Econ. Environ. Geol. 2023; 56(2): 167-183

Published online April 30, 2023

https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Review for Mechanisms of Gas Generation and Properties of Gas Migration in SNF (Spent Nuclear Fuel) Repository Site

Danu Kim1, Soyoung Jeon1, Seon-ok Kim3, Sookyun Wang3, Minhee Lee2,*

1Major of Earth and Environmental Sciences, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University
2Major of Environmental Geosciences, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University
3Department of Energy Resources Engineering, Pukyong National University

Correspondence to : *heelee@pknu.ac.kr

Received: February 17, 2023; Revised: March 22, 2023; Accepted: April 1, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

Gases originated from the final SNF (spent nuclear fuel) disposal site are very mobile in the barrier and they may also affect the migration of radioactive nuclides generated from the SNF. Mechanisms of gas-nuclide migration in the multi-barrier and their influences on the safety of the disposal site should be understood before the construction of the final SNF disposal site. However, researches related to gas-nuclide coupled movement in the multi-barrier medium have been very little both at home and abroad.
In this study, properties of gas generation and migration in the SNF disposal environment were reviewed through previous researches and their main mechanisms were summarized on the hydrogeological evolution stage of the SNF disposal site. Gas generation in the SNF disposal site was categorized into five origins such as the continuous nuclear fission of the SNS, the Cu-canister corrosion, the oxidation-reduction reaction, the microbial activity, and the inflow from the natural barriers. Migration scenarios of gas in porous medium of the multi-barrier in the SNF repository site were investigated through reviews for previous studies and several gas migration types including ① the free gas phase flow including visco-capillary two-phase flow, ② the advection and diffusion of dissolved gas in pore water, ③ dilatant two-phase flow, and ④ tensile fracture flow, were presented.
Reviewed results in this study can support information to design the further research for the gas-nuclide migration in the repository site and to evaluate the safety of the Korean SNF disposal site in view points of gas migration in the multi-barrier.

Keywords compacted bentonite, SNF disposal site, gas migration, multi-barrier, radioactive nuclide

사용 후 핵연료 처분장 내 가스의 발생 기작 및 거동 특성 고찰

김단우1 · 전소영1 · 김선옥3 · 왕수균3 · 이민희2,*

1부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공
2부경대학교 지구환경시스템과학부 환경지질과학전공
3부경대학교 에너지 자원공학과

요 약

사용 후 핵연료(SNF: spent nuclear fuel) 지하 처분장에서 발생된 가스는 처분장 내에서 자체로 이동성이 클 뿐 아니라, 처분장 내 방사성핵종 거동에도 영향을 줄 수 있다. 지하 처분장 방벽 내에서 가스-핵종 발생 및 거동 기작에 대한 연구와 가스 거동이 처분장의 안전성에 미치는 영향에 대한 연구가 처분장 건설 이전에 충분히 수행되어져야 함에도 불구하고, 처분장 다중 방벽 내 가스-핵종 거동에 대한 연구는 국내는 물론 국외에서 조차 매우 초보적인 단계이다.
본 연구에서는 지하 SNF 처분장 내 가스 발생과 거동 특성과 관련된 국내외 선행연구 결과들을 고찰하여, 가스 발생/거동 기작을 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따라 분류하여 설명하였다. 처분장 내 가스 발생을 크게 SNF의 핵분열에 의한 방사성 가스 생성, SNF 저장 용기의 부식에 의한 가스 발생, 지하수의 산화-환원 반응에 의한 가스 생성, 미생물 활동과 천연 방벽 내 지화학적 반응에 의한 가스 생성 등 총 5가지 유형으로 구분하여 정리하였다. 처분장 다중 방벽 내 가스 거동과 관련된 선행연구자료들을 정리하여, 방벽 내 가스 거동 시나리오를 다공성 매체에서 일어나는 거동 형태에 따라, 총 4가지 형태(① visco-capillary 흐름을 포함하는 공극 내 자유상 가스 이동, ② 공극 수 내 용존상 기체로서 이류 및 확산 이동, ③ 체적팽창에 의한 거동(dilatant pathway), ④ 가압파쇄에 의한 인장 절리 흐름 등)로 구분하여 제시하였다.
본 연구를 통해 고찰한 SNF 처분장의 다중 방벽 시스템 내 가스 발생 기작과 거동 특성자료들은, 향 후 지하 SNF 처분장 내 가스-핵종 거동관련 다양한 실험 및 모델링 연구를 계획하고, 국내 건설할 처분장의 안전성을 가스 거동관점에서 평가하는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다.

주요어 압축벤토나이트, 사용 후 핵연료 지하 저장소, 가스 거동, 다중 방벽, 방사성 핵종

  • Gas generation in the SNF repository could be categorized based on the disposal evolution stage.

  • Gas migration types in barrier include visco-capillary, diffusion, dilatant and fractural flow.

  • Gas generated in the SNF repository can affect the nuclide migration as well as the barrier property.

국내 대부분의 고준위 방사성 폐기물(High Level radioactive Waste: 이하 ‘HIW’로 표기)은 원전 운영과정에서 발생된 사용 후 핵연료(Spent nuclear fuel: 이하 ‘SNF’로 표기)로 구성되며, 2022년 4사분기 기준으로 경수로와 중수로 수조에서 저장 중이거나, 건식저장시설에서 보관 중인 SNF 저장량은 총 518,861다발(22개 경수로: 21,793 다발, 4개 중수로: 153,508 다발, 건식저장시설 343,560 다발)로, 우라늄의 무게는 약 19,176 tU에 달한다(KHNP, 2021)(Fig. 1). 국내 경수로형의 경우(고리, 한빛, 한울 원전에 해당) SNF는 전량 습식저장시설에 저장하고 있으며, 중수로형인 월성발전소의 경우 습식저장 후 일정 기간을 거쳐 건식저장시설에 임시 보관 중이다(Kim et al, 2015; Lee et al., 2019). 2021년 국내 임시 건식저장시설은 99% 이상 포화가 되었지만 2022년 3월 건식저장시설의 추가 완공으로 인해 현재 임시 건식저장시설의 SNF 포화도는 약 69%로 감소한 상태이다. 하지만 월성과 세울의 경수로 내 저장시설을 제외한 나머지 임시 저장시설의 포화도는 70% 이상으로, 임시 저장된 SNF의 국내영구 처리를 위한 실질적인 대책을 수립하는 것은 매우 시급한 문제가 되었다.

Fig. 1. Status of the temporary SNF (spent nuclear fuel) storage in Korea (from KHNP, 2023)(PHWR: Pressurized heavy water reactor, PWR: Pressurized water reactor).

국외에서 지금까지 사용 후 핵연료를 영구처리하기 위해 가장 많이 연구되어온 방법은 심지층 처분법(Geologically deep diposal)으로, 현재 국내에서는 스웨덴의 SKB (Svensk Kärnbränslehannering AB)에서 개발한 KBS-3에 기반한 ‘한국형 기준 처분 시스템(Korean Reference Disposal System; KRS)’에 관한 연구가 진행 중이다(KAERI, 2006; Lee et al., 2007). 심지층 처분법은 지질학적으로 안정한 지하암반(천연 방벽, Natural barrier system)과 공학적 방벽을 결합한 다중 방벽 시스템으로 SNF로부터의 방사성 핵종의 확산을 차단하는 시스템으로 구성된다. 현재까지 천연방벽으로 제안된 지하암반은 주로 화강암, 변성암 등의 결정질 암석이었으나, 처분장 환경에 따라 이암, 셰일, 응회암 등의 퇴적암 또는 퇴적 변성암, 암염 층 등도 대상암반으로 고려되고 있다(IAEA, 2003). 지하 심부 천연 방벽(약 400~500 m 깊이)에 사용 후 핵연료봉(SNF rods) 저장용기(canister), 저장용기를 저장하는 처분공, 처분공과 저장용기 사이 빈공간을 채우는 완충재(buffer), 그 외 처분장 공동을 메우는 뒷채움재(backfill)로 구성된 공학적 방벽을 설계하여 저장소로부터 지표환경으로의 방사성 핵종의 유출을 영구 차단하는(최소 100,000년 이상)방법이다. 위 처분법에 따르면 사용 후 핵연료봉으로부터 핵분열과 방사성붕괴에 의해 발생하는 에너지와 열을 원자력 발전소 내 임시 저장시설에서 감소시킨 후, 연료봉 다발을 철주물에 고정시키고 구리 저장 용기에 밀봉하여 수직(또는 수평)으로 설계된 대규모 지하 공동에 저장하고, 밀봉하는 일련의 과정을 거친다(Fig. 2). 지하 처분장에 SNF를 영구 저장한 후부터 처분장은 SNF 저장시간에 따른 수리지질학적 진화과정(Hydrogeological evolution process)을 거치게 되는데, 특히 SNF 저장 용기 주변 다중 방벽 시스템의 환경은 구리 저장용기에서 방출하는 열과 지하수의 포화, 벤토나이트 완충재의 팽창, 기반암으로부터의 응력 등 다양한 열-수리-지구화학-역학적 반응에 영향을 받게 된다. 특히 진화 과정에 따라 다양한 가스가 처분장 내에 생성/유입 될 수 있으며(Wikramaratna et al., 1993; Bond et al., 1997), 지하 처분환경에서 생성/유입되는 가스는 자체로 매질 내 이동성이 크고, 특히 반응성 가스의 경우 처분장 내 방사능 핵종 거동에 영향을 줄 수 있다고 보고되고 있다(Horseman et al., 1999; Jacops et al., 2015). 가스상은 인공 방벽 매질 내에서 용존상보다 빠른 속도로 이동이 가능하여 처분장 외부로의 가스누출 가능성이 존재하며, 생성 가스압이 처분장 방벽 내 공극압 보다 큰 경우 가스상 경계면에 방사성 핵종이나 콜로이드의 흡착에 의하여 방벽 내 빠른 가스-핵종 이동(복합 거동)이 가능할 것으로 밝혀졌다(Neretnieks and Ernstson, 1996; Bourgeat et al., 2009; Zhang et al., 2014; Xu et al., 2017). 처분장 다중 방벽 내에서 가스에 의한 방사성 핵종의 거동 변화는 처분장 외부로의 핵종 확산을 방지하는 차원에서 반드시 고려되어야 하나, 현재까지 국내 연구는 처분장 부지 지하수 내 용존 가스에 대한 농도 자료와 이에 따른 독립적인 가스상 거동 예측 모델링에 제한되었을 뿐, 처분장 내 다중 방벽에서 가스-핵종을 상호 연계한 반응 실험이나 거동 예측 연구는 거의 수행된 바 없다(Gascoyne, 2005; Pitkänen and partamies, 2007; Delos et al., 2010).

Fig. 2. Multi-barrier system of KBS-3 type for the SNF disposal (modified from POSIVA, 2020).

처분장 내 생성되는 가스의 거동에 관한 국내 연구는 2000년대부터 시작하여, 처분장 방벽 매질 내 가스 거동모델링에 집중하여 왔다. 하지만 처분장 환경 변화에 따라 다양하게 발생하는 가스와 핵종과의 상호 작용에 대한 연구는 거의 수행된 바 없으며, 단순히 비반응성 가스에 의한 매질 내 물리적 특성 변화 및 공극 내 확산 속도를 예측하는 동력학적 모델링에 한정되었다. 가스의 생성과 유입, 이동을 억제하기 위해 공학적 방벽(Engineering barrier) 중 완충재로 사용되는 압축벤토나이트의 성능을 향상시키거나, 방벽 내 혐기성 박테리아의 번식을 제어하기 위한 연구 등이 일부 진행되었으나, 이러한 생화학적 인자들이 실제 방벽 매질 내 가스상의 거동에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구는 국외에서도 매우 초보적인 단계이다. Cho et al. (2012)은 핵폐기물 저장용기 주변 완충재 및 지하수의 pH조건, 미생물 부존 환경 등에 따라 지하수와 광물의 화학반응 및 가스-핵종의 이동 양상이 달라질 수 있음을 보고하였고, 저장용기가 부식되거나 초기 결함이 존재하는 경우 주변 지하수 유동을 따라 방사성핵종이 유출될 수 있음을 언급하였다. 이러한 선행 연구들은 방벽 매질 내(또는 경계면)에서 가스 이동이 핵종의 이동에 영향을 줄 가능성을 예측할 뿐, 실제 정량적인 가스-핵종간의 질량분배나 이동 속도 차이 등 상호 연계한 실험 결과나 모델링 결과들을 제시하지 못한 한계를 지니고 있다.

본 연구는 처분장 내 가스 생성 및 거동 특성 관련 선행연구 결과들에 대한 이론적 고찰을 바탕으로, 처분장 내 주요 가스의 생성/유입/소비 특성을 가스 생성 기작별로 분리하여 정리하고, 처분장의 시간적 진화과정에 따른 처분장 방벽 매질 내에서 발생 가능한 주요 가스 거동 시나리오를 제시함으로써, 고준위 폐기물 처분장 진화과정에 따른 가스-핵종의 거동 모델 개발과 처분장 설계에 필요한 추가 연구를 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

우리나라의 경우 HIW 처분장 부지가 아직 결정되지 않아, 지하 심부 SNF 저장부지에서 확보한 가스 자료가 부족하여 처분장 내 가스 발생에 관한 국내 연구는 국외선행 연구결과에 대한 검토 수준에 머물러 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저 SNF 지하 처분장에서 발생하는 가스를 원인별로 분류하여 아래에 요약하였다.

