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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.10 No.3 pp.133-141
DOI :

A Study on the Development of the FEP and Scenario for the HLW Disposal in Korea

Chul-Hyung Kang1), Jong-Tae Jeong, Jong-Won Choi
Korea Atomic Energy Research Institute, 989-111 Daedeok-Daero, Yuseong-Gu, Daejeon
1) Corresponding Author. E-mail : chkang@kaeri.re.kr

Abstract

The impacts influenced on the performance and safety of a repository are classified as units of Features, Events, and Processes (FEP), for the total system performance assessment (TSPA) related to the permanent disposal of HLW. The importance is evaluated in consideration of the frequency, consequence, regulation, suitability of a specific site, etc. and then these are grouped as a similar FEP. A scenario describing the migration of radionuclide from the repository to the biosphere is derived from understanding the interaction among these groups. KAERI has developed the KAERI FEP lists by review and collation of the foreign studies. The KAERI FEP list has been reviewed by several Korean experts. The five major scenarios describing possible future evolutions of the geological disposal system have been developed by RES and PID methods. Also the CYPRUS which is a KAERI integrated database management system for the total system performance assessment (TSPA) related to the permanent disposal of HLW has been developed and the results of the FEP and scenario development have been uploaded in this system.

우리나라의 고준위폐기물 처분을 위한 FEP과 시나리오 개발

강철형1), 정종태, 최종원
한국원자력연구원, 대전시 유성구 대덕대로 989번길 111

초록

고준위 방사성폐기물 처분에 대한 종합 성능 평가를 위해 처분장 성능 및 안전성에 미치는 영향들을 단 위 현상, 사건, 공정 (FEP)으로 분류하고 이들을 발생 가능성, 결과 영향, 규제, 특정 부지의 적합성 등을 고려하여 중요도를 평가한 후 유사한 FEP들을 그룹화하여 이들 FEP 그룹들 간의 상호 반응을 이해하고 이로부터 처분장으로부터 최종 생태계에 이르는 방사성 핵종들이 이동을 기술하는 시나리오를 도출하는 연구가 필요하다. 한국원자력연구원에서는 외국의 사례를 심층 분석하고 국내 전문가 의견 등을 종합하여 국내 처분 환경에 적합한 FEP들을 380 여개 포함하는 KAERI FEP List를 개발하였다. RES와 PID방법을 사용하여 처분장 방사선적 종합 안전성 평가에서 고려해야 될 5 가지 시나리오들을 도출하였다. 또한 고준위폐기물 처분안전성평가를 종합 데이터베이스 관리시스템인 KAERI CYPRUS를 개발하고 이들 결 과물을 CYPRUS 내에 구축하였다.

    I. KAERI FEP 목록

     

    원자력 발전의 부산물로 생성되는 고준위 방사성폐기물을 안전하게 격리하여 영구 처분하기 위해서는 처분 시설의 안전성을 평가하여야 한다. 이를 위해서 심지층 암반에 처분된 방사성 핵종들이 처분 용기 내로 침투한 지하수에 용해되어 공학적 방벽과 천연 방벽을 거쳐 생태계로 이동하는 현상에 대한 정확한 이해와 수식화 및 종합 안전성/성능 평가 코드와 관련 입력 자료 확보가 필요하다. 고준위 방사성폐기물 처분의 종합 성능 평가 (Total System Performance Assessment : TSPA)를 위해서는 처분 장 성능 및 안전성에 미치는 영향들을 독립적인 단위 현상, 사건, 공정 (Features, Events, Processes; FEP)으로 구분하여 정리하는 연구가 필요하다.

    한국원자력연구원에서는 국내 처분 환경과 NEA[1], IAEA [2], Sandia [3], NIREX[4], POSIVA [5] 및 SKB [6] 등의 FEP을 기초로 FEP 목록 초안 [7]을 작성하였다. 이와 같은 FEP 목록 초안으로부터 처분 성 능 평가에 중요한 FEP들을 선별하기 위해서는 객관적인 선 별 기준이 필요하다. 일반적으로 FEP 선별을 위한 기준으로는 FEP 발생에 따른 위해도 발생 영향, 발생 확률, 그리고 부지 특성 등과 같은 기준이 고려된다.

