• Features, events, and processes (FEPs) that impact long-term safety.

• Visualization of the interrelationship between the FEPs based on several scenarios.

• FEPs list for preparing quantitative criteria on the performance of natural barriers.

고준위 방사성 폐기물(이하 방폐물)의 긴 반감기로 인한 장기 지속적 독성수준을 고려하였을 때, 매우 오랜 시간 동안 이를 장기간 격리할 수 있는 처리 시스템이 필요하다(Kim and Kwon, 2017; Kim et al., 2020; Jung and Ji, 2020). 여러 국가 및 국제 기구의 다양한 평가에 의하면 고준위 방폐물의 지질학적 심층 처분(Deep Geological Repository, DGR)은 안전한 영구처분을 보장하는 가장 실용적이고 효과적인 방법으로 알려져 있으며(IAEA, 1981; JAEA, 2011; SKB, 2011; POSIVA,2012; Ji et. al., 2016; Jeon et. al., 2019; Park et al., 2019), 합리적인 분석과 평가를 기반한 처분 시스템 설계 및 개발이 전제될 경우, 현재와 미래 세대를 위한 허용 가능한 수준의 안전성을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 따라, 지난 30년 간, 지질 처분지의 암반을 포함한 내부 및 주변환경에서 예상되는 다양한 관련 요소의 물리적, 기계적, 및 화학적 과정에 대한 이해를 위한 다양한 연구 활동이 이루어졌으며, 이를 통해 지질 처분에 대한 상당한 수준의 과학적 결과물이 도출되었고 이는 현재도 진행중에 있다(SKB, 2002; POSIVA, 2008; Lawrence Berkeley National Laboratory, 2009; Kim and Kwon, 2017; Levasseur et al., 2022).

지질 처분지의 방폐물 처분 안전성은 waste package, backfill 등 공학적 방벽(engineered barrier) 및 그 주변을 둘러싸고 있는 지질학적 암반인 천연 방벽(natural barrier)의 성능에 따라 달라진다. 공학적 방벽의 처분 안전성 확보에 대한 기대 수명은 일반적으로 폐쇄 후 수 천년으로 평가되고 있다(NSSC, 2021). 공학적 방벽의 기대 수명이 다 한 후, 방사능 물질은 처분지 내 지하수를 매체로 공학적 방벽으로부터 천연 방벽을 거쳐 생태계로 최종 노출되는데, 이 때, 천연 방벽이 안전한 수준으로 방사능 물질의 독성이 저감될 때까지 이동 시간을 지연시키는 역할을 한다. 일반적으로 천연 방벽에 기대하는 방사능 물질의 생태계 누출 지연기간은 적게는 수십 만 년에서 백 만 년이며, 이는 인위적 구조물인 공학적 방벽의 수백 배에서 수천 배에 달하는 수준으로 상당히 긴 지질학적 시간 규모에서 방폐물을 장기 처분하는 것이 가능함에 따라, 천연 방벽의 성능이 방폐물의 안전한 처분에 상당히 중요한 역할을 한다(Berkeley National Laboratory, 2012). 이에 따라, 다양한 국가에서 다양한 종류의 지질학적 암반의 천연방벽으로써의 역할 및 성능에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 핀란드, 스웨덴, 및 중국에서는 결정질 암반에 대한 연구를 진행한 바 있으며, 프랑스, 스위스, 및 벨기에는 점토질 암반, 독일, 일본, 및 미국은 암염의 성능에 대한 연구를 진행한 바 있고, 화산암반에 대한 미국의 연구 또한 이루어진 바 있다(Berkeley National Laboratory, 2012; KAERI, 1998). 천연 방벽에 대한 연구는 방폐물의 인간으로부터의 충분한 격리 성능을 확보하는 측면에서 뿐만 아니라, 장기적 처분 관점에서 보았을 때, 기후변화 및 지질학적 변화와 관련하여 지하수 흐름 및 조성 변화, 퇴적물의 침식 및 퇴적 등 다양한 환경 변화에 대한 영향으로부터 처분지를 보호하기 위해서도 필수적이다. IAEA (2023)에 의해 제시된 천연방벽의 주요 성능은 다음을 만족하는 것을 권고하고 있다: (a) 지구조적 변화(예를 들어, 단층, 지진, 암반 변형), 방폐물 열전도 등 다양한 물리적-화학적 환경 변화에도 백 만년 이상의 장기적 지질 처분이 가능; (b) 방폐물 처분 심도에의 지하수 유속이 낮아 수 만년 이상 안정적 흐름을 유지; (c) 지화학적 및 수리지화학적 조건이 안정적임에 따라 암반과 지하수 간 반응이 낮음; (d) 처분장을 건설 및 운영하기에 공학적으로 적합. 이러한 정성적 권고안은 처분을 진행중이거나 계획하고 있는 전세계 여러 국가가 안정적인 처분지를 확보하기 위해 실시한 다양한 야외 조사 및 현장 실험, 실험실 연구, 모델링 연구, 등의 결과를 종합하여 도출된 내용이다. 이와 같이, 지난 수십 년 간의 각국의 연구를 기반으로 안전한 처분을 위한 상당한 기술적 진보 및 사회적 기반이 마련되었다. 그러나, 고준위 방폐물 처분은 상당히 장기적인 관점에서의 환경 변화를 예측해야 하며, 안전성 평가에 고려될 다양한 영향들의 불확실성 또한 존재할 뿐만 아니라 실질적 처분지 건설 및 운영을 위해서는 처분을 계획하는 각국의 자국 환경에 최적화된 계획을 수립해야 하는 만큼 안전한 방폐물 처분 시스템 개발에 대한 지속적인 연구가 여전히 필요한 상황이다.

