1. 서 론
사용후핵연료 처분장의 장기적인 안전성과 관련하여, 균열암반 내에서의 방사성 핵종의 이동 및 지연 특성은 지난 반세기 이상 전 세계적으로 광범위하게 연구되어 왔으며, 그 과정에서 다수의 현장 추적자 시험이 부지특성화의 일환으로 수행되었다. 이러한 시험들은 방사성폐기물처분장 성능평가에 사용되는 핵심 용질이동 매개변수를 규명하는 데 기여하였다(Löfgren et al., 2007, Tsang et al., 2015, Zhang et al., 2022). 현장 추적자 시험은 균열 네트워크의 연결 상태를 관찰하는 데 유용하고 타당한 도구로 입증되었으며, 투수성 유로의 유동 및 이동 특성에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다(Kittilä et al., 2019).
추적자 시험에서 가장 직접적이고 신뢰할 수 있는 측정 결과는 농도이력곡선(Breakthrough Curves, BTC)이다. 이는 일반적으로 시간에 따른 추적자의 농도 변화를 시계열로 나타낸 곡선이다. 이때 다양한 흡착특성을 가진 추적자들을 혼합하여 동시에 주입함으로써, 핵종의 이동(이송과 수리적 분산)과 지연(균열 내 유동성 유체에서 암석 매트릭스 내 비유동성 유체로의 추적자 질량 이동)특성을 동시에 측정할 수 있다(Fig. 1). 균질한 다공성 매질에서는 BTC가 정규분포형태를 보이며, 이는 고전적인 이송-분산 방정식으로 적절히 예측될 수 있다. 그러나 균열 매질에서 수행되는 현장 추적자 시험의 BTC는 일반적으로 빠른 도달 시간, 농도의 급격한 상승, 그리고 긴 꼬리(tail) 현상을 특징으로 하며, 이는 공간적인 균열 간극의 불균질성에 의해 유도된 채널링(channeling) 현상 때문이다(Kittilä et al., 2019). 따라서 BTC만으로 균열암반 내 이동 및 지연특성 시간을 규명하는 문제는 암반수리분야에서 여전히 도전적이고 어려운 과제이다(Cvetkovic et al., 2020).
현장 추적자 시험은 지금까지도 균열암반 내 이동 및 지연 거동을 조사하고 이해하는 데 핵심적인 역할을 해왔으며, 본 본고는 방사성 핵종의 이동 연구를 목적으로 수행된 과거의 현장 추적자 시험들을 검토하고, 균열암반 내에서의 현장 추적자 시험을 설계하고 수행하며 해석하는 방법에 대한 지침을 제시하고자 한다. 현재, 균열암반 내에서 방사성 핵종 혹은 기타 용질의 대규모 및 장기적 이동 및 지연 거동을 현장 추적자 시험을 통해 어느 정도까지 평가할 수 있는지에 대한 논의가 지속되고 있다. 따라서 현장 추적자 시험의 가능성과 한계를 면밀히 이해하는 것은 방사성폐기물 처분장 부지조사의 전략을 수립하는 데 매우 중요하다. 현장 추적자 시험은 비록 처분장뿐만 아니라 다양한 지하 저장 관련 공학 분야에서도 단일 균열 또는 균열 네트워크를 통한 유체 흐름 특성을 특성화하고 정량화하기 위해 널리 활용되어 왔지만(Ren et al., 2023), 본 보고는 주로 방사성폐기물 처분 개념을 개발하기 위해 지하연구시설에서 수행된 현장 추적자 시험에 초점을 맞추고 있다.
Fig. 1.
Schematic of nuclide transport process and in-situ tracer test in fractured rocks for nuclear waste repository (Tsang et al., 2015, Zhang et al., 2022)
본 보고에서는 국내외 다양한 현장 추적자 시험의 주요 특성을 요약하고, 대표적인 BTC 자료들을 수집하여 표준화된 방식으로 제시하였다. 여러 국가에서 수행된 현장 추적자 시험 수행사례를 바탕으로, 시험 부지의 지질·수리지질 특성부터 시험의 구체적인 목적, 시추공 구성과 제원, 적용되는 추적자의 종류 및 주입량, 그리고 주입과 양수 유량에 이르기까지 주요 시험 조건들을 체계적으로 분석하였다. 본 보고에서 검토한 균열암반 내 현장 추적자 시험의 국내외 연구사례 분석은 향후 방사성폐기물 처분장 후보지에서 수행될 현장 추적자 시험에 관한 이해도 제고 역할을 하는 것을 목표로 한다.
2. 추적자 시험 개념 및 정의
균열암반 내 유체 유입 지점과 유출 지점 사이의 유동 경로 가능성을 확인하고, 해당 경로의 수리특성과 이동 및 지연특성을 평가하기 위해 다수의 현장 추적자 시험이 수행되어 왔다. 현장 추적자 시험은 지표면에서 시추한 수평 균열을 대상으로 한 시추공 또는 지하 터널에서의 수직 균열을 대상으로 한 시추공을 통해 수행할 수 있다. 시험 시의 유동 상태는 정지수(immobile water) 또는 유동수(mobile water)로 구성된다. 주입되는 추적자는 주로 두 가지 유형, 즉 비흡착성(보존성, conservative) 추적자와 흡착성(sorbing) 추적자로 나뉘며, 서로 다른 특성을 지닌 추적자들을 혼합한 형태의 사용이 일반적으로 선호된다. 이는 모든 추적자가 동일한 지질암반 및 유동 조건에 노출되기 때문이다.
현장 추적자 시험은 지역성, 유동 조건, 또는 추적자 유형에 따라 분류될 수 있으나, 본 보고에서는 시추공 구성 방식에 따라 다음 세 가지 유형으로 분류한다. 먼저 단일 시추공에서의 역류(backflow) 시험(Nordqvist and Gustafsson, 2004, Nordqvist, 2008, Wang et al., 2018), 주입공과 관측공을 포함하는 이중 시추공 시험(Landström et al., 1983, D’Alessandro et al., 1997, Park et al., 2012), 그리고 다수의 주입 및 관측 시추공을 포함하는 다중 시추공 시험(Landström et al., 1978, 1981, Elert and Svensson, 2001, Tanaka et al., 2019)이 있다.
과거 연구들에서는 추적자의 농도를 질량 농도, 물 농도 또는 방사선 농도 등 서로 다른 방식으로 표현했기 때문에, 다양한 시험에서 얻어진 BTC를 상호 비교하기 어려운 문제가 있었다. 따라서 본 보고에서는 비교 용이성과 해석의 일관성을 위해 표준화된 BTC 개념을 정의하였다. 질량 보존 법칙에 따라, 관측공에서의 총 추적자 유출량은 주입된 추적자 질량()과 회수율()의 곱과 같다.
식 (1)에서 는 시간 에서 관측공 내의 질량 농도, 는 관측공의 양수율(pumping rate), 는 시험 경과 시간을 각각 의미한다. 측정된 추적자 농도 가 불연속적인 데이터 포인트일 경우, 식 (1)은 아래 식 (2)과 같이 변형된다.
식 (2)에서 는 각 샘플링의 시간 간격을 나타낸다. 이 과정을 통해 추적자 질량 농도는 체류 시간(residence time) 로 식 (3)과 같이 표준화 할 수 있다.
이 값을 시간에 따라 도시하면 체류시간분포(RTD)를 얻을 수 있으며, 이 RTD 곡선과 시간축 사이의 면적이 바로 회수율()이 된다. 이 표준화된 처리 방식은 두 가지 주요 장점을 가지는데, 일단 주입 추적자의 질량과 양수율의 차이를 보정해주기 때문에, 주입 방법에 상관없이 RTD 곡선을 쉽게 비교할 수 있다(Kittilä et al., 2019). 또한 RTD 곡선과 시간축 사이 면적이 물리적으로 명확한 회수율의 의미를 가지므로, 회수율의 계산 및 직관적인 비교가 용이하다.