    - 발생확률 : 발생 확률이 낮은 FEP은 제외한다. 그러나 발생 가능성이 낮다 하더라도 잠정적인 연간 위험도가 상대적으로 높다 하면 포함되어야 한다.

    - 영 향 : 안전성에 미치는 영향이 낮은 FEP는 제외한다.

    - 특정 부지 연관성 : 특정 FEP이 고려하는 처분장과 연관이 없다면 제외한다.

    - 규 제 : 처분장 부지 선정 기준에 의거하면 처분 부지는 안전성 확보를 위하여 특정 사건이 발생할 확률이 있을 경우 부지로서의 자격이 없다. 가령 고준 위 방사성폐기물 처분장의 경우 활발한 단층 활 동이나 화산 활동이 있는 부지는 처분장 후보 부지로서 적합하지 않다. 따라서 어느 특정 부지가 처분장 후보 부지로 선정되었다는 말은 이러한 활성 단층이나 화산 영향과 관련된 FEP들의 발생 확률이 미미하다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 규제 기준에 의하여 일부 FEP들은 제외된다.

    KAERI FEP 목록의 FEP 분류 체계는 Fig. 2와 같으며 각 FEP에

     

     

     

     

     

    는 Category, FEP 명칭, FEP ID, Process, Influence, 평가결과, Related RES, Reference 등의 정보를 포함하고 있다. Process 및 Influence에 담긴 내용들을 분석하여 FEP간의 상호 관계를 파악 할 수 있으며, 평가 결과는 전문가들의 평가 점수이며 FEP의 중요도를 의미한다.

     

    II. 시나리오 개발

     

    가. 시나리오 개발 방법

    ① RES (Rock Engineering System) 방법론

    방사성폐기물 처분 연구에서 많이 활용되고 있는 RES 방법론 [8, 9]은 top-down 방식에 의거하여 주요 FEP들이 모두 RES 행렬 내 인자들로 포함되도록 한다. 각 FEP들은 상호 반응 행렬 (interactive matrix)의 구성 요소로 표시되며, 방사성 폐기물 처분장의 물리적 방벽들인 폐기물, 용기, 완충재, 암 반, 생태계들과 핵심 현상인 지하수 및 용질 이동 등 핵심 FEP들은 행렬의 대각선 요소 (Leading Diagonal Element : LDE)들로 표시된다. 각 FEP들의 상호 반응들은 ODE (Off Diagonal Element)로 나타낸다. RES 방법론은 요소들 간의 상호 반응을 명백하게 표현할 수 있고 시나리오를 객관적으로 개발할 수 있게 한다. 또한 각 FEP들에 관한 세부 사항을 기록한 데이터베이스와 연결될 수 있어 자료 검색 및 연구 결과에 대한 투명성을 높일 수 있다.

     

     

     

     

    그러나 RES 방법은 표현은 용이하나 행렬의 크기가 제한되어 있어 상세한 정보를 표현하기에는 어려움이 있다. 즉 모든 주요 FEP들을 하나의 행렬로 표시하려면 행렬의 규모가 상당히 커져야 하고, 큰 규모의 행렬이 포함하고 있는 FEP들을 모두 나타낼 수 있는 시나리오를 개발하기 어렵다. 따라서 모든 FEP들을 하나의 행렬로 나타내는 것 보다 다수의 행렬로 나누어 각 행렬이 작은 규모의 주제를 가진 집단으로 묶어 표현 하는 것이 유리하다.