방폐물 처분 시스템의 장기 안전성을 보다 정량적이고 체계적으로 평가하기 위한 분석의 기반 연구로 FEP 분석(FEP analysis)이 진행되어 왔다(Sandia National Lab., 1982). 본 연구의 목적은 국내 방폐물 지질처분 환경에 대한 FEP 분석을 수행하는 데 있음에 따라, FEP 분석에 대한 이론적 배경에 대한 조사를 실시하였다.

1.1. FEP 분석

방폐물 장기 처분 성능을 종합적으로 평가하기 위해서는 우선적으로 처분장의 성능과 장기적 처분 안전성에 영향을 미치는 요인들을 체계적으로 분류 및 정리할 필요가 있다. 국제적으로 방폐물의 저장 안전성 관련 인자에 대한 목록이 통용되고 있는데(NEA, 2000; SNL, 2008; NVMO, 2011; NRI, 2010; GRS, 2012; POSIVA, 2010; JAEA and FEPC, 2007; SKB, 2010; NAGRA, 2010; USDoE, 2009), 이를 FEP 목록이라 한다. FEP는 처분시스템의 장기적 성능과 잠재적으로 관련성이 있는 모든 영향들의 상호 독립적인 단위 요소(feature), 사건(event), 및 공정(process)을 의미한다. 구체적으로 단위 요소는 처분 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있는 대상, 구조물, 조건 등을 의미하고, 사건은 건설, 운영, 폐쇄의 과업 수행기간 중 비교적 단기간에 발생할 수 있는 자연 또는 인위적 요인으로 발생할 수 있는 현상들을 의미한다. 공정은 과업 수행 전 주기 또는 수행 기간의 상당부분 동안 발생할 수 있는 자연 또는 인위적 현상을 지시한다. FEP은 일반적으로 단일의 현상에 국한되는 것이 아니라 단위 요소에 영향을 미칠 수 있는 단기적 또는 장기적 현상 또는 사건들을 총체적으로 규정한 목록이라 할 수 있다.

잠재적으로 관련된 모든 FEP을 구분, 조사, 및 정의하고, 조사된 FEP들을 기반으로 발생 가능성이 높은 단위 FEP들을 선별 및 상호관계를 분석함으로써 방폐물 처분성능평가에 필요한 시나리오를 개발하고 저장소 시스템의 장기적 관점에서의 안전성 범위를 정성 및 정량적으로 평가할 수 있다(ANDRA, 2005; Swift, 2017; EURAD, 2022). 지질학적 심층처분과 관련된 FEP 목록은 1990년대에 들어와 Nuclear Energy Agency (NEA)에 의해 작성되었고, 2000년 국제적으로 통용되기 위한 목적의 IFEP(International FEP) 목록이 새롭게 작성되었다. IFEP는 국제 방폐물 관리 협회들 간의 오랜 협업을 통해 완성되었고, 폐쇄 후, 처분지의 장기 안정성 평가를 위해 고려해야 할 수 있는 포괄적이고 일반적인 사항들을 담고 있다. 반면, PFEP(project-specific FEP) 목록은 처분을 계획하는 각국의 처분 환경에 적합하도록 만들어진 FEP 목록으로, 처분이 이루어지는 국가의 특정 방폐물 종류, 지질학적 환경, 처분 개념 등에 맞춰 작성된다. 이는 IFEP에 비하여 일반적인 내용을 담고 있지는 않으나, PFEP 리스트의 타당성을 확보하기 위해 이 또한 IFEP 리스트를 기반으로 작성되어야 한다(NEA, 2019; SKB, 2019).

