서 론
2016 년 원자력 발전의 전력 설치용량은 전 세계 30개국 에서는 391 GWe, 국내에서는 23 GWe으로(IAEA, 2017), 국내의 경우 총 전력생산량의 30%가 원자력발전에 의해 공급되고 있다. 현재 국내에는 2015년 기준 약 14,000톤(경 수로형 16,289다발과 중수로형 408,797다발)의 사용후핵
연료가 원전 내 저장시설에 임시 보관되어 있다(MOTIE and KHNP, 2016).
사용후핵연료는 플루토늄이나 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨 과 같은 고독성·장수명의 초우라늄 원소들을 포함하고 있 어 재처리 과정 없이 방사성 독성이 자연계의 우라늄원광 수준으로 감소하기까지는 약 30만년이 소요된다. 따라서 장기간 보관하는데 한계가 있는 만큼 사용후핵연료를 생태 계로부터 영구격리 시킬 필요가 있으며, 가장 현실적인 방 안으로 지하 수백 미터 심부에 존재하는 상대적으로 안정 한 암반에 공학적방벽을 설치하여 사용후핵연료를 처분하 는 심지층 동굴처분(Deep Geological Disposal, DGD, or Mined Repository) 방식이 많은 나라에 의해 채택되고 있다.
고준위방사성폐기물 심부시추공 처분 기술의 현황과 전망 – 대구경 장심도 시추공 거동 특성을 중심으로
박보나1)· 권새하1)· 민기복1)*
The Status and Outlook of High-Level Radioactive Waste Disposal in Deep Borehole Focusing on Behavior of Large-Diameter Deep Borehole
Bona Park, Saeha Kwon, and Ki-Bok Min
*
(Received 4 August 2017; Final version Received 18 August 2017; Accepted 30 August 2017)
Abstract : This technical note describes the status and outlook of high-level radioactive waste disposal in a deep borehole, which is considered as an alternative way to isolate spent fuel and/or high-level radioactive waste permanently. The deep borehole disposal (DBD) concept consists of drilling into deep crystalline basement rock, emplacing waste canisters in the lower disposal zone of the borehole, and sealing and plugging the upper portion of the borehole through backfill. To make this concept viable, we should develop a new drilling technology that can achieve relatively larger bottom hole diameter drilling. It is expected that the large diameter drilling contributes to unpredictable borehole instability, e.g., severe borehole breakout or lost circulation, which takes up the additional cost. Furthermore, lack of scientific drilling experience in Korea, compared with other countries with rich experience and obstacle to find an appropriate site still remains as a challenge to overcome.
Key words : High-level radioacitve waste, Spent fuels, Deep borehole disposal (DBD), Deep drilling technology 요 약 : 본 기술보고에서는 고준위방사성폐기물 혹은 사용후핵연료를 생태계로부터 영구격리 시키기 위한 방안으 로 생태계와의 이격거리가 멀고 투수율이 매우 낮은 지층에 처분하기 때문에 안전성 측면에서 유리하다고 평가되는 심부시추공 처분 기술의 현황 및 전망에 대해 알아보았다. 결정질 기반암이 존재하는 심도까지 시추하여 하부 처분구 간에 고준위방사성폐기물 처분용기를 적치하고 상부 구간은 벤토나이트 등으로 완전히 밀봉시키는 이 방식은 아직 기술적으로 실현가능성이 검증되지 못하였다. 현존하는 시추기술로 이 방식을 실현가능하게 하려면 시추공의 직경 을 최소 두배로 늘리는 새로운 기술이 개발되어야 한다. 이때 시추공 직경 증가에 따른 크기효과가 시추 시 불안정성을 야기하여 시추비용이 증가할 것으로 예상된다. 또한 선진국에 비해 부족한 기술 축적 현황과 심부시추공 처분장 건설 에서 적합한 부지확보의 어려움은 극복해야 할 과제로 남아있다.
주요어 : 고준위방사성폐기물, 사용후핵연료, 심부시추공 처분, 심부시추 기술
1) 서울대학교 공과대학 에너지자원공학과
*Corresponding Author(민기복) E-mail; [email protected]
Address; Dept. of Energy Resources Engineering, College of
Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea
기술보고
스웨덴 방사성폐기물관리기관(SKB, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company) 은 심지층 동굴처 분 방식을 위해 지하 500 m 심도에 처분터널(가로 4.2 m, 세로 4.8 m)을 건설하고 터널 바닥면에 일정 간격으로 처분 공(직경 1.75 m, 길이 8.2 m)을 굴착하여 사용후핵연료를 포함한 처분용기(직경 1 m, 길이 4.8 m)를 적치하고 벤토나 이트 완충재를 채운 후, 처분터널은 뒷채움하여 공학적방 벽을 설치하는 처분 개념을 채택하고 있다(SKB, 2010a).
현재 핀란드의 경우 심지층 동굴처분 방식에 의한 처분장 의 건설허가를 취득하여 세계 최초의 사용후핵연료 심층처 분장이 건설될 예정이다. 하지만 수십만년 동안 생태계와 사용후핵연료를 격리시키는 작업은 최적의 처분 개념을 요 구하기 때문에 대안이 될 수 있는 처분 개념을 동시에 검토 하는 것은 중요하다. 이에 따라 최근까지 특히 미국을 중심 으로 기존 심지층 동굴처분 방식의 대안으로 보다 더 깊은 심도에 사용후핵연료를 처분하여 생태계와의 먼 이격거리 를 확보하는 심부시추공 처분(Deep Borehole Disposal, DBD) 에 대한 연구가 진행되어 왔다.