2.1. SNF의 지속적인 방사성 붕괴에 의한 가스 발생

원자력발전은 핵연료봉(fuel pellet)에 장착된 핵연료를 원자로 속에서 핵분열을 일으켜, 생성되는 에너지를 이용하여 전력을 생산하는데, 우리나라는 저농축 우라늄(235U: 238U은 약 2~5: 98~95, 단위: %)을 사용하고 있다(Park, 2011). 발생하는 핵분열 에너지 감소 때문에 원자로에서 제거된 SNF는, 반응하고 남은 우라늄, 핵분열생 성물인 239Pu를 포함하는 초우라늄계열 원소(transuranic elements)와 핵분열생성물(fission products) 등으로 구성되며, 연료봉 다발을 구리 저장용기(canister)에 저장하여 이동·보관·영구처리하게 된다(Lee et al., 2007). SNF에서 일어나는 주요 반응은 기존 우라늄과 핵분열생성물인 Mo, Tc, Ru, Rh, Pd(ε-particles: metallic precipitates), Rb, Cs, Ba, Zr, 초우라늄계열 원소 등의 방사성붕괴로, 강한 붕괴열과 방사선, 가스상의 방사선 물질을 방출한다. 하지만 시간에 따라 상대적으로 반감기가 짧은 원소들이 빨리 붕괴하면서 핵분열에 의한 에너지 방출은 급격히 감소하며, 상대적으로 반감기가 긴 239Pu와 actinides 그룹들의 비율이 증가하게 된다. 1000년 정도 지나면 SNF 성분은 반감기가 긴 초우라늄계 원소가 주를 이루게 되며, 플루토늄을 비롯한 초우라늄계 원소는 방사능이 거의 없는 상태가 되기까지 수만 ~ 수십만 년이 소요된다(Taylor, 2015).

2.1.1. SNF의 지속적인 방사성붕괴에 의한 가스 발생

Ewing (2015)와 Ustolin (2020)에 의하면 사용 후 핵연료봉 균열 경계면과 입자 경계를 따라 반감기가 짧고 휘발성이 높은 가스상의 방사성물질들이 포획되어 있으며, 연료봉 바깥 경계부(rim)로 갈수록 Pu양이 증가하고, 비교적 반감기가 긴 방사성물질의 산화침전물이 발견된다고 보고하였고, 폐연료봉에 잔류하는 UO2 입자 표면에 다양한 핵분열생성물이 포획된 기상으로 존재하고 있음을 보여주었다(Fig. 3). 따라서, 핵분열로부터 발생한 방사성물질의 방사성붕괴에 의해 사용 후 핵연료봉으로부터 He, Xe, Kr, I, Cs 등의 가스가 생성될 수 있으며, 이들은 사용 후 핵연료봉에서 자연적으로 생성되는 균열(crack)과 외력에 의한 연료봉 외부막(cladding)의 파열을 통해 가스상으로 누출이 가능하게 된다.

Fig. 3. Distribution chart of fission products and crack distributed in SNF Rods (left), cross section of SNF rod (upper right), and photo of gas bubbles present on the surface of SNF rods UO2 particles (lower right) (from Ewing, 2015).

2.1.2. 물 분자 전리에 의한 H2 가스 발생

구리 저장용기가 부식되어 사용 후 핵연료봉과 지하수가 접촉하는 경우, 우라늄의 핵분열에 의해 생성된 방사성핵종의 붕괴과정에서 발생된 방사선(X-ray)과 중성자들이 물분자를 전리시켜 라디칼화하고, 생성된 라디칼이 결합하여 H2 가스를 생성한다(Allen, 1952; Sunder et al., 1990; Sattonnay et al., 2001; Vértes et al., 2003; Carbol and Spahiu, 2005; Hansson et al., 2021). 방사선 에너지 흡수에 의한 물분자의 전리과정과 그와 관련된 반응은 Fig. 4에 정리하였다. 물분자의 방사선 분해 과정에서 티타늄(Ti)와 같은 촉매의 역할이 매우 중요하므로(Hochanadel, 1952; Wada et al., 1995), 처분장의 공학적 방벽을 설계하는 경우, 물분자의 방사선 분해에 의한 H2 발생을 최소화하는 환경을 유지하기 위하여 이러한 촉매 물질들의 함량이 낮은 소재를 처분장 방벽 재질로 선택할 필요가 있다.

Fig. 4. Decomposition of water molecules by X-rays and the generation mechanism of H2 (modified from Wada et al., 1995).

2.2. 저장용기 부식에 의한 가스 발생

지하 심부 처분장 내 다중 방벽(multi barrier) 시스템 설계의 첫번째 과정은 사용한 연료봉의 이동에 의한 물리적 훼손을 방지하기 위해 사용한 연료봉을 다발로 묶어 하나의 집합체별로 미리 제조한 철주물(cast iron) 지지대에 고정하고, 철주물 지지대와 지하수의 접촉을 차단하기 위해 부식에 강하고 열전도율이 높은 구리재질의 저장용기 내부에 밀봉하는 것이다(Smart et al., 2002)(Fig. 5). 처분장 폐쇄 후 자연 방벽(천연 암반)으로부터 지하수의 유입에 의해 공학적 방벽(완충재)이 포화되면서, 지하수-구리 반응에 의해 구리 저장용기의 부식/파손이 가능하며, 저장 용기의 부식/파손이 심할 경우, 철주물 지지대 또한 지하수에 접촉되어 부식될 수 있다. 철주물 지지대와 구리 저장 용기의 부식은 심지층 처분장에 저장된 SNF에서 발생하는 가스가 누출되는 첫 단계로, 현재 구리 저장 용기 부식과 관련되어 다양한 연구들이 진행 중이다(Wikramaratna et al., 1993; Bond et al., 1997; Bennett and Gens, 2008; King et al., 2011; King et al., 2013; Ochoa et al., 2013; Huttunen-Saarivirta et al., 2016; Kong et al., 2017; Marja-aho et al., 2018; King and Kolář, 2019). 구리 저장 용기 부식과는 별개로 용기 내 균열이나 외력에 의한 인위적인 용기 파쇄에 의한 가스 누출 가능성도 존재한다.

Fig. 5. Structure of SNF rod iron casting support and copper canister used in the SNF repository of Finland (modified from Smart et al., 2002).

2.2.1. 구리 저장용기 부식 과정

부식(corrosion)이란 금속(합금 포함) 표면에서 발생하는 금속의 퇴화현상을 의미하며, 주로 금속이 이온화하는 양극반응에서 발생하는데, 반대로 음극에서는 생성된 전자를 소비하는 H2 생성반응(음극반응)이 일어난다(Uhling and Revie, 2008). 부식반응이 일어나기 위해서는 전자의 이동과 이온전달이 가능한 매체(대표적으로 물)와 금속과의 접촉이 반드시 필요하며, 금속-수용액 접촉으로 연속적 전자 흐름이 가능한 이온화된 금속의 용출(양극반응)과 결합수소 발생(음극반응)이 동시에 일어나야 한다. 따라서 부식을 방지하기 위해서는 물과의 접촉을 차단하거나 금속의 전도체 특성을 방해하여 양극/음극반응을 억제하는 환경을 유지하는 것이 중요하다. 저장소 내 산화환경에서 구리금속 표면이 물과 접촉하는 경우 발생하는 대표적 양극반응(anodic reaction)과 음극반응(cathodic reaction)을 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6. Corrosion reaction of copper canister contacted with groundwater in an oxidized environment.

SNF 지하 처분장의 초기 진화단계에서 형성되는 산화환경을 고려하여, 철주물 지지대와 구리 저장용기 표면에서 발생할 가능성이 높은 부식작용을 아래와 같이 5가지로 분류하였다.

① 전체표면 부식 (Uniform corrosion: 균일부식): 산화환경 초기 단계에서 발생하는 대표적인 금속 표면 부식 형태로, 주로 부식에 의한 표면 함몰(pitting)의 지속적인 생성보다는 전체 노출면을 대상으로 균일한 부식막이 형성된다. 표면과 접촉한 수용액이 염소 용액일 경우 CuCl2∙3Cu(OH)2의 고상의 피막을 형성하며, 탄산이 용해된 수용액의 경우 CaCO3 피막을 형성하여 부식을 지연시킬 수 있다(King et al., 2008).

② 표면의 부분적인 부식(Pitting corrosion: 공식): 지하수에 할로겐원소(주로 Cl)나 전기음성도가 높은 이온들이 포함된 경우, 금속 표면에 형성된 부동태 피막이 파괴되며, 내식성이 좋은 구리 표면이라도 특정 부위를 중심으로 깊게 부식된다. 부식이 시작되면 산화 피막이 있는 구리표면의 넓이 방향보다 깊이 방향으로 부식이 진행되어 용기에 구멍이 생성된다. 특히 합금의 경우 금속입자 경계부를 중심으로 CuCl2- 형성에 의해 피막이 파괴되며 pitting 부식이 진행되고, CuCl2-가 Cu2+로 산화되면서 표면이 CuS 침전에 의해 부식이 지연되나, 지하수 내 Cl- 농도가 유지되는 경우 부식이 깊이 방향으로 지속적으로 진행된다(Fig. 7).

Fig. 7. Pitting corrosion from metal surface (modified from D&DCOATINGS, 2023).

③ 응력 균열 부식(Stress corrosion cracking): Pitting 현상과 함께 균열이 동반되며(pitting 부식이 심한 경우), 공식 중심부에서 응력이 발생하여 균열과 구멍이 발생하게 된다. 부식에 의한 구리저장용기 파손의 핵심 기작이며, 폐연료봉에서 생성된 가스상의 핵종과 부식과정에서 음극반응에 의해 발생한 H2 가스의 누출 원인이 될 수 있다(Fig. 7).

④ 생성된 H2에 의한 부식: 부식과정에서 음극에서 형성된 H2가 구리 금속 내부에 포획되는 경우 H2 분압 증가에 의해 금속 내부가 팽창하거나 Metal hydride화 되어 금속의 내부와 표면에 균열이 생기는 ‘hydrogen blistering’이나 ‘hydrogen embrittlement’현상을 의미한다(Fig. 8).

Fig. 8. H2 corrosion mechanism occurring on the metal surface and inside (modified from Ustolin, 2020).

⑤ 고온 부식(Temperature corrosion): 지하 저장소 진화 초기단계에서는 SNF 저장용기의 온도가 높으므로, 접촉한 물이 증발하게 되고 지하수 내 질소·황화합물, 탄산염이 존재하는 경우 용기 표면 scale 형성에 따른 부식이 발생한다.

2.2.2. 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따른 구리 저장용기 가스 발생

구리 저장용기 부식에 의한 가스 발생 기작은 산화-환경에 따라 다르게 나타나는데, SNF 처분장 운영 초기에는 처분장 공동 건설 시 초기 유입된 O2가 지하수에 용해되어 형성되는 산화환경이 형성되며, 이 경우 지하수와 반응하여 구리용기 표면이 산화되어 Cu+, Cu2+, CuCl2-로 용해된 후 Cu2O로 침전된다. 또한 용존된 O12가 소비되어 OH-를 생성하며 Cu2+, CuCl2-와 반응하여 CuCl2·3Cu(OH)2의 화합물 형태로 침전된 후(Fig. 9), 재용해 과정을 거쳐 이온화 상태로 완충재와 충진재 내부로 이동하거나 재침전될 수 있다. 저장용기와 접촉한 지하수 내 O2가 소비됨에 따라 환원환경으로 변환되며, 이 때 구리 저장용기 표면에서는 다양한 반응이 발생하는데(Fig. 10), 먼저 지하수 내 존재하는 HS-와 양극 산화반응이 시작된다. 주 반응은 Cu의 용해와 침전으로 구리가 용해되면서 Cu(HS)ADS(ADS : adsorption)를 생성하고 지속적인 구리의 용해와 흡착에 의해 지하수 내 sulphide가 소진될 때 까지 황화광물(Cu2S)이 침전되면서 H2S 가스를 형성한다. 이후 음극 환원 반응이 진행되면서 H2 가스가 발생하게된다(King et al., 2013)(Fig. 10). 생성된 H2S 가스와 H2 가스는 가스상 자체로서 거동뿐 아니라, 지하수의 pH 변화 및 광물 용해 반응을 가속화시키며 점진적으로 다중방벽의 안전성을 위협하게 된다.

Fig. 9. Corrosion on surface of copper canister by dissolved O2 in groundwater (oxidized environment).
Fig. 10. Corrosion and H2 gas generation due to reaction with sulphide ions in groundwater on the surface of copper canister (reduction environment).

2.2.3. 철주물 지지대 부식에 의한 가스 발생

SNF를 밀봉하는 철주물(cast iron)의 경우, 구리 저장용기벽에 의해 물과의 접촉이 차단되는 한 비교적 안정하게 유지되며, SNF로부터 생성되는 가스상의 부분압이 10 MPa을 초과하지 않는 경우 구리 저장용기에 의한 밀폐가 가능한 것으로 보고되었다(Smart et al., 2002). 다만 외력이나 발생 가스 압력 증가에 의해 저장용기 파열이 발생하여 철주물 지지대와 물이 접촉하는 경우, 반응 초기에는 고온의 호기성 환경에서 진행되나, 후기에는 저온의 환원성 환경에서 부식이 진행된다. 산소가 존재하는 호기성 환경에서는 용존 산소가 철과 반응하여 지하수 용존 이온 종류에 따라 다양한 Ferric salt을 형성한다. 지속적인 반응에 의해 용존 산소가 소비된 후 산소가 없는 환원 환경으로 변환되어 Fig. 11과 같은 추가 부식반응이 진행되며 H2 가스를 발생시킨다.

Fig. 11. H2 generation by redox reaction on the surface of cast-iron insert.

2.3. 다중 방벽 내 가스 발생

현재 우리나라는 심지층 처분장 부지가 확정되어 있지 않아, 실제로 처분장 부지를 건설·운영 중인 스칸디나비아 반도 3개의 심지층 처분장(핀란드 Olkiluoto 부지, 스웨덴 F orsmark와 Laxemar 부지 등) 암석인 화강암과 결정질 변성암층을 대상으로 진행되었던 연구 결과들을 바탕으로, 저장소 방벽 내에서 발생 가능한 가스 생성/소비기작을 아래에 정리하였다.

