 [원자력발전소 폐기의 백년대계 ④]
방사성 폐기물 매설, 어떻게 진행되나
일본 핵 시설의 심장부 로카쇼무라 센터
우리나라를 포함해 동아시아의 사용후 핵연료 위탁 처리를 구상 중이라 해서 최근 이슈가 된 로카쇼무라 핵연료 재처리 시설은 핵무기 보유국을 제외하면 세계 유일의 핵 재처리 시설이다. 또한 농축 사업, 방사성 폐기물 관리 사업, MOX 연료 가공 사업, 방사성 폐기물 매설 사업 등을 비롯한 총 5개 중요 사업을 담당해 로카쇼무라는 핵 관련 시설의 심장부로 불린다. 여기서는 방사성 폐기물 매설 사업을 어떻게 진행하고 있는지, 현재 조업 중인 시설 상황과 향후 대응책을 소개한다.
번역·정리 전화영 객원기자 글 일본원연㈜ 오구리 다이치로(小栗第一) 참조 <전기평론> 제 96권 2호
원자력 발전에서 생기는 방사성 폐기물을 안전하고 합리적인 방법으로 처분하는 일은 원자 연료 사이클을 완결하는 데 필수다. 일본원연㈜는 원자 연료 사이클에 있어 재처리 사업, 농축 사업, 방사성 폐기물 관리 사업, MOX 연료 가공 사업, 방사성 폐기물 매설 사업 등 5개 중요 사업을 맡고 있다. 그중 방사성 폐기물 매설 사업은 일본 전국에 있는 원자력 발전소에서 나오는 저준위 방사성 폐기물의 드럼통을 인수해 저준위 방사성 폐기물 매설 센터(이하, 매설 센터)에 매설하는 사업이다. 매설 센터는 1992년에 인수를 시작해 그동안 저준위 방사성 폐기물 22만 개를 받았다.
일본원연은 저준위 방사성 폐기물 가운데서도 방사능 레벨이 비교적 높은 폐기물, 발전소 폐기 조치에서 생기는 저준위 폐기물, 재처리 사업 등 당사의 다른 사업에서 나오는 저준위 폐기물의 향후 매설에 대해서도 검토를 진행 중이다.
1985년 방폐물 매설 사업 추진
일본원연은 일본 원자력 발전 이용에 중요한 원자 연료 사이클 사업을 담당할 목적으로, 1985년 4월 일본 아오모리현 및 로카쇼무라와 ‘원자 연료 사이클 시설 입지를 위한 협력에 관한 기본 협정(입지 기본 협정)’을 체결하고, 재처리를 담당하는 일본원연서비스㈜와 우라늄 농축·저준위 방사성 폐기물 매설을 담당하는 일본원연산업㈜에서 시작했다. 그 후 1992년 7월 2개사가 합병해 일본원연㈜가 됐으며, 현재는 재처리·농축·폐기물 관리·MOX 연료 가공·저준위 방사성 폐기물 매설 등 5개 사업을 하고 있다.
매설 사업을 위해 입지 기본 협정 체결 시, 아오모리현의 로카쇼무라에 있는 부지 내에 드럼통 최대 300만 개 상당(당장은 100만 개 상당)의 저준위 방사성 폐기물 매설을 청하고, 저준위 방사성 폐기물 매설 센터를 설치했다. 현재, 일본 전국에 있는 원자력 발전소에서 나오는 저준위 방사성 폐기물 중 방사능 레벨이 비교적 낮은 폐기물을 인수하고 있다. 매설 센터에서 매설 대상으로 하는 방사성 폐기물은 많이들 아는 노란색 드럼통이다.
방사성 폐기물 구분
원자력 발전소를 비롯한 원자력 시설에서 나오는 방사성 폐기물은 원자력 발전소를 운전하는 과정에서 생기는 방사능 레벨이 낮은 ‘저준위 방사성 폐기물’과 사용후연료를 재처리하는 과정에서 재이용되지 못하고 남은 방사능 레벨이 높은 ‘고준위 방사성 폐기물’로 크게 나누며, 일본에서는 <그림 1>과 같이 구분한다. 방사성 폐기물의 매설 방법과 깊이는 <그림 2>와 같다.
