1. 서 론
2. 무선 통신에 영향을 미치는 인자
2.1 온도 및 습도
2.2 지반 매질의 특성
2.3 주변 금속 영향
2.4 센서 배치 영향
3. 무선 통신 감도 측정 실험
3.1 무선 통신 종류에 따른 감도 측정 실험
3.2 처분장 구조 모사 실험
4. THM 통합 무선 센서 시스템 개념설계
5. 결 론
1. 서 론
사용 후 핵연료(spent nuclear fuel)는 고열을 방출할 뿐만 아니라 방사성 물질과 핵종이 유출될 수 있기 때문에 인간에게는 매우 위험하며, 자연 생태계로부터 오랜 기간 안전하게 격리할 수 있는 시설이 필요하다(Kang et al., 2021). 국내에서는 이러한 고준위 방사성 폐기물(high-level radioactive waste)을 처분하기 위한 시설로 심층 처분시스템(deep geological disposal system)을 고려 중이며, 심층 처분시스템은 사용 후 핵연료 처분용기(canister), 압축 벤토나이트 완충재 (buffer), 뒤채움재(backfill), 콘크리트 플러그(plug)를 포함하는 공학적방벽(engineered barrier system)과 근계암반(near-field rock mass)을 포함하는 천연방벽(natural barrier system)과 같은 다중방벽으로 구성되어 있다(Lee et al., 2020).
고준위 방사성 폐기물의 심층 처분시설은 지하 500 m 이상의 깊은 심도로 인한 지중 압력, 지하수 유입 및 사용 후 핵연료의 붕괴열로 인한 수분 증발, 방사성 물질의 화학 반응 등 열-수리-역학-화학적 복합 환경의 영향을 받는다. 처분 구조물의 장기적인 성능 및 건전성을 직접적으로 평가하기 위해서는 처분 구조물의 열-수리-역학-화학적 복합 거동에 영향을 미치는 다양한 인자에 대한 모니터링이 필요하며, 스위스의 Mont Terri Underground Research Laboratory, 스웨덴의 Äspö Hard Rock Laboratory, 일본의 Horonobe Underground Research Laboratory 등 국외 지하처분연구시설에서는 다양한 모니터링용 센서를 설치하고 온도, 변위, 응력, 공극압, 상대습도, 기체 조성 등을 관측하여 처분 구조물의 열-수리-역학-화학적 복합 거동을 파악하기 위한 연구에 활용해 왔다(Kim et al., 2021). 기존 모니터링용 센서는 주로 유선 센서가 활용되어 왔다(i.e., Cuss et al., 2014). 그러나 처분 구조물 내에 설치되는 유선 센서의 경우 장기간 계측을 위한 전원 공급 및 데이터 송수신을 위해 완충재를 관통하여 전선이 설치되는데, 이는 근계암반으로부터의 급격한 지하수 유입 및 핵종 이동의 통로가 될 수 있고, 전선 설치 공간으로 인해 완충재의 건조밀도 및 품질이 저하될 가능성이 있다. 또한, 극한의 경우 방사선에 의한 전선의 단선이 발생하거나, 다수 전선 사용으로 인해 전선이 복잡하게 꼬여 관리의 어려움 등이 발생할 수도 있다. 따라서, 다종의 센서들을 하나로 통합하고 데이터 무선전송 기능을 탑재하여 처분 구조물 자체의 건전성에 미치는 영향을 최소화하고, 단선으로 인한 데이터 취득 실패를 방지하기 위해 처분 구조물의 환경(완충재 조건, 처분용기 등)을 고려한 무선 통신 시스템의 도입이 필요한 실정이다.