본 기술보고에서는 심부시추공 처분 기술에 대한 기본 개념 및 기술 개발 진행 현황을 알아보았다. 그리고 본 기술 의 실현가능성 및 기술적 타당성을 검증하기 위해 기존에 수행된 국내외 심부시추공의 현황 및 심부환경 조사 사례 에 대하여 검토하였으며, 이를 바탕으로 심부시추공 처분 개념에서 요구되는 장심도 대구경 시추의 가능성을 기술 성·안정성·경제성 측면으로 나누어 분석하였다. 또한 심부 시추공 처분 개념 적용 시 예상되는 소요부지면적에 대하 여 고찰해봄으로써 심지층 동굴처분 방식의 대안으로서의 전망을 알아보고자 하였다.
심부시추공 처분 기술
기본 개념
고준위방사성폐기물의 지층처분은 1957년 미국 국립과 학원(US National Academy of Sciences)에서 발표된 보고 서를 통해 처음 제안되었다(NRC, 1957). 이는 기존에 석 유·가스 생산을 위한 시추방식에 착안하여 생산정을 통해 석유·가스가 빠져나온 퇴적층에 주입정을 시추해서 액상 의 고준위방사성폐기물을 주입하는 방식을 언급하였다.
비록 실증연구를 통해 검증된 방식은 아니었지만 심부환경 의 특성상 유체의 흐름 및 확산이 매우 느리게 진행된다는 점과 큰 상재하중으로 인해 액상 고준위방사성폐기물의 주 입압력이 암반파쇄를 야기하기 힘들다는 점, 한번 처분을 결정하면 재회수가 힘들다는 한계점 등을 고려함으로써 심 부 기반암에 처분하는 것을 고준위방사성폐기물 처분 옵션 중 하나로 고려하게 되는 계기를 제공하였다.
사용후핵연료의 심부시추공 처분 방식은 Fig. 1과 같이 결정질 기반암이 존재하는 심도까지 시추를 하여 시추공 하부 처분구간(disposal zone)에 사용후핵연료를 포함한 처분용기를 적치한 후, 지표까지 벤토나이트, 아스팔트, 콘 크리트 등과 같은 물질로 채우고 시멘트 플러그를 설치하 는 일련의 과정들을 통해 시추공을 완전히 밀봉시키는 것 이다(Chapman and Gibb, 2003; SNL, 2011). 심부시추공 처분 개념에 대한 연구를 선도하고 있는 미국 샌디아국립 연구소(Sandia National Laboratories, SNL)는 2011년 보 고서를 통해 결정질 기반암이 존재하는 지역에 약 5 km의 심도까지 시추공을 굴착하여 하부 2 km 구간에 처분용기 를 적치하고 상부 3 km 구간을 밀봉하는 표준설계를 제시 하였으며, 외경이 27.3 cm (10.75 in.)인 처분용기를 시추공 에 적치할 경우 시추공의 공저 직경은 43.2 cm (17 in.)로 설 계하였다(SNL, 2011).
심부시추공 처분 방식이 심지층 동굴처분 방식에 비해 갖는 장점은 다음과 같다.
첫째, 심부시추공 처분방식은 3-5 km 내외의 초심부에
Fig. 1. Example of borehole disposal concept showing placement of borehole within surrounding geology (from Chapman and Gibb, 2003).
Fig. 2. Some conditions in the bedrock that influence the
design premises for a repository, the design of the engineered
barriers, and long-term safety (from SKB, 2010a).
처분하게 되므로 500 m 내외에 처분되는 동굴처분 방식에 비해 생태계와 최대 10배의 먼 이격거리를 확보할 수 있다.
따라서 누출된 핵종이 생태계에 도달하는 시간이 그만큼 길어져 안전하게 될 수 있다.
둘째, 대심부로 갈수록 일반적으로 암반내의 유속이 느 려지며(Fig. 2), 투수율이 낮아지므로 앞서 언급한 이격거 리 이외에도 누출된 핵종의 이동시간이 느려져 생태계로부 터의 격리효과가 배가 된다(SKB, 2010a). Fig. 3은 심도에 따른 결정질 암반에서의 투수율의 변화를 보여주고 있는 데, 심도가 3-5 km인 구간은 큰 현지응력이 작용하므로 암 반 내 공극 및 균열이 닫히게 되어 매우 낮은 공극률(1% 미 만)과 투수율(10
-15-10
-18m
2) 을 갖는 것을 확인할 수 있다 (SKB, 1998; Rutqvist, 2015). 즉, 투수율이 낮은 심부암반 내에서의 유체 이동속도는 매우 느리고 대수층이 일반적으 로는 형성되지 않는 심도이기 때문에 유체를 상부로 빠르 게 이동시킬만한 역학적 기제가 조성되지 않는다.
셋째, 따라서 환원환경의 지하수로 인해 핵종의 용해도 가 매우 낮고 연령이 오래된 지하수에서는 핵종이 흡착된 콜로이드의 생성 및 이동이 극히 제한된다.