    Fig. 3과 같이 각 FEP들의 상호 반응을 조합하여 단위 시나리오를 개발할 수 있다. 여기서 화살표는 P4에서 P1으로, 다 시 P3으로, 그리고 최종적으로 P2에 도달한다. 이를 보다 알기 쉽게 설명하면 다음과 같다. 예를 들어 P4를 빙하 주기라 고 하고 P1을 처분장에 미치는 역학적 힘, P3을 지하수의 유동과 지화학 P4를 확산이라고 정의하자. 이 경우 M4132로 표 시되는 반응은 빙하 주기 변화로 인하여 빙하가 용해되기 시작하여 처분장의 역학적 응력 (mechanical loading)의 변화를 초래하여 단열과 암반의 활성을 야기하고, 궁극적으로 지하수의 유동과 지화학 조성에 영향을 미쳐 처분장 경계 조건과 핵종 이동 농도를 변화하여 핵종 확산 기구에 영향을 주어 핵종 이동을 변화하는 과정이다. 이와 같이 각 FEP들의 영향을 조합하면 시나리오가 된다. 이 예의 시나리오는 전체 시나리오는 아닌 부 시나리오(sub-scenario) 이라고 할 수 있다. 이 러한 부 시나리오들을 조합하여 처분장 안전성 평가를 위한 시나리오를 도출할 수 있다.

    ② Process Influence Diagram (PID) 방법론

    시나리오 개발에 사용되어 왔던 Sandia 방식 [3]은 산업 공 학 분야에서 많이 적용되는 수형도 방식을 사용한다. 그러나 이 방법은 방사성폐기물 처분 연구와 같이 대상 평가 기간이 길고 발생 확률 및 영향을 정량적으로 정확하게 나타내기가 힘든 분야에서는 적용하기 어렵다. Sandia 방법론에서 제기 된 이러한 문제를 개선하기 위해 Process System (PS)를 구축 하여 PS의 PID [8, 10]를 만드는 것이 편리하다. PID는 RES (Rock Engineering System) 방법론과 함께 평가 대상 시나리오를 선정하는데 적용되는데 PID는 RES보다 더 상세하게 FEP들 간의 상호 관계를 직관적으로 보일 수 있지만 FEP들의

     

     

     

     

    중요도를 표현하는 데에는 어려움이 있다.

    PS 내에서의 FEP은 상자 안에 표시되며, 여러 FEP 사이의 상호 반응은 각 상자들 간의 선으로 나타난다. 이 방법론은 체 계적인 시나리오 개발을 가능하게 하며, 처분장 성능평가에 영향을 미치는 FEP 및 각 FEP 간의 상호 작용과 통합을 체계적으로 인지하고 검토할 수 있게 한다. 또한 시나리오 개발 및 결정 과정에 대한 추적이 가능하게 문서화 작업이 용이하다. PID 방식을 이용한 시나리오 개발에서는 먼저 문서화 작업 에 착수하는데 이러한 작업을 위해서는 다음과 같은 세부 작업이 수행되어야 한다.

    1) 처분 계통에 대한 정의

    2) 정의된 계통에 적합한 FEP 선별

    3) FEP 간의 상호 영향 반응 인지

     

    나. RES 방법을 통한 고준위 처분 안전성 평가 시나리오 개발

     

    선별된 FEP들을 조합하여 주요 시나리오 5개를 구성하였 다. 시나리오 도출 방법론으로는 해외에서 많이 사용하고 있는 RES 방법론을 적용하였다.

    ① 정상 시나리오

    정상 시나리오는 방사성폐기물 처분장 폐쇄 후 장기 방사 선적 종합 안전성 및 성능 평가에 있어서 기준 평가 대상으로 선정된 시나리오로 발생 확률이 1인 FEP 들로 구성된 것이다. 최종 생태계를 음용수 채취를 위한 소규모 우물을 화강암반 내 대수대로 굴착하는 시나리오와 공학적 방벽을 따라 유출 된 방사성 핵종들이 단열 암반 내 단열망을 타고 유동하다가 주요 투수대 (major water conducting feature)에 유입된 후 지표면까지 이동 후 강이나 샘으로 용출되어 음용수, 관개수 등으로 사용되고 일부는 직접 해양 생태계로 유입되는 시나 리오이다. Fig. 4는 정상 시나리오를 나타내는 RES를 보여 준다. 6.6 지하수가 처분 용기 내로 침투하여 6.1 핵종을 용해 침전시키고 용해되어 용기 밖으로 유출된 핵종이 3.3 공학적 방벽, 4.4 굴착 교란 지역 (excavation disturbed zone) 등의 물리적 방벽으로 3.7, 4.7 흡착, 확산, 이류 등으로 이동하여 6.6 지하수 흐름을 따라 6.7 분산 이류 등의 작용으로 7.7 용질 이동을 하여 최종적으로 7.8 오염이라는 영향을 8.8 생태계에 끼친다.