본 연구는 한국원자력연구원에서 수행하는 고준위폐기물 안전관리 감시 진단기술 개발사업의 일환으로 심층 처분시설에 매립되는 사용 후 핵연료로부터 방출되는 고열 및 방사성 물질, 깊은 심도에서의 지중 응력, 지하수 유입 및 완충재의 팽윤 특성 등 처분 구조물의 복합적 거동에 영향을 미치는 고유 환경조건을 고려한 THM 통합 무선 센서 시스템을 개발하기 위한 연구의 기초 선행연구로서, 완충재 주요 인자에 따른 데이터 무선 통신 실험을 수행하고, 고준위방사성폐기물 처분 구조물에 활용할 수 있는 무선네트워크 기반 THM 통합 무선 센서 시스템의 개념설계를 제안하고자 하였다. 먼저, 문헌조사를 통해 완충재 내 무선 통신 수신 감도에 영향을 주는 인자를 파악하였고, 현 상황에서 반영 가능한 영향인자를 고려하여 무선 통신 수신 감도 측정실험을 설계하였다. 우선 여러 무선 통신 모듈의 종류(WiFi, ZigBee, RoLa)를 활용하여 공기 중 그리고 벤토나이트 블록을 통해 데이터 전송 시 수신 감도의 비교를 통해 벤토나이트 매질이 무선 통신에 미치는 영향을 파악하였고, 매질에 의한 수신 감도의 감쇠가 적은 저주파수 모듈을 활용하여 벤토나이트 주요 물성인 건조밀도의 영향, 벤토나이트 블록 내부에서의 송수신기 간 통신 거리 및 송수신기 위치의 영향, 벤토나이트 블록 주변 금속 물질에 의한 반사파의 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 실험 결과를 기반으로 THM 통합 무선 센서 시스템 개념설계를 제안하였으며, 본 연구를 통해 제안된 무선 센서 시스템의 발전을 통해 향후 처분 구조물의 장기건전성 모니터링에 활용되어 처분장 인허가 과정에 활용될 수 있다.
2. 무선 통신에 영향을 미치는 인자
무선 센서네트워크(wireless sensor network)는 저전력 기반의 작은 센서들이 이루고 있는 노드 사이의 무선 통신을 통하여 측정 자료를 처리하는 것으로, 무선 센서네트워크는 크게 센서노드, 중계노드(relay node), 싱크(sink)로 구성되며, 센서노드는 온도, 습도 등의 자료를 측정/감지하고 처리하여 중계노드로 전송하는 역할을 수행한다. 무선 센서네트워크는 대부분 접근이 어려운 지역에 설치되기 때문에 배터리의 교체나 충전이 어려우며, 제한적 처리능력, 작은 에너지 소모, 낮은 복잡도 및 저렴한 가격을 가지는 것이 특징이다. 센서노드와 중계노드, 중계노드와 싱크 사이에는 무선 통신을 통하여 데이터 전송이 이루어지며, 무선 센서네트워크에서 주로 사용되는 무선 통신 기법의 종류와 사양은 Table 1과 같다. 이 외에도 탄성파, 자기장 등을 이용한 통신이 활용되고 있지만, 전송 거리, 데이터 전송 효율 등에서 한계가 존재한다. 무선 통신에 영향을 미치는 인자로는 온도, 습도, 지반 매질의 특성(밀도, 함수비, 염분 함량 등), 주변 금속, 센서 배치 등이 있다.
Table 1.
Types and specifications of wireless communication used in wireless sensor network (Moridi et al., 2018)
2.1 온도 및 습도
전자기파(Electomagnetic wave) 기반의 무선 통신 기법에서는 매질의 온도가 증가하게 되면 데이터의 전송 효율이 감소하는 경향을 보인다. Bannister et al.(2008)에 따르면 25°C부터 65°C까지 온도가 증가함에 따라 신호의 수신 강도가 8 dB 감소하는 것을 확인하였고, Boano et al.(2009)은 온도 증가에 따라 라디오 주파수의 RSSI (Received signal strength indicator) 및 LQI (Link quality indicator)값이 모두 감소하는 것을 확인하였다. Zhenzhong et al.(2011)은 온도 증가에 따라 RFID (Radio Frequency IDentification) 신호의 공진주파수가 감소하는 것을 확인하였다.