결론적으로 3-5 km 결정질 기반암에 위치한 심부시추공 에 처분용기를 안전하게 적치할 수만 있다면 심부에서 방 사성 물질이 누출된다 하더라도 수 km를 거쳐 지표로 올라 오는 과정은 매우 오랜 시간이 걸리므로 그 사이에 방사성 핵종이 반감기를 겪거나 그 농도가 희석된 채 생태계에 도 달하게 되어 방사성 독성이 생태계에 영향을 미칠 확률이 낮다(SNL, 2009).
연구 진행 현황
미국의 경우, 1970년대에 미국 에너지부(Department of Energy, DOE) 에서 심지층 동굴처분 방식과 함께 심부시추 공 처분 방식을 고준위방사성폐기물 영구격리에 있어서 고 려할만한 가치가 있는 방안으로 간주하여 그 후 지속적인 연구가 수행되어왔다(Lee et al., 2014). 2000년대 들어서 는 비전통석유·가스자원 개발로 인한 시추기술의 비약적 인 발전과 더불어 심부 지열개발을 목적으로 미국, 유럽, 호 주 등지에서 시도했던 5 km 정도의 장심도 시추가 성공적 으로 이루어지면서 장심도 시추의 가능성이 입증되었다.
하지만 이 장심도 시추에서 고려한 시추공의 공저 직경은 최대 21.6 cm (8½ in.)로 심부시추공 처분 기술에서 요구되 는 공저 직경보다 2배 이상 작다. 따라서 장심도이면서 동 시에 대구경인 시추공을 뚫는 기술의 개발 및 검증이 필요 한 실정이다. 미국 샌디아국립연구소는 미국 에너지부의 지원 하에 2011년에 제시된 표준설계를 따르는 심부시추 공 처분 기술에 대한 개발 및 실증연구 계획을 수립하였다.
이 연구는 2015년부터 2019년까지 심부시추공 처분 연구 를 수행할 부지조사 및 선정, 두 개의 시추공(탐사공과 연구 용 처분공) 설계 및 굴착, 처분용기의 설계 및 운반·적치·회 수방법 연구, 처분구간에 안전하게 처분용기를 적치하는 방법 검증 등을 수행함으로써 심부시추공 처분 기술의 실 현가능성을 확인하는 것이 목적이다(SNL, 2014).
스웨덴의 경우, 1980년대 후반부터 1990년대 초반까지 대안처분장 연구를 위해 집중적으로 심부시추공 처분 개념 에 대하여 검토하였으며(SKB, 1989; SKB, 1998), 2000년 대에는 심부시추공 개념 적용시 사용후핵연료가 처분될 지 하 3-5 km의 심부환경에서 방사성 물질의 확산에 영향을 미치는 요인들에 대하여 분석한 기존 연구결과들을 토대로 심부시추공 처분 방식의 실현가능성을 기술성·안전성·경 제성 측면에서 종합적으로 검토하였다(MKG, 2006). 이후 심부시추공 처분과 심지층 동굴처분 방식에 대한 상세한 비교 결과를 제시하였는데, 2014년 발표된 보고서에서는 다음의 이유로 인해 동굴처분이 보다 합리적인 선택이라는 결론을 짓고 있다(SKB, 2010a; 2014). 첫째, 동굴형 처분 개념은 40년 이상 충분한 연구가 이루어진 정착된 기술에 기초한 반면 심부시추공 처분은 대구경 시추를 비롯하여 아직 해결되어야 할 점이 많은 미완의 기술에 기반한다. 둘 째, 동굴처분은 인간이 접근 가능한 심도에서 처분이 이루 어지므로 제어가능성(controllability)과 검증(verifiability) 면에서 우월하다. 셋째, 동굴형 처분은 사고나 지진 등 돌발 사건에 대응이 상대적으로 용이한 반면 심부시추공에서의 사고는 회복이 어려운 상황을 만들 수 있다. 넷째, 동굴형은 통상 하나의 진입구 (혹은 갱구부)를 통해 지하 처분장에 접근하므로 단일한 원자력 시설이 되나, 심부처분공은 개 Fig. 3. Compilation of permeability measurements in boreholes
in crystalline bedrock (from SKB, 1998) with added schematic
of upper and lower limits of permeability related to mechanical
and chemo-mechanical behavior (from Rutqvist, 2015).
별 처분공 마다 지상설비가 필요하므로 보안상 불리하다.
다섯째, 심부시추공 개념을 적용하기 위해서는 30여년의 새로운 연구가 필요하며 이에 따른 막대한 비용이 소요되 지만, 이러한 시간 및 비용의 투자에도 불구하고 동굴처분 개념에 비해 더욱 안전하다는 결론이 나올지는 여전히 불 확실하다는 점이다(SKB, 2010a).
한국의 경우, 미국, 스웨덴 등 선진국에서 기존에 수행한 고준위방사성폐기물의 심부시추공 처분 개념 및 관련 기술 에 대한 해외 연구사례 및 동향을 소개한 연구가 있다(Ji et al., 2012; Lee et al., 2014; Kim, 2015). 그 외에도 한국형 처분용기의 디자인을 고려한 심부시추공 처분 개념의 국내 적용성 분석(Yoon and Kim, 2013)이 수행되었고, 최근에 는 심부지질구조와 지온경사 등 국내 심부지질환경 특성을 예비분석하고 심부시추공 처분 예비개념에 대한 성능 및 안전성 평가의 기초자료를 제시한 연구가 있다(Lee et al., 2016). 그렇지만 여전히 미국 및 스웨덴에서 이미 수행된 연구를 문헌 및 기존자료를 바탕으로 예비 검토하는 단계 라고 볼 수 있다.