암반 추적자시험에서 농도이력곡선(Breakthrough Curve, BTC)은 추적자 주입 이후 관측 지점에서 시간에 따른 농도 변화를 나타내는 곡선으로, 균열 암반 내 유체 및 용질 이동 특성을 해석하는 대표적인 응답 함수이다. BTC는 유동 경로의 수리적 특성, 평균 이동속도, 체류시간 분포, 분산 및 지연효과를 종합적으로 반영하며, 도달시간, 피크시간, 피크농도, 비대칭성 및 tailing 특성은 암반 내 유동 및 물질이동 과정의 구조적 정보를 나타낸다. 균질 매질에서는 BTC가 비교적 대칭적인 형태를 보이나, 실제 균열 암반에서는 유동 경로의 다양성, 균열 개구폭의 공간적 변동, 유속의 비균질성 및 매질 확산(matrix diffusion)으로 인해 비대칭적이고 장기 tailing을 갖는 비정규 형태가 나타난다. 초기 급상승은 우세한 유동경로(preferential flow path)를 통한 빠른 이동을 의미하며, 긴 tailing은 저유속 영역이나 정체 구간의 영향을 반영한다. 따라서 BTC 형상은 수리적 불균질성과 물질이동 비평형성을 정량적으로 나타낸다. 또한 BTC는 암반균열망의 불균질성 및 연결성(connectivity) 평가에 유용하다. 불균질성이 클수록 BTC는 넓은 분산과 긴 tailing을 보이며, 연결성이 양호할 경우에는 빠른 도달과 뚜렷한 피크가 형성된다. 반면 연결성이 제한적일 경우에는 도달 지연과 낮은 피크농도를 보이는 완만한 곡선이 나타나며, 복수의 유동경로가 존재할 경우 다중 피크가 나타날 수 있다. 이처럼 BTC는 균열성 암반의 수리적 불균질성, 연결 구조 및 유효 유동경로 특성을 현장 규모에서 간접적으로 평가하는 핵심 지표로 활용될 수 있다.
3. 추적자 시험 수행 연구 검토
3.1 균열암반 내 현장 추적자 시험 국내외 사례
3.1.1 스웨덴
1970년대 후반부터, 스웨덴의 핵연료 및 폐기물 관리회사(SKB, Svensk Kärnbränslehantering AB 약칭)는 Studsvik, Finnsjön, Äspö 및 Forsmark와 같이 네 개의 서로 다른 지역에서 매우 많은 수의 현장 추적자 시험을 수행해 왔다(Löfgren et al., 2007). 대표적인 현장 추적자 시험과 그 관측 결과는 아래에서 자세히 검토한다.
(1) Studsvik site, Sweden
1977년 2월과 3월에, 스웨덴 Nyköping 외곽에 위치한 Studsvik 연구센터 지역에서 현장 추적자(in-situ tracer) 시험이 수행되었으며, 이는 스웨덴의 균열 결정질 암반에서 수행된 최초의 현장 추적자 시험으로, 핵폐기물 저장소 연구분야에서는 최초였다(Landström et al., 1978, 1981). 이 현장 추적자 시험의 주요 목적은 핵폐기물 저장소에서의 방사성 핵종 이동을 조사하기 위한 적절한 절차와 기술을 개발하는 것이었으며, 선캄브리아기 암석인 혼성 편마암질 화강암의 큰 노두가 시험 부지로 선정되었다. 지표면에서 직경 115 mm의 시추공 8개(B1-B8)가 시추되었고, 예비 시험에서는 방사성 추적자 82Br-이 유동 경로를 식별하기 위해 사용되었다. 이 결과, 적용된 수리경사 하에서 수십 시간의 대류 이동이 소요되는 두 개의 유로(B8-B2: 51 m, B8-B7: 22 m)가 확인되었다(Fig. 2a).
주요 시험에서는 흡착되지 않거나 또는 흡착되는 다양한 추적자들(24Na+, 75SeO32-, 82Br-, 85Sr2+, 99mTcO4-, 113Sn4+, 131Cs+, 131I-, 147Nd3+)이 B8 시추공의 차단된 구간(지표면에서 약 72 m 깊이)에 주입되었으며, 주변의 B7과 B2 시추공으로부터 수백 시간에 걸쳐 지하수 시료가 채취되었다. 147Nd3+와 131Cs+는 흡착력이 강해 시험 동안 완전한 농도이력곡선(Breakthrough Curve)을 관측할 수 없었다. 또한, 75SeO32-와 113Sn4+는 서로 간의 침전 반응으로 인해 농도가 상대적으로 낮게 측정되었다. B8-B2와 B8-B7의 두 유로에 대한 대표적인 체류시간 분포 곡선은 Fig. 2(b)에 제시되어 있다.
1980년대 초반에는 Studsvik 내의 첫 번째 시험 지점과는 다른 위치에서 두 번째 현장 추적자 시험 이 수행되었으며, 이는 현장과 실험실에서 측정된 핵종 이동 파라미터들을 비교하기 위한 목적이었다(Landström et al., 1983). 해당 부지에서는 8개의 타격식 시추공(B1N-B8N)이 지표면에서부터 시추되었고(Fig. 3a), 텔레뷰어 로깅을 통해 총 310개의 암반 균열이 관찰되었다. 주요 시험에서는 흡착성 추적자 85Sr2+와 134Cs+ 및 비흡착성 기준 추적자 HTO와 131I-이 B1N 시추공(길이 91-92 m 사이)과 B5N 시추공(길이 78.8-80.1 m 사이)의 차단 구간에 주입되었다. 시추공 간 주입 및 채수 위치 간의 거리는 B1N-B6N의 경우 약 11.8 m, B5N-B6N의 경우 약 14.6 m이었다. 두 유로(B1N-B6N 및 B5N-B6N)에 대한 대표적인 RTD 곡선은 Fig. 3(b)에 제시되어 있다. 특히 85Sr2+의 RTD 곡선에서 나타난 두 개의 이례적인 피크는 두 개의 우세한 유동 경로(preferential flow path)가 존재할 가능성에 기인한 것으로 해석되었다.
(2) Finnsjön site, Sweden
스웨덴 북부의 Finnsjön 지역에서는 균열 암반 내에서의 물질 이동 메커니즘과 특성을 연구하기 위해 균열대에서 최초의 현장 추적자 시험이 수행되었다(Gustafsson and Klockars, 1981, 1984). 시험 부지는 동쪽의 Gåvastbo 파쇄대와 북쪽 및 남쪽의 균열대로 경계가 형성되어 있다. 이 부지에서는 약 100 m 길이의 타격식 시추공 10개와 460 m 및 730 m 길이의 코어 시추공 2개가 굴착되었다. G2 시추공의 91-93 m 구간이 주입 구간으로 선택되었고, G1 시추공의 100-102 m 구간이 채수 구간으로 선택되었다(Fig. 4). 주입 구간과 채수 구간 사이의 거리는 약 30 m이다.
Fig. 4.
Borehole layout of the in-situ tracer tests in the Finnsjön site (Gustafsson and Klockars, 1981)
1단계에서는 비흡착성 또는 매우 약한 흡착성을 가지는 추적자들인 Rhodamine WT, NO3-, I-, Br-, Cr-EDTA-가 주입되었고, 2단계에서는 비흡착성인 I- 및 흡착성 추적자인 Sr2+와 Cs+가 주입되었다. 두 번째 현장 추적자 시험은 지표면에서 시추된 시추공들을 이용하여 수행되었으며, 주요 목적은 방사상 수렴 방식의 추적자 시험 설계 및 성능을 최적화하는 것이었다(Andersson and Klockars, 1985). 시험 부지의 균열 분포는 불균질하며, 평균적으로 1미터 당 5개 이하의 균열이 관찰되었다. 추적자는 BFI01, KFI06, KFI11 시추공에 주입되었고, 지하수 시료는 BFI02 시추공에서 채취되었다(Fig. 5a). 주입 시추공과 관측 시추공(BFI02) 간의 거리는 각각 약 168 m (BFI01), 189 m (KFI06), 155 m (KFI11)이다.
