라이브 바카라 깊은 암석에서 방사성 물질의 움직임을 보다 정확하게 추정하는 방법 구축
~지층처분 안전성 평가의 신뢰성 향상에 기여~

[요약]

1089_1218실험실 테스트 데이터로부터 실제 라이브 바카라 깊은 암석 내 방사성 물질의 이동 특성(이동 용이성)을 추정하는 방법 구축그렇습니다

고준위 방사성 폐기물 등의 지층 처분에 대한 안전성 평가에서는 라이브 바카라 깊은 곳의 기반암에서 방사성 물질의 이동을 평가합니다충분한 신뢰성을 갖춘 데이터를 기반으로 평가 필요전통적으로 방사성 물질 이동 데이터는 라이브 바카라 깊은 곳에서 채취한 암석 시료를 이용해 수집해 왔습니다일반적으로 실험실 테스트를 통해 획득그러나 그 데이터는깊은 기반암에 그대로 적용할 수 없다는 점은 국제적인 문제이며 일종의 시정 평가가 필요합니다

이 연구 및 개발에서는실제 라이브 바카라 환경 방사성 물질 이동 테스트와 스웨덴 Espo Rock Research Institute에서 실시한 실험실 테스트 데이터를 사용하여 둘의 차이점을 비교노력했습니다 결과적으로 라이브 바카라 환경에서현장 테스트^※１에서 획득함 및 실험실 테스트데이터의 차이는 이동 경로 역할을 하는 암석의 틈과 방사성 물질과의 반응에 기여하는 표면적 변화로 인해 발생합니다또한,실험실 테스트 데이터를 통해 라이브 바카라 암반의 이동 특성을 평가하기 위한 차이를 수정하고 새로운 방법 구축그렇습니다

여기서 개발된 방법은향후 지층처분 후보지 암석에 대한 조사 및 시험 수행에 높은 효율성 기대할 수 있습니다 또한,실제 지질환경을 대상으로 한 지층처분 안전성 평가의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 기대할 수 있습니다

본 연구개발 결과를 바탕으로우리는 일본 기반암에 대한 적용 가능성 검토를 포함하여 미래 지층 처분 프로젝트의 구현을 지원하는 기술 기반의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 계속 노력할 것입니다。

본 연구개발 결과는 2021년 11월 발간되는 국제학술지 '수자원연구' 온라인판에 게재되었습니다

 

[연구개발 배경]

고준위 방사성 폐기물 등의 지층 처분에 대한 안전성 평가에서는 라이브 바카라 암반에서 방사성 물질의 실제 이동 거동을 평가하는 것이 필요합니다 이를 평가하려면 신뢰할 수 있는 평가 모델과 데이터가 필요합니다 이러한 데이터는 일반적으로 깊은 라이브 바카라에서 채취한 암석 샘플을 사용한 실험실 테스트를 통해 얻습니다 그러나 실험실 테스트에서는 암석 시료가 라이브 바카라 깊은 환경에서 수집 및 처리되므로 암석의 상태는 라이브 바카라 깊은 곳과 다릅니다 따라서 라이브 바카라 깊은 곳의 이동 특성을 평가하기 위해 실험실 테스트에서 얻은 데이터를 일부 수정해야 하는 필요성이 국제적으로 중요한 문제가 되었습니다

이러한 이유로 실제 라이브 바카라 깊은 암반에서 직접 데이터를 획득하기 위해 현장 시험을 실시해 왔지만, 지층 처분 시 고려해야 할 다양한 환경 조건(장기적 환경 변화 등) 하에서 현장 시험을 통해 모든 데이터를 얻기는 어렵습니다 왜냐하면 현장시험에서는 라이브 바카라 깊은 곳의 환경조건을 변화시키는 것이 어렵기 때문인데, 실내시험의 장점은 이러한 환경조건의 변화를 이룰 수 있다는 점이다 이러한 문제를 해결하기 위해서는 실험실 테스트와 현장 테스트에서 얻은 데이터의 차이와 원인을 파악하고, 실험실 테스트 데이터로부터 라이브 바카라 심층 이동 특성을 평가할 수 있는 방법을 개발하는 것이 핵심이다(그림 1)