심부시추 사례
국외 심부시추공 현황 및 조사 사례
Table 1 은 국외 심부시추공 현황으로 과학적 연구목적으 로 굴착된 러시아 콜라(Kola) 시추공, 천연가스 부존 조사 를 목적으로 굴착된 스웨덴 그라브베리(Gravberg) 시추공, 독일 KTB 시추공, 비화산지대에서의 지열발전을 목적으
로 굴착된 여러 시추공 등이 포함된다(Xie et al., 2015;
SNL, 2017). 비화산지대에서의 지온경사는 일반적으로 25-30
oC/km 정도이기 때문에 4-5 km 정도 심부시추를 해 야 지열발전을 위한 적정온도를 얻을 수 있다. 국외 심부시 추 사례들 중에서 심도 4 km 이상 결정질 기반암(화강암)에 서 굴착된 시추공은 프랑스 슐츠(Soultz), 스위스 바젤 (Basel), 호주 쿠퍼 베이슨(Copper Basin), 미국 펜톤 힐 (Fenton Hill) 이 있다.
심부시추공을 굴착한 후에는 물리검층과 양수시험 등 현 장시험을 통해 현지 심부환경의 역학적·수리적·열적 물성 을 측정할 수 있는데, 역학적 물성으로는 현지 주응력의 크 기 및 방향, 공경파괴 및 변형 양상, 공극률 등이 있고 수리 물성으로는 암반 내 투수율 등이 있으며 열물성으로는 열 전도도나 지온경사 등이 있다. Fig. 3은 여러 심부시추공에 서 측정된 암반 내 투수율(수리물성) 값을 포함하고 있으 며, Fig. 4는 스웨덴 그라브베리 시추공(Gravberg-1)에서 측정한 현지주응력의 크기 및 방향을 보여주고 있다(Lund and Zoback, 1999). 이를 통해 현지주응력이 주향이동단층 영역(strike-slip regime)에 있으며 최대수평주응력과 최소 수평주응력의 비(S
H/S
h) 가 심도 5 km 부근에서 1.6 정도인 것을 확인할 수 있다.
국내 심부시추공 현황 및 조사 사례
국내에서의 육상 심부시추는 1960-70년대에 석유탐사 를 위하여 처음 행해진 바 있다. 대상 부지는 한반도 동남쪽 포항 영일만 지역으로 총 18개의 시추공에서 최대 3 km까
Table 1. Summary of the deep borehole drilling cases in overseas countries (from Xie et al., 2015; SNL, 2017)
Site Country Years Total depth [km] Bottom hole diameter
Kola USSR 1970-1992 12.2 21.6 cm (8½″)
Fenton Hill USA 1975-1987 2.9, 3.1, 4.0, 4.4 22.2-25.1 cm (8¾-9 ⅞″)
Bad Urach Germany 1978-1992 4.4 14 cm (5½ ″)
Gravberg Sweden 1986-1987 6.6 16.5 cm (6½ ″)
Cajon Pass USA 1987-1988 3.5 15.9 cm (6¼ ″)
KTB* Germany 1987-1994 4.0, 9.1 15.2-16.5 cm (6-6½″)
Soultz France 1995-2003 5.1, 5.1, 5.3 24.4 cm (9 ⅝″)
CCSD** China 2001-2005 2.0, 5.2 15.2 cm (6 ″)
SAFOD*** USA 2002-2007 2.2, 4.0 21.6-22.2 cm (8½-8¾ ″)
Cooper Basin Australia 2003-2012 4.2-4.5 15.2-21.6 cm (6-8½″)
Basel Switzerland 2006 5.0 21.6 cm (8½″)
*
The German Continental Deep Drilling Programme
**
The China Continental Scientific Drilling Project
***
The San Andreas Fault Observatory at Depth Research Drilling Project
지 시추가 진행되었다(KIGAM, 1986). 해당 시추공들에서 얻어진 시추코어에 대한 지화학적 분석이 주로 진행되어 대상 부지의 지질학적, 층서학적 정보가 해석되었다.
또한 포항 지역은 2003년부터 2008년까지 지열 탐사/개 발 대상 지역(포항시 흥해읍)에 대한 시추 탐사가 진행되었 다. 총 4개의 공(BH-1, -2, -3, -4)이 시추되었고, 그 중 BH-4 가 직경 16.5 cm (6½ in.), 깊이 2.4 km로 가장 깊게 시추된 시추공이었다. 시추공에서는 물리검층, 양수시험 등이 진 행되었으며, BH-1과 BH-4에서는 시추코어를 얻어 역학적 물성 및 열물성을 직접 측정하기도 하였다(KIGAM, 2007).