예비 단계에서는 Uranine, Iodide, Amino G Acid 등의 추적자가 각각 BFI01(깊이 239-250 m), KFI06(202-227 m), KFI11(217-240 m) 시추공에 펄스 방식으로 주입되었다(Andersson and Klockars, 1985, Gustafsson and Andersson, 1991). 수집된 물시료는 BFI02 시추공의 193-217 m 구간에서 채취되었다. 그 결과, Amino G Acid가 가장 빠른 돌파 시간과 가장 높은 농도 피크를 나타냈으며, 그 다음으로 Iodide, Sodium fluorescein 순으로 나타났다(Fig. 5b). 본 시험 단계에서는 총 11종의 추적자가 9개 시추공 구간(즉, BFI01, KFI06, KFI11의 상부, 중부, 하부)에 주입되었다. 이 중 8종의 추적자는 5~7 주간 지속적으로 주입되었고, 나머지 3종은 펄스 방식으로 주입되었다(Gustafsson and Nordqvist, 1993). 추적자의 회수율은 깊이에 따라 감소하였으며, 이는 균열대의 상부 경계가 높은 투수성을 가짐을 의미한다.
세 번째 현장 추적자 시험은 순환 유동 시스템을 구성하여 수행되었으며, 이는 BFI02 시추공에서 지하수를 양수하고 이를 BFI01 시추공으로 재주입하는 방식이었다(Andersson et al., 1993). 이 시험의 주요 목적은 주요 균열대의 특성화를 위한 방법을 개발하는 것이었다. 관측용 시추공으로는 KFI06 및 KFI11이 사용되었으며, 일부 추적자는 KFI11을 통해 주입되기도 했다. 총 15회의 추적자 주입이 수행되었다. 비흡착성 추적자들(82Br-, 186ReO4-, 131I-, 169Yb-EDTA, 58Co-EDTA)은 유사한 체류시간을 보였으나, 다른 추적자들(140La-DOTA, 177Lu-DOTA, Rhodamine WT)은 이들보다 상당히 지연되어 도달하였다.
(3) Äspö, Sweden
Äspö 지하연구시설(Hard Rock Laboratory, HRL)은 스웨덴 Oskarshamn 인근에 위치하고 있으며, 실제 지질 조건을 반영한 환경에서 다양한 기술적 해법을 실규모로 시험하기 위해 구축되었다. Äspö 지역에 발달한 대부분의 균열 및 파쇄대는 장기간에 걸친 복잡한 지질학적 이력을 지니고 있으며, 특히 북북서(NNW) 방향의 균열군은 지하수 유동 특성에 지배적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Stanfors et al., 1999).
Äspö HRL의 사전조사 단계에서는 장기 펌핑 및 추적자 시험의 일환으로, 지표면에서 시추공을 이용한 일부 현장 추적자 시험이 수행되었다(Gustafsson and Ström, 1995). 이는 Äspö HRL 부지 규모에서 용질 이송 거동을 규명하려는 최초의 시도였다. 개방형 시추공 KAS06은 추적자 회수공으로 사용되었으며, 이를 둘러싼 5개의 시추공 내 6개 패커 분리 구간이 추적자 주입공으로 활용되었다(Fig. 6). 수리적으로 전도성이 높은 균열 구간에 Uranine과 비흡착성 방사성 추적자(114In, 131I, 186Re)가 주입되었다.
1995년부터 2005년까지 파쇄암반 내 방사성핵종의 이동 및 보유 과정을 규명하기 위해 TRUE (Tracer Retention Understanding Experiments) 프로그램이 수행되었다. TRUE 프로그램은 TRUE-1, TRUE Block Scale, TRUE-1 Continuation, TRUE Block Scale Continuation의 네 차례 현장 추적자 시험으로 구성된다.
1995~1998년 동안 수행된 첫 번째 시험인 TRUE-1은 개구폭 1.4 mm의 단일 균열(Feature A)을 대상으로 수행되었다. 터널에서 길이 20~60 m의 시추공 5개가 시추되었으며, 서로 약 5 m 간격으로 Feature A를 교차하도록 배치되었다(Fig. 7). 이 실험에서는 비흡착성 추적자와 흡착성 추적자(알칼리 및 알칼리토 금속: 22Na+, 42K+, 83, 86Rb+, 134Cs+, 47Ca2+, 85Sr2+, 131Ba2+)가 함께 사용되었으며, 실험은 최대 15개월 동안 10 m 이하의 제한된 규모에서 수행되었다.
Fig. 7.
Schematic of borehole layout of Tracer Retention Understanding Experiments (TRUE 1) at the detailed scale of 10 m in the Äspö Hard Rock Laboratory (HRL) (Elert and Svensson, 2001)
1996~1999년에는 두 번째 시험인 TRUE Block Scale이 수행되어, 10~100 m 규모의 단열 네트워크에서 추적자 이송 및 보유 거동을 규명하고자 하였다(Andersson et al., 2000, 2002a, 2002b, 2004). TRUE Block 시험은 세 개의 단계로 구성되었고, 길이 10~130 m 범위의 16개 유동 경로(주입-회수 조합)에 대해 총 32회의 추적자 주입이 수행되었다. 각 주입 실험에서는 약흡착성 추적자 1종과 강흡착성 추적자 1종 이상이 사용되었다.
TRUE-1 Continuation은 TRUE-1 시험 부지에서 수행된 보완 연구로, 기존 수리구조 모델을 확인하거나 개선하기 위해 추가적인 추적자 시험이 수행되었다(Andersson et al., 2000). 이 단계에서는 Uranine, Amino-G acid, Rhodamine WT와 같은 비흡착성 추적자가 사용되었으며, 펌핑 구간에서 650시간 동안 모니터링 및 시료 채취가 이루어졌다. 그 결과 Feature A에서 주입된 추적자에 대해서만 파괴가 확인되었다. 이후 TRUE-1 Completion 단계에서는 Feature A에 에폭시 수지를 주입하였으며, 수지 경화 후 직경 300 mm의 시추공을 이용한 오버코어링이 수행되었다. TRUE Block Scale Continuation (BS2)은 TRUE Block Scale 시험 부지 인근에서 수행되었으며, 블록 규모에서의 이송 경로에 대한 이해를 심화하고, 형상, 거시 구조 및 미시 구조의 영향을 평가하는 데 목적이 있었다(Andersson et al., 2007). 사전 시험에서는 Uranine, Amino-G acid, Rhodamine WT가 사용되었고, 본 시험에서는 흡착성 및 방사성 추적자가 사용되었다.
LTDE-SD (Long Term Sorption Diffusion Experiment) 시험은 암반 매트릭스 내 정체 공극수에서의 추적자 이송을 규명하기 위해 수행되었으며, Äspö HRL에서 해수면 기준 약 410 m 심도의 수리 전도성 균열 인근에서 실시되었다(Nilsson et al., 2010). 직경 36 mm의 소구경 시추공이 터널로부터 약 10 m 떨어진 위치에서 시추되어 수리 전도성 균열을 교차하도록 배치되었으며, 이 시추공은 균열면을 지나 약 11.8 m까지 연장되었다. 이후 해당 소구경 시추공을 중심으로 대구경 시추공이 추가 시추되어 균열면을 단거리로 관통하는 형태가 형성되었다. 흡착성 및 비흡착성 추적자로 구성된 혼합 용액이 200일 동안 자연 균열면과 변질되지 않은 암반 매트릭스에 접촉하도록 하여 실험이 수행되었다.
(4) Forsmark, Sweden
포스마르크(Forsmark) 지역의 균열 및 파쇄대의 이송 특성을 규명하기 위해, 심지층 처분시설 후보지인 포스마르크 조사 구역에 위치한 여러 시추공에서 다수의 단일공 주입-회수 시험(Single Well Injection-Withdrawal, SWIW)이 수행되었다. SWIW 시험은 동일한 시추공에서 추적자를 주입한 후 다시 회수하는 방식이기 때문에 일반적으로 푸시-풀(push-pull) 시험이라고도 불린다(Haggerty et al., 1998).
SWIW 시험에서는 하나의 시추공을 통해 일정한 유량으로 일정 시간 동안 추적자와 함께 유체를 주입한 후, 추적자가 포함되지 않은 유체(chase fluid)를 조금 더 긴 시간 동안 주입한다. 이후 펌프의 방향을 역으로 전환하여 동일한 유량으로 유체를 회수함으로써, 주입된 추적자의 대부분 또는 전부가 회수될 때까지 시험을 수행한다. 포스마르크 지역의 수리 전도성 균열들 간의 연결성과 이송 특성을 보다 심층적으로 이해하기 위해, 세 차례의 대규모 현장 추적자 시험이 추가로 수행되었다(Fig. 8a).