2.3.1. 천연 방벽 내 H2 가스 생성/소비 기작

지하 심부 기원의 H2 가스는 맨틀 생성 시 포획된 가스의 탈기과정이나, 염기성암의 사문석화(serpentinization), 지질 매체(암반) 내 방사성물질 붕괴에 의한 물분자의 방사선 분해(water radiolysis) 결과로 생성될 수 있다(Delos et al., 2010). H2 가스 소비(consumption)는 산소와 결합하여 물을 생성시키거나, 황산염 환원 반응, Fischer-Trophsch 반응 등에 의한 소비가 대표적인데, 지질 매체 내에서 발생하는 대표적인 H2 가스의 생성과 소비 기작을 정리하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1 Generation and consumption of H2 from the natural barrier origin

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
Radiation decomposition of water moleculesH2O → 2H· + O·
2H· → H2
Vértes et al. (2003)
Serpentinization of olivine6Mg1.8Fe0.2SiO4 + 8.2H2O →
1.8Mg(OH)2 + 3Mg3Si2O5(OH)4 + 0.4Fe3O4 + 0.4H2
McCollom et al. (2016)
Oxidation of H22H2 + O2 → 2H2O(almost impossible)Delos et al. (2010)
Sulfate reduction4H2 + 2H+ + SO42- →H2S + 4H2OHao et al. (1996)
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar (1990)
Acetic acid generation / carbonate reduction2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2ODelos et al. (2010)


2.3.2. 천연 방벽 내 He 가스 생성/소비 기작

4He의 주된 생성 기작은 지각 암석 내 방사성원소인 U과 Th의 α붕괴이고, 3He는 6Li의 열중성자포획(thermal neutron capture)과정에 의해 형성되며, 자연적인 소비 과정은 거의 없는 것으로 알려져 있다(Ballentine and Burnard, 2002). 대기 중의 3He/4He 비율(RA)은 1.4 × 10-6 정도이나, 암석 내 방사성붕괴에 의해 4He가 증가하므로 저장소심부 지하수 내 3He/4He 비율은 10-8까지 감소하는 것으로 나타난다. 선행 연구에 의하면 핀란드 Olkiluoto 부지의 경우, 심부 지하수 내 He는 주로 지질 매체 내 방사성붕괴나 심부 지각의 탈기 과정이 주요 발생 원인으로 밝혀졌으며, 일부 천부 지하수(100 m 깊이 이내)에서는 대기로부터 확산에 의한 He의 추가 유입도 이루어지고 있는 것으로 보고되었다(Pitkänen and S. Partamies, 2007).

2.3.3. 천연 방벽 내 CH4 가스 생성/소비 기작

CH4의 경우 마그마의 탈기 과정이나 용존된 CO2의 환원에 의한 무기 기원의 CH4 형성과정이 중요하며, 산화철 촉매 존재 하에서 상압이나 고압-고온하에서 CO와 H2로 이루어진 소위 합성 가스를 탄화수소물로 바꾸는 Fischer-Tropsch 반응이 대표적이다(Schoell, 1988; Whiticar, 1990; Bougault et al., 1993; Lollar et al., 1993). 유기 기원의 CH4 형성은 지표면 근처에서 일어나며, 생물학적 메탄생성 대사기작에 의해 발생한다. CH4 가스 소비 기작은 CH4 산화, 황산염환원, 3가철 환원과정에 의해 이루어 진다(Table 2).

Table 2 Generation and consumption of CH4 from the natural barrier origin

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
CH4 generation / carbonate reductionCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2ODelos et al. (2010)
CH4 generation by FermentationCH3COOH → CH4 + CO2
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell. (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar. (1990)
Low-grade metamorphismC + 2H2 → CH4Delos et al. (2010)
Oxidation of CH4CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Sulfate reduction / CH4 oxidationCH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2OHao et al. (1996)
Iron reduction / CH4 oxidation8Fe3+ + CH4 + 2H2O → 8Fe2+ + 8H+ + CO2Delos et al. (2010)


2.4. 미생물 활동에 의한 가스 발생

처분장 지하수 내 미생물 활동은 저장소 깊이와 지하수 환경을 고려하면 무산소환경에서 분해가능한 유기물을 분해시켜 CO2, CH4 등으로 전환시키는 과정과 황산염(sulphate) 이온을 기질로 이용하여 H2S를 생성하는 일련의 생분해 과정들을 포함한다. 주로 혐기성 환경에서 황산염환원균(sulphate reducing bacteria; SRB), 아세트산 생성균(acetogenic bacteria), 메탄생성균(metanogenic bacteria) 등에 의해 CH4, H2의 생성/소비 반응이 일어난다(Table 3)(Thauer et al., 1977; Muyzer and Stams, 2008).

Table 3 Microbial decomposition mechanism in anaerobic environment

MechanismReaction formulaGenerative energy (ΔGo : kJ/reaction)References
Sulfate reduction reaction4H2 + SO42– + H+ → HS– + 4H2O-151.9Thaue et al. (1977)
Acetate– + SO42– → 2 HCO3– + HS–-47.6
Propionate + 0.75SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.75HS- + 0.25H+-37.7
Butyrate- +0.5SO42- → 2Acetate- + 0.5HS- + 0.5H+-27.8
Lactate- + 0.5SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.5HS--80.2
Acetic acid generation reactionPropionate- + 3H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 3H2+76.1
Butyrate- + 2H2O → 2Acetate- + H+ + 2H2+48.3
Lactate- + 2H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 2H2-4.2
CH4 Generation reaction4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O-135.6
Acetate- + H2O → CH4 + HCO3--31.0
Self-acetic acid production reaction4H2 + 2HCO3- + H+ → Acetate- + 4H2O-104.6
Lactate- → 1.5Acetate- + 0.5H+-56.5


SRB의 경우 고급지방산, 방향족화합물, 프로피오닉산, 아세트산 등을 전자공여체로 황산염을 전자수용체로 환원하여 H2S 가스를 생산한다(Muyzer and Stams, 2008). 주로 처분장 주변 지하수에서는 CH4 생성균과 SRB가 경쟁적으로 유기물 분해를 일으키는 것으로 알려져 있으며, CH4 생성균은 황산염 농도가 높은 조건보다는 농도가 낮은 담수 혐기성 조건에서 활발한 분해를 일으키는 것으로 알려져 있다. SRB는 전자공여체로 H2를 소비하므로, 저장소 내에서 발생한 H2 가스를 제어하는 기작으로 활용이 가능할 것으로 판단되나, 지하수 내 sulphide 이온(HS-)을 지속적으로 공급하여 추가적인 H2 가스 발생과 부식에 영향을 줄 수 있다. 따라서 저장소 방벽 내에서 SRB 분해작용에 의한 발생 가스의 생성·소비 과정에 대한 연구는 매우 중요할 것으로 판단된다. 지하수 내 황산염유무에 따른 SRB에 의한 대표적인 유기물 분해와 연관된 가스의 생성·소비 과정을 도식화하여 F ig. 1 2에 나타내었다.

SRB의 황산염 분해작용은 저장소 주변 지하수에 지속적인 황화수소 이온(HS-)을 공급하는 주요 공급원으로 작용이 가능하며, 다른 지화학반응과 연계되는 경우 추가적인 가스 발생원이 될 수 있다. 연료저장용기 내 철주물이나 구리의 산화반응과 SRB의 분해작용이 동시에 발

생하는 경우, 아래와 같은 연계 반응이 발생하며 이는 저장소 매질 내 추가적인 H2 가스의 생산과 소모에 영향을 줄 수 있다(Smart et al., 2002).

① 혐기성 미생물의 Hydrolysis와 Fermentation에 의한 H2 가스 생성

② SO42- + 4H2 + H+ → HS- + 4H2O : SRB에 의한 분해 → 지하수에 지속적으로 HS- 공급

③ Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 가스 생성 → Fe(OH)2 생성 Cu + Cu(HS)ADS + HS- → Cu2S + H2S 가스 생성 + e- 2HS- + 2e- → H2 가스 생성 + 2S2-

④ HS- + Fe2+ → FeS iron sulphide 침전 + H+ → FeS 용해에 의한 지하수에 지속적으로 HS- 공급

3.1. 처분장 내 생성 가스의 잠재적 이동 경로

지하 처분장 내에서 생성된 가스의 성상 및 축적 양상은 기체의 생성률, 공극수에 대한 기체의 용해도, 용존상 기체의 확산도 등에 따라 결정되며, 생성된 기체는 시간의 경과에 따라 압력을 축적하여 자유상 기체 형태나 용존상으로 완충재 내부를 통과하게 된다. 이후 처분공 외부의 처분지층의 암반이나 뒷채움재로 밀봉·완결된 지하시설을 통해 지표생태계까지 유출될 수 있다(Fig. 13).

3.1.1. 공학적 방벽인 완충재(buffer brick) 내 거동

지하 처분장 건설 시 SNF 저장용기와 처분공 사이 공간을 메우는 완충재로는 주로 압축벤토나이트 블록을 사용하는데, 이는 상대적으로 높은 공극률(20 ~ 40%)을 가지지만 처분완료후 오랜 기간의 지하수 유입에 의해 물로 포화되면 벤토나이트의 층간 팽창으로 공극의 대부분이 기체의 흐름에 기여할 수 없게 되어, 자유상 기체의 이동과 이와 동반하는 핵종의 외부 유출을 최소화할 수 있는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2022). 가스의 완충재 내부 진입 및 통과 과정은 처분환경의 열-수리-역학적 상호 작용에 의해 영향을 받게 되는데, 용기의 부식 등 여러가지 요인으로 인한 기체의 발생이 누적되면 부분압이 증가하게 되고, 완충재의 차폐능을 능가하는 경우 방벽외부 또는 뒷채움재로의 유출이 발생한다.

3.1.2. 충진재(back fill: 뒷채움재) 내 거동

처분완료후 작업터널, 진입로, 환기통로 등의 지하 공동시설은 쇄석, 콘크리트 블록, 점토(주로 벤토나이트) 등을 활용한 뒤채움재로 채워지는데, 이 폐쇄된 통로가 완충재를 통과한 기체의 잠재적 이동 경로로 작용할 수 있다. 충진재 내부에서의 가스 거동은 특히 지하시설의 구조와 함께 뒷채움재의 공극률, 투과도 등 수리지질학적 물성, 채움상태의 기밀성 등에 의해 영향을 받게 되는데, 대부분의 경우 충진재의 공극률이 완충재나 천연 방벽보다 커, 뒷채움재 영역으로 유입된 기체의 일부는 연결된 공극구조를 따라 빠르게 확산되거나, 일부는 뒷채움재와 처분지층의 암반 사이에 존재하는 손상영역에 유입되어 단열을 따라 이동하는 지하수 흐름에 동반하여, 자유상이나 용존상태로 확산될 수 있다. 압축벤토나이트 블록으로 이루어진 완충재에 비하여 상대적으로 높은 공극률을 지닌 뒷채움재의 공극은 누출된 기체가 장기간에 걸쳐 격리되는 부수적인 저장소의 역할을 담당하기도 한다.

3.1.3. 손상된 천연 방벽 영역 내 거동

처분장에 설치하는 처분공이나 작업터널 등 시설들의 주변 암반에는 굴착시의 충격으로 인해 수많은 미세균열이 존재하는 환형의 손상영역이 존재한다. 지하 심지층에 작용하는 높은 압력으로 인한 손상 영역에서 발생한 균열의 폐쇄가 발생하여, 외부 암반층에 비해 공극률과 투과도는 큰 차이를 나타내지는 않지만 매우 낮은 인장강도를 가질 수 있다. 따라서 완충재나 뒷채움재로부터 유출된 기체가 손상영역에 지속적으로 유입되어 압력이 축적되면 미세균열 사이의 연결성이 회복되어 지하수와 기체 흐름의 통로로 작용할 수 있게 된다. 광역적으로 손상영역의 균열이 주변 암반층의 단열과 연결되면 확산과 이류에 의한 기체의 흐름과 이에 동반되는 방사성핵종의 이동도 일어날 수 있다.

3.1.4. 천연 방벽 내 거동

처분 암반층이나 처분장 덮개층을 통한 기체의 이동은 암반 내에 존재하던 공극이나 단열, 또는 생성 가스의 압력 축적으로 신규로 발생한 미세균열을 통한 이류나 확산 기작을 통해 가능하므로, 처분장 건설 시 가급적 공극이 작고 균열이 적으며, 지구조적으로 안정한 결정질기반암을 선정하게 된다(Jung et al., 2013). 대부분의 풍화되지 않은 자연 암반층의 경우 유체의 흐름은 매질의 이방성에 의해 주로 층리면에 평행한 수평방향으로 이루어지므로, 처분지층 또는 덮개층의 수평적 규모가 클수록 확산에 의한 기체의 수직적 이동은 제한되며 보다 효과적인 천연 방벽으로 작용할 수 있다. 단열과 같은 대규모 불연속면을 제외하면 기체의 이동은 주로 수평에 가까운 방향으로 일어나며, 일반적인 수직적 이동은 지하수로 포화된 공극 구조를 통한 용해와 확산에 의해 일어나므로(대부분 확산 기작), 천연 방벽 내 가스의 평균 거동 속도는 매우 낮을 것으로 예측된다(Johnson et al., 2004). 위에서 언급한 SNF 저장 용기부터 지표생태계에 이르는 저장소 내 가스의 전 이동 경로 중에서 천연 방벽인 지하 암반층이 가스 및 방사성핵종 거동을 지연시키거나 제한하는 가장 효과적인 방벽 체계로 알려져 있다.

3.2. 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따른 가스 거동 특성

심지층 처분장 내 다중 방벽 시스템의 지질학적, 물리화학적 환경은 SNF의 매립 이후 시간 경과에 따라 변화하게 되며, 다양한 가스가 발생하게 된다. 이러한 심지층 처분장의 진화 과정은 가스의 발생 및 거동 특성에 따라 여러 단계로 세분화될 수 있으며, 본 연구에서는 선행 연구 결과들을 고찰하여 처분장 진화 과정에 따른 가스 거동 시나리오와 가스 거동 특성에 대해 진화 단계 별로 정리하였다(Fig. 14).