    ② 초기 파손 용기 시나리오

    용기 초기 손상 시나리오 [11]는 용기 제작 불량으로 처분 초기부터 일부 용기가 파손되는 경우로, 다른 조건은 정상 시나리오와 동일하다. 실제로 처분 용기의 엄격한 제조 과정 및

     

     

     

     

    사후 품질 보증 과정을 통하여 실제 불량 용기가 사용될 확률은 매우 낮으나 만일 이렇게 파손된 용기가 사용될 경우 핵종 유출이 정상 시나리오보다 빨라져 전체 처분 안전성에 영향을 줄 수 있다. 스웨덴은 구리 용기 제작 공정상의 오류 등으로 인한 불량 용기 발생 확률을 0.1%로 가정하고 용기의 초기 파손률을 1/1,000로 평가하였다 [6]. 초기 파손 용기 시나리오의 경우 RES 상의 대부분 요소들은 정상 시나리오와 동일하나 Fig. 4의 2.2 용기 부분의 내용이 바뀌게 된다. 정상 시나리오의 경우 용기 수명 시간에 대한 신뢰를 고려하여 평가하는 반면 초기 파손 용기 경우 용기 수명에 대한 신뢰가 없기 때문에 2.2 LDE가 초기 파손 용기로 바뀌게 한다. 이로 인해 정상 시나리오에서 고려하는 정상적인 시간보다 더 일찍 2.1 일부 용기로부터 핵종 유출이 발생하게 되고, 1.1 유출된 폐기물 (핵종)들은 6.6 지하수에 보다 높은 1.6 방사성 열 영향을 주게 되고 정상 시나리오보다 빠르게 6.7 지하수의 분산, 이류 등을 통한 7.7 용질 이동으로 7.8 오염물이 8.8 생태계에 도달 할 수 있다.

    ③ 기후 변화 시나리오 RES

    기후 변화 시나리오는 미래에는 현재 기후와는 달리 변한다는 시나리오로 기후 변화로 인한 지하수 유동의 변화, 생태 계 특성 변화 등이 처분장 안전성에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 현재 예측할 수 있는 기후 변화 시나리오는 단기적으로는 지구 온난화 현상이 있으며 장기적으로는 빙하 시대 도래가 있다. Fig. 5는 기후변화에 대한 시나리오에 대한 RES이다. 예를 들어 기후 변화 (빙하 형성 등)에 의해 6.6 지하수는 6.3 지하수량이 저감하여 재포화 시간이 연장된다. 이에 따른 지하수면 변화로 인해 3.3 공학적 방벽 벤토나이트 층의 3.5 팽윤압 (Swelling pressure)이 변하여 5.5 암반과 공학적 방벽 간의 역학적 상호 반응에 변화를 가져오게 된다.

    ④ 자연 재해 시나리오 RES

    자연 재해 시나리오는 장기적인 지질 구조의 변화로 인하여 미래에 발생할 수 있는 사건들로 인한 시나리오이다. 예를 들어 장기적인 지질 구조의 변화로 인한 암반의 융기, 침식과 단층의 재 활성화, 지진 등이 있다. Fig. 6 자연 재해 RES에서 5.5 암반 내 지진으로 인한 갑작스런 응력 변화에 따라 5.6 추가적인 단열이 발생하고 단열 폭 변화 등으로 인해 6.6 지하 수의 6.7 이류 속도의 변화로 용질 이동 가속화 현상이 발생하게 되어 7.8 오염 형태 등의 변화로 8.8 생태계에 영향을 끼칠 수 있다.