2005년 6~7월에 수행된 첫 번째 시험은 포스마르크 부지조사 구역 내에서 실시되었다(Wass and Andersson, 2006). 이 시험에서는 시추공 HFM02, HFM15 및 KFM01A에 서로 다른 세 종류의 비흡착성 추적자를 주입하였으며, 시추공 HFM01에서 펌핑 및 시료 채취가 수행되었다. 그러나 부지 내 다른 조사 일정으로 인해 시료 채취는 380시간 이후 중단되었으며, 체류시간분포(RTD) 곡선의 초기 상승 구간만이 측정되었다.
2007년 봄에는 두 번째 시험이 주입공 KFM02A와 관측공 KFM02B 사이에서 수행되었다(Lindquist et al., 2008a). 본 시험에 앞서, 6일간의 사전 펌핑 후 예비 추적자 시험이 실시되었으며, 이 단계에서는 Rhodamine WT가 추적자로 사용되었다. 이는 장비 구성의 적합성을 확인하고, 이후 수행될 본 시험에서 요구되는 시간 규모에서의 이송 연결성을 검증하기 위한 목적이었다. 이 시험에서는 비흡착성 추적자 Uranine과 함께 흡착성 추적자인 Li+, Cs+ 및 Rb+가 사용되었다.
2007년 여름에는 세 번째 시험이 수행되었으며, 관측공 HFM14를 중심으로 주변에 위치한 6개의 시추공에서 비흡착성 추적자가 주입되었다(Lindquist et al., 2008b). 주입공과 펌핑 시추공 간의 거리는 72~512 m 범위에 이르렀으며, 21 m3/h의 유량으로 15주간 펌핑이 지속되었다. 주입된 추적자는 HFM01에 Eu, HFM13에 Tb, HFM15에 Gd·Uranine·Cs+, HFM19에 Dy, HFM32에 Re, 그리고 KFM10A에 Ho였다. 이 중 6개 시추공 가운데 5개에서 추적자가 관측되었으나, 가장 원거리인 HFM32에 주입된 Re 추적자는 HFM14에서 검출되지 않았다(Fig. 8b).
3.1.2 스위스
(1) 이동 실험(Migration test)
스위스 지하시험시설(Grimsel Test Site, GTS)에서는 상부 피복 두께가 약 400~500 m인 조건에서 수행된 이동 실험의 일환으로, 1985년부터 1994년까지 약 90회의 개별 현장 추적자 시험이 수행되었다. 이 실험의 목적은 실험실에서 도출된 흡착 자료를 현장 조건으로 외삽하고, 현장에서 지배적인 이송 과정을 규명하는 데 있었다(Hoehn et al., 1998). 현장 추적자 시험은 결정질 화강섬록암 내의 수리 전도성이 높고 포화된 전단대에서 수행되었으며, 해당 구간에는 총 8개의 시추공이 시추되었다(Fig. 9a). 주입공 BOMI 86.004와 회수공 BOMI 87.006 사이의 길이 4.9 m의 장거리 유동 경로와, 주입공 BOMI 87.009와 회수공 BOMI 87.006 사이의 길이 1.7 m의 단거리 유동 경로가 확인되었다.
실험의 체류시간분포(RTD) 곡선은 Uranine에 비해 123I-의 지연이 매우 미미함을 보여주었으며, 이는 요오드 종이 미생물 작용에 의해 물질 표면에 고정되었기 때문일 가능성이 제기되었다(Fig. 9b). 24Na+의 농도이력곡선에서 관측된 피크 지연 및 농도 저하는 흡착과 더불어 암반 매트릭스로의 추가적인 확산에 기인한 것으로 해석되었다. 이 실험에서 관측된 이중봉(bimodal) 형태의 RTD 곡선은 이동 균열 내의 전도도 불균질성에 의해 발생한 것으로 해석되었다. 또한 85Sr2+의 RTD 곡선이 Na+에 비해 약 두 자릿수(order of magnitude) 수준의 현저한 피크 지연 및 농도 저하를 보였다(Fig. 9b).
(2) 가스 추적자 시험(Gas tracer test)
이종 매질로 구성된 전단대에서의 유동 및 용질·입자·가스 이동 과정을 포괄적으로 규명하기 위해, GTS 전단대에서는 용질·입자·가스 추적자 통합 실험이 수행되었다. 이 실험은 이질적인 전단대 내 유동 및 이송 과정에 대한 개념 모델을 구축하는 것을 목적으로 하였다.
가스 이동 프로젝트의 일환으로, 2000년 2월부터 12월까지 두 가지 쌍극자(dipole) 구성(쌍극자 간 거리 1.1 m 및 1.9 m)에서 세 차례의 가스 추적자 시험이 수행되었다(Marschall and Lunati, 2006)(Fig. 10). 전단대는 지역적 편리(clavage) 구조 방향과 평행하게 발달해 있으며, 두께는 1.0~3.5 m 범위로 변화한다.
Fig. 10.
Schematic of borehole layout of in-situ gas tracer tests in the GTS (Marschall and Lunati, 2006)
주입된 가스 추적자 조합은 2월에 He 및 Xe, 8월에 He·Xe·Ar·SF6, 그리고 12월에 He·Xe·Ar·SF6·H2S였다. 가스 주입에 따른 공극 가스 압력의 증가는 터널 차수 및 주변 암반의 차폐 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 그 결과 방사성핵종의 이송이 증대될 가능성이 제기되었다.
(3) DNA 나노추적자 시험(DNA nanotracer test)
불균질 파쇄암반 매질 내의 다양한 연결 구조는 개별적으로 분석할 필요가 있으나, 기존 용존형 추적자는 유동계 내에서 장기간 검출 가능한 농도로 잔존하는 문제가 있다(Kittilä et al., 2019). 이에 반해, 콜로이드 추적자로 분류되는 DNA 나노추적자는 이러한 문제를 효과적으로 극복할 수 있는 장점을 지닌다(Mikutis et al., 2018). DNA 나노추적자는 기존 용존형 추적자에 비해 이송 속도가 빠르며, 반복 시험 및 다중 추적자 시험에서도 신호 간섭이 발생하지 않음이 입증되었다(Kittilä et al., 2019). 이러한 장점으로 인해 DNA 나노추적자는 GTS 내 심부 지하 지열 실험실(Deep Underground Geothermal Laboratory, DUG-Lab)에서 최초로 현장 추적자 시험에 적용되었다.
총 9회에 걸친 추적자 시험 시리즈가 수행되었으며, 이 중 시험 1과 시험 4에서는 DNA 나노추적자와 기존 추적자(Uranine, Sulforhodamine B)를 혼합하여 사용함으로써, DNA 나노추적자의 이송 특성을 기존 추적자와 비교하고, 수리지질학적 적용 가능성을 확장하고자 하였다. 실험에 사용된 DNA 나노추적자는 이중 가닥 DNA 분자를 비정질 실리카 구(sphere) 내부에 캡슐화하여 제조되었으며, 이를 통해 추적자의 안정성이 향상되었다(Mikutis et al., 2018). 실험 종료 후에는 불화물을 포함한 식각 용액을 이용하여 실리카 입자를 용해함으로써 DNA를 비파괴적으로 방출하였으며, 방출된 DNA는 정량적 실시간 중합효소 연쇄반응을 통해 분석되어 입자 농도로 환산되었다(Kittilä et al., 2019).
(4) 장기 확산 시험(Long-term in-situ diffusion test)
장기 현장 확산 시험(Long-term in-situ diffusion test, LTD)은 스위스 지하시험시설(GTS)의 관리 구역 내에서, 엽리(foliation)가 특히 약하고 수리 전도성 구조로부터 충분히 이격된 부지를 대상으로 구축·수행되었다(Soler et al., 2015). 본 실험에서는 HTO 형태의 3H, 22Na+, 134Cs+, I-을 담체(carrier)로 사용한 131I-를 추적자로 하여, 패커로 차단된 시추공 내부 구간에 주입하였다. 이후 약 2년 동안 액상 내 추적자 농도가 연속적으로 모니터링되었다. 시험 종료 후에는 해당 시추공 구간을 대상으로 코어 시추(overcoring)를 수행하여, 암반 내에 분포한 추적자(3H, 22Na+, 134Cs+)의 공간적 농도 분포를 분석하였다. 그 결과, 화강암질 암반 매트릭스로의 확산(matrix diffusion)이 매우 중요한 이송 메커니즘임이 확인되었다.