3.2.1. SNF 저장소 진화과정 초기 단계(저장 후 약 100년 이상)

SNF 지하 저장 후 초기 단계에서는 폐연료봉에 잔류한 우라늄과 핵분열생성물들의 방사성붕괴로 방출되는 열에 의해 저장용기 표면은 고온을 유지하나, 처분공과 저장용기 사이를 채운 완충재(주로 압축 벤토나이트 블록)내 공극이 초기에는 불포화 상태로 유지되기 때문에 저장용기 주변은 지화학적으로는 안정하다(Kim et al., 2021). SNF로부터 지속적인 핵분열과정에 의해 He 등 가스가 발생하나 기체 생성이 소규모로 이루어지기 때문에 생성 가스의 부분압(partial pressure)이 낮아, 철주물과 구리 저장용기가 불량하게 제조되지 않았다면 저장 초기단계에서 부분압 증가에 따른 저장용기 파열에 의한 용기 외부로의 가스 유출 가능성은 낮다. 만약 외부 환경변화에 의한 저장용기 파괴나 완충재 균열 발생 시, 저장 용기로부터 불포화된 완충재 매질 내 가스 이동은 가스의 압력 구배에 따라 균질한 모래 매질 공극 내 거동이나 공극률이 큰 파쇄영역(fracture zone) 내 가스 거동과 유사한 경향을 보인다. 따라서 불포화 상태의 완충재 매질과 충진재 매질 내 가스상 이동은 가스의 부피 변화를 고려한 Darcy’s law 적용이 가능하다. 이미 지하수로 포화되어 있는 천연 방벽인 경우, 외부 환경변화에 의한 암반 내 발생하는 균열을 따라 자유상의 기체가 이동할 수 있으나, 대부분의 가스는 저장용기로부터 멀어질수록 온도 감소 및 수분 포화도 증가에 따라 “폐연료봉 기원의 생성 가스 주입압(Gas entry pressure: Pg) < 완충재 방벽 내 총공극압(Total pore pressure: Ptp)” 조건이 되어 가스 이동은 정지하게 되고 완충재나 천연방벽 매질 내에 버블 상태로 포획된다(Neretnieks and Ernstson, 1996). 선행 연구에 의하면 이러한 저장소 진화과정 초기단계는 저장 후 수 백년 기간인 것으로 예측하고 있다(Kim et al., 2021).

3.2.2. 완충재 매질이 물로 완전히 포화되는 단계(산화환경)

SNF 저장 시간이 경과함에 따라 방사성 붕괴 반감기가 짧은 핵분열 생성물에 의해 방출되는 열과 방사선의 양은 급격히 감소하여 구리 저장용기 주변의 온도가 낮아지고, 천연 방벽으로부터 지하수가 유입되어 완충재와 뒷채움재의 공극은 시간이 지남에 따라 주변 지하수로 포화된다. 저장소 건설 과정에서 저장소 공동에 유입된 O2에 의해 호기성 환경이 유지되어 완충재로 유입되는 초기 지하수는 용존상태의 산소를 일부 포함하게 되며, 지하수와 접촉하는 구리 저장용기의 표면에서는 산화 반응에 의한 부식이 시작된다. 저장용기로부터 포화된 완충재 매질 내부로 가스가 주입되기 위해서는 부식이나 방사선 분해 등의 이유로 생성되는 가스들의 총 압력(주입압: Gas entry pressure)이 완충재의 공극수압과 팽창압을 합한 총 공극압을 초과해야 한다(Gas entry pressure: Pg > Total pore pressure: Ptp). 저장용기 표면을 덮고 있는 완충재 매질이 물로 완전히 포화되지 않은 경우 완충재(주로 벤토나이트)가 완전히 팽창하지 않기 때문에 완충재 내부로의 가스 이동은 공극에 충진된 물을 밀어내는 viscous-capillary에 의한 이동이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 포화도가 증가하면 할 수록, 초기 포화유체(공극수)에 비해 진입유체(생성가스)의 점성력이 매우 낮기 때문에 매우 느린 속도로 이동하게 되며, 완충재가 완전히 포화되는 경우, 완충재 매질의 팽창과 주변압 증가에 따라 총 공극압이 증가하게 되어 가스 주입압보다 높아지면서 공극 내 자유상 가스 이동은 멈추게 된다. 이 경우 가스는 공극수의 용해도에 따라 부분적으로 용해되고 지하수 내 확산에 의해 오랜 시간 동안 서서히 완충매질 내부로 이동하게 된다. 저장 시간이 더 진행됨에 따라 핵분열생성물의 붕괴와 구리 저장용기 부식작용의 추가 감소로 인해 발생하는 가스압이 감소하여 Pg < Ptp 상태가 유지되어 되어, 완충재 매질 내로의 가스 주입은 중단되고, 이미 매질 내로 침투한 가스는 버블 형태로 공극 내 포획된다.

3.2.3. 완충재 매질이 팽창하는 단계(환원환경)

완충재의 포화 이후 약 500년 이상의 지나면 처분장 다중 방벽 시스템은 완전히 물로 포화된다. 저장소 깊이를 500~1,000 m로 가정하고, 물로 포화된 완충 매질의 팽창압을 고려할 경우 완충재 매질의 총 공극압(Ptp)은 약 5~10 MPa 범위일 것으로 판단된다(Kim et al., 2021). 따라서 압축벤토나이트 완충재가 물로 포화되면 생성된 기체가 완충재 내로 유입하는데 더 큰 진입압력(Entry pressure)이 필요하게 된다. 가스 생성량이 완충재 내 확산과 점성-모세관 2상 유동에 의한 유출량을 능가하여 축적된 자유상 기체의 압력이 외부로부터 완충재에 작용하는 전응력보다 커지게 되면 기체의 압력에 의해 기존의 공극이 확장되며 매질의 구조가 변형되는 체적팽창(dilatancy)이 발생하고, 그로 인해 생성된 미세균열(microfracture)을 따라 기체가 이동하는 선택적 흐름(preferential flow)이 가능하게 된다(Horseman et al., 1999; Graham et al., 2012). 이러한 체적팽창에 의한 가스 거동은 주로 낮은 인장강도를 지닌 점토질 토양이나 암석에서 나타나는데, 암체에 작용하는 최소주응력을 초과하는 기체 압력을 암체가 견뎌낼 수 없기 때문에 발생하는 독특한 현상이다(Marschall et al., 2005). 체적팽창이 발생하는 다공성 매체 내부에서는 공극구조 변화뿐 아니라 그로 인한 수리지질학적 특성(고유투과도, 포화도-모세관압-상대투과도 관계 등) 변화도 수반된다. 따라서, 방벽 매질 내 체적팽창에 의한 기체 유동을 수학적으로 모의하기 위해서는 역학적 변형이 흐름 특성에 미치는 영향을 고려한 수리-역학적 연계 해석(coupled hydro-mechanical analysis: HM) 또는 처분 용기에서 발생하는 붕괴열에 의한 변형을 함께 고려하는 열-수리-역학적 연계 해석(coupled thermo-hydro-mechanical analysis: THM)과정이 수행되어야 한다(Kwon and Cho, 2007; Lee and Cho, 2007; Lee et al., 2019).

완충재 내 존재하는 가스는 추가적인 가스 주입이 없거나 방벽 매질 공극 내 Ptp 감소가 발생하지 않으면 포획상태가 유지되는데, 다중 방벽 시스템 내 저장용기 주변은 환원환경으로 변환되며, 이 때부터는 지하수 내 HS- 반응과 미생물 활동이 주요 가스 발생 기작이 된다. 다만 포화된 완충재 매질의 총 공극압이 높게 유지됨으로 인해 Pg > Ptp 상태가 될 때까지 각 가스의 용해도에 따라 일부 용해되어 지하수 내 확산 기작에 의한 이동이 가능하게 되며, 가스의 확산에 의한 이동은 “Fick’s law”를 적용하여 매질 내 가스 이동 예측이 가능하다(Delos, 2010).

3.2.4. 생성 가스가 저장소 외부 경계 영역에 도달하는 단계

SNF 저장소 진화 과정 중 마지막 단계로서, 다중방벽시스템 내부에서 발생한 가스 주입압이 총 공극압을 초과하는 경우 dilatancy에 의한 국부적인 경로 팽창에 따른 이류나, 가압파쇄에 의한 인장절리를 따라 발생하는 흐름인 ‘thief zone flow’를 통해 자유 기체상이 단일 혹은 핵종을 대동하여 저장소 외부로 유출하게 되는 단계이다. 저장소 내 추가 확산 방지 장치나 설비가 가동되지 않는다는 가정하에 최소 100,000년 이상을 목표로 처분장을 설계하게 된다. 저장소 천연 방벽인 기반암층의 경우 미세 공극으로 이루어져 있으며, 절리나 파쇄영역이 적어 생성 가스가 용존상태로 이류나 확산을 통해 이동할 수 있지만 거동 속도는 매우 낮을 것으로 판단되나, 가압파쇄와 같은 파쇄영역이 처분장 방벽에서 발생하는 경우 그 기간이 단축될 수 있다. 가압파쇄의 경우 저류층의 수리자극(reservoir stimulation)에서 발생하는 수압파쇄(hydro-fracturing)와 유사한 현상으로, 빠른 속도의 기체 생성으로 급격하게 축적된 압력이 국지적으로 최소 주응력과 인장 강도의 합을 능가하여 암석 내부에 인장절리가 발생하고 이 균열을 따라 기체의 흐름이 발생하게 된다(Valkó et al., 1995; Cui et al., 2021). 인장절리를 따라 발생하는 흐름은 기체 단일상의 흐름(single-phase flow)으로 고려되며, 절리 내 기체의 압력이 암반에 작용하는 최소 주응력 이하로 감소하면 절리가 다시 닫히게 되고 인장절리를 통한 기체의 흐름이 중단되게 된다(Ye et al., 2014). 가압파쇄에 의한 인장절리의 발생과 이를 통한 기체의 이동은 전통적인 흐름 이론으로 설명하는데 많은 어려움이 내재되어 있는 문제이므로, 암석의 균열과 강도에 관한 역학적 고려를 포함하는 수리-역학적 연계 해석에 관한 연구가 선행되어야 한다.

HIW 영구 처리를 위해 건설될 SNF 처분장 환경에서 생성되는 가스는 방벽 매질 내 이동성이 크므로, 처분장 방벽 외부로 유출 시 방사성 핵종과의 복합거동에 의해 처분장 주변 생태계에 큰 영향을 끼칠 수도 있다. 따라서 지하 처분장 설계 전 다중 방벽 별 가스 생성 및 거동 특성을 처분장 환경 조건에서 명확하게 규명할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내 SNF 처분장에서 생성 가능한 가스 발생 기작과 방벽 매질 내에서 가스의 거동 특성과 관련하여 지금까지 수행하였던 국내외 선행연구 결과들을 고찰하였으며, 처분장 내 주요 가스 생성 기작과 처분장 진화과정에 따른 방벽 내 가스 거동 기작을 단계별로 정리하였다. 본 연구에서 정리된 주요 가스 생성 기작과 거동 특성 자료를 바탕으로, 국내 SNF 지하 처분장 건설 시 가스-핵종 거동에 의한 다중 방벽의 안전성을 검증하기 위한 다양한 연구와, 가스-핵종 유출을 방지할 수 있는 다중 방벽 설계가 수행되기를 기대한다.

이 논문은 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 및 한국연구재단의 지원(No.2021M2E1A1085202)을 받아 수행되었습니다.

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Article

Review

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Published online April 30, 2023 https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Review for Mechanisms of Gas Generation and Properties of Gas Migration in SNF (Spent Nuclear Fuel) Repository Site

Danu Kim1, Soyoung Jeon1, Seon-ok Kim3, Sookyun Wang3, Minhee Lee2,*

1Major of Earth and Environmental Sciences, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University
2Major of Environmental Geosciences, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University
3Department of Energy Resources Engineering, Pukyong National University

Correspondence to:*heelee@pknu.ac.kr

Received: February 17, 2023; Revised: March 22, 2023; Accepted: April 1, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

Gases originated from the final SNF (spent nuclear fuel) disposal site are very mobile in the barrier and they may also affect the migration of radioactive nuclides generated from the SNF. Mechanisms of gas-nuclide migration in the multi-barrier and their influences on the safety of the disposal site should be understood before the construction of the final SNF disposal site. However, researches related to gas-nuclide coupled movement in the multi-barrier medium have been very little both at home and abroad.
In this study, properties of gas generation and migration in the SNF disposal environment were reviewed through previous researches and their main mechanisms were summarized on the hydrogeological evolution stage of the SNF disposal site. Gas generation in the SNF disposal site was categorized into five origins such as the continuous nuclear fission of the SNS, the Cu-canister corrosion, the oxidation-reduction reaction, the microbial activity, and the inflow from the natural barriers. Migration scenarios of gas in porous medium of the multi-barrier in the SNF repository site were investigated through reviews for previous studies and several gas migration types including ① the free gas phase flow including visco-capillary two-phase flow, ② the advection and diffusion of dissolved gas in pore water, ③ dilatant two-phase flow, and ④ tensile fracture flow, were presented.
Reviewed results in this study can support information to design the further research for the gas-nuclide migration in the repository site and to evaluate the safety of the Korean SNF disposal site in view points of gas migration in the multi-barrier.