선행되었던 시추 조사를 바탕으로 2010년에 포항시 흥 해읍에서 국내 최초의 인공저류층 지열시스템(Enhanced Geothermal System) 연구개발 사업이 착수되었다(Yoon et al., 2011). 발전에 필요한 지열수 순환을 위하여 PX-1, -2 두 개의 직경 21.6 cm (8½ in.) 시추공이 수직 심도기준 각 각 4.216 km, 4.348 km의 깊이까지 시추되었다. 지열 저류 층 특성화를 위하여 두 시추공에 대해서도 물리검층, 온도 검층 등이 진행된 바 있으며, 특히 PX-2 시추공의 경우 국 내 최심부인 4.2 km 심도에서 3.6 m 길이의 10.16 cm (4 in.) 직경 시추코어를 채취하여 역학적 물성 및 열물성에 관한
실험을 수행한 바 있다.
포항 지역 외에 광주에서도 2013년 심부 지열발전을 위 하여 탐사공을 시추하였으며, 특히 선행되었던 심부 시추 와는 다르게 워터햄머(water hammer)방식을 채택하여 높 은 굴진률(rate of penetration)로 시추 작업을 진행한 것으 로 알려져 있으며 해당 시추공은 직경 20.3 cm (8 in.)로 깊 이는 3.5 km까지 시추된 바 있다(Ryu, 2014).
심부시추공 처분 방식의 타당성 검토
장심도 대구경 시추 가능성 - 기술성
앞서 살펴보았듯이 기존에 수행된 심부시추 사례를 통해 결정질 기반암에서 5 km 이상의 장심도 시추는 현재의 기 술수준으로 충분히 구현 가능한 것을 확인하였다. 하지만 5 km 이상의 장심도 시추공의 공저 직경은 최대 21.6 cm (8½ in.) 로 사용후핵연료의 심부시추공 처분 방식에서 요구되 는 소요직경(43-100 cm) 조건을 맞추기 위해서는 시추공 의 직경이 최소 2배 이상 커져야 한다(Fig. 5). 즉, 심부시추 공 처분 방식은 현존하지 않는 시추기술에 기반하여 제안 된 처분 개념임을 알 수 있다. 그러나 미국 방폐물 기술심의
(a) (b)
Fig. 4. (a) Magnitude of pore pressure, P
0, drill fluid pressure, P
b, minimum horizontal stress, S
h, vertical stress, S
v, and maximum
horizontal stress, S
H, in the Gravberg-1 well. (b) The direction of S
H. The average orientation over the borehole from 0 to 4,850
m, where the deviation is less than 15°, is N72°W±7° (from Lund and Zoback, 1999).
위원회(US Nuclear Waste Technical Review Board, NWTRB) 의 보고에 따르면 현재까지 43.2 cm (17 in.) 직경 을 갖는 5 km 심도의 심부시추 사례가 없음에도 기술적인 장애는 없어 보인다고 언급하고 있다. 그럼에도 불구하고 장심도 대구경 시추의 가능성을 평가하기 위한 실증연구를 수행 할 때에는 예상치 못한 결과가 발생할 것으로 간주되 며 이에 대비해야한다고 주장하고 있다(US NWTRB, 2016). 여기서 의미하는 예상치 못한 결과로는 과다한 초기 수평응력비에 따른 공벽파괴 및 변형이나 시추 중 파쇄대 에 의한 과다누수(lost circulation)가 해당된다.
장심도 대구경 시추 가능성 - 안정성
시추공 공벽파괴(borehole breakout)는 초기현지응력이 작용하는 암반에 시추를 할 때 발생하는 응력개방으로 인 해 시추공 주변 암반의 응력분포가 변하게 되는데, 이때 공 벽 주위에 작용하는 최대접선응력이 암반의 강도를 초과하 면서 발생하는 파괴를 일컫는다. 주로 V자형 모양의 파괴 가 시추공 축을 중심으로 대칭적으로 발생하는 공벽파괴는 시추 과정에서 흔히 관측되는 현상이지만 파괴의 정도에 따라 시추공의 불안정성을 야기한다. 특히 시추 도중에 드 릴파이프가 공 내에 협착되는 현상과 같은 심각한 문제가 발생하면 현장 시추 일정이 지연되거나 최악의 경우 시추공 자체를 포기해야 할 수도 있어 경제성에도 큰 영향을 미친다.
일반적으로 시추공의 심도가 깊어짐에 따라 시추 공벽에 작용하는 현지주응력의 크기가 증가하게 되어 공벽파괴 및 변형 정도에 영향을 주며, 시추공의 공경이 커지게 되면 크 기효과에 의해 과도한 공벽파괴가 발생할 수 있다고 알려
져 있다. 따라서 시추공의 공경이 공벽파괴에 미치는 영향 에 대해 알아보기 위한 실험이 캐나다 원자력 공사(Atomic Energy of Canada Limited, AECL) 에서 운영하는 지하 연 구실에서 수행되었으며, 실내시험 및 현장시험을 각각 수 행하여 크기효과에 따른 공벽파괴의 정도를 관측한 결과는 Fig. 6 과 같다. Fig. 6a는 공벽파괴 실험을 수행할 때 시추공 벽에서 균열이 전파되기 시작하는 시점에서의 접선응력 (tangential stress) 과 일축압축강도(σ
c) 의 비가 공경의 크기 에 따라 어떻게 달라지는지를 보여준다. 이 실험을 통해 시 추공의 공경이 10 cm까지 커짐에 따라 시추공벽에서 균열 전파가 시작되는 비율이 점차 낮아져서 공경이 커짐에 따 라 낮은 응력에서도 공벽 파괴가 발생하는 크기효과를 확 인할 수 있었다. 공경이 10 cm 이상 클 경우의 자료는 부족 하지만 크기효과가 더욱 커지지는 않는 것으로 보고되었다 (Martin, 1997). Fig. 6b 는 시추공 중심지점에서부터 V자 형 공벽파괴가 가장 많이 발생한 지점까지의 직선거리, 즉 발생한 공벽파괴 심도(r)를 시추공경 길이(a)로 정규화한 값이 시추공경 길이(a)가 증가함에 따라 약간 증가하는 추 세인 것을 알 수 있었으나 시추공경이 10 cm보다 더 큰 시 추공경에 대한 크기효과는 확인할 수 없었다(Martin et al., 1994).