Anastasi et al.(2004)은 RFM ChipCon radio를 이용한 mica2 센서노드 활용 시 우천 및 안개가 있는 경우 전송 범위가 감소하는 것을 확인하였으며, Luomala and Hakala(2015)와 Joseph(2016)은 공기 중 습도가 증가하면 데이터 전송 강도가 감소하는 경향을 확인하였다. 하지만 Guidara et al.(2018)은 라디오 주파수 대역의 신호를 대상으로 실험한 결과 상대습도가 증가함에 따라 RSSI 역시 증가한다고 서술하였다. 이처럼 습도가 무선 통신의 수신 감도에 미치는 영향은 상대적으로 불분명하다. 따라서, THM 통합 무선 센서 시스템을 구성하기 전에 통신 방식을 결정한 후 무선 통신 수신 감도와 습도의 명확한 상관관계를 도출하기 위한 실험이 필요할 것으로 판단된다.
2.2 지반 매질의 특성
Kim et al.(2012)은 자기장 통신 시스템과 Zigbee 통신 시스템의 매질에 따른 신호 세기 특성을 비교하였다. 매질이 흙 50 cm, 공기 20 cm인 경우와 공기만 70 cm일 때를 비교하였으며, 흙이 50 cm인 경우는 공기만 있는 경우에 비하여 ZigBee 통신 방식의 신호 세기는 35 dBm이 감소하며, 자기장 통신 방식의 신호 세기는 0.534 dBm 감소함을 확인하였다. Lee(2017)는 지반 특성에 따른 무선 전자기파 신호의 수신 감도 변화를 다음과 같이 분석하였다. 지반의 입자 크기가 클수록 수신 감도 증가, 지반 수분 함량이 증가할수록 수신 감도 감소, 지반 염분 함량이 증가할수록 수신 감도 감소, 밀도가 증가할수록 수신 감도 증가, 온도가 높을수록 수신 감도가 감소하였다.
지중에서의 저주파 기반 신호는 흡수 상수(absorption constant)의 영향을 크게 받으며, 흡수 상수()는 다음과 같이 Eq. (1)로 표현된다(Lee, 2017).
여기서, 는 전자기파의 주파수, 는 유전율, 는 투자율, tan는 유전율의 실수부와 허수부의 비로 loss tangent이다. 고주파 전자기파의 경우 높은 흡수 상수를 가지게 되어 빠르게 신호가 손실되고(Li et al., 2007), 높은 유전율을 가지는 물로 포화된 지반에서는 흡수 상수가 증가하여 신호의 감쇠가 커지게 된다(Yoon et al., 2012).
2.3 주변 금속 영향
전자기파를 활용하는 무선 통신 방법의 경우 주변 금속으로 인한 전자기 유도로 전파 방해 등의 영향을 받을 수 있다. Mo and Zhang(2007)은 RFID 안테나를 금속 주변에 설치하여 그 영향을 확인하였으며, 금속으로부터 80 mm 떨어진 지점에서 계측 성능이 가장 우수하다는 것을 확인하였다. Kim et al.(2010)은 알루미늄 호일로 씌워진 상자에 ZigBee 통신 시스템과 자기장 통신 시스템을 한 세트씩 설치한 후 65 cm 떨어진 곳에서 신호 감쇠를 측정하였으며, 알루미늄 호일 상자의 여부에 따라 ZigBee 방식은 27 dBm, 자기장 방식은 1 dBm의 감쇠가 발생함을 확인하였다. 이처럼 전자기파 활용 무선 통신의 수신 감도는 주변 금속 물질의 영향을 받으므로, 처분 구조물 내 무선 통신을 활용한 감시진단 시스템에 전자기파 통신을 활용하게 된다면 금속으로 제작되는 처분 용기의 영향을 받을 수 있기 때문에 영향성을 파악할 필요가 있다.
2.4 센서 배치 영향
무선 네트워크의 경우 센서노드와 중계노드의 위치 등에 따라 전송 효율이 변화하게 된다. Moridi et al.(2018)은 터널 내 ZigBee 기반 무선 센서네트워크의 설치 위치, 터널 형상에 따른 전송 거리를 측정하였다. 그 결과 터널 중심부가 가장 전송 거리가 길었으나 차량 통행 등으로 인한 설치의 어려움이 있으므로, 바닥보다 높은 위치의 벽면에 대각방향으로 설치하는 것이 가장 적절하다고 제안하였다. 처분 구조물 내 무선 센서네트워크의 경우 설치 위치에 따라 처분 용기의 금속 물질, 방사열의 영향을 받을 가능성이 있다.