Keywords compacted bentonite, SNF disposal site, gas migration, multi-barrier, radioactive nuclide

사용 후 핵연료 처분장 내 가스의 발생 기작 및 거동 특성 고찰

김단우1 · 전소영1 · 김선옥3 · 왕수균3 · 이민희2,*

1부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공
2부경대학교 지구환경시스템과학부 환경지질과학전공
3부경대학교 에너지 자원공학과

Received: February 17, 2023; Revised: March 22, 2023; Accepted: April 1, 2023

요 약

사용 후 핵연료(SNF: spent nuclear fuel) 지하 처분장에서 발생된 가스는 처분장 내에서 자체로 이동성이 클 뿐 아니라, 처분장 내 방사성핵종 거동에도 영향을 줄 수 있다. 지하 처분장 방벽 내에서 가스-핵종 발생 및 거동 기작에 대한 연구와 가스 거동이 처분장의 안전성에 미치는 영향에 대한 연구가 처분장 건설 이전에 충분히 수행되어져야 함에도 불구하고, 처분장 다중 방벽 내 가스-핵종 거동에 대한 연구는 국내는 물론 국외에서 조차 매우 초보적인 단계이다.
본 연구에서는 지하 SNF 처분장 내 가스 발생과 거동 특성과 관련된 국내외 선행연구 결과들을 고찰하여, 가스 발생/거동 기작을 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따라 분류하여 설명하였다. 처분장 내 가스 발생을 크게 SNF의 핵분열에 의한 방사성 가스 생성, SNF 저장 용기의 부식에 의한 가스 발생, 지하수의 산화-환원 반응에 의한 가스 생성, 미생물 활동과 천연 방벽 내 지화학적 반응에 의한 가스 생성 등 총 5가지 유형으로 구분하여 정리하였다. 처분장 다중 방벽 내 가스 거동과 관련된 선행연구자료들을 정리하여, 방벽 내 가스 거동 시나리오를 다공성 매체에서 일어나는 거동 형태에 따라, 총 4가지 형태(① visco-capillary 흐름을 포함하는 공극 내 자유상 가스 이동, ② 공극 수 내 용존상 기체로서 이류 및 확산 이동, ③ 체적팽창에 의한 거동(dilatant pathway), ④ 가압파쇄에 의한 인장 절리 흐름 등)로 구분하여 제시하였다.
본 연구를 통해 고찰한 SNF 처분장의 다중 방벽 시스템 내 가스 발생 기작과 거동 특성자료들은, 향 후 지하 SNF 처분장 내 가스-핵종 거동관련 다양한 실험 및 모델링 연구를 계획하고, 국내 건설할 처분장의 안전성을 가스 거동관점에서 평가하는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다.

주요어 압축벤토나이트, 사용 후 핵연료 지하 저장소, 가스 거동, 다중 방벽, 방사성 핵종

Research Highlights

  • Gas generation in the SNF repository could be categorized based on the disposal evolution stage.

  • Gas migration types in barrier include visco-capillary, diffusion, dilatant and fractural flow.

  • Gas generated in the SNF repository can affect the nuclide migration as well as the barrier property.

1. Introduction

국내 대부분의 고준위 방사성 폐기물(High Level radioactive Waste: 이하 ‘HIW’로 표기)은 원전 운영과정에서 발생된 사용 후 핵연료(Spent nuclear fuel: 이하 ‘SNF’로 표기)로 구성되며, 2022년 4사분기 기준으로 경수로와 중수로 수조에서 저장 중이거나, 건식저장시설에서 보관 중인 SNF 저장량은 총 518,861다발(22개 경수로: 21,793 다발, 4개 중수로: 153,508 다발, 건식저장시설 343,560 다발)로, 우라늄의 무게는 약 19,176 tU에 달한다(KHNP, 2021)(Fig. 1). 국내 경수로형의 경우(고리, 한빛, 한울 원전에 해당) SNF는 전량 습식저장시설에 저장하고 있으며, 중수로형인 월성발전소의 경우 습식저장 후 일정 기간을 거쳐 건식저장시설에 임시 보관 중이다(Kim et al, 2015; Lee et al., 2019). 2021년 국내 임시 건식저장시설은 99% 이상 포화가 되었지만 2022년 3월 건식저장시설의 추가 완공으로 인해 현재 임시 건식저장시설의 SNF 포화도는 약 69%로 감소한 상태이다. 하지만 월성과 세울의 경수로 내 저장시설을 제외한 나머지 임시 저장시설의 포화도는 70% 이상으로, 임시 저장된 SNF의 국내영구 처리를 위한 실질적인 대책을 수립하는 것은 매우 시급한 문제가 되었다.

Figure 1. Status of the temporary SNF (spent nuclear fuel) storage in Korea (from KHNP, 2023)(PHWR: Pressurized heavy water reactor, PWR: Pressurized water reactor).

국외에서 지금까지 사용 후 핵연료를 영구처리하기 위해 가장 많이 연구되어온 방법은 심지층 처분법(Geologically deep diposal)으로, 현재 국내에서는 스웨덴의 SKB (Svensk Kärnbränslehannering AB)에서 개발한 KBS-3에 기반한 ‘한국형 기준 처분 시스템(Korean Reference Disposal System; KRS)’에 관한 연구가 진행 중이다(KAERI, 2006; Lee et al., 2007). 심지층 처분법은 지질학적으로 안정한 지하암반(천연 방벽, Natural barrier system)과 공학적 방벽을 결합한 다중 방벽 시스템으로 SNF로부터의 방사성 핵종의 확산을 차단하는 시스템으로 구성된다. 현재까지 천연방벽으로 제안된 지하암반은 주로 화강암, 변성암 등의 결정질 암석이었으나, 처분장 환경에 따라 이암, 셰일, 응회암 등의 퇴적암 또는 퇴적 변성암, 암염 층 등도 대상암반으로 고려되고 있다(IAEA, 2003). 지하 심부 천연 방벽(약 400~500 m 깊이)에 사용 후 핵연료봉(SNF rods) 저장용기(canister), 저장용기를 저장하는 처분공, 처분공과 저장용기 사이 빈공간을 채우는 완충재(buffer), 그 외 처분장 공동을 메우는 뒷채움재(backfill)로 구성된 공학적 방벽을 설계하여 저장소로부터 지표환경으로의 방사성 핵종의 유출을 영구 차단하는(최소 100,000년 이상)방법이다. 위 처분법에 따르면 사용 후 핵연료봉으로부터 핵분열과 방사성붕괴에 의해 발생하는 에너지와 열을 원자력 발전소 내 임시 저장시설에서 감소시킨 후, 연료봉 다발을 철주물에 고정시키고 구리 저장 용기에 밀봉하여 수직(또는 수평)으로 설계된 대규모 지하 공동에 저장하고, 밀봉하는 일련의 과정을 거친다(Fig. 2). 지하 처분장에 SNF를 영구 저장한 후부터 처분장은 SNF 저장시간에 따른 수리지질학적 진화과정(Hydrogeological evolution process)을 거치게 되는데, 특히 SNF 저장 용기 주변 다중 방벽 시스템의 환경은 구리 저장용기에서 방출하는 열과 지하수의 포화, 벤토나이트 완충재의 팽창, 기반암으로부터의 응력 등 다양한 열-수리-지구화학-역학적 반응에 영향을 받게 된다. 특히 진화 과정에 따라 다양한 가스가 처분장 내에 생성/유입 될 수 있으며(Wikramaratna et al., 1993; Bond et al., 1997), 지하 처분환경에서 생성/유입되는 가스는 자체로 매질 내 이동성이 크고, 특히 반응성 가스의 경우 처분장 내 방사능 핵종 거동에 영향을 줄 수 있다고 보고되고 있다(Horseman et al., 1999; Jacops et al., 2015). 가스상은 인공 방벽 매질 내에서 용존상보다 빠른 속도로 이동이 가능하여 처분장 외부로의 가스누출 가능성이 존재하며, 생성 가스압이 처분장 방벽 내 공극압 보다 큰 경우 가스상 경계면에 방사성 핵종이나 콜로이드의 흡착에 의하여 방벽 내 빠른 가스-핵종 이동(복합 거동)이 가능할 것으로 밝혀졌다(Neretnieks and Ernstson, 1996; Bourgeat et al., 2009; Zhang et al., 2014; Xu et al., 2017). 처분장 다중 방벽 내에서 가스에 의한 방사성 핵종의 거동 변화는 처분장 외부로의 핵종 확산을 방지하는 차원에서 반드시 고려되어야 하나, 현재까지 국내 연구는 처분장 부지 지하수 내 용존 가스에 대한 농도 자료와 이에 따른 독립적인 가스상 거동 예측 모델링에 제한되었을 뿐, 처분장 내 다중 방벽에서 가스-핵종을 상호 연계한 반응 실험이나 거동 예측 연구는 거의 수행된 바 없다(Gascoyne, 2005; Pitkänen and partamies, 2007; Delos et al., 2010).

Figure 2. Multi-barrier system of KBS-3 type for the SNF disposal (modified from POSIVA, 2020).

처분장 내 생성되는 가스의 거동에 관한 국내 연구는 2000년대부터 시작하여, 처분장 방벽 매질 내 가스 거동모델링에 집중하여 왔다. 하지만 처분장 환경 변화에 따라 다양하게 발생하는 가스와 핵종과의 상호 작용에 대한 연구는 거의 수행된 바 없으며, 단순히 비반응성 가스에 의한 매질 내 물리적 특성 변화 및 공극 내 확산 속도를 예측하는 동력학적 모델링에 한정되었다. 가스의 생성과 유입, 이동을 억제하기 위해 공학적 방벽(Engineering barrier) 중 완충재로 사용되는 압축벤토나이트의 성능을 향상시키거나, 방벽 내 혐기성 박테리아의 번식을 제어하기 위한 연구 등이 일부 진행되었으나, 이러한 생화학적 인자들이 실제 방벽 매질 내 가스상의 거동에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구는 국외에서도 매우 초보적인 단계이다. Cho et al. (2012)은 핵폐기물 저장용기 주변 완충재 및 지하수의 pH조건, 미생물 부존 환경 등에 따라 지하수와 광물의 화학반응 및 가스-핵종의 이동 양상이 달라질 수 있음을 보고하였고, 저장용기가 부식되거나 초기 결함이 존재하는 경우 주변 지하수 유동을 따라 방사성핵종이 유출될 수 있음을 언급하였다. 이러한 선행 연구들은 방벽 매질 내(또는 경계면)에서 가스 이동이 핵종의 이동에 영향을 줄 가능성을 예측할 뿐, 실제 정량적인 가스-핵종간의 질량분배나 이동 속도 차이 등 상호 연계한 실험 결과나 모델링 결과들을 제시하지 못한 한계를 지니고 있다.

본 연구는 처분장 내 가스 생성 및 거동 특성 관련 선행연구 결과들에 대한 이론적 고찰을 바탕으로, 처분장 내 주요 가스의 생성/유입/소비 특성을 가스 생성 기작별로 분리하여 정리하고, 처분장의 시간적 진화과정에 따른 처분장 방벽 매질 내에서 발생 가능한 주요 가스 거동 시나리오를 제시함으로써, 고준위 폐기물 처분장 진화과정에 따른 가스-핵종의 거동 모델 개발과 처분장 설계에 필요한 추가 연구를 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

2. SNF 처분장 내 가스 발생 기작

우리나라의 경우 HIW 처분장 부지가 아직 결정되지 않아, 지하 심부 SNF 저장부지에서 확보한 가스 자료가 부족하여 처분장 내 가스 발생에 관한 국내 연구는 국외선행 연구결과에 대한 검토 수준에 머물러 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저 SNF 지하 처분장에서 발생하는 가스를 원인별로 분류하여 아래에 요약하였다.

2.1. SNF의 지속적인 방사성 붕괴에 의한 가스 발생

원자력발전은 핵연료봉(fuel pellet)에 장착된 핵연료를 원자로 속에서 핵분열을 일으켜, 생성되는 에너지를 이용하여 전력을 생산하는데, 우리나라는 저농축 우라늄(235U: 238U은 약 2~5: 98~95, 단위: %)을 사용하고 있다(Park, 2011). 발생하는 핵분열 에너지 감소 때문에 원자로에서 제거된 SNF는, 반응하고 남은 우라늄, 핵분열생 성물인 239Pu를 포함하는 초우라늄계열 원소(transuranic elements)와 핵분열생성물(fission products) 등으로 구성되며, 연료봉 다발을 구리 저장용기(canister)에 저장하여 이동·보관·영구처리하게 된다(Lee et al., 2007). SNF에서 일어나는 주요 반응은 기존 우라늄과 핵분열생성물인 Mo, Tc, Ru, Rh, Pd(ε-particles: metallic precipitates), Rb, Cs, Ba, Zr, 초우라늄계열 원소 등의 방사성붕괴로, 강한 붕괴열과 방사선, 가스상의 방사선 물질을 방출한다. 하지만 시간에 따라 상대적으로 반감기가 짧은 원소들이 빨리 붕괴하면서 핵분열에 의한 에너지 방출은 급격히 감소하며, 상대적으로 반감기가 긴 239Pu와 actinides 그룹들의 비율이 증가하게 된다. 1000년 정도 지나면 SNF 성분은 반감기가 긴 초우라늄계 원소가 주를 이루게 되며, 플루토늄을 비롯한 초우라늄계 원소는 방사능이 거의 없는 상태가 되기까지 수만 ~ 수십만 년이 소요된다(Taylor, 2015).

2.1.1. SNF의 지속적인 방사성붕괴에 의한 가스 발생

Ewing (2015)와 Ustolin (2020)에 의하면 사용 후 핵연료봉 균열 경계면과 입자 경계를 따라 반감기가 짧고 휘발성이 높은 가스상의 방사성물질들이 포획되어 있으며, 연료봉 바깥 경계부(rim)로 갈수록 Pu양이 증가하고, 비교적 반감기가 긴 방사성물질의 산화침전물이 발견된다고 보고하였고, 폐연료봉에 잔류하는 UO2 입자 표면에 다양한 핵분열생성물이 포획된 기상으로 존재하고 있음을 보여주었다(Fig. 3). 따라서, 핵분열로부터 발생한 방사성물질의 방사성붕괴에 의해 사용 후 핵연료봉으로부터 He, Xe, Kr, I, Cs 등의 가스가 생성될 수 있으며, 이들은 사용 후 핵연료봉에서 자연적으로 생성되는 균열(crack)과 외력에 의한 연료봉 외부막(cladding)의 파열을 통해 가스상으로 누출이 가능하게 된다.