3.1.3 핀란드
핀란드 올킬루오토(Olkiluoto) 처분시설에서는 지표면 하부 약 60 m에 위치한 연구 터널에서 최초의 현장 추적자 시험이 수행되었으며, 이는 연구 터널의 수리지질학적 특성 규명의 일환으로 이루어졌다(Viitanen, 1994). 해당 시험은 직경 56 mm의 두 시추공(4번 및 5번 공)을 대상으로 수행되었으며, 각각의 시추공은 깊이 10 m와 7.5 m, 그리고 두 시추공 간 이격 거리는 6 m였다(Fig. 11a).
4번 시추공에서는 심도 9.30 m 및 9.88 m에서 두 개의 균열이 확인된 반면, 5번 시추공에서는 심도 7.43 m에서 단일 균열이 확인되었다. 5번 시추공의 하부 구간을 대상으로 Uranine과 82Br이 추적자로 사용되었다.
2012~2014년에는 핀란드 포시바(Posiva)가 주관한 대규모 연구 프로그램인 REPRO (Rock matrix Retention PROperties)가 수행되었으며, 이 연구는 올킬루오토 부지의 조사 갱도(niche) ONK-TKU-4219(해발 고도 -401.2 m)에서 변질되지 않은 암반 매트릭스의 보유(retention) 특성을 규명하는 것을 목적으로 하였다(Poteri et al., 2018a, 2018b).
REPRO 프로그램의 일환으로, 서로 다른 유량 조건과 추적자 조합을 적용한 두 차례의 현장 추적자 시험인 WPDE (Water Phase Diffusion Experiment) 1 및 2가 수행되었다. 이들 시험은 조사 니치 벽으로부터 약 18~20 m 이격된 위치에 있는 시추공 ONK-PP323 내, 길이 1.905 m의 패커로 차단된 구간의 원통형 둘레(cylindrical circumference)를 따라 수행되었다(Fig. 11b). WPDE 실험에서 중점적으로 분석된 보유 메커니즘은 암반 매트릭스 공극 공간 내에서의 확산(matrix diffusion)과 흡착(sorption)이었다.
3.1.4 프랑스
프랑스 중부에 위치한 파네-오제르(Fannay-Augères) 우라늄 광산에서는 고도로 파쇄된 화강암 내 유동 및 이송 과정을 규명하기 위해 대규모 현장 시험이 수행되었다(Cacas et al., 1990). 시험 부지는 지표면 하부 약 150 m에 위치한 광석이 존재하지 않는 수평 갱도로 선정되었으며, 갱도와 직교하는 방향으로 발달한 3개의 단층이 존재한다(Fig. 12a).
첫 번째 시험에서는 서로 다른 6종의 화학 물질이 주입되었으며, 주입 위치는 1-F1, 4-F2, 6-F2, 7-F2, 4-F3 및 7-F3 구간이었다(여기서 1-F1은 시추공 F1의 1번 챔버를 의미함). 사용된 추적자는 Zn-EDTA, I-, Rhodamine WT, Amino G였다.
이전에 주입된 화학 물질이 파쇄 화강암 내에서 완전히 소멸된 이후, 두 번째 시험이 수행되었으며, 이 단계에서는 Zn-EDTA, I-, Rhodamine WT, Amino G의 4종 화학 물질이 3-F2, 1-F3, 3-F3 및 6-F3 구간에 주입되었다. 주입된 모든 화학 물질은 화강암과 반응하지 않는 보존성(conservative) 추적자로 간주되었다.
추적자들은 추가적인 담수 주입을 통해 강제적으로 파쇄 화강암 내로 유입되었으며, 갱도를 통해 유출되는 지하수의 추적자 농도는 세 지점에서 모니터링되었다. 그 결과, 6-F2, 7-F2, 4-F3, 6-F3 및 3-F3 구간에서 수행된 다섯 차례의 주입 실험에서만 명확한 breakthrough가 관측되었으며, 농도 도달 시간은 각 실험마다 상이하게 나타났다(Fig. 12b).
3.1.5 스페인
스페인 시에라 데 그레도스(Sierra de Gredos)에 위치한 E1 베로칼(E1 Berrocal) 시험 부지에서는, 파쇄 화강암층 내 이송 과정을 이해하고 이를 모형화하기 위한 일련의 현장 추적자 시험이 수행되었다(D’Alessandro et al., 1997). 해당 시험은 저투수성 파쇄대(low permeability fractured zone)를 대상으로 진행되었다.
방사상 수렴형(radial convergent) 추적자 시험을 위해, 서로 14 m 이격된 두 개의 시추공 S11(심도 69 m)과 S12(심도 46 m)가 시추되었다(Fig. 13a). 시추공 S11에서는 두 개의 패커 분리 구간이 추적자 주입 구간으로 선정되었는데, S11-A는 길이 24 m(심도 -25 m~-49 m), S11-B는 길이 14 m(심도 -50 m~-64 m)에 해당한다. 반면, 시추공 S12에서는 길이 19 m(심도 -27 m~-46 m)의 구간이 추적자 회수 구간으로 선정되었다.
Fig. 13.
In-situ tracer tests in the E1 Berrocal site, Sierra de Gredos, Spain (D’Alessandro et al., 1997)
본 시험에서는 Fluorescein, Eosin, 그리고 I-이 추적자로 사용되었다. Eosin은 S11-A 구간에 주입되었으며, I-과 Fluorescein은 S11-B 구간에 주입되었다. 펌핑 유량은 2 L/min으로 유지되었고, 시험은 총 27일간 지속되었다. 그 결과, Eosin과 Fluorescein은 주입 후 약 3일 경과 시점에서 펌핑 시추공에서 검출된 반면, I-은 이보다 늦게 검출되었다. 이러한 Fluorescein과 I-의 상이한 체류시간분포(RTD) 곡선은 I-의 약한 지연(retardation) 특성에 기인한 것으로 해석되었다(Fig. 13b).
3.1.6 미국
(1) Yucca Mountain site, Nevada
미국 지질조사국(US Geological Survey, USGS)은 불포화 파쇄 응회암 내에서의 유동 및 이송 거동을 규명하기 위해, 유카산(Yucca Mountain)에 전용 시험 부지를 구축하고 현장 추적자 시험을 수행하였다. 시험 부지 내 블록의 네 개 수직면에서는 총 2,400개 이상의 개별 균열이 상세히 매핑되었다(Lu et al., 2011).
1998~2000년에는 지표면 하부 약 30 m에 위치한 지하 탐사연구시설 내 알코브(alcove, 높이 약 5.5 m, 폭 약 5.8 m)에서 침투 시험과 현장 추적자 시험이 수행되었다(Liu et al., 2004). 이 시험에서는 지표 침투를 위해 공급되는 물을 저장 탱크에서 혼합하는 방식으로 Bromide를 침투수에 첨가하여 추적자로 사용하였다.
이어 2001~2002년에는 알코브 8(길이 약 5 m, 폭 약 0.45 m)과 그 하부에 위치한 갱도 3(Niche 3) 사이에서 또 다른 침투 시험 및 현장 추적자 시험이 수행되었다(Liu et al., 2004). 이 단층 시험의 공간적 규모, 즉 알코브와 니치 간의 거리는 약 20 m였다. 시험에서는 단층을 따라 알코브 8의 바닥에서 액체 상태의 물을 주입하여 니치 3의 천정으로 침투시키는 방식이 적용되었으며, 시험 개시 후 209일이 경과한 시점에서 침투수에 두 종류의 추적자(Bromide와 Pentafluorobenzoate, PFBA)가 주입되었다.