 
저준위 방사성 폐기물은 ‘여유 심도 매설’, ‘천층 피트 매설’, ‘천층 트렌치 매설’로 나눠 처분한다.
현재 조업 중인 일본원연의 매설 센터에서는 저준위 방사성 폐기물 가운데 천층 피트 매설 대상인 방사능 레벨이 비교적 낮은 저준위 방사성 폐기물에 대해, 전국에 있는 원자력 발전소로부터 운전 중에 나오는 폐기물을 드럼통에 채워 넣은 폐기체(저준위 방사성 폐기물로 최종적으로 매설 가능한 형태를 일컬음)를 인수해 피트 매설한다.
매설 센터는 1990년에 매설 사업 허가를 취득한 후 건설에 착수해 1992년 12월에 1호 시설이, 2000년 10월에 2호 시설이 조업해 폐기체를 인수하기 시작했다. 매설 용량은 1·2호 매설 시설 모두 약 4만㎥(드럼통으로 약 20만 개)다.
고준위 방사성 폐기물은 재처리에서 나오는 고준위 방사능 폐액을 유리고화한 것으로, 방사능 레벨이 높고 장반감기 핵종을 많이 포함해 300m보다 깊은 지층에 매설한다. 이러한 지층 처분을 위해서 원자력발전환경정비기구(NUMO)에서 처분 기술 확립, 처분 후보지 확보 등을 향한 활동을 전개하고 있다.
저준위 방사성 폐기물 매설 센터
대상 폐기물과 시설 개요｜<그림 3>에서 보듯 로카쇼무라 약 360만㎡ 부지에 있는 일본원연 매설 센터는 1호 매설 시설과 2호 매설 시설, 저준위 폐기물 관리 건물로 구성된다. 관리 건물에서는 폐기체의 인수, 검사, 일시 저장을 담당한다. 1·2호 매설 시설 모두 원자력 발전소로부터 받은 저준위 폐기체를 매설하는데, 폐기체의 성상性狀(내용물)은 1·2호 각각 서로 다른 것을 대상으로 한다.
1·2호 매설 시설에 매설하는 폐기체는 <그림 4, 5>와 같다. 1호 매설 시설의 대상 폐기체는 농축 폐액, 다 쓴 수지, 소각재 등을 시멘트, 아스팔트, 플라스틱을 써 드럼통에 고형화한 것이다. 이에 반해 2호 매설 시설의 대상 폐기체는 금속류, 플라스틱, 보온재, 필터류 등과 같은 고체상 폐기물을 분리하고 필요에 따라 절단·압축·용융 처리해 드럼통에 채워 넣은 후 시멘트계 충전재(모르타르)로 굳혀 하나로 고형화한 것이다.
1·2호 매설 시설의 구조는 <그림 6, 7>과 같다. 1·2호 매설 시설은 기본 구조가 같은데, ‘다카호코(鷹架)층’이라 부르는 암반을 파 내려가 그 위에 콘크리트 피트를 구축했다. 피트 안에 폐기체를 가로로 놓고(가마니 쌓기) 시멘트로 충전, 피트 윗덮개를 씌우고 주변을 벤토나이트 혼합토로 덮은 후 뒤채움재(토사)로 복토한다. 벤토나이트는 투수성透水性이 낮은 점토로, 지하수의 이동을 늦추는 데 효과적이다. 복토 후에는 지표에 초목을 심는다.
 1호 매설 시설에는 폐기체 약 4만㎥(200리터 드럼통 20만 개 상당)를 매설하는 매설 설비를 설치할 계획이다. 한 설비당 폐기체 약 1000㎥(200리터 드럼통 5000개 상당)를 수납하는 피트 40기로 구성하며, 현재까지 30기를 구축했다. 매설 설비는 물이 잘 스며들지 않는 암반을 파 내려가 설치하며, 철근 콘크리트 구조로 된 바깥 둘레 칸막이 설비와 내부 칸막이 설비, 덮개로 구성된다. 내부는 칸막이 설비를 이용해 16구획으로 나눴다. 구획 안은 폐기체 수납 후 시멘트계 충전재로 메우고, 그 후 철근 콘크리트 구조로 덮어 하나의 암석 형태로 완성한다.
