하여 일정 농도로 유지하도록 하였다.
그림 38(상)은 시추수 관리와 수질을 측정하는 모습을, 그림 38(하)는 일정 구간에서 더블패커를 이용하여 지하수를 채수하는 플로우셀의 사진과 모식도이다(Kim et al., 2021). 시추수 수질은 온도, 수소이온농도, 용존산소 등 8개의 항목에 대해 3 m 간격으로 측정하였다(그림 39). 지하수 채수는 시추코어, 물리검층 자료 등을 검토하여 지하수 유동이 많을 것으로 예상되는 지역에 대해 수행하였다. 지하수는 플로우셀에서 연속적으로 측정한 지하수의 산화환원전위 값이 안정되었을 때의 산화환원전위, 온도, 용존산소, 수소이온농도, 전기전도도를 기록한 후 채수하였다. 채수된 지하수에 대해 평가인자 획득을 위한 화학분석을 실험실에서 자체적으로 정해진 절차에 의해 수행하였다(그림 40과 41).

5.5 수리전도도 측정을 위한 현장 수리시험

고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 여러 지질환경특성 평가인자 중에서 수리지질분야의 수리전도도(Hydraulic conductivity, K)는 처분장 주변의 지하수 흐름과 투수성을 나타내는 가장 대표적인 핵심 평가인자이다(이항복 외, 2024). 수리전도도 정보는 실제 방사성 핵종의 누출 및 이동에 가장 직접적인 영향을 미치기 때문에, 처분장의 장기적인 지질안정성에 매우 중요하게 고려되어야 한다. 앞선 호에서 소개된 핀란드(3월호 그림 13), 스웨덴(5월호 그림 30)이나 스위스(9월호 그림 21)와 같은 처분 선도국들은 이러한 심부 암반대수층 내 수리전도도 평가의 중요성을 인지하여, 시추공 내 현장 수리시험을 통해 암종별/심도별 수리전도도 특성을 연구해 왔다. 이에 반해 국내는 심도 100 m 수준의 천부대수층을 대상으로 일부 지하수 기초조사 사업이나 온천개발 관련 조사 프로젝트 등에서 간단한 수리시험을 통해 균열암반의 수리지질특성에 관해 연구가 주로 수행된 바 있으나, 처분시설 심도로 고려되는 지하 500 m 이하 심부 시추공에서 처분 관련 연구목적으로 심도별 수리전도도에 대해 정밀 평가가 수행된 사례는 드물다. 다만, 한국지질자원연구원을 중심으로 지하 500~1000 m의 고심도 시추공에서 현장수리시험을 통한 수리전도도 관련 연구가 일부 수행되었다. 아직 처분 선도국들에 비해 조사 사례와 측정된 자료 양이 상대적으로 매우 적을 뿐만 아니라, 실제 현장 자료를 획득하기 위한 시험조사 장비시스템의 기계적 성능이나 운용 및 구동 관련 노하우 등에 대해 처분 선도국들이 가진 세계적 수준으로의 기술 향상이 필요하다(배성호 외, 2021, 이항복 외, 2023, 천대성 외, 2024, 이항복 외, 2024). 이러한 제약에도 불구하고 한국지질자원연구원에서 제작한 현장 수리시험장치와 절차서(그림 42)를 활용하여 화강암, 퇴적암, 편마암, 화산암 지역에서의 수리전도도를 획득하였다.

그림 43은 여러 암종에서 획득한 수리전도도를 통합적으로 제시한 것이다. 현장 수리시험은 대부분 정압주입시험이 수행되었으며, 지하수 유동이 매우 낮은 구간에서는 펄스시험이 수행되었다. 화성암과 변성암에 속하는 화강암, 화산암, 편마암 지역의 수리전도도는 평균적으로 10^-9 m/s 수준의 값을 보였다. 심도가 깊어짐에 따라 화강암 지역의 수리전도도가 약간 감소하는 경향을 보이나, 국부적으로 파쇄대 발달에 따라 불규칙한 투수성 변화가 확인되었다. 화산암 지역도 심도가 깊어지면서 수리전도도 값이 다소 감소하였으나 대수층 하부 구간에서 암반투수성이 국부적으로 증가하였고, 수리전도도 값 분포 편차가 크고 넓은 범위의 유동차원이 나타남으로써 불균일한 투수 특성이 확인되었다. 편마암 지역은 심도에 따른 투수성 변화 경향성은 관찰되지 않았고 편마암의 암상에 따라 불규칙하게 투수성 차이를 보였다. 퇴적암에 속하는 이암 지역의 수리전도도는 평균 10^-11 m/s 수준으로 나타났으며, 전체적으로 불투수성 암반에 가까운 매우 낮은 값을 보였다. 심도에 따라 투수성의 변동성이 크지 않았고, 전반적으로 조사 영역 내에서 심도와 관계없이 균일한 수리전도도 분포를 나타냈다.