(2) Raymond field site, Raymond
캘리포니아주 레이먼드 동쪽과 프레즈노 북쪽에 위치한 시에라 네바다의 레이먼드 현장 시험 부지는, 지구물리학적 및 수리지질학적 시험을 전담하기 위해 구축된 전용 시험 부지로서 다양한 현장 실험이 수행되었다(Karasaki et al., 2000). 파쇄암반의 유동 및 이송 특성을 규명하기 위해, 심도 75~100 m 범위의 9개 시추공들이 굴착되었으며, 이들은 중앙 시추공을 기준으로 60°의 각도를 갖는 V자형 배열로 배치되었다. 또한 중앙 보어홀로부터의 이격 거리를 7.5 m, 15 m, 30 m, 60 m로 단계적으로 설정하여, 유동 및 이송 매개변수에 대한 방향성 효과와 규모 효과(scale effect)를 동시에 분석할 수 있도록 설계되었다(Fig. 14a).
시험 부지에는 각각 심도 약 30 m와 60 m에 위치한 두 개의 주요 균열이 존재한다. 방사상 수렴형(radial convergent) 추적자 시험은 세 단계로 수행되었으며, 먼저 D2O 1 kg과 Fluorescein 1 kg의 혼합 용액이 주입되었다. 이후 2시간 경과 후 LiBr 200 g, 그리고 다시 4시간 경과 후 Polystyrene micro-spheres 4.18 × 1013개가 침투수에 추가로 주입되었다. 그 결과, 최초의 추적자 도달은 주입 후 약 10시간 경과 시점에서 관측되었으며, 농도 피크는 주입 후 약 30~40시간 사이에 나타났다(Fig. 14b).
(3) Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) site, New Mexico
미국 뉴멕시코주 남동부에 위치한 폐기물 격리용 파일럿 플랜트인 WIPP 부지에서는, 파쇄된 백운암 내 이송 과정, 특히 암반 매트릭스 확산을 규명하기 위해 두께 약 7 m의 파쇄 백운암층을 대상으로 현장 추적자 시험이 수행되었다(McKenna et al., 2001, Meigs and Beauheim, 2001). Culebra 층의 상부 3.0 m 구간은 하부 4.4 m 구간에 비해 균열 발달이 상대적으로 적은 반면, 하부 구간에서는 균열이 보다 발달한 것으로 나타났다. WIPP 처분시설은 지표면 하부 약 655 m 심도에 위치한 초우라늄 폐기물 처분시설이다.
1981~1988년 동안, 보존성 추적자를 이용한 수렴 유동 추적자 시험이 H-3, H-6, H-11의 세 개 하이드로패드(hydropad: 다중 시추공 시험 부지)에서 수행되었으며, 이후 단일공 주입-회수 시험과 다중공 시험이 H-11(시추공 4개)과 H-19(시추공 7개) 하이드로패드에서 수행되었다(Fig. 15a). H-11 하이드로패드에서는 7종의 서로 다른 추적자가 사용되었고, H-19 하이드로패드에서는 18종의 서로 다른 추적자가 사용되었다. 이 중 Fluorobenzoic acid과 Chlorobenzoic acid은 보존적 거동을 보이며 크로마토그래피적으로 분리가 가능하다는 점에서 주요 추적자로 선정되었다.
Fig. 15.
In-situ tracer tests in the Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) site, New Mexico, USA (Meigs and Beauheim, 2001)
SWIW 시험에서는 5종의 유기 추적자가 H-11b1 및 H-19b0 시추공에 대해 0.13 L/s의 주입 유량으로 순차적으로 주입되었으며, 이후 동일한 0.13 L/s의 유량으로 Brine를 체이서 용액으로 주입하여 추적자를 시추공부터 암반층으로 이동시키도록 하였다. 18시간의 정지(pause) 기간 이후, 0.24 L/s의 펌핑 유량 조건에서 추적자의 95% 이상(질량 기준)이 회수되었다. 다중공 수렴 유동 시험에서는, SWIW 시험을 통해 사실상 정상 상태의 수리 구배가 형성된 이후에 추적자(및 체이서 용액) 주입이 개시되었다. 유기 추적자와 요오드화물 추적자는 주변 시추공에서 주입되어 펌핑 시추공(H-11b1 및 H-19b0)에서 회수되었으며, 펌핑 유량 조건(H-11: 0.22 및 0.38 L/s, H-19: 0.16 및 0.27 L/s), 주입 구간(상·하부 주입 위치), 그리고 유동 경로에 따라 서로 다른 시험이 수행되었다(McKenna et al., 2001).
그 결과, 서로 다른 유동 경로에서는 체류시간분포(RTD) 곡선이 현저히 상이하게 나타났으며, 동일한 유동 경로 내에서도 추적자 종류에 따라 RTD 곡선이 상이하게 나타났다(Fig. 15b). 이러한 RTD 곡선의 복잡성은 파쇄암반 내 추적자 이송을 설명하기 위해 흔히 적용되는 이중공극(double-porosity) 개념 모델이 지나치게 단순화된 접근임을 시사한다(Meigs and Beauheim, 2001).
3.1.7 캐나다
해당 연구는 캐나다 원자력공사(Atomic Energy of Canada Limited, AECL)의 지하연구시설 내 심도 240 m 구간에서 착수되었으며, 1998년에는 60 m × 50 m × 50 m 규모의 암반 체적을 대상으로 비반응성·반응성·콜로이드 추적자를 포함하는 현장 추적자 시험이 수행되었다(Jensen, 2000). 이 시험의 주요 목적은 MFR (Moderately Fractured Rock, 중간 정도로 파쇄된 암반)에서의 이송 거동에 대한 이해를 높이는 데 있었다. 사용된 추적자 용액은 LiBr, RbI, Lissamine FF, 그리고 형광 라텍스 콜로이드(입경 0.19, 0.22 및 0.56 μm)로 구성되었다.
한편, 현장 확산(in-situ diffusion) 시험은 AECL의 URL 내 심도 약 450 m에 위치한 고응력 상태의 저파쇄 암반(SFR, Sparsely Fractured Rock)을 대상으로 수행되었다. 이 실험을 위해 URL의 420 m 레벨에 위치한 Room 413에서 총 4개의 시추공이 굴착되었다(Vilks et al., 2003). 각 시추공은 직경 76 mm로, Room 413 바닥 하부로 약 10 m의 설계 심도까지 굴착되었다. 시추공 DIF1, DIF2, DIF3 간의 간격은 2.5 m였으며, DIF3과 DIF4 간의 간격은 3.5 m로 설정되었다.
3.1.8 일본
(1) Kamaishi mine
1988년 일본 이와테현의 가마이시 광산에서는, 화강암질 암반의 방사성핵종 지연 잠재력을 이해하기 위해 현장 추적자 시험이 수행되었다(Sawada et al., 2000). 시험 구역은 550 m 레벨에 위치하며, 지표면으로부터 약 350 m 하부에 해당한다. 시험 부지의 암상은 화강섬록암(granodiorite)으로 구성되어 있다.
단일 균열 및 파쇄대에서의 추적자 시험을 수행하기 위해 KH-19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 등 총 7개의 시추공이 굴착되었다(Fig. 16a). 이 중 KH-20, KH-24, KH-25 시추공은 수직 단면에서 약 2 m 간격을 갖는 삼각 배열을 형성하도록 굴착되어, 추적자 이동(migration) 실험에 활용되었다. 또한 고해상도 TV 로깅과 코어 관찰을 통해 7개 시추공에서 3,000개 이상의 균열이 매핑되었다.
현장 추적자 시험은 삼각 배열 시추공들 사이에 분포하는 단일 균열을 대상으로 수행되었다. 추적자로는 NaCl이 사용되었으며, Cl-선택 전극을 통해 농도가 실시간으로 측정되었다. 단일 균열에서는 추적자 회수율이 80% 이상으로 높게 나타났으나(Fig. 16b), 파쇄대에서는 회수율이 더 낮게 관측되었다.
(2) Mizunami URL
일본원자력연구개발기구(Japan Atomic Energy Agency, JAEA)는 일본 나고야현에 위치한 미즈나미 지하연구시설에서 현장 추적자 시험을 수행하였다(Tanaka et al., 2019). 본 시험의 주요 목적은 시험 부지 주변 암반의 이송 특성을 추정하고, 일본의 결정질 암반에 적합한 장비 및 평가 방법을 개발하는 데 있었다.