Fig. 7 은 스위스 바젤의 심부 지열시추공(Basel-1)의 4.1- 4.5 km 구간에서 관측된 공벽파괴 및 공경변형의 이미지 로, (a)와 (b)는 시추로 인해 발생한 인장균열들(초록색 화 살표로 표시된 부분)을 보여주며 그 형상이 각각 시추공 축 을 따라 나란히 발생한 서로 마주보는 형태인 인장균열(a pair of diametrically-opposite, axial, drilling-induced
(a) (b)
Fig. 5. (a) Borehole design in the well Basel-1 (from Häring, 2008) and (b) reference borehole design for deep borehole disposal
(from SNL, 2011).
tension fractures, A-DITFs) 과 시추공 축에 대해 비스듬히 기울어진 형태인 인장균열(a stack of en-echelon drilling- induced tension fractures, E-DITFs) 을 의미하며, (c)는 공
경변형이 발생한 것을 보여주고 있다(Valley and Evans, 2009). 특히, (c)의 우측 그림은 바젤 시추공에서는 4.5 km 부근을 크기가 25.1 cm인 드릴비트로 굴착하였으나 공벽
(a) (b)
Fig. 6. (a) Ratio of the calculated tangential stress to
at which breakouts initiate for various borehole diameter (from Martin, 1997). (b) Depth of the borehole breakouts measured in the laboratory samples (from Martin et al., 1994).
Fig. 7. (a) Example of A-DITFs
*on Basel-1 images (green arrows). (b) Example of E-DITFs
**on BS1 images (green arrows). (c) Example of breakouts on the Basel-1 image (left) and the borehole cross-section computed from transit time (right) (from Valley and Evans, 2009).
*
A pair of diametrically-opposite, axial, drilling-induced tension fractures.
**
A stack of en-echelon drilling-induced tension fractures.
파괴로 인해 시추공의 일부분은 직경이 최대 35 cm 정도로 커진 구간이 관측되었다. 만약 심부시추공 표준설계를 따 르는 크기가 큰 드릴비트를 사용하여 같은 지역에 비슷한 심도인 4.5 km 부근을 시추한다고 가정했을 때, 공벽파괴 심도와 시추공경의 비(r/a)가 약 1.4 정도로 유사하다면 공 벽파괴로 인한 시추공의 최대 직경은 60 cm 정도가 될 수도 있다. 따라서 공벽파괴가 발생한 면적의 절대적인 넓이는 실제 바젤 시추공의 사례보다 더 클 것으로 예측된다. 또한 시추공의 공경이 증가하면 크기효과에 의해 시추공과 교차 하는 균열의 수가 늘어나게 되어 큰 파쇄대를 만날 가능성 도 증가하기 때문에 시추 중 이수가 과다누출 될 가능성도 배제할 수 없다. 따라서 장심도 대구경 시추의 안정성은 시 추공의 크기효과로 인해 저해될 개연성이 있으며 이에 대 한 실증연구가 필요한 것으로 생각된다.
장심도 대구경 시추 가능성 - 경제성
시추비용에 영향을 주는 요소로는 시추공의 설계, 방향 성 시추 여부, 시추 시 발생하는 안정성 문제, 굴착속도, 드 릴비트와 장비들의 수명을 꼽을 수 있다(SNL, 2011). 시추 공 설계는 시추하고자 하는 대상 심도와 공저 직경에 의해 결정되는데, 공저 직경의 증가로 인해 지표 근처에서의 시 추공의 직경도 함께 증가하기 때문에 시추 리그의 설계용 량이 증가하게 되고 케이싱이나 시멘팅에 쓰이는 재료가 더 많이 소요되며 낮은 굴진율 및 고가의 드릴 비트 이용 등 으로 인해 시추비용이 증가될 것이다. 또한 앞서 예측한대 로 크기효과에 따른 공벽파괴 정도의 증가와 이수의 과다 누출 가능성도 시추비용의 증가를 야기할 것이다. 사용후
핵연료 처분용기를 심부시추공 하부에 안전하게 적치하려 면 시추공을 일직선에 가까울 정도로 수직으로 시추해야 하는데(예를 들어 심부시추공 간의 간격이 50 m인 경우, 시 추궤도의 방향의 편차가 0.6
o이내여야 함)(SNL, 2011), 방 향성 시추는 아니더라도 심부 지층구조에 따라 발생할 수 있는 시추궤도의 교란을 극소화하는 것 역시 비용의 증가 로 이어질 것이다.