Figure 3. Distribution chart of fission products and crack distributed in SNF Rods (left), cross section of SNF rod (upper right), and photo of gas bubbles present on the surface of SNF rods UO2 particles (lower right) (from Ewing, 2015).

2.1.2. 물 분자 전리에 의한 H2 가스 발생

구리 저장용기가 부식되어 사용 후 핵연료봉과 지하수가 접촉하는 경우, 우라늄의 핵분열에 의해 생성된 방사성핵종의 붕괴과정에서 발생된 방사선(X-ray)과 중성자들이 물분자를 전리시켜 라디칼화하고, 생성된 라디칼이 결합하여 H2 가스를 생성한다(Allen, 1952; Sunder et al., 1990; Sattonnay et al., 2001; Vértes et al., 2003; Carbol and Spahiu, 2005; Hansson et al., 2021). 방사선 에너지 흡수에 의한 물분자의 전리과정과 그와 관련된 반응은 Fig. 4에 정리하였다. 물분자의 방사선 분해 과정에서 티타늄(Ti)와 같은 촉매의 역할이 매우 중요하므로(Hochanadel, 1952; Wada et al., 1995), 처분장의 공학적 방벽을 설계하는 경우, 물분자의 방사선 분해에 의한 H2 발생을 최소화하는 환경을 유지하기 위하여 이러한 촉매 물질들의 함량이 낮은 소재를 처분장 방벽 재질로 선택할 필요가 있다.

Figure 4. Decomposition of water molecules by X-rays and the generation mechanism of H2 (modified from Wada et al., 1995).

2.2. 저장용기 부식에 의한 가스 발생

지하 심부 처분장 내 다중 방벽(multi barrier) 시스템 설계의 첫번째 과정은 사용한 연료봉의 이동에 의한 물리적 훼손을 방지하기 위해 사용한 연료봉을 다발로 묶어 하나의 집합체별로 미리 제조한 철주물(cast iron) 지지대에 고정하고, 철주물 지지대와 지하수의 접촉을 차단하기 위해 부식에 강하고 열전도율이 높은 구리재질의 저장용기 내부에 밀봉하는 것이다(Smart et al., 2002)(Fig. 5). 처분장 폐쇄 후 자연 방벽(천연 암반)으로부터 지하수의 유입에 의해 공학적 방벽(완충재)이 포화되면서, 지하수-구리 반응에 의해 구리 저장용기의 부식/파손이 가능하며, 저장 용기의 부식/파손이 심할 경우, 철주물 지지대 또한 지하수에 접촉되어 부식될 수 있다. 철주물 지지대와 구리 저장 용기의 부식은 심지층 처분장에 저장된 SNF에서 발생하는 가스가 누출되는 첫 단계로, 현재 구리 저장 용기 부식과 관련되어 다양한 연구들이 진행 중이다(Wikramaratna et al., 1993; Bond et al., 1997; Bennett and Gens, 2008; King et al., 2011; King et al., 2013; Ochoa et al., 2013; Huttunen-Saarivirta et al., 2016; Kong et al., 2017; Marja-aho et al., 2018; King and Kolář, 2019). 구리 저장 용기 부식과는 별개로 용기 내 균열이나 외력에 의한 인위적인 용기 파쇄에 의한 가스 누출 가능성도 존재한다.

Figure 5. Structure of SNF rod iron casting support and copper canister used in the SNF repository of Finland (modified from Smart et al., 2002).

2.2.1. 구리 저장용기 부식 과정

부식(corrosion)이란 금속(합금 포함) 표면에서 발생하는 금속의 퇴화현상을 의미하며, 주로 금속이 이온화하는 양극반응에서 발생하는데, 반대로 음극에서는 생성된 전자를 소비하는 H2 생성반응(음극반응)이 일어난다(Uhling and Revie, 2008). 부식반응이 일어나기 위해서는 전자의 이동과 이온전달이 가능한 매체(대표적으로 물)와 금속과의 접촉이 반드시 필요하며, 금속-수용액 접촉으로 연속적 전자 흐름이 가능한 이온화된 금속의 용출(양극반응)과 결합수소 발생(음극반응)이 동시에 일어나야 한다. 따라서 부식을 방지하기 위해서는 물과의 접촉을 차단하거나 금속의 전도체 특성을 방해하여 양극/음극반응을 억제하는 환경을 유지하는 것이 중요하다. 저장소 내 산화환경에서 구리금속 표면이 물과 접촉하는 경우 발생하는 대표적 양극반응(anodic reaction)과 음극반응(cathodic reaction)을 Fig. 6에 나타내었다.

Figure 6. Corrosion reaction of copper canister contacted with groundwater in an oxidized environment.

SNF 지하 처분장의 초기 진화단계에서 형성되는 산화환경을 고려하여, 철주물 지지대와 구리 저장용기 표면에서 발생할 가능성이 높은 부식작용을 아래와 같이 5가지로 분류하였다.

① 전체표면 부식 (Uniform corrosion: 균일부식): 산화환경 초기 단계에서 발생하는 대표적인 금속 표면 부식 형태로, 주로 부식에 의한 표면 함몰(pitting)의 지속적인 생성보다는 전체 노출면을 대상으로 균일한 부식막이 형성된다. 표면과 접촉한 수용액이 염소 용액일 경우 CuCl2∙3Cu(OH)2의 고상의 피막을 형성하며, 탄산이 용해된 수용액의 경우 CaCO3 피막을 형성하여 부식을 지연시킬 수 있다(King et al., 2008).

② 표면의 부분적인 부식(Pitting corrosion: 공식): 지하수에 할로겐원소(주로 Cl)나 전기음성도가 높은 이온들이 포함된 경우, 금속 표면에 형성된 부동태 피막이 파괴되며, 내식성이 좋은 구리 표면이라도 특정 부위를 중심으로 깊게 부식된다. 부식이 시작되면 산화 피막이 있는 구리표면의 넓이 방향보다 깊이 방향으로 부식이 진행되어 용기에 구멍이 생성된다. 특히 합금의 경우 금속입자 경계부를 중심으로 CuCl2- 형성에 의해 피막이 파괴되며 pitting 부식이 진행되고, CuCl2-가 Cu2+로 산화되면서 표면이 CuS 침전에 의해 부식이 지연되나, 지하수 내 Cl- 농도가 유지되는 경우 부식이 깊이 방향으로 지속적으로 진행된다(Fig. 7).

Figure 7. Pitting corrosion from metal surface (modified from D&DCOATINGS, 2023).

③ 응력 균열 부식(Stress corrosion cracking): Pitting 현상과 함께 균열이 동반되며(pitting 부식이 심한 경우), 공식 중심부에서 응력이 발생하여 균열과 구멍이 발생하게 된다. 부식에 의한 구리저장용기 파손의 핵심 기작이며, 폐연료봉에서 생성된 가스상의 핵종과 부식과정에서 음극반응에 의해 발생한 H2 가스의 누출 원인이 될 수 있다(Fig. 7).

④ 생성된 H2에 의한 부식: 부식과정에서 음극에서 형성된 H2가 구리 금속 내부에 포획되는 경우 H2 분압 증가에 의해 금속 내부가 팽창하거나 Metal hydride화 되어 금속의 내부와 표면에 균열이 생기는 ‘hydrogen blistering’이나 ‘hydrogen embrittlement’현상을 의미한다(Fig. 8).

Figure 8. H2 corrosion mechanism occurring on the metal surface and inside (modified from Ustolin, 2020).

⑤ 고온 부식(Temperature corrosion): 지하 저장소 진화 초기단계에서는 SNF 저장용기의 온도가 높으므로, 접촉한 물이 증발하게 되고 지하수 내 질소·황화합물, 탄산염이 존재하는 경우 용기 표면 scale 형성에 따른 부식이 발생한다.

2.2.2. 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따른 구리 저장용기 가스 발생

구리 저장용기 부식에 의한 가스 발생 기작은 산화-환경에 따라 다르게 나타나는데, SNF 처분장 운영 초기에는 처분장 공동 건설 시 초기 유입된 O2가 지하수에 용해되어 형성되는 산화환경이 형성되며, 이 경우 지하수와 반응하여 구리용기 표면이 산화되어 Cu+, Cu2+, CuCl2-로 용해된 후 Cu2O로 침전된다. 또한 용존된 O12가 소비되어 OH-를 생성하며 Cu2+, CuCl2-와 반응하여 CuCl2·3Cu(OH)2의 화합물 형태로 침전된 후(Fig. 9), 재용해 과정을 거쳐 이온화 상태로 완충재와 충진재 내부로 이동하거나 재침전될 수 있다. 저장용기와 접촉한 지하수 내 O2가 소비됨에 따라 환원환경으로 변환되며, 이 때 구리 저장용기 표면에서는 다양한 반응이 발생하는데(Fig. 10), 먼저 지하수 내 존재하는 HS-와 양극 산화반응이 시작된다. 주 반응은 Cu의 용해와 침전으로 구리가 용해되면서 Cu(HS)ADS(ADS : adsorption)를 생성하고 지속적인 구리의 용해와 흡착에 의해 지하수 내 sulphide가 소진될 때 까지 황화광물(Cu2S)이 침전되면서 H2S 가스를 형성한다. 이후 음극 환원 반응이 진행되면서 H2 가스가 발생하게된다(King et al., 2013)(Fig. 10). 생성된 H2S 가스와 H2 가스는 가스상 자체로서 거동뿐 아니라, 지하수의 pH 변화 및 광물 용해 반응을 가속화시키며 점진적으로 다중방벽의 안전성을 위협하게 된다.

Figure 9. Corrosion on surface of copper canister by dissolved O2 in groundwater (oxidized environment).
Figure 10. Corrosion and H2 gas generation due to reaction with sulphide ions in groundwater on the surface of copper canister (reduction environment).

2.2.3. 철주물 지지대 부식에 의한 가스 발생

SNF를 밀봉하는 철주물(cast iron)의 경우, 구리 저장용기벽에 의해 물과의 접촉이 차단되는 한 비교적 안정하게 유지되며, SNF로부터 생성되는 가스상의 부분압이 10 MPa을 초과하지 않는 경우 구리 저장용기에 의한 밀폐가 가능한 것으로 보고되었다(Smart et al., 2002). 다만 외력이나 발생 가스 압력 증가에 의해 저장용기 파열이 발생하여 철주물 지지대와 물이 접촉하는 경우, 반응 초기에는 고온의 호기성 환경에서 진행되나, 후기에는 저온의 환원성 환경에서 부식이 진행된다. 산소가 존재하는 호기성 환경에서는 용존 산소가 철과 반응하여 지하수 용존 이온 종류에 따라 다양한 Ferric salt을 형성한다. 지속적인 반응에 의해 용존 산소가 소비된 후 산소가 없는 환원 환경으로 변환되어 Fig. 11과 같은 추가 부식반응이 진행되며 H2 가스를 발생시킨다.

Figure 11. H2 generation by redox reaction on the surface of cast-iron insert.

2.3. 다중 방벽 내 가스 발생

현재 우리나라는 심지층 처분장 부지가 확정되어 있지 않아, 실제로 처분장 부지를 건설·운영 중인 스칸디나비아 반도 3개의 심지층 처분장(핀란드 Olkiluoto 부지, 스웨덴 F orsmark와 Laxemar 부지 등) 암석인 화강암과 결정질 변성암층을 대상으로 진행되었던 연구 결과들을 바탕으로, 저장소 방벽 내에서 발생 가능한 가스 생성/소비기작을 아래에 정리하였다.

2.3.1. 천연 방벽 내 H2 가스 생성/소비 기작

지하 심부 기원의 H2 가스는 맨틀 생성 시 포획된 가스의 탈기과정이나, 염기성암의 사문석화(serpentinization), 지질 매체(암반) 내 방사성물질 붕괴에 의한 물분자의 방사선 분해(water radiolysis) 결과로 생성될 수 있다(Delos et al., 2010). H2 가스 소비(consumption)는 산소와 결합하여 물을 생성시키거나, 황산염 환원 반응, Fischer-Trophsch 반응 등에 의한 소비가 대표적인데, 지질 매체 내에서 발생하는 대표적인 H2 가스의 생성과 소비 기작을 정리하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1 . Generation and consumption of H2 from the natural barrier origin.

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
Radiation decomposition of water moleculesH2O → 2H· + O·
2H· → H2
Vértes et al. (2003)
Serpentinization of olivine6Mg1.8Fe0.2SiO4 + 8.2H2O →
1.8Mg(OH)2 + 3Mg3Si2O5(OH)4 + 0.4Fe3O4 + 0.4H2
McCollom et al. (2016)
Oxidation of H22H2 + O2 → 2H2O(almost impossible)Delos et al. (2010)
Sulfate reduction4H2 + 2H+ + SO42- →H2S + 4H2OHao et al. (1996)
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar (1990)
Acetic acid generation / carbonate reduction2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2ODelos et al. (2010)


2.3.2. 천연 방벽 내 He 가스 생성/소비 기작

4He의 주된 생성 기작은 지각 암석 내 방사성원소인 U과 Th의 α붕괴이고, 3He는 6Li의 열중성자포획(thermal neutron capture)과정에 의해 형성되며, 자연적인 소비 과정은 거의 없는 것으로 알려져 있다(Ballentine and Burnard, 2002). 대기 중의 3He/4He 비율(RA)은 1.4 × 10-6 정도이나, 암석 내 방사성붕괴에 의해 4He가 증가하므로 저장소심부 지하수 내 3He/4He 비율은 10-8까지 감소하는 것으로 나타난다. 선행 연구에 의하면 핀란드 Olkiluoto 부지의 경우, 심부 지하수 내 He는 주로 지질 매체 내 방사성붕괴나 심부 지각의 탈기 과정이 주요 발생 원인으로 밝혀졌으며, 일부 천부 지하수(100 m 깊이 이내)에서는 대기로부터 확산에 의한 He의 추가 유입도 이루어지고 있는 것으로 보고되었다(Pitkänen and S. Partamies, 2007).