시험 부지는 심도 500 m의 갱도(drift)에 위치하며, 갱도 주변 암반은 균열 밀도가 높은 화강암으로 구성되어 있다(균열 빈도 1 m당 4.3개). 갱도 벽면에서 길이 약 30 m의 시추공 3개(15MI52, 15MI53, 16MI59)가 굴착되었다(Fig. 17a). 이들 시추공 사이에 걸쳐 분포하는 단일 균열이 추적자 시험의 대상 균열로 선정되었다.
Fig. 17.
In-situ tracer tests at Mizunami Underground Research Laboratory in Nagoya Prefecture, Japan (Tanaka et al., 2019)
주입공은 15MI52, 펌핑공은 16MI59였으며, 두 시추공이 대상 균열과 교차하는 지점 간 거리는 약 2.62 m였다. 주입 및 펌핑 유량은 각각 1.55 mL/min과 8.85 mL/min이었다. 주입된 추적자 용액은 비흡착성 추적자(D2O 5.5 mg/L, Uranine 3 mg/L)와 흡착성 추적자(Rb+ 1.2 mg/L, Ba2+ 1.1 mg/L)로 구성된 혼합 용액이었으며, 주입은 5시간 동안 수행되었다. 흡착성 추적자인 Rb+ 및 Ba2+에 비해, 비흡착성 추적자인 Uranine은 회수율이 더 높고 농도 피크 도달 시간이 더 짧게 나타났다(Fig. 17b).
(3) Horonobe URL
일본 홋카이도의 호로노베 지하연구시설에서는 지하 250 m 갱도에서 현장 추적자 시험이 수행되었다(Tanaka et al., 2015). 본 시험의 주요 목적은 와카나이층의 규질 이암에서 세슘(Cs)의 확산계수(diffusivity)와 흡착계수(sorption coefficient)를 결정하는 것이었다. 와카나이층을 향해 길이 약 30 m의 시추공 3개가 굴착되었으며, 시추공 간 거리는 1.0 m로 일정하게 유지되었다. 비흡착성 추적자(Uranine)와 흡착성 추적자(Cs+)를 포함하는 추적자 혼합 용액을 한 시추공의 특정 구간에 5분간 주입하였다. 또한 균열 내 유동 경로의 불균질성을 확인하기 위해, 유동 방향을 반대로 설정한 역방향(reversed) 추적자 시험도 추가로 수행되었다.
3.1.9 한국
2007년 대전 한국원자력연구원 내에 위치한 지하연구터널(KURT)에서 현장 추적자 시험이 수행되었으며, KURT의 최대 심도는 지표면 하부 약 120 m이다(Park et al., 2012). 본 시험의 주요 목적은 파쇄대 내 이송 과정 특성화의 불확실성을 저감하고, 현장 시험 및 해석 도구를 개선하는 데 있었다.
KURT의 접근 터널은 길이 180 m이며, 경사도는 약 -10%이다. 현장 실험 시스템은 파쇄된 중생대 화강암을 대상으로 시추·구축되었다(Fig. 18a). 수리적으로 가장 적용성이 높은 수리 전도성 균열면(water-conducting fracture plane)이 선정되었고, 이 균열면은 서로 약 2.5 m 이격된 두 시추공에 의해 교차되도록 구성되었다.
Fig. 18.
In-situ tracer tests at an underground research laboratory in Daejeon, Korea (Park et al., 2012)
추적자로는 비흡착성 추적자 3종(Br-, Eosin, Uranine)이 사용되었으며, Uranine은 2회 반복 시험이 수행되었다. 회수(추출) 보어홀의 유량은 주입공에 비해 현저히 더 높게 설정되었다. 유출 용액은 회수 시추공에서 분획 채집기를 이용해 채취되었고, 시료 농도는 Uranine과 Eosin의 경우 UV-VIS 분광광도계로 분석하였으며, Br-는 전극(electrode)을 이용하여 분석하였다. 그 결과, Eosin의 농도 피크는 Uranine보다 더 이른 시점에 도달하였고, Eosin의 회수율 또한 Uranine보다 더 높게 나타났다(Fig. 18b).
3.2 추적자 시험 수행 사례 요약
여러 해외 처분선도국에서 방사성폐기물 용질 이동특성 평가를 목적으로 다양한 추적자를 이용한 많은 현장 추적자 시험이 수행되어왔다(Table 1). 최초이자 가장 활발하게 추적자 시험을 수행한 스웨덴의 경우, 주요한 4개 부지에서 시험이 진행되었다. 스웨덴은 주로 화강암을 기반으로 하는 균열 결정질 암반에서 중입공과 회수공을 이용한 이중 시추공 시험을 수행하였고, 흡착성 및 비흡착성 추적자를 혼합 사용하여 핵종의 이송 및 지연특성을 파악하고 이를 통해 암반 균열대의 우세 유동 경로를 특성화하였다.
스위스에서는 결정질 암반 전단대를 대상으로 용질/가스/콜로이드 이동 특성을 규명하는 일련의 현장 추적자 시험이 수행되었다. 가스 추적자 시험을 통해 전단대 내 가스 이동을 평가했으며 가스압력 증가는 차수 성능 저하 및 핵종 이동 증가 가능성을 보여줬다. 또한 DNA 나노추적자 시험을 통해 기존 용존형 추적자 대비 빠른 이송, 신호 간섭 없음, 반복 다중 시험 가능성을 보여줌으로써 불균질 파쇄암반 연결 구조 분석에 유용하게 활용하였다. 장기 현장 확산 시험을 통해 화강암질 암반에서 매트릭스 확산이 지배적인 이송 메커니즘이라는 결과를 2년 이상 장기 관측으로 확인하였다.
Table 1.
Representative in-situ tracer tests performed in underground laboratories or facilities for high-level radioactive nuclear waste disposal
| Country | Site |
Injection and observation boreholes | Tracer |
Injection amount |
Pumping rate (L/h) | Reference |
| Sweden | Studsvik |
B8 →B7 (1977.02.09) | 82Br- 99mTcO4- | 11.8 L | 360 | Landström et al. (1978) |
|
B8 →B2 (1977.02.09) | 82Br- 131I- | 11.8 L | 360 | |||
|
B8 →B7 (1977.03.11) | 82Br- 85Sr2+ | 5.6 L | 360 | |||
|
B8 →B2 (1977.03.11) | 82Br- 85Sr2+ | 5.6 L | 360 | |||
|
B8 →B2 (1977.03.22) | 82Br- 24Na+ | 5.6 L | 360 | |||
| B1N→B6N |
HTO, 85Sr2+ 131I- | 0.5 L | 72 | Landström et al. (1981, 1983) | ||
| B5N→B6N |
HTO, 85Sr2+ 131I- | 0.5 L | 72 | |||
| Finnsjön | BFI01→BFI02 | Uranine | 125 L | 30,000 | Andersson et al. (1989) | |
| KFI06→BFI02 | Iodide | 50 L | 30,000 | |||
| KFI11→BFI02 | Amino G Acid | 50 L | 30,000 | |||
| BFI01U→BFI02 | In-EDTA | 173 g | 4920 | Gustafsson and Nordqvist (1993) | ||
| BFI01M→BFI02 | Uranine | 1151 g | 4920 | |||
| BFI01L→BFI02 | Ho-EDTA | 609 g | 4920 | |||
| KFI06U→BFI02 | Iodide | 31,400 g | 4920 | |||
| KFI06M→BFI02 | Yb-EDTA | 537 g | 4920 | |||
| KFI06L→BFI02 | ReO4- | 65 g | 4920 | |||
| KFI11U→BFI02 | Gd-DTPA | 398 g | 4920 | |||
| KFI11M→BFI02 | Er-EDTA | 189 g | 4920 | |||
| KFI11L→BFI02 | Dy-EDTA | 363 g | 4920 | |||
| Äspö |
KI0025F03_P5 →KI0023B_P6 |
Naphtionate, 82Br-, 131I-, 3He | - | 120 | Andersson et al. (2002a, 2002b, 2004) | |
|
KI0025F02_P3 →KI0023B_P6 |