Fig. 8 은 시추공 대상 심도에 따른 전체 소요비용의 추세 를 보여주는 그래프로 2004년 미국달러 가치로 환산된 금 액이다(MIT, 2006). 이 그래프에 따르면 5 km 심도의 시추 공을 뚫는데 2004년 기준 약 700-800만 달러가 소요되는 것으로 예상되는데, 직경이 2배 이상 커야하는 처분용 심부 시추공을 뚫는다면 더 많은 비용이 들 것이다. 미국 샌디아 국립연구소는 실증연구를 위해 4-5 km 심도의 탐사공(직 경 21.6 cm)과 연구용 처분공(직경 43.2 cm)을 시추하는데 각각 2,060만 달러와 2,900만 달러의 예산을 책정하였는데 이는 소요되는 시추비용의 개략치를 알려준 다 하겠다 (SNL, 2014). 일반적으로 지난 30년간 수많은 시행착오를 거치면서 정립된 대심도 시추/완결 기술을 참고하여 시추 공제어, 이수조절, 드릴비트 설계, 공벽안정, 시추공완결 등에 대한 새로운 표준을 만들기 위해서는 현재까지 알려 진 시추비용보다는 더욱 큰 소요비용이 들 것이라는 전망 이다.
예상 소요 부지 면적
심부시추공 처분방식에 요구되는 부지 면적을 계산해봄 으로써 부지 확보 측면에서 기존의 심지층 동굴처분 방식
Fig. 8. Completed geothermal and oil and gas well costs as a function of depth in year 2004 U.S. $, including estimated costs from
Wellcost Lite model (from MIT, 2006).
에 비해 유리할 수 있는 지에 대하여 검토하였다. 미국 샌디 아국립연구소에서 2009년에 추산한 바에 의하면 70,000톤 의 사용후핵연료를 유카 산의 심부시추공에 처분할 경우 약 600개의 시추공이 필요하다고 밝혔다(SNL, 2009). 현 재 국내에는 약 14,000톤(경수로형 16,297다발과 중수로 형 408,797다발, 2015년 12월 말 기준)의 사용후핵연료가 임시 보관중인데, 이를 처분하기 위해서는 총 120개의 심 부시추공이 필요하다는 것을 알 수 있다. 미국 샌디아국립 연구소에서 제시한 심부시추공 표준 설계를 따를 때 시추 공 처분구간 사이의 열적 상호간섭을 줄이기 위해서는 시 추공 간격이 최소 50 m가 되어야 한다(SNL, 2011). 따라서 시추공 간격이 50 m인 경우에는 120개의 시추공 처분을 위 해 소요되는 부지 면적은 0.25 km
2(0.5 km × 0.5 km) 이고, 시추공 간격을 100 m 또는 200 m로 할 경우에는 각각 1.21 km
2(1.1 km × 1.1 km) 또는 4.84 km
2(2.2 km × 2.2 km) 의 부지 면적이 필요하다는 것을 계산할 수 있다. 심지층 동굴 처분과 비교했을 때 1개의 처분용기에 4다발의 사용후핵 연료가 처분할 수 있다는 것을 전제로 하고 처분공 간격이 6 m, 처분터널 간격이 40 m 일 경우 필요한 부지 면적은 2.89 km
2(1.7 km × 1.7 km) 인 것으로 계산된다. 따라서 심부시 추공 처분을 선택하게 된다면 시추공 간격에 따라 소요되 는 부지 면적이 동굴처분 방식에 비해 효율적일수도 있고 아닐 수도 있음을 알 수 있다. 하지만 고준위방사성폐기물 처분장을 건설하는 과정을 고려해보면, Fig. 9에서 볼 수 있 듯이 심지층 동굴처분의 경우 앞서 계산한 부지 면적에 비 해 지상에서 실제 사용하고 차지하는 면적은 처분터널의 진입부에 한정되지만, 심부시추공 처분의 경우 모든 시추 공에 지상설비가 필요하므로 지상에서 실제로 사용하고 차 지하는 면적은 앞서 계산한 부지 면적보다 항상 클 수밖에 없다. 특히 5 km의 장심도 대구경 시추공을 뚫기 위해 필요 한 크기가 크고 높은 시추 리그를 설치할 수 있는 공간을 지 상에서 확보해야하며, 동시에 깊은 산속 같이 시추 리그가 접근할 수 없는 지역은 부지로 선정될 수 없다. 따라서 심부
시추공 처분 방식은 깊은 심부에 진입하므로 비교적 양호 한 암반을 획득할 가능성은 있지만 넓은 지상 부지를 이용 해야 하므로 심지층 동굴처분 방식에 비해 건설이 가능한 부지를 찾는 것이 용이하다고 할 수 없다.
결 론
사용후핵연료를 포함한 고준위방사성폐기물은 고독성·
장수명의 특성을 지니고 있어서 이것을 생태계로부터 영구 격리 시키는 방법에 대한 논의가 오랜 시간 이루어져 왔으 며, 가장 현실적인 방안으로 지하 수백 미터 심부에 존재하 는 상대적으로 안정한 결정질 암반 또는 퇴적층 암반에 공 학적방벽을 설치하여 사용후핵연료를 처분하는 개념인 심 지층 동굴처분 개념이 제시되었다. 최근 미국을 중심으로 지하 5 km 심부시추공 처분 개념이 검토되고 있다. 심부시 추공 처분이란 결정질 기반암에 공저 직경이 약 43.2 cm (17 in.) 정도 혹은 그 이상 되는 시추공을 지표 아래 약 5 km 심 도까지 굴착하여 하부 처분구간에는 사용후핵연료를 포함 한 처분용기를 집어넣고 상부구간은 벤토나이트 등의 물질 로 채워 넣어 시추공을 완전히 밀봉시키는 처분 개념이다.