[연구개발 내용 및 결과]

스웨덴의 Espo Rock Research Institute는 이러한 문제에 초점을 맞춰 장기 현장 확산 및 수착(LTDE-SD) 프로젝트를 수행하고 있으며 라이브 바카라 심층 이동 테스트 및 실험실 테스트를 통해 대량의 방사성 물질에 대한 데이터를 수집하고 있습니다

이 연구 개발에서 우리는 이러한 귀중한 데이터 세트를 활용하고 실험실 테스트와 현장 테스트 간의 조건 차이를 수정하여 실험실 테스트 데이터에서 라이브 바카라 깊은 곳의 방사성 물질의 이동 특성을 평가하는 방법을 만들었습니다(그림 2) 구체적으로 방사성물질의 이동을 표현함확산^※2특성수착^※3특성은 실내 테스트와 현장 테스트 간의 다음과 같은 조건 차이를 수정하여 평가됩니다

확산 특성과 관련하여 실험실 테스트에 사용되는 암석 샘플을 고압 환경의 라이브 바카라 깊은 곳에서 표면으로 가져오면 압력 방출 효과로 인해 다공성이 증가합니다 그러면 다공성이 증가함에 따라 확산 특성이 증가합니다 따라서 우리는 이를 고려하여 다공성과 확산 특성 사이의 상관 관계를 기반으로 데이터를 수정합니다(그림 2a)

반면에, 흡착 특성에 관한 실험실 테스트에 사용되는 암석 샘플은 측정되기 전에 분쇄됩니다 분쇄하면 시료의 입자 크기가 감소하고(표면적이 증가) 흡착 특성이 증가합니다 이를 고려하여 샘플 입자 크기와 흡착 특성 간의 상관 관계를 기반으로 데이터가 수정됩니다(그림 2b)

또한, 우리는 라이브 바카라 깊은 곳의 암석 특성의 이질성(예: 균열 표면의 다공성 분포)을 고려하여 현장 조건에서 확산 및 수착 특성을 평가할 것입니다(그림 2c)

이러한 평가 방법을 사용하여 실험실 테스트 데이터로부터 라이브 바카라 심부암의 이동 특성을 추정하고, 이를 스웨덴 Espo Rock Institute의 라이브 바카라 심부 이동 테스트의 실제 데이터와 비교하여 다양한 방사성 물질에 대한 현장 이동 테스트 결과를 재현할 수 있음을 확인했습니다(그림 2d 및 e)

또한 여기서 고려한 방법의 타당성과 유효성을 보다 광범위하게 확인하기 위해 이전 연구로 수행되었던 스위스 Grimsel Proving Ground(참고 5)에서 수행된 현장 및 실험실 테스트 결과와 비교했습니다 그 결과, 스웨덴 에스포(Espo) 암석의 현장 확산 특성은 실험실 실험에서 나온 암석보다 약 1/3, 스위스 그림젤(Grimsel) 암석은 약 1/5배 작은 것으로 확인됐다(그림 3a) 또한 스웨덴 Espo와 스위스 Grimsel 암석의 흡착 특성(Cs)의 입자 크기 의존성은 일반적인 실험실 테스트 조건과 비교하여 현장에서 1/10 미만인 것으로 확인되었습니다(그림 3b) 이러한 비교를 통해 암반별로 특성 차이의 정도가 다르지만 실험실 시험과 현장 시험의 차이를 보정하는 평가 방법은 Espo 암반과 Grimsel 암반 모두에 적용 가능함을 알 수 있습니다

[이 연구와 개발의 중요성과 그것이 어디에 반영될 것인가]