3. 무선 통신 감도 측정 실험
3.1 무선 통신 종류에 따른 감도 측정 실험
본 연구에서는 기초 선행 실험으로 무선 통신 종류(WiFi, ZigBee, LoRa)별로 공기 중 또는 벤토나이트로 제작된 완충재 블록을 통과하는 무선 통신 수신 감도를 측정하여 무선 통신 종류 및 매질이 신호 감쇠에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 실험은 상온의 실내 실험실 환경에서 수행되었으며, Fig. 1과 같이 벤토나이트 블록(410×420×50 mm) 15개를 겹쳐놓은 후 거치대를 이용하여 블록 양쪽 정중앙에 전파 송신기(우측)와 수신기(좌측)를 밀착하여 설치하였다. 전파 송수신기의 경우 전파가 벤토나이트 외부로 전달되는 것을 방지하고 한 방향으로만 전달되도록, 즉 외부를 통한 반사파의 영향을 최소화하도록 알루미늄 원통 재질의 차폐함(내부 직경 60 mm, 두께 4 mm, 길이 330 mm)을 제작하여 안에 설치하였다. 실험에 활용된 무선 통신 및 주파수의 종류는 WiFi(2.4 GHz), ZigBee(2.4 GHz), LoRa(2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz)이고, 통신 모듈은 Fig. 2와 같다. WiFi, ZigBee 방식은 상대적으로 고용량 데이터 처리에 활용되며, LoRa 방식의 경우 적은 양의 데이터를 전송할 수 있지만 소모 전력이 상대적으로 낮다는 장점이 있다. 실험에 활용된 안테나의 종류와 신호의 파장은 통신 기법 및 주파수에 따라 다르며, 이는 Table 2에 정리되어 있다. 벤토나이트 블록 내부의 파장에 가장 영향을 주는 유전율은 대략 4~10 F/m 정도로 알려졌으며, 본 실험에서는 유전율이 4 F/m인 경우(장파장의 경우)를 가정하였고, 이 경우 벤토나이트 내부의 파장이 공기 중 파장과 비교 시 약 0.5배 정도로 감소하였다.
Table 2.
Antenna types and signal wavelengths according to wireless communication types
실험은 무선송신기에서 64 byte의 데이터를 연속으로 전송하고 수신기에서의 RSSI를 측정하는 방식으로 수행되었으며, 벤토나이트 블록을 설치하였을 때와 제거하였을 때의 RSSI 측정 결과를 비교하여 무선 통신 수신 감도에 대한 벤토나이트 매질의 영향 정도를 파악하고자 하였다. WiFi(2.4 GHz), ZigBee(2.4 GHz), LoRa(2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz)를 활용한 실험에서의 측정 결과는 각각 Fig. 3(a), (b), (c), (d), (e)와 같으며, 신호가 공기 중 및 벤토나이트 내부를 통해 전송될 때의 RSSI 측정 결과를 비교하였다. 모든 모듈에 대한 실험에서 공기 중으로 데이터를 전송하였을 때와 비교 시 벤토나이트 매질을 통해 데이터를 전송하였을 때의 RSSI 값이 감소하였다. WiFi(2.4 GHz) 모듈을 활용한 실험에서는 약 40 dB의 신호 감쇠가 발생하였으며, ZigBee(2.4 GHz) 실험에서는 약 50 dB, LoRa(2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz) 실험에서는 각각 약 40 dB, 10 dB, 5 dB의 신호 감쇠가 발생하였다. 수신 신호의 감쇠는 무선 통신 방식(변조 방식)에 의한 차이보다는 주파수에 의한 차이가 극명하게 나타났고, 측정한 세 가지 주파수(433 MHz, 91 5MHz, 2.4 GHz)에 대해서는 저주파수일수록 낮은 신호 감쇠를 확인하였다. 감쇠가 적은 것은 에너지 소모량을 줄이는 효과가 있으나 좁은 구역에 많은 수의 무선 통신 기기가 존재하는 경우 동일 주파수 사용 범위가 넓어져 대역폭 확보에 어려움이 있을 가능성이 존재한다. 따라서 최적화된 주파수 선택은 단위 부피당 센서 노드의 수와 전파 수집 장치의 밀도, 각각의 센서별 통신 간격 등을 함께 고려해야 한다.