1.1.1. 국외 FEP 분석 사례

전세계 지질학적 심층 처분 사업을 진행중인 각국은 자국의 독립적인 PFEP 목록을 작성하고 이를 기반으로 처분 안전성을 평가를 수행하였다. NEA (2014)에 따르면 2006년 이후 9개 국가에서 PFEP을 작성하였으며, 캐나다(NVMO, 2011)와 체코(NRI, 2010)의 경우 IFEP(NEA, 2000)을 기반으로 매우 유사한 PFEP을 작성하였다. 캐나다는 크게 처분고의 설계, 운영 및 폐쇄와 관련된 외부환경 인자(external factors), 열적, 역학적, 생물학적 또는 수리학적 환경에 영향을 줄 수 있는 요소가 포함된 처분 관련 인자(repository factors)와 방사성 핵종 및 오염 물질의 거동을 다룬 오염 관련 인자(contaminant factors)로 구분하였다. 체코는 화산, 마그마와 같이 체코에서 지질학적 영향이 적을 것으로 예상되는 요소를 제외한 것이 특징적이다. 독일(GRS, 2012)은 NEA(2000)와 유사하지만, 안전 평가 기준, 운영, 생물권 영향 및 인간 침입과 관련된 IFEP을 제외하고 방폐물, 공학적 방벽 및 지질권 관련 인자를 상세하게 세분화하였다. 핀란드(POSIVA, 2010), 일본(JAEA, and FEPC, 2007), 스웨덴(SKB, 2010), 스위스(NAGRA, 2010), 미국(USDoE, 2009)의 국가들은 IFEP을 국가 특성에 맞춰 더 상세하게 세분화하여 PFEP을 작성하였다. 핀란드는 지속적으로 PFEP 목록을 업데이트하여, Olkiluoto 부지의 특성을 반영한 PFEP을 작성하였다. 일본의 경우, 방폐물 중심으로 세분화된 PFEP 목록을 작성한바 있으며, 스웨덴은 크게 6개로 분류(초기상태, 지구권 관련 인자 변수, 지구권 관련 인자 프로세스, 생물권 관련 인자, 외부환경 인자, 방법론)하고 407개의 FEP으로 목록을 세분화한 바 있다. 또한, 스위스는 방폐물 운반과 관련된 인자들을 포함한 바 있으며, 부지 선정 측면에서의 프로세스와 매개변수를 기반으로 FEP을 작성하여 안전성 평가를 수행하였다. 미국은 수리학적, 지질학적, 기후 조건과 관련된 자연적 인자를 다루는 인자(natural FEP), 인간활동과 관련된 인자(human-induced FEP)와 방폐물 용기 및 핵종 이동과 관련된 인자(waste and repositoryinduced FEP)로 분류하여 PFEP을 작성한 바 있다.

1.1.2. 국내 FEP 분석 사례

국내에서는 한국원자력연구소에서 1999년, 국내 처분환경에 적합한 200여개의 FEP 목록을 작성하고, 선정된 FEP를 기반으로 방폐물 처분 안전성에 대한 5가지 시나리오를 도출 및 제시한 바 있다(KAERI, 2000). 그러나 이는 처분장의 방사선적 종합 안전성 평가를 목적으로 수행된 FEP 분석으로 천연방벽의 성능에 대한 구체적인 내용은 다루고 있지 않다. 2002년에는 스웨덴 및 해외 사례를 FEP 목록에 추가하여 FEP 목록을 350개 이상 확장하였으며, 2007년에는 381개의 FEP 목록을 선정하여 KAERI Encyclopedia 1.0을 개발하였다(KAERI, 2007; KAERI, 2008). 개발된 KAERI Encyclopedia 1.0을 바탕으로 RES(Rock Engineering System) 및 PID(Process Influence Diagram) 분석을 통한 5가지 시나리오(KAERI, 2009)가 제시된 바 있으나, 개발된 시나리오는 고준위 방폐물 처분장의 방사선적 종합 안전성 평가를 다루고 있어 천연방벽의 안전성에 대한 구체적 내용이 부족한 측면이 있다.

