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1. 한국원자력연구원 MRRG Lab 소개 MRRG Lab은 한국원자력연구원의 고준위폐기물처분연구부 소속의 연구실로 방사성폐기물을 안전하게 처분하기 위한 연구를 수행하고 있습니다. MRRG는 Migration & Retardation of Radionuclides in Geosphere 의 줄임말로 심부 지하환경에서 핵종의 다양한 거동특성 연구에 주안점을 두고 있습니다. 고준위 방사성폐기물을 심지층에 처분할 때, 예측하지 못한 지화학적 조건의 변화가 발생하면 방사성폐기물로부터 핵종이 유출될 수 있습니다. 유출된 핵종들은 폐기물 포장재와 뒷채움재 등의 인공방벽을 거쳐 처분장 주변의 지하 매질을 통해 생태계로 이동하게 됩니다. 따라서 저희 MRRG Lab에서는 방사성폐기물 처분의 장기안전성을 평가하기 위하여 처분장 주변을 둘러싸고 있는 지하매질, 즉 천연방벽에서 광물계면과 핵종, 그리고, 지하수의 상호반응에 대한 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 2. 연구 분야 (1) 고준위핵종의 지화학반응 및 수착 특성 수백 미터 지하심부에 묻힌 사용 후 핵연료 혹은 방사성 폐기물로부터 방사성 물질이 유출될 때 그들의 용해도 및 화학적 형태는 우리가 일상적으로 접하는 지표수 환경과 매우 다릅니다. 방사성 물질 중 반감기가 짧은 핵종들은 위에서 언급된 인공방벽을 통과하는 동안 방사선을 내지 않는 물질로 변하겠지만, 수 만년 이상의 긴 반감기를 갖는 핵종 (특히, 악틴족 원소)들은 생태계로 유출될 수도 있습니다. 그러나 이들 악틴족 원소들은 지표수와 달리 깊은 심부 지하수에서 용해도가 매우 낮으며, 주위 암석 등에 잘 흡착하는 화학 종으로 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 심부 지하수에서 반감기가 긴 핵종들의 용해도와 화학종 그리고 주위 자연물질과의 수착(흡착) 특성 등을 측정함으로써 이들의 거동을 예측하고자 합니다. 이 실험을 위해서는 무엇보다도 실제 심부환경과 유사한 환경에서 실험이 수행되어야 하므로, 산소의 농도가 매우 낮은 글러브박스에서 지하수를 이용하여 실험합니다. (2) 암반을 통한 핵종 확산 측정 및 해석 방사성핵종이 지하수에 용해되어 암반균열을 따라 이동해 갈 때, 방사성핵종들이 균열표면에 수착될 뿐만 아니라 암반매질 내로 확산해 들어가 핵종이동의 지연효과를 가지게 됩니다. 특히, 암반균열표면과의 수착 등 화학적 상호작용이 거의 없는 음이온 핵종인 경우, 암반매질 내 확산이 가장 중요하고 유일한 이동지연효과를 가지게 됩니다. 아래 그림과 같이 암반균열표면을 도식화 시켜보면, 다양한 미세균열들이 있어 이 틈으로 핵종들이 쉽게 확산해 들어가고, 또한, 암석을 구성하는 광물경계면 사이로도 확산이 일어납니다. 이 현상을 정량적으로 평가 하기 위해, 아래 그림과 같이 관통확산실험장치를 통해 핵종들의 확산계수를 측정하고, 내부확산실험장치를 통해 확산침투 깊이를 측정하고 있습니다. (3) 심부 지하환경에서 핵종/광물/미생물 반응 지하 심부 환경은 물과 공기가 절대적으로 부족한 극한 환경입니다. 땅 속 깊은 곳으로 갈수록 지하수량도 감소하고 산소도 더욱 희박해 집니다. 하지만, 지하 수백 미터의 깊은 곳에서도 생명체가 존재하고 있는데, 그것은 다름아닌 ‘미생물’이라고 하는 박테리아들입니다. 이 미생물은 산소가 거의 없는 환경에서도 살 수 있는 혐기성 박테리아로써 극한 환경에서 생명활동을 유지하는 대단한 생명체입니다. 본 연구에서 지하 심부 미생물에 관심을 갖는 이유는 이 박테리아들은 금속환원작용(산화금속을 환원시킴)을 담당하고 촉진하는 역할을 수행하고 있으며, 이는 지하환경의 핵폐기물 환원화에 기여할 수 있기 때문입니다. 즉, 산화되는 핵폐기물들은 지하수에 쉽게 용해되어 멀리 이동할 수 있지만, 환원상태의 것들은 용해도가 작고 이동이 쉽지 않습니다. 따라서, 우리에게 유익한 지하 심부 미생물의 핵종 환원 및 이동지연기작 등을 면밀히 실험하고 연구할 필요가 있습니다. 아직까지, 심부 미생물의 핵종에 대한 반응기작이 정확히 밝혀지지 않았고 향후 이용방안도 마련되어 있지 않습니다. 따라서, 앞으로 다양한 방법의 현장 및 실내 실험을 통해 아직까지 밝혀지지 않은 사실들을 찾아내고, 핵종 이동지연과 관련된 연구결과들은 향후 미생물의 활용을 통한 고준위폐기물의 안전성 확보 차원에서 매우 중요할 것입니다. 현재까지 수행된 연구결과로는, 원자력연구원내 지하처분연구시설(KURT)에서 생존하는 지하 미생물들이 지하수에 녹아있는 대부분의 우라늄을 환원시키고 이동을 억제시킨다는 사실이 확인되었으며 언론에도 보도 되었습니다. 