3.2 처분장 구조 모사 실험
무선 통신 시 벤토나이트 매질로 인한 신호 감쇠를 확인하였으며, 처분 구조물과 유사한 환경에서 완충재의 물성, 완충재 내부에서의 통신 거리, 주변 금속 물질이 무선 통신에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 처분 구조물과 유사하게 모사하기 위한 실험 테이블을 설계하고자 하였으며, 완충재 바깥쪽 근계암반에서의 반사파 영향을 고려하여 벤토나이트 완충재 블록 주변에 흙 또는 암석을 배치하여 구성하는 것이 적절하다고 판단하였다. 실험 환경 여건을 고려하여 암석 대신 시중에 유통되는 벽돌(200×100×30 mm3)을 이용하여 실험 테이블을 구성하였다. Fig. 4(a), (b), (c)는 실험 테이블의 모식도를 나타내고, Fig. 4(d), (e)는 설치된 실험 테이블을 나타낸다. 완충재 내부 위치에 따른 영향을 파악하기 위해 완충재의 측면을 기준으로 중앙, 상, 하, 좌, 우(중앙으로부터 15 cm 간격)에 통신 모듈을 설치할 수 있는 공간을 조성하였다(Fig. 4(b)). 또한, 주변에 금속 물질 존재 시 금속 물질과의 거리에 따른 영향을 분석하기 위해 완충재 상부 표면에서부터 금속판을 띄워 거리를 조절할 수 있도록 실험 환경을 구성하였다. 송·수신 장치는 447 MHz 5 mW 모듈을 이용하여 설계하였으며, 동작 시 노이즈 저감을 위한 배터리와 충전회로 및 승압 회로를 적용하여 제작하였다(Fig. 5(a)). 통신 감도는 수신기에서 바이트 단위의 데이터를 저속으로 전송하여 성공한 경우의 수신 전파강도를 기록하였으며, 측정 결과의 자동 기록/수집을 위한 소프트웨어를 별도로 제작하였다(Fig. 5(b)).
3.2.1 완충재 건조밀도 및 무선 통신 거리에 따른 영향 평가
실험에 사용된 완충재(벤토나이트)는 건조밀도를 1.6 g/cm3와 1.8 g/cm3로 제작하였고, 무선 통신 송수신기 간 거리가 95 cm, 100 cm, 105 cm, 110 cm일 때 각 건조밀도에 따른 통신 감도를 완충재 측면 기준 중앙, 상, 하, 좌, 우의 위치에서 10회씩 측정하였으며, Table 3은 실험에서 측정된 무선 통신의 수신 감도를 나타낸다. 통신 거리와 송수신기 위치가 동일한 조건에서 완충재 건조밀도가 증가할 때 수신 감도의 변화를 비교하여 완충재 건조밀도의 영향을 파악할 수 있다. 통신 거리가 95 cm일 때 건조밀도가 1.6 g/cm3에서 1.8 g/cm3로 증가 시 전체 위치에 대한 수신 감도의 평균값은 –112.2 dBm에서 –113.7 dBm로 1.5 dBm만큼 감소하였으며, 100 cm, 105 cm, 110 cm의 통신 거리에서도 완충재 건조밀도가 증가하는 경우 수신 감도의 평균값이 각각 3.5 dBm, 5.9 dBm, 5.4 dBm만큼 감소하였다. 이는 완충재의 건조밀도가 증가할수록 무선 통신의 수신 감도가 감소할 수 있다는 것을 보여준다.
Table 3.