2.3.3. 천연 방벽 내 CH4 가스 생성/소비 기작

CH4의 경우 마그마의 탈기 과정이나 용존된 CO2의 환원에 의한 무기 기원의 CH4 형성과정이 중요하며, 산화철 촉매 존재 하에서 상압이나 고압-고온하에서 CO와 H2로 이루어진 소위 합성 가스를 탄화수소물로 바꾸는 Fischer-Tropsch 반응이 대표적이다(Schoell, 1988; Whiticar, 1990; Bougault et al., 1993; Lollar et al., 1993). 유기 기원의 CH4 형성은 지표면 근처에서 일어나며, 생물학적 메탄생성 대사기작에 의해 발생한다. CH4 가스 소비 기작은 CH4 산화, 황산염환원, 3가철 환원과정에 의해 이루어 진다(Table 2).

Table 2 . Generation and consumption of CH4 from the natural barrier origin.

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
CH4 generation / carbonate reductionCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2ODelos et al. (2010)
CH4 generation by FermentationCH3COOH → CH4 + CO2
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell. (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar. (1990)
Low-grade metamorphismC + 2H2 → CH4Delos et al. (2010)
Oxidation of CH4CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Sulfate reduction / CH4 oxidationCH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2OHao et al. (1996)
Iron reduction / CH4 oxidation8Fe3+ + CH4 + 2H2O → 8Fe2+ + 8H+ + CO2Delos et al. (2010)


2.4. 미생물 활동에 의한 가스 발생

처분장 지하수 내 미생물 활동은 저장소 깊이와 지하수 환경을 고려하면 무산소환경에서 분해가능한 유기물을 분해시켜 CO2, CH4 등으로 전환시키는 과정과 황산염(sulphate) 이온을 기질로 이용하여 H2S를 생성하는 일련의 생분해 과정들을 포함한다. 주로 혐기성 환경에서 황산염환원균(sulphate reducing bacteria; SRB), 아세트산 생성균(acetogenic bacteria), 메탄생성균(metanogenic bacteria) 등에 의해 CH4, H2의 생성/소비 반응이 일어난다(Table 3)(Thauer et al., 1977; Muyzer and Stams, 2008).

Table 3 . Microbial decomposition mechanism in anaerobic environment.

MechanismReaction formulaGenerative energy (ΔGo : kJ/reaction)References
Sulfate reduction reaction4H2 + SO42– + H+ → HS– + 4H2O-151.9Thaue et al. (1977)
Acetate– + SO42– → 2 HCO3– + HS–-47.6
Propionate + 0.75SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.75HS- + 0.25H+-37.7
Butyrate- +0.5SO42- → 2Acetate- + 0.5HS- + 0.5H+-27.8
Lactate- + 0.5SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.5HS--80.2
Acetic acid generation reactionPropionate- + 3H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 3H2+76.1
Butyrate- + 2H2O → 2Acetate- + H+ + 2H2+48.3
Lactate- + 2H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 2H2-4.2
CH4 Generation reaction4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O-135.6
Acetate- + H2O → CH4 + HCO3--31.0
Self-acetic acid production reaction4H2 + 2HCO3- + H+ → Acetate- + 4H2O-104.6
Lactate- → 1.5Acetate- + 0.5H+-56.5


SRB의 경우 고급지방산, 방향족화합물, 프로피오닉산, 아세트산 등을 전자공여체로 황산염을 전자수용체로 환원하여 H2S 가스를 생산한다(Muyzer and Stams, 2008). 주로 처분장 주변 지하수에서는 CH4 생성균과 SRB가 경쟁적으로 유기물 분해를 일으키는 것으로 알려져 있으며, CH4 생성균은 황산염 농도가 높은 조건보다는 농도가 낮은 담수 혐기성 조건에서 활발한 분해를 일으키는 것으로 알려져 있다. SRB는 전자공여체로 H2를 소비하므로, 저장소 내에서 발생한 H2 가스를 제어하는 기작으로 활용이 가능할 것으로 판단되나, 지하수 내 sulphide 이온(HS-)을 지속적으로 공급하여 추가적인 H2 가스 발생과 부식에 영향을 줄 수 있다. 따라서 저장소 방벽 내에서 SRB 분해작용에 의한 발생 가스의 생성·소비 과정에 대한 연구는 매우 중요할 것으로 판단된다. 지하수 내 황산염유무에 따른 SRB에 의한 대표적인 유기물 분해와 연관된 가스의 생성·소비 과정을 도식화하여 F ig. 1 2에 나타내었다.

SRB의 황산염 분해작용은 저장소 주변 지하수에 지속적인 황화수소 이온(HS-)을 공급하는 주요 공급원으로 작용이 가능하며, 다른 지화학반응과 연계되는 경우 추가적인 가스 발생원이 될 수 있다. 연료저장용기 내 철주물이나 구리의 산화반응과 SRB의 분해작용이 동시에 발

생하는 경우, 아래와 같은 연계 반응이 발생하며 이는 저장소 매질 내 추가적인 H2 가스의 생산과 소모에 영향을 줄 수 있다(Smart et al., 2002).

① 혐기성 미생물의 Hydrolysis와 Fermentation에 의한 H2 가스 생성

② SO42- + 4H2 + H+ → HS- + 4H2O : SRB에 의한 분해 → 지하수에 지속적으로 HS- 공급

③ Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 가스 생성 → Fe(OH)2 생성 Cu + Cu(HS)ADS + HS- → Cu2S + H2S 가스 생성 + e- 2HS- + 2e- → H2 가스 생성 + 2S2-

④ HS- + Fe2+ → FeS iron sulphide 침전 + H+ → FeS 용해에 의한 지하수에 지속적으로 HS- 공급

3. SNF 처분장 내 가스 거동 특성

3.1. 처분장 내 생성 가스의 잠재적 이동 경로

지하 처분장 내에서 생성된 가스의 성상 및 축적 양상은 기체의 생성률, 공극수에 대한 기체의 용해도, 용존상 기체의 확산도 등에 따라 결정되며, 생성된 기체는 시간의 경과에 따라 압력을 축적하여 자유상 기체 형태나 용존상으로 완충재 내부를 통과하게 된다. 이후 처분공 외부의 처분지층의 암반이나 뒷채움재로 밀봉·완결된 지하시설을 통해 지표생태계까지 유출될 수 있다(Fig. 13).

3.1.1. 공학적 방벽인 완충재(buffer brick) 내 거동

지하 처분장 건설 시 SNF 저장용기와 처분공 사이 공간을 메우는 완충재로는 주로 압축벤토나이트 블록을 사용하는데, 이는 상대적으로 높은 공극률(20 ~ 40%)을 가지지만 처분완료후 오랜 기간의 지하수 유입에 의해 물로 포화되면 벤토나이트의 층간 팽창으로 공극의 대부분이 기체의 흐름에 기여할 수 없게 되어, 자유상 기체의 이동과 이와 동반하는 핵종의 외부 유출을 최소화할 수 있는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2022). 가스의 완충재 내부 진입 및 통과 과정은 처분환경의 열-수리-역학적 상호 작용에 의해 영향을 받게 되는데, 용기의 부식 등 여러가지 요인으로 인한 기체의 발생이 누적되면 부분압이 증가하게 되고, 완충재의 차폐능을 능가하는 경우 방벽외부 또는 뒷채움재로의 유출이 발생한다.

3.1.2. 충진재(back fill: 뒷채움재) 내 거동

처분완료후 작업터널, 진입로, 환기통로 등의 지하 공동시설은 쇄석, 콘크리트 블록, 점토(주로 벤토나이트) 등을 활용한 뒤채움재로 채워지는데, 이 폐쇄된 통로가 완충재를 통과한 기체의 잠재적 이동 경로로 작용할 수 있다. 충진재 내부에서의 가스 거동은 특히 지하시설의 구조와 함께 뒷채움재의 공극률, 투과도 등 수리지질학적 물성, 채움상태의 기밀성 등에 의해 영향을 받게 되는데, 대부분의 경우 충진재의 공극률이 완충재나 천연 방벽보다 커, 뒷채움재 영역으로 유입된 기체의 일부는 연결된 공극구조를 따라 빠르게 확산되거나, 일부는 뒷채움재와 처분지층의 암반 사이에 존재하는 손상영역에 유입되어 단열을 따라 이동하는 지하수 흐름에 동반하여, 자유상이나 용존상태로 확산될 수 있다. 압축벤토나이트 블록으로 이루어진 완충재에 비하여 상대적으로 높은 공극률을 지닌 뒷채움재의 공극은 누출된 기체가 장기간에 걸쳐 격리되는 부수적인 저장소의 역할을 담당하기도 한다.

3.1.3. 손상된 천연 방벽 영역 내 거동

처분장에 설치하는 처분공이나 작업터널 등 시설들의 주변 암반에는 굴착시의 충격으로 인해 수많은 미세균열이 존재하는 환형의 손상영역이 존재한다. 지하 심지층에 작용하는 높은 압력으로 인한 손상 영역에서 발생한 균열의 폐쇄가 발생하여, 외부 암반층에 비해 공극률과 투과도는 큰 차이를 나타내지는 않지만 매우 낮은 인장강도를 가질 수 있다. 따라서 완충재나 뒷채움재로부터 유출된 기체가 손상영역에 지속적으로 유입되어 압력이 축적되면 미세균열 사이의 연결성이 회복되어 지하수와 기체 흐름의 통로로 작용할 수 있게 된다. 광역적으로 손상영역의 균열이 주변 암반층의 단열과 연결되면 확산과 이류에 의한 기체의 흐름과 이에 동반되는 방사성핵종의 이동도 일어날 수 있다.

3.1.4. 천연 방벽 내 거동

처분 암반층이나 처분장 덮개층을 통한 기체의 이동은 암반 내에 존재하던 공극이나 단열, 또는 생성 가스의 압력 축적으로 신규로 발생한 미세균열을 통한 이류나 확산 기작을 통해 가능하므로, 처분장 건설 시 가급적 공극이 작고 균열이 적으며, 지구조적으로 안정한 결정질기반암을 선정하게 된다(Jung et al., 2013). 대부분의 풍화되지 않은 자연 암반층의 경우 유체의 흐름은 매질의 이방성에 의해 주로 층리면에 평행한 수평방향으로 이루어지므로, 처분지층 또는 덮개층의 수평적 규모가 클수록 확산에 의한 기체의 수직적 이동은 제한되며 보다 효과적인 천연 방벽으로 작용할 수 있다. 단열과 같은 대규모 불연속면을 제외하면 기체의 이동은 주로 수평에 가까운 방향으로 일어나며, 일반적인 수직적 이동은 지하수로 포화된 공극 구조를 통한 용해와 확산에 의해 일어나므로(대부분 확산 기작), 천연 방벽 내 가스의 평균 거동 속도는 매우 낮을 것으로 예측된다(Johnson et al., 2004). 위에서 언급한 SNF 저장 용기부터 지표생태계에 이르는 저장소 내 가스의 전 이동 경로 중에서 천연 방벽인 지하 암반층이 가스 및 방사성핵종 거동을 지연시키거나 제한하는 가장 효과적인 방벽 체계로 알려져 있다.

3.2. 처분장의 수리지질학적 진화과정에 따른 가스 거동 특성

심지층 처분장 내 다중 방벽 시스템의 지질학적, 물리화학적 환경은 SNF의 매립 이후 시간 경과에 따라 변화하게 되며, 다양한 가스가 발생하게 된다. 이러한 심지층 처분장의 진화 과정은 가스의 발생 및 거동 특성에 따라 여러 단계로 세분화될 수 있으며, 본 연구에서는 선행 연구 결과들을 고찰하여 처분장 진화 과정에 따른 가스 거동 시나리오와 가스 거동 특성에 대해 진화 단계 별로 정리하였다(Fig. 14).

3.2.1. SNF 저장소 진화과정 초기 단계(저장 후 약 100년 이상)

SNF 지하 저장 후 초기 단계에서는 폐연료봉에 잔류한 우라늄과 핵분열생성물들의 방사성붕괴로 방출되는 열에 의해 저장용기 표면은 고온을 유지하나, 처분공과 저장용기 사이를 채운 완충재(주로 압축 벤토나이트 블록)내 공극이 초기에는 불포화 상태로 유지되기 때문에 저장용기 주변은 지화학적으로는 안정하다(Kim et al., 2021). SNF로부터 지속적인 핵분열과정에 의해 He 등 가스가 발생하나 기체 생성이 소규모로 이루어지기 때문에 생성 가스의 부분압(partial pressure)이 낮아, 철주물과 구리 저장용기가 불량하게 제조되지 않았다면 저장 초기단계에서 부분압 증가에 따른 저장용기 파열에 의한 용기 외부로의 가스 유출 가능성은 낮다. 만약 외부 환경변화에 의한 저장용기 파괴나 완충재 균열 발생 시, 저장 용기로부터 불포화된 완충재 매질 내 가스 이동은 가스의 압력 구배에 따라 균질한 모래 매질 공극 내 거동이나 공극률이 큰 파쇄영역(fracture zone) 내 가스 거동과 유사한 경향을 보인다. 따라서 불포화 상태의 완충재 매질과 충진재 매질 내 가스상 이동은 가스의 부피 변화를 고려한 Darcy’s law 적용이 가능하다. 이미 지하수로 포화되어 있는 천연 방벽인 경우, 외부 환경변화에 의한 암반 내 발생하는 균열을 따라 자유상의 기체가 이동할 수 있으나, 대부분의 가스는 저장용기로부터 멀어질수록 온도 감소 및 수분 포화도 증가에 따라 “폐연료봉 기원의 생성 가스 주입압(Gas entry pressure: Pg) < 완충재 방벽 내 총공극압(Total pore pressure: Ptp)” 조건이 되어 가스 이동은 정지하게 되고 완충재나 천연방벽 매질 내에 버블 상태로 포획된다(Neretnieks and Ernstson, 1996). 선행 연구에 의하면 이러한 저장소 진화과정 초기단계는 저장 후 수 백년 기간인 것으로 예측하고 있다(Kim et al., 2021).