국내 토종미생물이 핵종 이동억제 능력을 가지고 있음과 그들의 영향력은 더 많은 연구를 통해 더욱 자세히 밝힐 계획이며, 이를 활용한 다양한 기술개발은 핵폐기물을 안전하게 처분할 수 있는 중요한 원천기술이 될 것입니다. (4) 현장 용질이동 실험 심지 층에 처분된 고준위 방사성폐기물로부터 핵종들이 유출될 경우 처분장 주변의 지하 암반층을 통해 생태계로 이동할 수 있습니다. 특히 유출된 핵종들은 암반 균열을 통해 지하수의 다양한 이동경로를 따라 이동하게 되며, 따라서 암반 균열에서 용질의 이동 및 지연현상에 대한 이해는 방사성폐기물 처분의 장기 안전성 측면에서 매우 중요한 요소입니다. 이러한 취지로 지난 2006년도에 고준위방사성페기물의 심지층 처분에 대한 현장실증연구 및 필요한 요소기술의 확보를 위하여 소규모 지하처분연구시설(KURT)이 한국원자력연구원 부지 내에 건설되었습니다. 2008년 현재 지하처분연구시설에서 현장 용질이동 시험을 수행하기 위한 예비단계로 시추공 시추 및 균열특성을 조사하였으며, 현장 용질이동 시험 장치를 설계하여 설치 및 시운전을 완료하였습니다. 향후 다양한 수착성, 또는, 비수착성 용질을 이용한 다양한 현장 암반단열 용질이동 시험을 수행하고 이와 관련된 용질이동 모델 개발을 통하여 방사성폐기물 처분의 현장 실증연구를 수행해 나갈 계획입니다. 또한, 균열면에 존재하는 이차광물과 지하수 등의 상호작용을 분석함으로써 용질이동의 지연현상을 규명할 예정입니다. 이러한 연구들을 통하여 방사성폐기물 처분의 안전성 평가자료 구축 및 모델들에 대한 현장 실증 연구를 통하여 안전성평가의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 기대합니다. 현재 관련 연구 경험 및 기술을 확보하기 위하여 스위스, 스웨덴 등의 방사성폐기물의 처분연구 선진국들과 국제공동연구를 활발히 진행하고 있습니다. 세계적인 연구시설에서의 국제공동연구 참여는 국내 처분기술의 기술력을 검증하고 해외 연구기관과의 국제협력강화에 기여할 것으로 기대됩니다. 또한, 고준위폐기물 처분에 관련된 선진 경험 및 기술 등을 효과적으로 확보할 수 있으며, 아울러 고준위 방사성폐기물의 장기 안전관리에 대한 대국민 신뢰도를 구축하는데 도움이 될 것입니다. ※ KURT(KAERI Underground Research Tunnel)란?

지하처분연구시설(KURT)는 원자력연구원 내 부지 뒤편 산 중턱에 폭 6m, 높이 6m로 총 연장 255m의 지하터널에 180m 길이의 진입터널과 실제 처분 관련 연구를 수행하는 연구모듈 75m로 이뤄져 있다. 이곳에서는 고준위폐기물을 심지층에 처분하는 경우에 대비하여 지하수의 흐름 등 심부 지하 환경에서 각종 물질의 거동에 대한 실증시험을 수행하기 위한 각종 시추공과 측정 장비 등이 설치되어 있다. 지하수가 땅속 암반균열 사이로 어떻게 확산되는지 연구하기 위해 연구진은 환경오염 우려가 없는 소금물과 형광용액을 사용, 현재 실험을 수행하고 있다. 이들 물질은 방사성 물질과 화학적 성질이 거의 비슷하고, 물과 만나면 이온으로 바뀌는 성질을 통해 암반 내 지하수의 유동을 알아낼 수 있다는 장점이 있다. 현재 KURT에서는 암반 균열을 통한 용질이동 및 지연특성 실험을 비롯한 암반의 열적거동 현장실험, 암반 손상대 특성 및 역학적 안정성 현장실험, 심부 지질 조사기술 연구, 수리지질 및 지구화학 기초자료 축적 연구 등 다양한 현장실험 연구가 수행 중이다.

3. Members MRRG Lab.은 핵공학, 화학, 화공, 지질, 환경 등 다양한 전공분야를 가지신 분들이 모여 방사성폐기물 처분관련 연구를 수행하고 있습니다. 4. 그 밖에는 어떤 일들이… 우리 연구실에서는 1년에 두 번 Brainstorming을 갑니다. 일상을 벗어나 자연의 일부가 되어 자연의 신선함으로 재충전의 시간을 가지기도 하고 때론 열띤 토론의 장을 갖기도 합니다. 또한 우리 연구실은 연구 네트워크 구축을 매우 중요하게 생각하여 OECD/NEA, 스위스, 스웨덴 등과의 해외 공동연구를 수행하고 있으며, 국내 대학 및 연구소와의 연구교류를 활성화 하고자 많은 노력을 기울이고 있습니다. 5. 맺음말 저희 연구실에 대한 소개를 할 수 있도록 도움주신 KOSEN 관계자 여러분께 감사의 말씀 드립니다. 저희 연구실의 문은 항상 열려있습니다. 궁금하신 사항 또는 공동연구 등에 대한 문의 사항이 있으시면 아래 연락처로 문의바랍니다. * 문의 주소: 대전 유성구 덕진동 150-1 한국원자력연구원 고준위폐기물처분연구부 전화: 042-868-4918 Fax : 042-868-8850 e-mail : jklee1@kaeri.re.kr