Received signal strength measured during experiments considering various conditions
완충재의 건조밀도와 송수신기 위치가 동일한 조건에서 통신 거리가 증가할 때 수신 감도의 변화를 비교하여 통신 거리의 영향을 파악하고자 하였다. 건조밀도가 1.6 g/cm3일 때 통신 거리가 95 cm에서 105 cm로 증가함에 따라 전체 위치에 대한 수신 감도의 평균값은 –112.2 dBm, –111.8 dBm, –114 dBm, –114.2 dBm으로 변화하여 점차 감소하는 경향을 나타낸다. 건조밀도가 1.8 g/cm3일 경우에는 수신 감도의 평균값은 –113.7 dBm, –115.3 dBm, –119.9 dBm, –119.6 dBm으로 변화하여 마찬가지로 점차 감소하는 경향을 나타낸다. 전반적으로 수신 감도가 감소하는 경향을 나타내긴 하지만, 선형적으로 감소하지는 않았다. 개념적으로 벤토나이트 블록을 통해 전달되는 전자파는 송수신 안테나 간 바로 연결되는 전파와 경계면에 반사되어 전달되는 전파의 간섭으로 나타난다고 볼 수 있다. 이번 실험처럼 반사에 의한 전파의 이동 경로와 직접 전달되는 전파의 이동 경로의 거리 차이가 크지 않은 경우는 두 신호의 간섭에 의한 효과가 발생할 수 있으므로 통신 거리의 증가에 따른 수신 감도의 감소가 일정한 선형이 아닐 가능성이 있다.
3.2.2 금속 물질 영향 평가
앞선 실험 중 통신 거리가 95 cm이고, 송수신기가 중앙부에 설치된 조건에서 완충재 건조밀도가 1.6 g/cm3, 1.8 g/cm3로 두 가지를 적용했을 때 완충재 상단부에 구리 재질의 금속판을 밀착시켰을 때부터 완충재와 금속판 사이의 거리를 25 cm까지 1 cm씩 증가시키며 무선 통신의 수신 감도를 측정함으로써 완충재 주변 금속판의 거리에 따른 영향을 확인하고자 하였다. Fig. 6은 완충재와 금속판 사이의 거리가 증가함에 따른 수신 감도의 변화를 나타낸다. 완충재 건조밀도가 1.6 g/cm3, 1.8 g/cm3이고, 금속판이 설치되지 않은 경우 중앙부에서의 수신 감도(각각 –112.7 dBm, -102.3 dBm, Table 3 참조)와 비교 시 금속판을 완충재 상단부에 밀착하여 설치한 경우의 수신 감도는 –107 dBm, -121 dBm으로 각각 증가 및 감소하였다. 또한, 완충재와 금속판 사이의 거리가 1 cm로 매우 가까울 때 수신 감도가 감소하다가 거리가 2 cm 이상으로 증가할 때부터 수신 감도가 증가하는 추세로 바뀌었다. 금속판이 가까운 경우에는 거리에 따라 반사파의 영향으로 보강간섭 및 상쇄간섭이 혼재되어 수신 감도의 증감이 불규칙적으로 나타나는 것으로 판단된다. 금속판과의 거리가 10 cm까지는 수신 감도가 증가하다가 10 cm 이상부터는 수신 감도가 일정 범위로 수렴하는 양상을 보였다. 금속 물질과의 거리를 적절히 반영한다면 수신 감도 증가 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4는 완충재 건조밀도가 1.6 g/cm3이고, 완충재 상단부에 금속판을 밀착시킨 조건에서 통신 거리 증가 및 완충재 내 송수신 장치 위치에 따른 통신 감도 변화를 나타낸다. 송수신기 위치가 하부에 위치할 때 통신 거리가 100 cm 이상일 경우 수신 감도가 측정되지 않거나 매우 낮은 수치를 나타냈다. 송수신기 위치가 상단과 중앙에 위치할 때 –100 ~ –115 dBm의 범위에서 통신 거리가 증가함에 따라 수신 감도의 증가가 확인되었으며, 앞선 실험에서의 결과와 상반된 경향을 나타냈다. 이는 금속판이 가까이 위치할 때 전파가 불규칙적으로 보강간섭 및 상쇄간섭이 혼재된 영향을 받은 것으로 판단된다.
Table 4.