1.2. FEP 목록의 활용

FEP 분석의 최종 목적은 잠재적 발생 가능성이 있는 모든 FEP 인자를 고려한 안전성 시나리오를 작성하고 이에 대한 처분 시스템 개념 모델 및 정량적 평가를 위한 수학적 모델을 개발 및 분석을 수행하는 데 있다. 특정 DGR의 장기 안전성을 보다 합리적으로 평가하기 위해서는 먼저, 보편적이고 일반화된 FEP 목록으로부터 특정 부지 처분 성능과 관련이 있는 모든 F, E, 및 P에 대한 조사 및 선별이 필요하며, 조사된 FEP들의 발생 가능성과 연계성에 대한 평가가 이루어진다. 그 후, 관련성을 기반으로 안전성 결과를 위한 시나리오를 작성 후, 세부처분 시스템 범주(예를 들어, 방폐물, 공학적 방벽, 천연방벽)의 성능 평가를 위한 개념 및 수학적 모델(sub-model)을 개발하게 된다. 구축된 모델은 가능한 모든 잠재 관련 FEP을 포함하여야 하며(Comprehensiveness), 장기 성능 평가에 주요한 목록이 반드시 포함되어 있어야 한다(Completeness). 세부 범주 별 구축된 sub-model은 서로 연계하여 전체 시스템의 변화를 평가하는 데 최종적으로 적용될 수 있다. 이와 같은 수학적 모델을 기반한 정량적 성능 평가 시, 입력으로 활용되는 FEP 요소들의 발생범위를 고려함으로써 전체 결과의 불확실성에 대한 검토 또한 반드시 이행될 필요가 있는데, 이에 FEP 목록이 중요한 역할을 함에 따라, FEP 목록은 가능한 포괄적인 환경 변화를 다루고 요소별 수치들의 확률론적 범위 등의 구체적인 내용이 포함될 수 있도록 작성되어야 한다.

1.3. 본 연구 목적

DGR의 장기 성능 평가를 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 FEP 분석을 통한 시나리오를 작성하고 이를 기반한 안전성 평가 모델링이 궁극적으로 수행되어야 한다. 안전성 평가 모델링을 위한 기존 FEP 분석은 방폐물-용기-Buffer/Backfill-EDZ-암반-지하수-생태계의 전체 관련 범주를 고려한 전프로세스에 대한 광범위한 FEP 리스트를 포함하고 이를 기반한 시나리오 분석이 이루어졌다. 그러나 정량적 안전성 평가 수치를 도출하기 위한 수치 모델 개발 시, 모든 요인을 고려하기가 불가능하다. 즉, 세부 범주 별 수치 모사기술은 많은 연구가 진행된 바 있고 활용가능 하나, 전체 프로세스를 통합 모사할 수 있는 수치 모델 연구는 추가적인 발전이 필요한 부분이다. 따라서, 세부 범주 단위에서 실질적으로 활용할 수 있는 수준의 최소 범위를 설정하고 상세한 PFEP 분석 및 시나리오를 분석하고 이를 수치 모델링에 적용함으로써 보다 상세한 평가 결과를 도출하는 것이 필요할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 2019년 NEA에서 제공하는 IFEP 리스트 3.0을 기반으로 국내 DGR 안전성 평가를 위한 국내용 PFEP 리스트를 작성하였고, 특히, 천연방벽의 범주에서 장기 성능에 영향을 미치는 요인에 대한 PFEP 목록을 작성하였다. 최종적으로 49개의 PFEP 요소를 도출 및 목록 작성을 수행하였으며, 이는 정의, FEP 분류, 장기 안전성 검토 내용, 국내 여건에서의 중요도, 정량화 가능여부, 관련 FEP lists등의 정보를 포함하고 있다. DGR 내천연방벽의 장기 안전성은 큰 체계에서 초기 암반의 특성, 건설 기간 및 운영 기간 중 인위적 활동에 의한 주변 환경변화, 폐쇄 후 발생할 수 있는 자연적 현상이나 이벤트(지진, 기후변화)에 의해 영향을 받음에 따라 본 연구에서는 해당 분류를 기반으로 세부 PFEP 목록을 작성하였다. 또한, 작성된 PFEP목록을 기반으로 장기 환경변화에 대한 처분 시스템의 안전성 시나리오 분석을 수행함으로써 장기 안전성 평가에 주로 고려해야 할 지질인자들의 연계성에 대한 평가를 수행하였다. 시나리오를 구성하기 위한 방법론으로 본 연구에서는 FEP 간의 상호 반응을 도식적으로 나타내는 공정 영향도 방법론(PID, process influence diagram) 및 암반공학적 방법론(RES, rock engineering system)을 이용하였다(Hudson et al., 1994; Vieno et al., 1994; SKB, 1996; KAERI, 2009; KAERI, 2012).