2호 매설 설비에도 1호와 마찬가지로, 폐기체 약 4만㎥(200리터 드럼통 20만 개 상당)를 매설하는 매설 설비를 설치할 계획이다. 2호 매설 설비는 1호와는 다른 피트 구조이며, 한 설비당 매설하는 폐기체는 약 2600㎥(200리터 드럼통 약 1만 3000개 상당, 시설 전체에서 16기 구축 예정)로 한다. 현재까지 피트 16기 중 8기까지 구축했으며, 4기를 구축 중이다. 매설 설비는 1호와 같이, 물이 잘 스며들지 않는 암반을 파 내려가 설치하며, 철근 콘크리트 구조로 된 바깥 둘레 칸막이 설비와 내부 칸막이 설비, 덮개로 구성된다. 내부는 내부 칸막이 설비를 이용해 36구획으로 나눴다. 구획 안은 폐기체 수납 후 시멘트계 충전재로 메우고, 그 후 철근 콘크리트로 덮어 하나의 암석 형태로 완성한다.
조업 상황｜지금까지 폐기체 인수 실적은 <그림 8>과 같다. 1호 매설 시설은 1992년부터, 2호 매설 시설은 2000년부터 조업을 시작해 2010년 10월 말 현재 1호 매설 시설에 14만 3355개, 2호 매설 시설에 8만 992개 폐기체를 매설했다. 누계 매설 개수는 22만 4347개다.
폐기체 인수는 발생 장소인 원자력 발전소의 폐기체 제조, 반출 설비의 설치 상황이나 운송 계획 등에 따라 달라지지만, 각 발전소의 반출 준비가 정돈됨에 따라 앞으로도 인수를 계속할 예정이다.
원자력 발전소에서 제조한 폐기체는 발전소에서 검사를 받은 뒤 전용 운반선으로 원연 시설 부근의 무쓰오가와라 항구까지 해상 운송된다. 이후 전용 도로를 통해 매설 센터의 저준위 폐기물 관리 건물로 반입된다. 반입된 폐기체는 관리 건물에서 외관에 이상이 없는지 등 최종 검사를 하고 전용 트럭으로 매설 시설로 옮겨 매설한다.
단계별 관리 방안｜방사성 폐기물의 매설 처분은 장기간 대응이 필요한 사업이어서 원자력안전위원회가 정한 ‘제2종 폐기물 매설 시설의 사업에 관한 안전 심사 기본 방안’에 따라 단계별로 관리한다. <그림 9, 10>은 1·2호 매설 시설에 적용 중인 단계별 관리를 나타낸 것이다. 단계별 관리는 폐기물을 넘겨받고 난 뒤의 관리 기간을 3단계로 나눠 최종적으로 관리가 필요 없는 상태로 만들어 부지를 해방하는 것이다. 각 단계는 다음과 같다. 
·제1단계: 폐기체 인수 시작부터 25~35년 기간으로, 폐기체와 매설 시설에 방사성 물질을 가둬 두는 기간.
·제2단계: 제1단계 완료 후 약 30년 기간으로, 매설 설비와 주변 토양에 의해 방사성 물질의 이행을 억제하는 기간.
·제3단계: 제1단계 완료 후 약 300년까지 기간으로, 주로 주변 토양 등에 의해 방사성 물질의 이행을 억제하는 기간.
각 기간 동안 시설 순찰, 필요 시 복토 수복, 환경 모니터링 등 적절한 관리로 안전을 확보한다.
방사성 폐기물 매설 관련 제도 정비
일본에서는 ‘핵 원료 물질, 핵 연료 물질 및 원자로 규제에 관한 법률(노 규법)’과 ‘특정 방사성 폐기물의 최종 처분에 관한 법률(최종 처분법)’로 방사성 폐기물의 매설 처분을 규제한다.
노 규법에서는 폐기물 관리 사업에 대해, 방사능 농도에 따라 제1종 폐기물 매설(정령政令으로 정한 방사성 물질의 방사능 농도가 사람 건강에 중대한 영향을 미칠 우려가 있는 것으로서 해당 방사성 물질의 종류별로 정령에서 정한 기준을 넘어서는 것)과 제2종 폐기물 매설(그 외)로 나눠 관리할 것을 정하고 있다. 일본원연은 노 규법에서 말하는 제2종 폐기물 매설 사업을 하고 있다.