Received signal strength of a wireless communication affected by distance between transmitter and receiver and location of them
4. THM 통합 무선 센서 시스템 개념설계
처분 구조물의 복합적 거동에 영향을 미치는 복합 물성의 모니터링을 위해 무선 통신의 도입이 필요하며, 이를 위해 THM 통합 무선 센서 시스템의 개념설계를 제안하고자 하였다. 개념설계 시 통신 거리, 센서 시스템의 전력 소모량, 센서의 밀도, 완충재(매질)의 특성 변화를 고려할 필요가 있다. 송수신기 간 통신 거리는 길수록 유리하고, 전력 소모량은 적을수록 유리하다. 센서의 밀도는 모니터링 측면에서 높을수록 유리하며, 밀도를 높이기 위해서는 송신기 간의 간섭이 적은 것이 유리하기 때문에 도달거리가 짧은 고주파수를 사용하는 편이 유리하다. 그러나 센서의 밀도가 증가하면 센서 설치로 인해 완충재 물성이 변화할 수도 있으므로 적절한 센서 밀도를 선택하여야 하며, 고주파수를 사용하여 완충재 매질을 통한 무선 통신 시 신호 감쇠가 저주파수에 비해 더 크다는 단점이 있다. 완충재의 매질 특성과 처분 환경에서 포화도 증가로 인한 흡수 감쇠의 영향의 증가를 고려하였을 때 저주파수 대역을 선택하는 것이 유리하며, 결과적으로 433 MHz의 LoRa가 가장 적합한 것으로 판단된다.
그러나 433 MHz의 경우 국내 법률의 규제로 자동차 이외의 목적으로 사용이 불가함을 확인하여, 근접한 주파수이고 국내에서 별도의 신고 절차 없이 사용할 수 있는 447 MHz 소출력 무선 통신 기기의 주파수 대역을 이용하여 설계를 진행하였다. THM 무선 센서 시스템 프로토타입 설계 진행 시 447 MHz에서 인증을 획득한 무선 모듈을 채택하여 설계하였으며, 회로는 447 MHz 송수신이 가능하고 WiFi 전원 On/Off가 가능한 하나의 하드웨어로 설계하였다. 또한 벤토나이트 블록 내부에서 동작하는 측정/송신/중계부와 처분공 외부에서 데이터 수집 용도를 겸할 수 있도록 설계에 반영하였다. 완충재(벤토나이트) 내 THM 센서에서 측정된 데이터를 무선 통신으로 전송하기 위한 구성을 설계하였으며, 블록 내 측정 및 송신/중계부를 통해 처분공 주변의 수신부로 전송하고 데이터 수집 및 처리부에서 데이터를 저장하는 형태로 무선 통신 모듈을 설계하였다(Fig. 7).
Fig. 8은 447 MHz 모듈을 적용한 주 제어 기기(MCU: main control unit) 및 RTC (real time clock) 모듈, 펌웨어 다운로드 WiFi 모듈, 배터리 충전 및 전원관리를 위한 모듈에 대한 회로 설계도를 나타낸다. MCU는 저전력으로 작동이 가능한 Cortex-M0+MCU를 사용하였으며, 기기 간 시간 동기가 매우 중요하므로 정확한 발진기를 반영하여 RTC (real time clock) 모듈을 설계하였다. 국내 KC 인증이 완료된 447 MHz 모듈을 적용하여 설계에 반영하고 저전력 송·수신 동작을 위해 예약된 시간만 데이터를 전송할 수 있도록 회로를 설계하였다. Fig. 9는 설계된 회로들을 바탕으로 설계한 PCB (printed circuit board)의 도면을 나타낸다.