작성된 PFEP 목록은 4개의 계층수준으로 구성되어 있으며, 계층수준이 깊어질수록 보다 세부적인 영향인자에 대한 내용이 수록되었다. 먼저, FEP 1(external factor)에는 처분장 시스템의 외부 환경 또는 폐쇄 이전에 관련되는 FEP 항목들이 포함되었으며, 하위 수준으로는 FEP 1.1(repository issues), FEP 1.2(geological factors) 및 FEP1.3(climatic factor)이 있다. FEP 1.1(repository issues) 는 처분장에서 발생하는 사건 및 결정 사항에 대한 인자들이 포함되며, FEP 1.2(geological factors)와 FEP 1.3(climatic factor)는 각각 지질학적 환경 및 기후변화로 발생하는 장기적인 공정 및 사건과 이에 따른 처분장 안전성에 영향을 주는 인자들이 포함된다. FEP 2(geosphere factors)는 처분장 폐쇄 후 안전성에 영향을 줄 수 있는 지질권 인자들에 대한 내용으로 구성되며, 이의 하위 수준을 FEP 2.1(geosphere processes)와 FEP 2.2(geosphere characteristics and properties)로 분류하였다. FEP 2.1(geosphere processes)는 지질권 측면에서의 열적(thermal), 수리학적(hydraulic), 역학적(mechanical), 및 화학적(chemical) 요소가 포함되며, 이에 따른 각각의 특성들은 FEP 2.2(geosphere characteristics and properties)에 나열되었다. FEP 3(impact factor)는 방폐물 처분으로 인해 발생할 수 있는 외부 생태계에의 영향을 나타내며, 하위 수준인 FEP 3.1(Radiological impact)은 처분고로부터의 방사성 물질 누출에 의한 관련 영향이 기술되었다.

Table 1

FEPs list related to the long-term safety performance of natural barriers of the deep geological repository system.

FEP 1: External Factors
FEP 1.1: Repository issues	FEP 1.1.1: Construction	Process
	FEP 1.1.2: Desaturation/Resaturation (Hydraulic processes)	Event, Process
FEP 1.2: Geological factors	FEP 1.2.1: Tectonic movement	Process
	FEP 1.2.2: Magmatic and volcanic activity	Event, Process
	FEP 1.2.3: Metamorphism	Event, Process
	FEP 1.2.4: Hydrothermal activity	Event, Process
	FEP 1.2.5: Regional erosion and sedimentation	Process
	FEP 1.2.6: Diagenesis	Process
	FEP 1.2.7: Salt dissolution	Process
	FEP 1.2.8: Climatic responses to geological changes	Event, Process
FEP 1.3: Climatic factors	FEP 1.3.1: Sea-level change	Event, Process
	FEP 1.3.2: Hydrological response to climate change	Event, Process
	FEP 1.3.3: Geomorphological response to climate change	Event, Process
	FEP 1.3.4: Regional erosion and sedimentation response to climate change	Event, Process
FEP 2: Disposal system
FEP 2.1: Geosphere processes	FEP 2.1.1: Thermal processes [geosphere]	Event, Process
	FEP 2.1.2: Hydraulic processes [geosphere]	Event, Process
	FEP 2.1.3: Mechanical processes [geosphere]	Event, Process
	FEP 2.1.4: Chemical processes [geosphere]	Event, Process
FEP 2.2: Geosphere characteristics and properties	FEP 2.2.1: Configuration	Feature
	FEP 2.2.2: Large-scale discontinuities	Feature
	FEP 2.2.3: Geological resources	Feature
	FEP 2.2.4: Geothermal characteristics and properties	Feature
	FEP 2.2.4.1: Geothermal gradient	Feature
	FEP 2.2.4.2: Thermal conductivity	Feature
	FEP 2.2.4.3: Coefficient of thermal expansion	Feature
	FEP 2.2.5: Hydraulic characteristics and properties	Feature
	FEP 2.2.5.1: Porosity	Feature
	FEP 2.2.5.2: Hydraulic conductivity and Transmissivity	Feature
	FEP 2.2.5.3: Hydraulic gradient	Feature
	FEP 2.2.5.4: Groundwater flux	Feature
	FEP 2.2.5.5: Recharge rate	Feature
	FEP 2.2.5.6: Basin area	Feature
	FEP 2.2.5.7: Groundwater volume	Feature
	FEP 2.2.6: Mechanical characteristics and properties	Feature
	FEP 2.2.6.1: Excavation damaged and disturbed zones (EDZ)	Feature
	FEP 2.2.6.2: Rock strength	Feature
	FEP 2.2.6.3: In-situ stress	Feature
	FEP 2.2.6.4: Modulus of elasticity (Young's modulus)	Feature
	FEP 2.2.6.5: Seismic wave velocity (P-wave velocity)	Feature
	FEP 2.2.6.6: Poisson's ratio	Feature
	FEP 2.2.7: Geochemical characteristics and properties	Feature
	FEP 2.2.7.1: Chemical characteristics of groundwater	Feature
	FEP 2.2.7.2: Rock mineral composition	Feature
	FEP 2.2.7.3: Salinity	Feature
	FEP 2.2.7.4: Chemical gradient	Feature
	FEP 2.2.7.5: Colloid	Feature
	FEP 2.2.7.6: Solubility	Feature
FEP 3: Impact factor
FEP 3.1: Radiological impact	FEP 3.1.1: Radionuclide content	Feature
	FEP 3.1.2: Radiological processes [geosphere]	Event, Process