동굴처분 방식에 비해 심부시추공 처분 방식은 안전한 설치만 가능하다면 생태계와의 이격거리가 멀고 투수율이 낮으며, 낮은 유속과 높은 염도 등으로 인한 명백한 이점을 갖는다. 하지만 대구경 장심도 시추는 석유가스업계에서 는 활용하지 않는 넓은 구경을 필요로 하므로 아직 실현이 되지 않은 기술이라는 점, 제어가능성이 낮고 검증이 어렵 다는 점, 적치한 처분용기를 회수하는 것이 쉽지 않아 사고 등 위기상황에 대응이 신속하지 않다는 점, 시추공 숫자만 큼의 수많은 지상시설이 필요하다는 점, 새로운 개념을 정 립하려면 30년 이상의 또다른 연구기간과 막대한 비용이 필요하다는 점이 단점으로 지적되고 있다.
기술적으로 대구경 장심도 시추는 예상치 못한 과다한 공벽파괴 및 변형이나 시추 중 파쇄대를 따라 과다누수가
(a) Deep geological disposal (b) Deep borehole disposal
Fig. 9. Examples of layout for a final repository according to the concepts of (a) deep geological disposal and (b) deep borehole
disposal (from SKB, 2010b).
발생할 수 있으며 안정성 측면에서는 시추공의 직경이 커 지는 크기효과로 인해 안정성이 저해될 가능성이 있다고 판단되며, 이에 따라 대구경 시추 시 소요될 비용도 매우 클 것이다. 부지선정의 측면에서도 심부시추공 방식의 경우 시추공마다 지상설비가 필요하므로 동굴처분에 비해 보다 넓은 지상 부지가 소요되며 커다란 시추리그가 접근이 가 능한 지역만 예상부지로 고려될 수 있다는 점도 단점이라 할 수 있다.
또한 국내에서 심부시추공 처분의 실효성을 분석하기 위 해서는 심부시추 및 검층 관련 기술 숙련도가 미국 등 선진 국에 비해 낮은 현실도 고려해야 한다. 미국에서는 1949- 2008 년까지 석유·가스 생산을 위해 시추된 시추공의 총 연 장은 대략 3,500,000 km인 반면(EIA, 2017) 국내에서 육상 에서 시추된 1 km 이상의 시추공의 총 연장은 총 30 km 내 외에 불과하여 대심도 시추와 관련한 기술 및 인력이 국내 에는 매우 부족한 실정이다(Song et al., 2015). 반면 현재까 지 국내에는 5개의 지하유류비축기지를 비롯해 도로 및 철 도 터널의 총 연장은 2,370 km로 비록 대부분이 100 m 미 만의 지하구조물에 국한되어 있지만 동굴처분과 관련된 시 공기술은 비교적 숙련도가 높다고 할 수 있다(Lee and Cha, 2000; Jeon, 2000; KAERI, 2009; MOLIT, 2017; SK E&C, 2017).
따라서 향후 심부시추공 처분 방식이 실현가능한 처분대 안이 되려면 시추공의 직경을 최소 두배로 늘리는 새로운 시추기술이 개발되어야 하는데, 이때 시추공 직경 증가에 따른 크기효과가 시추 시 야기할 수 있는 불안정성으로 인 한 피해를 최소화하기 위해서는 탐사공으로부터 심부환경 에 대한 조사가 수행되어야 한다. 특히 처분구간이 될 심도 에서의 현지주응력의 방향 및 크기를 예측하는 연구나 심 부에서 시추코어를 회수하여 심부암반의 역학적 물성 및 열물성을 측정하는 연구, 공벽 관측을 통해 심부암반 내 균 열의 방향 및 빈도와 같은 절리특성을 규명하는 연구 등을 진행함으로써 대구경 장심도 시추공에서의 공벽파괴 양상 이나 과다누수 발생 가능성 등을 예측하야 하는 기술을 확 보해야 할 것이다. 또한 선진국에 비해 부족한 기술 축적 현 황과 심부시추공 처분장 건설에서 적합한 부지확보의 어려 움은 극복해야 할 과제로 남아있다.
사 사
본 기술보고는 서울대학교 원자력정책 연구센터의 지원 을 받아 수행되었으며 본 논문에 제시된 의견은 저자들만 의 것임을 밝힌다.
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박 보 나
2011년 서울대학교 공과대학 에너지자원 공학과 공학사
2013년 서울대학교 대학원 에너지시스템 공학부 공학석사
현재 서울대학교 에너지시스템공학부 박사과정 (E-mail; [email protected])
민 기 복
현재 서울대학교 에너지자원공학과 부교수 (本 學會誌 第52券 第4号 參照)
권 새 하
현재 서울대학교 에너지시스템공학부 석사박사통합과정 (本 學會誌 第52券 第4号 參照)