5.6 심부 현지응력

현지응력은 암반 구조물이 건설될 지점에 작용하는 지압으로 암반 단위 해석 시, 응력의 경계조건으로 활용되므로 구조물의 설계 및 안전성 해석에 필수적인 요소이다. 암반의 강도와 현지응력의 비율을 바탕으로 구조물의 안정성을 해석할 수 있으므로 암반 구조물의 설계 제원(크기, 구조, 방향 등)은 현지응력의 크기와 방향을 반드시 고려해야 한다. 고준위방사성폐기물 처분부지 관점에서 현지응력은 처분장의 건설 가능성과 건설 용이성에서 중요하게 고려되는 요소이며, 처분심도를 결정하는 하나의 요소가 된다.
수압파쇄와 오버코어링 자료를 활용하여 한국응력지도 2020가 제작되었다(그림 44, 김한나 외, 2021). 한국응력지도는 한국지질자원연구원이 1980년대 이후부터 현재까지 수행된 전국의 306개 시추공에서 획득한 1401개의 응력정보를 포함하여 제시하였다. 수집된 응력정보는 주로 지반조사 목적으로 수행되어 비교적 천부에서 측정되었으나, 일부는 1 km 심도 이내의 심부 광산 및 지하비축기지 내에서 오버코어링법에 의한 자료가 포함되어 있다. 제시된 전체 응력 측정구간은 지하 10∼880 m이다. 응력성분의 상대적 크기인 측압계수(수평응력 대 수직응력의 비)는 일반적으로 심도가 깊어질수록 감소하는 경향을 보이며, 천부 심도에서는 지역적 차이, 지형적 영향 등으로 변화의 폭이 크게 나타났다. 국내 현지응력 측정자료의 심도에 따른 분포는 그림 45와 같다. 그림 내 수식은 각 응력을 심도에 따라 직선회귀하여 산정한 것이다.

심부 시추공을 이용한 현지응력 측정은 수압파쇄시험방법을 활용하여 수행되었다. 시험이 수행된 암반은 화강암, 퇴적암, 편마암 등 총 5곳으로 대부분 700 m 전후까지 시험이 수행되었으며(그림 46), 시추공의 암질 또는 시추공 상태에 따라 차이가 있다. 측정된 자료의 심도에 따른 분포 특성을 그림 47에 제시하였다.

전국규모의 현지응력 상관식과 경향을 핀란드 Olkiluoto 및 스웨덴 Forsmark 처분장 지역의 현지응력 경향과 비교한 결과가 그림 48에 제시되었다. 한반도가 스칸디나비아반도에 비해 현지응력 및 측압계수 크기는 상대적으로 낮은 값을 보이며 심도에 대한 변화율은 비슷한 경향을 보였다(천대성 외, 2024). 다만 제시된 그림은 한반도 전체의 현지응력 자료를 평균한 것으로 핀란드와 스웨덴의 경우와 같이 처분부지로 선택된 단일 암반층과 비교에는 다소 무리가 있다. 한 예로 한반도 최대수평응력의 평균값은 500 m 심도에서 20 MPa이 되지 않지만, 그림 47에서 보면 30 MPa에 근접하는 최대수평응력 수치를 보인다. 따라서 처분부지 후보지역이 정해지면 정밀한 현지응력 경향과 역학적 특성 등을 파악하기 위해서는 현지응력 측정과 실내시험 등이 충분하게 이루어져야 할 것이다.

6. 맺으며

우리나라는 고준위방사성폐기물 처분 선도국인 핀란드, 스웨덴, 스위스 등에 비해 관련 법제나 지하연구실험실 등을 포함한 연구 및 처분사업 등에 있어 상대적으로 늦다. 그러나 방사성폐기물 처분장을 건설하는데 여러 우여곡절을 겪은 후 고준위와 중·저준위방사성폐기물의 처분을 분리하여 경주에 중·저준위 처분장을 건설하고 2015년부터 운영해 오고 있다. 또한 2016년과 2021년에 정부 차원의 고준위방사성폐기물 관리 기본계획을 발표하였으며, 21대 국회에서 추진하였던 고준위 특별법을 22대 국회에도 이어서 추진하고 있다. 방사성폐기물을 관리하는 전담 기구인 한국원자력환경공단을 중심으로 지하연구실험실을 포함한 다양한 연구와 사업을 추진하고 있으며, 2021년부터 사용후핵연료핵심기술개발사업단을 중심으로 고준위방사성폐기물과 관련한 핵심기술을 개발 중인 점 등은 고무적이다. 아울러 한국원자력연구원과 한국지질자원연구원에서 꾸준한 연구 수행을 통해 처분사업을 위한 기반 마련을 해오고 있다. 따라서 비록 선도국에 비해 늦게 시작되었으나 그동안 축적되었던 연구와 기술력, 조직력 등을 바탕으로 빠르게 처분분야 선진국으로 진입이 가능할 것으로 기대한다. 그간 분석했던 선도국과 국내 사례를 비추어 다음과 같은 부분 등에 관한 고민도 필요하다.

● 고준위방사성폐기물 관련 법안 제정
● 반복된 실패나 오해 등을 해소하기 위한 인문, 사회분야를 포함한 다학제적/기관별 협력
● 신뢰성, 투명성 등 주민 수용성을 위해 부지선정 절차에 들어가기 전 가능한 많은 지질환경 자료의 확보 필요
● 획득자료의 대국민 공개 및 투명한 자료관리 체계
● 부지선정 절차 단계에서 수행 또는 획득할 인자와 관련 인프라(인력, 장비, 시설 등) 구축
● 지침서, 절차서, 방법 등 표준화 또는 정립된 문서
● 충분한 조사 기간과 비용 투입

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