본 연구에서는 구축된 국내용 PFEP 목록을 기반으로 정상시나리오 외, 발생가능한 다양한 시나리오를 구축 및 제시하였다. 안전성에 영향을 줄 수 있는 시스템 변화의 시나리오는 다음의 기준으로 작성할 수 있다: (1) 발생확률은 낮으나 안전성에 파급력이 큰 경우(Low-probability and high-impact scenarios, LP-HI), (2) 발생확률은 높으나 파급력이 낮은 경우(High-probability and low-impact scenarios, HP-LI), (3) 발생확률도 낮고 파급력도 낮은 경우(Low-probability and low-impact scenarios, LP-LI), 및 (4) 발생확률도 높고 파급력도 높은 경우(High-probability and High-impact scenarios, HP-HI). 일반적으로 1번 및 2번 시나리오의 경우 DGR의 장기 안전성에 유사한 정도의 파급을 가져올 수 있을 것으로 여겨 짐에 따라(JNC, 2004), 본 연구에서는 해당 두 시나리오에 대한 고려를 수행하였다. 1번의 경우, 활성단층의 재활동에 의한 단층 및 지진의 발생의 상황을 고려하였다. 시나리오 2는 심층조사 단계에서 부지 내 암반 고유의 공학적 특성 조사를 기반으로 EDZ(Excavation damaged and disturbed zones)의 발생 정도와 범위를 평가하였으나, 암반의 물리적 특성의 공간적 불확실성으로 인하여 건설 중 더 넓은 영역의 EDZ가 발생한 상황을 가정하였다. 이는 발생 확률은 높으나 건설 중 발생한 문제임에 따라 다양한 공학적 처리를 적용할 수 있으므로 안전성에의 영향력은 낮은 것으로 판단하였다. 반면, 3의 시나리오의 경우, 다른 시나리오에 비하여 중요도가 상대적으로 낮을 것으로 판단하여, 분석에서 제외하였다. 그리고 4번 시나리오의 경우, 기후변화로 인한 해수면 상승은 과학적으로 증명됨에 따라 필연적으로 발생함을 가정하였다. 국립해양조사원 (해양과학조사연구실, 2022)에 따르면 온실가스가 저감 없이 배출되는 고탄소 시나리오(산업기술의 빠른 발전에 중심을 두어 화석연료 사용이 높고 도시 위주의 무분별한 개발이 확대될 것으로 가정)에서 연간 해수면 상승률은 9.51 mm/year로 나타남에 따라 2100년 우리나라의 경우 최대 82cm의 해수면 상승이 있을 것으로 예상되고 있다. 따라서 바닷가에 위치한 처분시설은 부지 주변 해수면 상승으로 인하여 처분시스템 내 해수 침투가 발생할 확률이 높으며, 이는 공학적 방벽의 예상보다 빠른 부식을 초래할 수 있다(KAERI, 2008). 이러한 시나리오에서는 방사성 핵종 물질의 방사선량이 안전 농도 수준 이하로 저감될 때까지의 충분한 반감기를 거치지 못함에 따라 위험 수준으로 자연계에 도달할 가능성이 있다. 시나리오 4는 이를 가정하였다.