    ⑤ 인간 침입 시나리오

    인간 침입 시나리오는 처분장 혹은 처분장 인근 지역을 고 의적이던 아니던 인간이 침입하는 시나리오이다. 인간 침입은 지질 조사나 음용수를 확보하기 위한 시추와 같은 소규모 인간 침입과 관개/음용수 확보나 지하 공간 활용 및 자원 굴착 등을 위한 대규모 인간 침입으로 분류할 수 있다.

     

    다. 고준위 처분 안전성 평가 시나리오 개발을 위한 PID 방법론 구축

     

    PID 방식은 FEP간 구체적인 연결과정을 통하여 과도하게 복잡해지는 단점이 있는 반면 시나리오의 전개를 구체적으로

     

     

     

     

     

    보여주게 되는 장점이 있다. RES를 통한 시나리오 개발과 병행하여 PID 형태의 시나리오를 다양한 형태로 구현 할 수 있 는 PID 개발 모듈을 구축하였다 [11]. FEP은 Box로 표기하고, FEP의 중요도는 Box 색상으로 구분하였다. FEP의 중요도는 FEP record에 포함된 FEP 우선순위이며, FEP box의 색상은 FEP의 중요도가 가장 높은 FEP에 흑색을 적용하고 그 다음부 터 순차적으로 적색, 청색, 녹색, 황색 순으로 적용하였다. FEP간 상호관계를 의미하는 Influence는 화살표로 표기하였으며, 상호 영향을 주고받는 경우 양방향 화살표를 사용하였 다. 이 모듈을 이용하여 용기부식, 역학적 변화, 핵종이동, 방사분해 및 지하수 이동의 세부 PID를 구축한 후 이들 세부 PID를 통합함으로써 PID 형태의 정상 시나리오를 구축하였다 [12]. 이와 같이 5 가지 세부 PID들을 통합하여 Fig. 8과 같 이 정상 시나리오에 대한 Full PID를 구축하였다. 예로 Fig. 7 은 용기부식에 대한 세부 PID를 보여 주며 Fig. 8은 5개의 세 부 PID를 통합하여 만들어진 정상 시나리오의 Full PID를 나 타낸다.

     

    III. KAERI CYPRUS 개발

     

    KAERI 고준위 방사성폐기물 처분 종합 데이터베이스 관 리시스템인 CYPRUS (CYBER R&D Platform for Radwaste Disposal in Underground System)를 개발하였다 [13, 14]. CYPRUS에는 Fig. 2에서와 같이 자세한 설명이 포한된 FEP 목록, RES 방식으로 시나리오를 개발할 수 있는 FEAS, PID 개발 Tool, 안전성 평가 입력자료 Data base인 PAID와 QA 모듈 등이 탑재되어 있다. 특히 RES 방식으로 개발한 시나리오에서는 체크박스를 통하여 세부 시나리오 RES와 각각 의 시나리오를 구성하는 관련된 FEP 항목과 그 연계성 등을 쉽게 볼 수 있게 되어 있다. 이 CYPRUS는 안전성 평가 관련 전문가가 시나리오를 개발하고 안전성 평가 입력자료를 찾는 목적으로 사용할 수 있을 뿐 아니라 일반인들에게 FEP과 시나리오 등을 쉽게 설명할 수 있는 자료로도 이용할 수 있 도록 설계되어 있다.

     

    IV. 결 론

     

    고준위 방사성폐기물 처분장 종합 안전성/성능을 체계적으로 평가하고 그 결과에 대한 신뢰성을 제고하기 위해서는 처분장으로부터 인간 생태계에 이르는 방사성 핵종들의 유출 경로에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 이와 같은 방사성 핵종들의 처분장으로부터 인간 생태계 사이의 긴 여행과 관련된“이야기”를 구성하는 단위 사건들인 FEP들을 수집하여 주요 선정 기준에 따라 적정성을 평가한 후 선별

     

     

     

     

     

     