최종 처분법에서는 고준위 방사성 폐기물(고준위 유리고화체)을 제1종 특정 방사성 폐기물로, 방사능 레벨이 비교적 높고 수명이 긴 핵종을 비교적 많이 포함하는 폐기물을 제2종 특정 방사성 폐기물로 정의하고, 일본의 고준위 방사성 폐기물 전담 기구인 NUMO가 특정 방사성 폐기물의 최종 처분에 관한 계획에 따라 처분토록 하고 있다.
방사성 폐기물에 대해 구체적으로 매설 사업을 하려면, 노 규법뿐 아니라 이 규법을 토대로 매설 처분에 대한 안전 규제 지침, 정령 등의 제도 정비가 필요하다. 일본원연에서 현재 하고 있는 피트 처분의 경우 원자력안전위원회가 안전 심사 지침을 1988년 3월에, 트렌치 처분의 경우 1993년 1월에 이미 정비했다. 그리고 2010년 8월, 안전 심사 지침에 방사성 레벨이 비교적 높은 저준위 방사성 폐기물을 처분하는 ‘여유 심도 매설’을 추가해 지침이 새롭게 바뀌었다.
원자로 운전이 수십 년인 데 비해 방사성 폐기물 매설은 수백 년 이상이기에, 방사성 폐기물 매설의 안전 평가는 그 긴 시간 동안 주민과 작업자의 피폭을 평가해야 한다. 그런데 여유 심도 매설 처분의 평가는 기존 피트·트렌치 처분 대상인 저준위 방사성 폐기물에 비해 한층 더 긴 시간에 걸친 평가가 필요하다는 사실을 고려해, 이번 지침 개정에서는 지금까지와 달리 관리 기간 종료 후의 안전 평가 시나리오를 리스크론 입장에 근거해 구분하고, 각 시나리오에 대응한 기준을 만족할 것을 요구하고 있다. <그림 11>은 과거 지침과 새롭게 바뀐 지침에서 보이는 시나리오 분류의 차이점을 나타낸 것이다.
 과거 지침에서는 안전 평가를 ‘일반 사상事象’과 ‘낮은 빈도의 사상’으로 나누고, 지하수로 옮겨진 방사성 물질에 따른 피폭이나 사람이 폐기물에 근접했을 때를 상정한 피폭 등을 관리 기간 완료까지 평가하기로 돼 있다. 그러나 바뀐 개정에서는 관리 기간 종료 후의 평가도 고려해 안전 평가를 실시하는 시나리오를 ‘기본’, ‘변동’, ‘인위 사상’, ‘드문 빈도의 사상’ 등 4개로 나누고 각각의 피폭 평가 기준을 정했다.
·기본 시나리오: 확실히 발생할 것으로 예견되는 일련의 변화를 고려한 시나리오.
·변동 시나리오: 기본 시나리오 외에 다양한 변동 범위를 망라한 시나리오.
·인위 현상 시나리오: 우발적인 활동으로 처분 시설의 손상을 상정한 시나리오.
·드문 빈도의 시나리오: 발생 가능성이 현저히 낮은 자연 현상을 상정한 시나리오.
저준위 방사성 폐기물의 여유 심도 매설
안전 심사 지침 개정에서 대상이 된 여유 심도 매설은 현재 일본원연에서 하고 있는 저준위 방사성 폐기물의 천층 피트형 처분과 같은 관리형 처분으로, 고준위 방사성 폐기물의 지층 처분과는 다른 종류다.
대상이 되는 방사성 폐기물은 주로 원자로의 노심 부분에서 조사照射된 노 내 구조물, 채널박스(BWR 연료를 에워싸는 상자형 두겁), 가연성 독물(PWR 연료에 사용), 제어봉, 다 쓴 수지 등이며, 수명이 긴 핵종의 비율은 낮고 방사능 레벨은 비교적 높은 것이다.