3.2.2. 완충재 매질이 물로 완전히 포화되는 단계(산화환경)

SNF 저장 시간이 경과함에 따라 방사성 붕괴 반감기가 짧은 핵분열 생성물에 의해 방출되는 열과 방사선의 양은 급격히 감소하여 구리 저장용기 주변의 온도가 낮아지고, 천연 방벽으로부터 지하수가 유입되어 완충재와 뒷채움재의 공극은 시간이 지남에 따라 주변 지하수로 포화된다. 저장소 건설 과정에서 저장소 공동에 유입된 O2에 의해 호기성 환경이 유지되어 완충재로 유입되는 초기 지하수는 용존상태의 산소를 일부 포함하게 되며, 지하수와 접촉하는 구리 저장용기의 표면에서는 산화 반응에 의한 부식이 시작된다. 저장용기로부터 포화된 완충재 매질 내부로 가스가 주입되기 위해서는 부식이나 방사선 분해 등의 이유로 생성되는 가스들의 총 압력(주입압: Gas entry pressure)이 완충재의 공극수압과 팽창압을 합한 총 공극압을 초과해야 한다(Gas entry pressure: Pg > Total pore pressure: Ptp). 저장용기 표면을 덮고 있는 완충재 매질이 물로 완전히 포화되지 않은 경우 완충재(주로 벤토나이트)가 완전히 팽창하지 않기 때문에 완충재 내부로의 가스 이동은 공극에 충진된 물을 밀어내는 viscous-capillary에 의한 이동이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 포화도가 증가하면 할 수록, 초기 포화유체(공극수)에 비해 진입유체(생성가스)의 점성력이 매우 낮기 때문에 매우 느린 속도로 이동하게 되며, 완충재가 완전히 포화되는 경우, 완충재 매질의 팽창과 주변압 증가에 따라 총 공극압이 증가하게 되어 가스 주입압보다 높아지면서 공극 내 자유상 가스 이동은 멈추게 된다. 이 경우 가스는 공극수의 용해도에 따라 부분적으로 용해되고 지하수 내 확산에 의해 오랜 시간 동안 서서히 완충매질 내부로 이동하게 된다. 저장 시간이 더 진행됨에 따라 핵분열생성물의 붕괴와 구리 저장용기 부식작용의 추가 감소로 인해 발생하는 가스압이 감소하여 Pg < Ptp 상태가 유지되어 되어, 완충재 매질 내로의 가스 주입은 중단되고, 이미 매질 내로 침투한 가스는 버블 형태로 공극 내 포획된다.

3.2.3. 완충재 매질이 팽창하는 단계(환원환경)

완충재의 포화 이후 약 500년 이상의 지나면 처분장 다중 방벽 시스템은 완전히 물로 포화된다. 저장소 깊이를 500~1,000 m로 가정하고, 물로 포화된 완충 매질의 팽창압을 고려할 경우 완충재 매질의 총 공극압(Ptp)은 약 5~10 MPa 범위일 것으로 판단된다(Kim et al., 2021). 따라서 압축벤토나이트 완충재가 물로 포화되면 생성된 기체가 완충재 내로 유입하는데 더 큰 진입압력(Entry pressure)이 필요하게 된다. 가스 생성량이 완충재 내 확산과 점성-모세관 2상 유동에 의한 유출량을 능가하여 축적된 자유상 기체의 압력이 외부로부터 완충재에 작용하는 전응력보다 커지게 되면 기체의 압력에 의해 기존의 공극이 확장되며 매질의 구조가 변형되는 체적팽창(dilatancy)이 발생하고, 그로 인해 생성된 미세균열(microfracture)을 따라 기체가 이동하는 선택적 흐름(preferential flow)이 가능하게 된다(Horseman et al., 1999; Graham et al., 2012). 이러한 체적팽창에 의한 가스 거동은 주로 낮은 인장강도를 지닌 점토질 토양이나 암석에서 나타나는데, 암체에 작용하는 최소주응력을 초과하는 기체 압력을 암체가 견뎌낼 수 없기 때문에 발생하는 독특한 현상이다(Marschall et al., 2005). 체적팽창이 발생하는 다공성 매체 내부에서는 공극구조 변화뿐 아니라 그로 인한 수리지질학적 특성(고유투과도, 포화도-모세관압-상대투과도 관계 등) 변화도 수반된다. 따라서, 방벽 매질 내 체적팽창에 의한 기체 유동을 수학적으로 모의하기 위해서는 역학적 변형이 흐름 특성에 미치는 영향을 고려한 수리-역학적 연계 해석(coupled hydro-mechanical analysis: HM) 또는 처분 용기에서 발생하는 붕괴열에 의한 변형을 함께 고려하는 열-수리-역학적 연계 해석(coupled thermo-hydro-mechanical analysis: THM)과정이 수행되어야 한다(Kwon and Cho, 2007; Lee and Cho, 2007; Lee et al., 2019).

완충재 내 존재하는 가스는 추가적인 가스 주입이 없거나 방벽 매질 공극 내 Ptp 감소가 발생하지 않으면 포획상태가 유지되는데, 다중 방벽 시스템 내 저장용기 주변은 환원환경으로 변환되며, 이 때부터는 지하수 내 HS- 반응과 미생물 활동이 주요 가스 발생 기작이 된다. 다만 포화된 완충재 매질의 총 공극압이 높게 유지됨으로 인해 Pg > Ptp 상태가 될 때까지 각 가스의 용해도에 따라 일부 용해되어 지하수 내 확산 기작에 의한 이동이 가능하게 되며, 가스의 확산에 의한 이동은 “Fick’s law”를 적용하여 매질 내 가스 이동 예측이 가능하다(Delos, 2010).

3.2.4. 생성 가스가 저장소 외부 경계 영역에 도달하는 단계

SNF 저장소 진화 과정 중 마지막 단계로서, 다중방벽시스템 내부에서 발생한 가스 주입압이 총 공극압을 초과하는 경우 dilatancy에 의한 국부적인 경로 팽창에 따른 이류나, 가압파쇄에 의한 인장절리를 따라 발생하는 흐름인 ‘thief zone flow’를 통해 자유 기체상이 단일 혹은 핵종을 대동하여 저장소 외부로 유출하게 되는 단계이다. 저장소 내 추가 확산 방지 장치나 설비가 가동되지 않는다는 가정하에 최소 100,000년 이상을 목표로 처분장을 설계하게 된다. 저장소 천연 방벽인 기반암층의 경우 미세 공극으로 이루어져 있으며, 절리나 파쇄영역이 적어 생성 가스가 용존상태로 이류나 확산을 통해 이동할 수 있지만 거동 속도는 매우 낮을 것으로 판단되나, 가압파쇄와 같은 파쇄영역이 처분장 방벽에서 발생하는 경우 그 기간이 단축될 수 있다. 가압파쇄의 경우 저류층의 수리자극(reservoir stimulation)에서 발생하는 수압파쇄(hydro-fracturing)와 유사한 현상으로, 빠른 속도의 기체 생성으로 급격하게 축적된 압력이 국지적으로 최소 주응력과 인장 강도의 합을 능가하여 암석 내부에 인장절리가 발생하고 이 균열을 따라 기체의 흐름이 발생하게 된다(Valkó et al., 1995; Cui et al., 2021). 인장절리를 따라 발생하는 흐름은 기체 단일상의 흐름(single-phase flow)으로 고려되며, 절리 내 기체의 압력이 암반에 작용하는 최소 주응력 이하로 감소하면 절리가 다시 닫히게 되고 인장절리를 통한 기체의 흐름이 중단되게 된다(Ye et al., 2014). 가압파쇄에 의한 인장절리의 발생과 이를 통한 기체의 이동은 전통적인 흐름 이론으로 설명하는데 많은 어려움이 내재되어 있는 문제이므로, 암석의 균열과 강도에 관한 역학적 고려를 포함하는 수리-역학적 연계 해석에 관한 연구가 선행되어야 한다.

4. Conclusion

HIW 영구 처리를 위해 건설될 SNF 처분장 환경에서 생성되는 가스는 방벽 매질 내 이동성이 크므로, 처분장 방벽 외부로 유출 시 방사성 핵종과의 복합거동에 의해 처분장 주변 생태계에 큰 영향을 끼칠 수도 있다. 따라서 지하 처분장 설계 전 다중 방벽 별 가스 생성 및 거동 특성을 처분장 환경 조건에서 명확하게 규명할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내 SNF 처분장에서 생성 가능한 가스 발생 기작과 방벽 매질 내에서 가스의 거동 특성과 관련하여 지금까지 수행하였던 국내외 선행연구 결과들을 고찰하였으며, 처분장 내 주요 가스 생성 기작과 처분장 진화과정에 따른 방벽 내 가스 거동 기작을 단계별로 정리하였다. 본 연구에서 정리된 주요 가스 생성 기작과 거동 특성 자료를 바탕으로, 국내 SNF 지하 처분장 건설 시 가스-핵종 거동에 의한 다중 방벽의 안전성을 검증하기 위한 다양한 연구와, 가스-핵종 유출을 방지할 수 있는 다중 방벽 설계가 수행되기를 기대한다.

Acknowledgement

이 논문은 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 및 한국연구재단의 지원(No.2021M2E1A1085202)을 받아 수행되었습니다.

Fig 1.

Figure 1.Status of the temporary SNF (spent nuclear fuel) storage in Korea (from KHNP, 2023)(PHWR: Pressurized heavy water reactor, PWR: Pressurized water reactor).
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 167-183https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

Fig 2.

Figure 2.Multi-barrier system of KBS-3 type for the SNF disposal (modified from POSIVA, 2020).
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 167-183https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

Fig 3.

Figure 3.Distribution chart of fission products and crack distributed in SNF Rods (left), cross section of SNF rod (upper right), and photo of gas bubbles present on the surface of SNF rods UO2 particles (lower right) (from Ewing, 2015).
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 167-183https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

Fig 4.

Figure 4.Decomposition of water molecules by X-rays and the generation mechanism of H2 (modified from Wada et al., 1995).
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 167-183https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.167

Fig 5.

Figure 5.Structure of SNF rod iron casting support and copper canister used in the SNF repository of Finland (modified from Smart et al., 2002).
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Fig 6.

Figure 6.Corrosion reaction of copper canister contacted with groundwater in an oxidized environment.
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Fig 7.

Figure 7.Pitting corrosion from metal surface (modified from D&DCOATINGS, 2023).
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Fig 8.

Figure 8.H2 corrosion mechanism occurring on the metal surface and inside (modified from Ustolin, 2020).
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Fig 9.

Figure 9.Corrosion on surface of copper canister by dissolved O2 in groundwater (oxidized environment).
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Fig 10.

Figure 10.Corrosion and H2 gas generation due to reaction with sulphide ions in groundwater on the surface of copper canister (reduction environment).
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Fig 11.

Figure 11.H2 generation by redox reaction on the surface of cast-iron insert.
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Fig 12.

Figure 12.Microbial decomposition mechanisms of organic matter according to the presence or absence of sulfate (a: presence of sulfate, b: absence of sulfate) (modified from Thaue et al., 1977; Muyzer and Stams, 2008).
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Fig 13.

Figure 13.Transportable path of gas generated in the SNF repository.
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Fig 14.

Figure 14.Evolution process of the SNF repository and the gas generation mechanism for each evolution stage.
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Table 1 . Generation and consumption of H2 from the natural barrier origin.

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
Radiation decomposition of water moleculesH2O → 2H· + O·
2H· → H2
Vértes et al. (2003)
Serpentinization of olivine6Mg1.8Fe0.2SiO4 + 8.2H2O →
1.8Mg(OH)2 + 3Mg3Si2O5(OH)4 + 0.4Fe3O4 + 0.4H2
McCollom et al. (2016)
Oxidation of H22H2 + O2 → 2H2O(almost impossible)Delos et al. (2010)
Sulfate reduction4H2 + 2H+ + SO42- →H2S + 4H2OHao et al. (1996)
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar (1990)
Acetic acid generation / carbonate reduction2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2ODelos et al. (2010)

Table 2 . Generation and consumption of CH4 from the natural barrier origin.

MechanismReaction formulaReferences
GenerationConsumption
CH4 generation / carbonate reductionCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2ODelos et al. (2010)
CH4 generation by FermentationCH3COOH → CH4 + CO2
Methane synthesis reaction of Fischer-TrophschCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OBougault et al. (1993), Schoell. (1988), Sherwood et al. (1993), Whiticar. (1990)
Low-grade metamorphismC + 2H2 → CH4Delos et al. (2010)
Oxidation of CH4CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Sulfate reduction / CH4 oxidationCH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2OHao et al. (1996)
Iron reduction / CH4 oxidation8Fe3+ + CH4 + 2H2O → 8Fe2+ + 8H+ + CO2Delos et al. (2010)

Table 3 . Microbial decomposition mechanism in anaerobic environment.

MechanismReaction formulaGenerative energy (ΔGo : kJ/reaction)References
Sulfate reduction reaction4H2 + SO42– + H+ → HS– + 4H2O-151.9Thaue et al. (1977)
Acetate– + SO42– → 2 HCO3– + HS–-47.6
Propionate + 0.75SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.75HS- + 0.25H+-37.7
Butyrate- +0.5SO42- → 2Acetate- + 0.5HS- + 0.5H+-27.8
Lactate- + 0.5SO42- → Acetate- + HCO3- + 0.5HS--80.2
Acetic acid generation reactionPropionate- + 3H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 3H2+76.1
Butyrate- + 2H2O → 2Acetate- + H+ + 2H2+48.3
Lactate- + 2H2O → Acetate- + HCO3- + H+ + 2H2-4.2
CH4 Generation reaction4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O-135.6
Acetate- + H2O → CH4 + HCO3--31.0
Self-acetic acid production reaction4H2 + 2HCO3- + H+ → Acetate- + 4H2O-104.6
Lactate- → 1.5Acetate- + 0.5H+-56.5

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Apr 30, 2024 Vol.57 No.2, pp. 107~280

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Economic and Environmental Geology

pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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