Amino G Acid 186ReO4- HTO |
- - - |
123.6 150 117.6 | |||
|
KI0025F03_P3 →KI0023B_P6 | In-EDTA | - | 123.6 | |||
|
KI0025F03_P5 →KI0023B_P6 | 82Br-, 131I-, 24Na+, 42K+, 47Ca2+, 86Rb+, 131Ba2+, 134Cs+ | - | 120 | |||
|
KI0025F03_P7 →KI0023B_P6 | 186ReO4-, 47Ca2+ | - | 120 | |||
|
KI0025F02_P3 →KI0023B_P6 | HTO, 22Na+, 85Sr2+ | - | 120 | |||
| Forsmark | HFM15_1→HFM14 | Gd-DTPA | 7.9 g | 21,000 | Lindquist et al. (2008a, 2008b) | |
| HFM13_1→HFM14 | Tb-DTPA | 24.9 g | 21,000 | |||
| HFM01_2→HFM14 | Eu-DTPA | 19.9 g | 21,000 | |||
| HFM10A_2→HFM14 | Ho-DTPA | 60.9 g | 21,000 | |||
| HFM15_1→HFM14 | Uranine | 187.5 g | 21,000 | |||
| HFM15_1→HFM14 | Cs+ | 650.8 g | 21,000 | |||
| KFM02A→KFM02B |
Uranine Li+ Rb+ Cs+ |
125.4 g 1501 g 385.1 g 104.9 g | 1488 | |||
| Switzerland | GTS (Grimsel Test Site) | BOMI 87.004 →BOMI 87.006 |
Uranine, 123I-, 24Na+, 22Na+, 85Sr2+, 137Cs+ | - | 9 | Eikenberg et al. (1994), Hoehn et al. (1998) |
| France | Fanay-Augeres | F2-CH7→Point B | I- | 406.4 g | 45 | Cacas et al. (1990) |
| F3-CH4→Point B | Rhodamine-WT | 110 L | 45 | |||
| F3-CH6→Point B | Zn-EDTA | 250 g | 45 | |||
| F3-CH3→Point B | Amino G Acid | 50 g | 45 | |||
| Spain | Sierra de Gredos | S11-A→S12 | Eosin | 5,022 g | 120 | D’Alessandro et al. (1997) |
| S11-B→S12 | Fluorescein | 5,054 g | 120 | |||
| S11-B→S12 | I- | 3.5 g | 120 | |||
| USA | Raymond field site | SW-3→0-0 |
Br-, Fluorescein, D2O, Li+ | - | 450 | Karasaki et al. (2000) |
| New Mexico |
H-19b7→b0 H-19b3→b0 H-19b6→b0 H-19b2→b0 H-19b4→b0 H-19b7→b0 H-19b3→b0 H-19b6→b0 H-19b7L→b0 H-19b3L→b0 |
2,4-DFBA m-TFMBA 2,5-DFBA 2,3,4-TFBA 3,5-DFBA 2,3,6-TFBA 2,3,4,5-TFBA 2,4,6-TCBA 3,5-DCBA o-TFMBA |
199 L 198 L 199 L 202 L 198 L 199 L 198 L 197 L 197 L 198 L |
972 972 972 972 972 576 576 576 900 900 | Meigs and Beauheim (2001) | |
| Japan | Kamaishi Mine | KH24-2→KH25-2 | Cl- | 0.4908 g | 4.908 | Sawada et al. (2000) |
| Mizunami URL | 15MI52→16MI59 |
Uranine, D2O, Rb+, Ba2+ | 0.465 L | 0.531 | Tanaka et al. (2019) | |
| Korea | KURT | - | Uranine |
0.72 L 0.6 L |
45.6 48 | Park et al. (2012) |
| Eosin | 0.72 L | 90 |
프랑스는 우라늄 광산의 파쇄 화강암에서 용질 유동 및 이송 특성 규명을 위한 대규모 현장 추적자 시험이 수행되었다. 두 단계 시험에서 여러 보존성 추적자를 단층 구간에 주입하고 담수 주입으로 파쇄암반 내 이송을 유도하였다. 결과적으로 일부 주입 구간에서 명확한 농도이력곡선이 관측되었으며 도달 시간은 유동 경로별로 큰 차이를 보였다.
스페인은 저투수성 파쇄 화강암에서 이송 과정 이해 및 모델화를 위한 현장 추적자 시험이 수행되었다. 방사상 수렴형 추적자 시험에서 추적자를 주입하고 약 27일간 양수 후 회수하는 과정이 진행되었다. 그 결과 요오드화물은 형광 추적자 대비 늦은 검출을 보여 약한 지연 특성이 RTD 차이의 원인으로 해석되었다.
미국은 V자형 다중 시추공 배열을 이용한 방사상 수렴형 추적자 시험을 수행하여 파쇄암반 유동·이송의 방향성 및 규모 효과를 규명하였다. 또한 파쇄 백운암층에서는 다종 보존성 추적자를 활용한 단일공·다중공 시험을 통해 암반 매트릭스의 확산과 복잡한 이송 거동을 분석하였고, 시험 결과 유동 경로와 추적자 종류에 따라 RTD 곡선이 달라져 단순한 이중공극 모델의 한계를 확인하였다.
일본은 화강섬록암 내 단일 균열과 파쇄대를 대상으로 추적자 시험을 수행하여 단일 균열에서 높은 회수율과 파쇄대에서의 낮은 회수율 차이를 확인하였고, 고해상도 로깅을 통해 다수 균열을 정밀 매핑하여 균열 구조가 이송 거동을 지배하는 것을 입증하였다. 미즈나미 지하연구시설에서는 단일 균열을 따라 비흡착성/흡착성 추적자를 혼합 주입한 결과, 흡착성 추적자가 비흡착성 추적자 대비 회수율이 낮고 지연이 큼을 확인하였다.
한국은 KURT 지하연구시설 부지의 파쇄 화강암 내 현장 추적자 시험을 수행하여 파쇄대 이송 특성의 불확실성 저감과 해석 기법 개선을 목표로 연구를 수행하였다. 수리 전도성 균열면을 따라 비흡착성 추적자를 주입·회수하는 시험을 수행하였고, 그 결과 Eosin은 Uranine보다 빠른 피크 도달과 높은 회수율을 보여 추적자별 이송 거동의 뚜렷한 차이가 확인되었다.
4. 결론 및 제언
본 보고는 방사성폐기물 처분 개념의 과학적·기술적 타당성을 확보하기 위한 기초 자료로서, 국내외 지하연구시설에서 수행된 현장 추적자 시험 수행사례를 종합적으로 분석하였다. 특히 각 시험이 수행된 부지의 지질·수리지질학적 환경과 연구 목적을 중심으로, 시추공 배치 및 제원, 추적자 선정과 주입 전략, 주입·양수 유량 조건 등 시험 설계 전반에 영향을 미치는 요소들을 비교·검토하였다. 이를 통해 균열암반 환경에서의 용질 이동 특성과 시험 결과 해석에 중요한 인자들을 체계적으로 도출하고자 하였다.
아울러, 다양한 국가에서 축적된 현장 추적자 시험의 BTC 자료를 정리·표준화하여 제시함으로써, 시험 결과의 상호 비교와 활용 가능성을 높이고자 하였다. 이러한 분석은 단순한 사례 정리에 그치지 않고, 실제 현장 조건에서 시험 설계와 자료 해석 시 고려되어야 할 핵심 쟁점을 도출하는 데 의의를 가진다. 특히 추적자 거동의 차이, 유동 경로의 복잡성, 유량 조건에 따른 이송 특성 변화 등은 국내 처분 후보지 조사에서도 반드시 검토되어야 할 사항으로 판단된다.
본 연구 결과는 향후 국내 방사성폐기물 처분연구에서 부지선정 상세조사 단계에 진입할 경우, 현장 추적자 시험의 목적 설정, 시험 규모 및 구성, 적절한 추적자 조합 선정, 그리고 시험 결과의 해석 전략 수립에 있어 실질적인 참고 자료로 활용될 것으로 기대된다. 향후 국내 지질·수리지질 여건에 부합하는 현장 추적자 시험 체계의 구축과 해석 역량 강화를 통해, 처분 부지의 장기 안전성 평가에 필요한 핵심 입력자료를 보다 신뢰성 있게 확보할 수 있도록 추적자 시험의 설계와 수행 및 해석 방법 등에 관한 보다 구체적이고 심도 있는 검토가 지속되어야 할 것이다.