여유 심도 매설에서 ‘여유 심도’는 흔히 잘 쓰지 않는 말이다. 그러나 1998년 10월 16일, 원자력위원회 원자력백엔드대책전문부회가 작성한 보고서 ‘현행 정령 농도 상한 값을 넘어서는 저준위 방사성 폐기물 처분의 기본 방안에 대해’에서는 이렇게 적혀 있다.
‘구체적 처분 심도는 입지 장소의 지질 조건 등에 따라 다르나, 현재 대도시의 지하 이용 상황에 입각해서도 지지층의 윗면보다도 깊고, 이에 기초가 되는 지반의 강도 등을 손상시키지 않는 이격 거리를 확보한다. 예를 들어 지표에서 50~100m 깊이 지하에 처분하면 주거 건설 등과 같이 일반적이라고 여기는 지하 이용은 물론, 고층 건축물 등의 건설을 제약하지 않고도 사람이 폐기물에 접촉하는 일은 피할 수 있으며, 이에 동반하는 피폭은 일어나지 않는다. 그 외 지하철·상하수도·공동구 등과 같은 이용에서도 사람이 폐기물에 접촉할 가능성은 충분히 적다고 판단한다.’
이 내용을 받아들여 여유 심도 매설은 지하 50m보다 깊은 땅 속에 견고한 인공 장벽을 설치해 폐기체를 일정한 장소에 놓은 뒤, 피트 처분과 마찬가지로 시멘트·벤토나이트·뒤채움재로 메우고, 수백 년 동안 관리함으로써 안전을 확보하는 방법이다. 지층 처분과 달리, 관리 기간 종료 후에 통상 일어나기 힘든 일(시설에 보링이 굴착하는 경우 등)에도 안전을 확보할 수 있는 점이 특징이다.
한편, 지층 처분은 대상 폐기물의 방사능 레벨이 높고 장반감기 핵종도 많이 포함하기에 300m보다 깊은 땅 속에 묻고 수만 년 이상 사람의 생활 환경에서 격리하는 것이다.
여유 심도 매설 시설의 검토 상황
일본원연에서는 여유 심도 매설 시설을 검토 중이다. <그림 12, 13>은 여유 심도 매설 시설의 검토 사례다.
시설은 지하 약 100m에 설치하므로 지상 입구에서 지하로 폐기체를 운송하는 접근 갱도坑道, 폐기체를 매설할 매설 굴, 매설 굴을 연락하는 주요 갱도와 연락 갱도로 이뤄진다. 매설 굴은 설치 장소의 지질과 지반에도 달려 있지만, 지름 약 18m의 단면을 가진 터널형을 상정하고 있다. 폐기체는 드럼통이 아닌 취급과 정치定置에 용이한 상자형(길이 약 1.6m 사각형)을 상정 중이다. 이 폐기체는 지상에 있는 관리 시설에서 검사를 마친 후 전용 래크를 이용해 매설 굴로 운송되며 굴 안에 구축한 콘크리트 피트 안에 놓인다.
폐기체를 놓고 되메운 후의 매설 굴 안은, 피트 안을 시멘트로 메우고 콘크리트 피트 주변을 저확산층(시멘트), 저투수층(벤토나이트), 뒤채움재(토사 등)로 매설하는 구성이 된다.
본격 조사 개요｜일본원연에서는 여유 심도 매설 시설을 검토하기 위한 본격 조사를 당사 부지 내에서 2002년 11월 착수했다. 그리하여 조사갱 굴착 공사, 보링 조사 등을 하고 2006년 3월 종료했다. 조사 목적은 시설 검토에 필요한 지질·지하수·지반에 관한 상세한 정보를 얻기 위해서였다(<그림 14> 참조).
시설 설치 심도가 지하 50~100m로 깊어 보링 조사 말고도 조사용 터널을 굴착해 조사·시험했다. <그림 15>는 조사갱 등 조사 시설 레이아웃을, <그림 16>은 시험 굴의 단면 사진을 나타낸 것이다. 조사는 부지 남쪽 대지臺地의 중앙에 기울어진 얕은 못 부분을 갱도 입구로 하고 대지(표고 30~40m) 지표면에서 100m 정도 아래까지 터널을 굴착하면서 실시했다. 거기서 얻은 결과를 토대로 대표적 위치·심도를 선정한 다음에 시설 안정성을 검토하기 위한 시험 굴, 지질·지반·지하수를 조사하기 위한 조사갱을 굴착해 조사를 실시했다.