본 연구에서는 RES 기법 및 PID 기법을 복합적으로 활용하여 시나리오를 작성하였다. RES의 경우, 계층 3수준에서의 인자 간 상관성을 표현하기 위해 이용되었으며, PID는 더 세부적인 수준에서의 상관성을 표현하기 위해 이용하였다. 따라서 PID를 이용한 시나리오 분석결과는 DGR의 장기 안전성 평가를 위한 구체적인 수학적 모델을 구축하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 정상 시나리오에 대한 인자 별 연계성 평가 내용은 4.1과 같으며, 나머지 시나리오에 대한 분석 결과는 Appendix에 수록하였다.

4.1. 정상 시나리오

정상 시나리오는 DGR의 폐쇄 이 후 장기 안전성을 평가하는데 있어 외부 환경인자의 영향없이 공학적 방벽의 기능이 상실된 이후 방사성 핵종들의 이동과 관련된 PFEP 요소로 구성되었다. Fig. 1과 2는 각각 정상 시나리오에서 핵종 물질의 이동 과정 중 관련된 인자들의 상호관계를 표현한 RES 및 PID이다. Fig. 1 및 Fig. 2에서 두꺼운 화살표는 정상 시나리오에서의 핵종 물질 이동과정과 관련된 인자들의 순차적 반응 연계성을 보여준다. Fig. 2에서 점선의 화살표는 국내 및 국외 문헌을 참조하여 조사된 각 인자들의 일반적 상황에서의 상호 관계를 나타내며, 붉은색 테두리의 요소는 천연 방벽의 열적 특징과 관련된 인자를 의미하며, 파란색 테두리의 요소는 수리적, 검정색 테두리 요소는 공학적, 그리고 초록색 테두리의 요소는 지화학적 특징과 관련된 인자들을 나타내고 있다. 붉은색의 두꺼운 화살표는 핵종 물질의 이동방향을 나타내는 것으로 처분고 시스템에서 지하수를 매개로 천연방벽을 거쳐 외부 생태계로 도달하는 과정의 방향을 보여주고 있다. 해당 정상 시나리오에서는 지하수가 처분장으로 침투하여 방사성 핵종을 용해시키고 EDZ와 같은 불연속면을 따라 지화학 및 수리지질학적 과정에 의해 이동하여 최종적으로 외부 생태계에 영향을 미치는 과정에서 인자들의 연계성이 그림을 통해 나타나 있다.

Figure 1. RES for representing the movement process of radioactive materials in the standard scenario.

Figure 2. PID illustrating the interrelationship among the thermal, hydrologic, mechanical, and geochemical features influencing the movement of radioactive material, in the standard scenario.

본 연구에서는 고준위 방폐물 처분시설의 천연방벽에 대하여 장기안전성에 영향을 줄 수 있는 F, E, 및 P에 대한 조사를 수행하여 FEP 목록을 작성하고, 인자들 간 상호관계, 요소별 정량화 여부 및 국내 부지평가 단계별 중요도를 평가하였다. 또한, 작성된 FEP 목록을 기반으로 처분시설의 장기 안전성에 위협이 될 수 있는 몇 가지 시나리오를 개발하고 시나리오와 관련된 인자들을 선별 및 관계를 가시화함으로써 정량적 안전성 평가를 위한 수학적 모델 구축에 도움이 될 수 있는 기초 자료를 제시하고자 하였다. FEP 목록 작성에 NEA의 IFEP 목록이 기초 자료로 활용되었으며, 국외 다른 나라에서 자국의 고준위 방페물 처분 시설의 계획 및 운영을 위해 수행된 지질 조사 및 연구 결과들 또한 참조되었다.

처분시설 내 천연방벽의 성능과 관련하여 총 49개의 FEP 목록이 작성되었으며, 각 인자에 대한 정의, FEP 분류, 장기 안전성 검토 내용, 국내 여건에서의 중요도, 정량화 가능 여부, 관련 FEP lists 측면에서의 조사가 이루어졌다. 작성된 FEP 목록을 기반으로 처분시설의 장기운영이 예상된 외부환경적 범위에서 발생할 것으로 가정한 정상시나리오 외, 운영 중 발생할 수 있는 예측 불가한 다양한 이벤트로 인하여 천연방벽의 성능 변화가 발생할 수 있는 총 3가지 시나리오(단층 및 지진 발생 시나리오, EDZ 범위 평가 결과의 불확실성이 큰 시나리오, 및 해수면 상승으로 인한 해수침투 시나리오)를 구상하였으며, 각 시나리오 발생 시 주요하게 고려되어야 할 FEP 인자들을 선별하고, 이들 간의 상호관계에 대하여 정의하고 가시화를 수행하였다.