5. 결 론
본 연구에서는 완충재 주요 인자에 따른 무선 통신 수신 감도를 측정하는 실험을 수행하고, 고준위방사성폐기물 처분 구조물에 활용할 수 있는 무선네트워크 기반 THM 통합 무선 센서 시스템의 개념설계를 수행하였다. 먼저 문헌조사를 통해 처분 환경에서 무선 통신에 영향을 미칠 수 있는 인자를 파악하였고, 기초 단계에서 반영할 수 있는 인자들을 선별하여 실험을 계획하였다. 우선 공기 중 또는 벤토나이트 블록을 통과하는 전파의 수신 감도를 측정 및 비교하여 무선 통신 모듈의 종류(WiFi, ZigBee, LoRa)별로 전파가 통과하는 매질(벤토나이트)이 신호 감쇠에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또한, 처분 구조물을 모사한 환경에서 벤토나이트의 주요 물성인 건조밀도(1.6 g/cm3, 1.9 g/cm3), 벤토나이트 블록 내부에서의 송수신기 간 통신 거리(95 cm, 100 cm, 105 cm, 110 cm) 및 송수신기 위치(블록 측면 기준 중앙, 상, 하, 좌, 우), 벤토나이트 블록 주변 금속 물질과의 거리(0 cm~25 cm, 1 cm 간격)를 변화시켜 가며 수신 감도를 측정하는 실험을 수행함으로써 이들이 무선 통신에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
무선 통신 모듈의 종류(WiFi, ZigBee, LoRa) 및 벤토나이트 매질의 존재 유무에 따라 수신기에서 측정한 통신 감도(RSSI) 값을 비교하는 분석에서는 각 모듈 방식마다 게인 정도가 달라 수신 감도의 절대적인 크기보다는 벤토나이트 블록 유무에 따른 상대적 변화폭을 중점적으로 분석하였다. 공기 중 전파의 수신 감도와 비교 시 벤토나이트 블록을 통과할 때 수신 감도가 명확하게 감소하였고, 측정한 세 가지 주파수(433 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz)에 대해서는 저주파수(433 MHz)에서 가장 수신 신호의 감쇠가 적었다.
처분 구조물 모사 환경에서의 실험에서는 벤토나이트 블록의 건조밀도의 증가, 송수신기 간 통신 거리 증가에 따라 무선 통신 수신 감도가 감소하는 경향을 나타냈고, 송수신기 위치에 따른 영향은 명확하지 않았다. 금속 물질이 벤토나이트 블록과 매우 인접하는 경우 반사파의 영향으로 보강간섭 및 상쇄간섭이 혼재되어 수신 감도의 증감이 불규칙적으로 나타났으나, 어느 정도 거리를 확보하는 경우 수신 감도가 증가하였다.
처분 환경에서 신호 감쇠에 저주파수 대역이 유리하며, 주파수 사용에 법률적 제한이 없는 447 MHz 모듈을 적용하여 MCU 및 RTC 모듈, 펌웨어 다운로드 WiFi 모듈, 배터리 모듈에 대한 회로를 설계하였고, 이를 기반으로 무선네트워크 기반 THM 통합 무선 센서 시스템의 개념설계로 PCB 기판을 제안하였다. 본 연구에서 수행된 실험 결과와 제안된 개념설계는 고준위방사성폐기물 처분 구조물의 장기 건전성 모니터링 방식을 결정할 때 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
다만, 무선 센서 역시 유선 센서와 마찬가지로 방사선적 피해를 받을 수 있고, 무선 센서의 전원공급 방안에 대한 고민이 필요하다. 무선 센서의 방사선적 피해를 예방하기 위해 방사선 차폐효과를 가지는 재료를 활용하여 센서를 제작하고 있으며, 고준위폐기물의 붕괴열을 활용한 무선 센서의 전원 공급 방안에 대한 후속 연구 역시 수행되고 있다. 또한, 실제 처분 구조물에 활용되는 완충재와 금속 처분용기의 형태를 모사하여 실험이 수행되지 않았다는 점에서 연구 결과의 객관성에 한계가 있을 수 있다고 판단된다. 추후 처분 구조물의 실제 형상과 조건을 반영한 실험을 수행하여 객관적인 연구 결과를 도출할 필요가 있으며, 처분 구조물에서의 무선 통신 시스템은 단위 부피당 센서 노드의 수와 전파 수집 장치의 밀도, 건조밀도 외의 완충재 주요 인자, 외부 환경(온도, 습도 등)과 같은 다양한 요소를 고려하여 결정해야 하므로 후속 연구를 통해 개념설계의 보완이 필요할 것으로 판단된다.