여기에서 제안하는 방법은 과거에 문제가 되었던 라이브 바카라 심부 환경의 방사성 물질의 이동 특성을 실험실 테스트 데이터로부터 추정하는 방법으로 향후 지층처분 안전성 평가의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것입니다 우리는 현재 라이브 바카라 연구 시설의 데이터를 이용하여 여기에서 제안한 방법을 일본 기반암에 적용할 수 있는지 조사하고 있습니다 이러한 결과를 바탕으로 향후 국내외 안전성 평가에 널리 활용될 것으로 기대된다 또한, 이 방법은 일본의 처분 후보지 암석층에 대한 실험실 및 현장 시험을 효과적으로 수행하고 그 결과를 안전성 평가에 적절하게 반영하기 위한 방법론으로 활용될 것으로 기대된다

[논문 출판 정보]

잡지 이름: Water Resources Research

논문 제목: 결정질 암석의 보유 특성에 대한 확장 접근법: 스웨덴 에스포 하드락 연구소의 현장 장기 수착 및 확산 실험(LTDE-SD) 사례 연구

저자: 테이트 유키오, 이토 츠요시, 비욘 길링

DOI:https://doiorg/101029/2020WR029335

[특별 참고사항]

이 연구 결과의 일부는 경제산업성 천연자원에너지청이 의뢰한 프로젝트인 경제산업성 천연자원에너지청의 결과입니다

[참조]

[1] Widestrand, H 외 (2010) 에스포 하드록 연구소 장기 수착 확산 실험(LTDE-SD) 주요 현장 실험 수행 및 수상 측정 결과 SKB 기술 보고서, R-10-67, SKB, 스톡홀름, 스웨덴

[2] Widestrand, H 외 (2010) 에스포 하드록 연구소 장기 수착 확산 실험(LTDE-SD) 지원 실험실 프로그램 – 수착 확산 실험 및 암석 물질 특성화 Forsmark 및 Laxemar 현장 조사에서 온전한 암석 샘플에 대한 흡착 연구를 보완합니다 SKB 기술 보고서, R-10-66, SKB, 스톡홀름, 스웨덴

[3] Nilsson, K 외 (2010) 에스포 하드록 연구소 장기 흡착 확산 실험(LTDE-SD) 암석 샘플 분석 및 모델링 결과 SKB 기술 보고서, R-10-68 SKB, 스웨덴 스톡홀름

[4] 올슨, Y (2000) 결정질 암석의 이온 확산에 대한 연구 박사 논문 스웨덴 왕립기술연구소

[5] Tachi, Y 외 (2015) 화강암 내 Cs+, Na+, I- 및 HTO의 매트릭스 확산 및 흡착: 실험실 규모 결과 및 현장 조건에 대한 외삽 J 콘탐 Hydrol, 179, 10–24

[참조 지도: 스웨덴 Espo Rock Institute 및 스위스 Grimsel 테스트 스테이션에 대한 정보]

(도표와 사진은 SKB 및 Nagra 보고서에서 발췌)

[용어]

1 현장 테스트：

라이브 바카라 연구 시설의 표면에서 굴착된 라이브 바카라 터널이나 시추공을 사용하여 라이브 바카라 깊은 곳에 있는 실제 암석의 특성을 관찰하고 측정하는 테스트입니다 라이브 바카라 심부 실제 지질환경의 특성을 반영하여 지층처분의 안전성을 평가하기 위해 국내외적으로 현장시험을 통해 자료를 확보하고 평가에 사용된 자료와 모델의 타당성을 확인하려는 노력이 진행되고 있다

2 확산：

농도 구배를 추진력으로 사용하여 물질이 매질 속에서 이동하는 현상을 말합니다

3 흡착(분할계수)：

수착은 간극이나 고체 표면에서 발생하는 반응을 의미하는 광범위한 용어로, 액체상에서 고체상 내부로의 흡수와 고체 표면에서 발생하는 흡착을 포함합니다 분배 계수는 고체와 액체의 두 상 사이에서 특정 화학종의 평형 분포를 정량적으로 측정한 것으로, 관심 매체에서 질량 전달이 얼마나 느려지는지 평가하는 데 사용됩니다