    된 FEP들에 관해 우선 순위도를 조사하였다. RES 행렬의 상호 반응을 연결하여 핵종 이동과 관련된 정상 시나리오, 초기용기파손, 기후 변화, 자연 재해 시나리오와 용기 부식 등 5개의 시나리오를 도출하였다. 이와 병행하여 PID 개발 모듈을 개발하고 정상 시나리오를 대상으로 세부 PID를 구축 한 후 이들 세부 PID를 통합함으로써 Full PID를 구축하였다. KAERI 고준위폐기물 처분 종합 데이터 베이스 관리 시 스템인 CYPRUS는 FEP 목록과 RES 시나리오의 연계 개발 모듈인 FEAS, RES 시나리오 및 PID 방식의 시나리오 등을 탑재하고 있으며 사용에 편리한 GUI 제공함으로써 처분안전성 평가 입력 자료 등 기본 자료 제공을 할 수 있다. 또한 CYPRUS는 일반인들에게 FEP과 시나리오 등을 쉽게 설명할 수 있는 자료로도 이용할 수 있도록 설계되어 있어 처분에 대한 신뢰도 향상에 크게 기여할 수 있을 것이다.

    Figure

    Table

    Reference

    1. NEA, Systematic Approaches to Scenario Development: Safety Assessment of Radioactive Waste Repositories. Report of the NEA Working Group on the Identification and Selection of Scenarios for the Safety Assessment of Radioactive Waste Disposal, NEA/OECD, 1992.
    2. IAEA, Final Report of the Reference Biospheres Working Group of the BIOMOVS II Study, Development of a Reference Biospheres Methodology for Radioactive Waste Disposal, BIOMOVSII TR No. 6, SKI, 1996.
    3. R. M. Cranwell et al., Risk Methodology for Geologic Disposal of Radioactive Waste: Scenario Selection Procedure, NUREG/CR- 1667, U S NRC, 1982.
    4. W. M. Miller and N.A. Chapman, Identification of Relevant Processes, System Concept Group Report, U.K. DoE/HMIP Technical Report TRZI- 11, 1992.
    5. T. Vieno et al., Application of the RES Methodology for Identifying Features, Events and Processes (FEPs) for Near-Field Analysis of Copper-Steel Canister, YJT 94-21, YJT, 1994.
    6. J. Andersson et al., The Joint SKI/SKB Scenario Development Project, SKB TR 98-35, SKB, 1989.
    7. Chul-Hyung Kang et al., Normal Scenario Development on the Radionuclide Release and its Transfer and Transport from a Repository, KAERI/CR-34197/97, 1997.
    8. J. Andersson and L. King-Clayton, Evaluation of the Practical Applicability of PID and RES Scenario Approaches for Performance and Safety Assessments in the Finnish Nuclear Fuel Disposal Programme, Work Report TURVA 96-02, 1999.
    9. J. A. Hudson, Rock Engineering Systems: Theory and Practice, Chichester, U.K. 1992.
    10. M. Stenhouse et al., Secnario Development FEP Audit List Preparation: Methodology and Presentation, Site 94, SKI TR 93-27, SKI, 1993.
    11. Yongsoo Hwang, Eun Jin Seo, Yeon-Myung Lee and Chul-Hyung Kang, "Post Closure Long Term Safety on the Initial Container Failure Scenario for a Potential HLW Repository," J. Korean Radioactive Waste Society, Vol. 2(2), P. 105-112, 2004.
    12. Sung Ho Lee et al., "A study on a scenario using the PID method, Progress in Nuclear Energy," Vol. 51(2), Pages 253-257, 2009.
    13. Y. S. Hwang et al., "Development of KAERI FEP, scenario and assessment method database for permanent disposal of HLW in Korea, Progress in Nuclear Energy," Vol. 48(2), P. 165-172, 2006.
    14. Eun Jin Seo, Yongsoo Hwang and Chul- Hyung Kang, "Building Transpararency on the Total System Performance Assessment of Radioactive Repository through the Development of the Cyber R&D Platform ; Application for Development of Scenario and Input of TSPA Data through QA Procedures," J. Korean Radioactive Waste Society, Vol. 4(1), P. 65-75, 2006.
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