지질에 대한 조사는 조사 지역의 단층, 갈라진 부위 유무, 지질 상황을 알아보고 조사갱을 굴착하면서 육안 등으로 관찰했다. 지하수에 대한 조사는 지하수가 흐르는 속도, 흐르는 방향, 수질을 조사했다. 지반에 대한 조사는 지름 약 18m, 길이 약 70m의 시험 굴을 굴착해 굴착 전후의 지반 왜형 등을 살펴 대규모 굴을 안정적으로 구축할 수 있는지 확인했다.
조사 결과, 지질에서 몇 개의 단층을 확인했으나 모두 형성된 시기가 상당히 오래됐으며 장래 활동 가능성이 있는 단층(이른바 활단층)이 아니었고, 단층 부분에 지하수 흐름이 빠른 곳이 없었으며, 조사한 지하 약 100m의 암반(부석응회암층)은 갈라진 부위가 상당히 적었다. 지하수의 경우, 지하수의 이동 속도가 느리고 인공 구조물의 열화를 촉진하는 지하수 성분이 적다는 사실을 확인했다.
이상 본격 조사를 통해 조사한 지하 100m 부근의 암반에서 ▲갈라진 부위가 적고 지하수의 속도가 느린 점 ▲인공 구축물의 열화를 촉진하는 지하수 성분이 적은 점 ▲대규모 굴을 안정적으로 구축할 수 있는 점을 확인했으며, 매설 시설을 설치하는 데 문제가 될 만한 암반은 아니라고 판단을 내렸다.
지하 동굴형 처분 시설 성능 확증 시험｜본격 조사를 마친 시험 굴 내에서 2007년부터 일본 경제산업성의 위탁을 받아 (재)원자력환경정비촉진·자금관리센터가 ‘지하 동굴형 처분 시설 성능 확증 시험’을 하고 있다. 시험은 ▲건설 단계의 시공 기술, 품질 관리 방법의 실현성 확인 ▲인공 장벽이 요구 성능을 만족하는지 확인, 성능과 시공 방법 파악 ▲시공 중과 시공 후에 시설이나 주변 암반의 거동 예측과 계측 방법의 타당성 확인을 목적으로 한다.
실제 규모와 같은 콘크리트 피트 건설, 모의 폐기체를 사용한 콘크리트 충전, 벤토나이트 충전 시험 등을 하며, 일본원연에서도 이 시험에 협력하고 있다.
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방사성 폐기물 처분은 원자 연료 사이클을 성립하는 데 필수 사업이며, 이것이 원활하게 진행되지 않는다면 원자력 발전소를 비롯한 모든 시설 운용에 지장을 초래한다.
현재 일본원연의 1·2호 폐기물 매설 시설은 조업을 순조롭게 계속하고 있으며, 앞으로도 안전하고 합리적인 사업을 해 나갈 방침이다. 일본원연 매설 센터는 1·2호 시설의 조업 경험과 기술 진보, 폐기체 개량 등을 고려해 피트 처분 대상 폐기체 관련 시설을 검토 중이다. 드럼통 외에 사각형 박스 용기를 처분하는 시설을 검토하고 있으며, 원자력 발전소 운전에서 나오는 폐기물뿐 아니라 원자력 발전소의 폐지 조치, 재처리 시설 등 일본원연의 다른 사업에서 나오는 폐기물도 매설 대상으로 검토하고 있다. 또한 2010년 8월 재정비된 여유 심도 매설 관련 안전 심사 지침을 반영한 여유 심도 매설 시설의 검토도 계속해 나가고 있다.
일본원연 측은 방폐물 처분의 원활한 사업 진행은 관계자의 노력은 물론이고 아오모리현과 로카쇼무라 그리고 지역 주민의 이해가 있기에 가능하다는 점 또한 간과하지 않는다. 매설 사업은 상당히 긴 시간에 걸친 사업이기에 계속해서 지역 주민의 이해를 구하며, 안전 확보를 최우선으로 진행하고 있다.
<Energy News>
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