본 연구를 통해 구축된 FEP 목록과 시나리오별 인자간 상호관계 가시화 결과는 DGR 장기 안전성을 정량 평가하기 위해 필요한 수학적 모델 개발에 고려해야 할 변수를 선별 및 모델을 구성하는데 중요한 기초 정보를 제공할 수 있다. 일반적으로 정량적 안전성 평가를 수행하기 위해서는 다음에 대한 고려가 필요하다: (1) 수학적 모델 개발에 고려해야 할 요소, 이벤트 및 과정(즉, FEP), (2) 각 F, E, P의 발생 가능성, (3) 각 F, E, P의 상호 관계 및 이에 따른 결과, 및 (4) 앞선 세 가지 고려 사항에 대한 불확실성. 따라서, 수학적 모델 개발을 위한 일반적 과정은 특정 사이트의 성능에 영향을 미칠 수 있는 FEP의 체계적인 선택 및 분석으로 시작됨에 따라(NEA, 2000), 이러한 과정에 본 연구에서 작성된 FEP 목록이 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 이 외에도, 작성된 FEP 목록은 고준위 방폐물 처분시설 건설과 관련하여 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 작성된 FEP 목록은 처분부지에 대한 성능 기준안을 마련하는데 활용될 수 있다.

고준위 방폐물 처분 목적인 인간생태계로부터의 영구적 격리 측면에서 대표인(representative person)에 대한 핵종 물질의 선량-위험도(dose-to-risk)를 정량적 안전성 기준으로 제시하는 것이 일반적이긴 하나, 이는 한 사람의 평생 누적 노출량을 계산하기가 어려움에 따라 최근 다른 기준안으로 대체되고 있는 경우가 많다(NEA, 2004). 예를 들어, 유용한 기준안으로 공학적 장벽의 수명 또는 EDZ를 통과하는 지하수 흐름의 크기와 같이, 핵종 물질의 생태계 누출 전 통과하는 하위 시스템의 성능을 설명하는 수치가 이용된다(Tsang et al., 2005). 천연방벽 또한 핵종 물질의 생태계 누출 전 통과하는 하위 시스템 중 하나이며, 이는 고준위 방폐물 처분시설의 부지를 허가함에 있어 처분된 방폐물의 장기 저장 안전성 확보에 우선 고려 대상이다. 따라서 천연방벽의 성능 기준에 대한 법적인 규제가 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.

본 연구에서 작성된 FEP 목록은 처분고에 저장된 방사성 핵종 물질이 공학적 방벽 및 천연방벽을 거쳐 생태계로 누출되는 과정에서 핵종 물질의 이동특성에 영향을 줄 수 있는 지질학적 인자들을 물질의 이동과정에 따라 체계화하고 각 과정별 주요 인자들을 구체화한 것으로, 부지 허가에 대한 규제 수준을 고려하여 기준안에 활용될 수 있는 인자들을 선별하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다. 특히, 작성된 FEP 목록의 주요 기재 사양으로 요소(Feature)에 해당되는 인자의 경우, 정량화 가능여부와 국외의 처분 대상 암종에 대한 정량 기준에 대한 설명이 추가되었으며, 이는 국내에 적합한 정량적 기준안 마련에 대한 필요 여부와 정량적 기준안 마련이 필요할 경우, 관련 수치제안에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, FEP 목록을 통해 장기 안전성 평가 측면에서 정량화할 수 있는 요소들 중 어떤 것들이 주요하게 우선시 고려되어야 하는가에 대한 정보를 얻을 수 있을 것이며, 기준안 마련에 정량화가 반드시 필요하지 않는 상황일지라도 FEP 목록을 통해 정의된 핵종 물질 이동과정을 기반으로 규제에 가장 합리적으로 활용할 수 있는 인자를 도출하고 기준안으로 활용하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.

이 논문은 정부(원자력안전위원회)의 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 및 원자력안전재단의 지원을 받아 수행된 연구사업이며(No.1075001193), 2023년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2020089 80000).