방사성폐기물 처분의 안전성평가 - 수학적 모델의 사용 - 한국수력원자력㈜ 원자력발전기술원 처분연구팀장 김창락

목 차 방사성폐기물의 처분 처분의 기본 안전원칙 처분 안전성평가의 역할과 적용 처분 안전성평가 대상 처분 안전성평가의 절차 안전성평가 시나리오 개발 절차 안전성평가 시나리오 개발 도구 안전성평가 모델링 확률론적 안전성평가 안전성평가 결과(예시)

방사성폐기물이란? <원자력법 제 2조 18항> “방사성물질 또는 그에 의하여 오염된 물질로써 폐기의 대상이 되는 물질(사용후연료 포함)” <원자력법 제 2조 5항> “방사성물질이라 함은 핵연료 물질, 사용후연료, 방사성동위원소 및 원자핵분열 생성물이다.”

방사성폐기물의 처분 정의: 향후 회수할 의도 없이 인간 생활권에서 완전히 격리 처분방법: q q q 처분방식의 결정: 처분대상 폐기물의 특성, 지질조건, 경제성을 고려 처분방법: 단순 천층처분(Simple near-surface disposal) 공학적 천층처분(Engineered near-surface disposal) 동굴처분(Mined cavity disposal) 지층처분(Deep geologic disposal) q q q

스웨덴의 SFR 동굴 처분장 처분용량 : 6.3만㎥, 시설운영 : 1988년 2. BLA 터널 (길이 160m, 높이 12.7m, 폭 14.7m) 1. 저준위 처분용 BTF터널 (2개) (길이 160m, 높이 9.5m, 폭 14.7m) 3. 중준위용 BMA 동굴 (길이 160m, 높이 16.5m, 폭 19.6m) 4. 중준위용 사일로 (직경 30m, 높이 50m) 처분용량 : 6.3만㎥, 시설운영 : 1988년

처분의 기본 안전원칙 후세대에의 책임에 관한 기본 안전원칙 방사선 방호에 대한 기본 안전원칙 기술적, 사회적 및 경제적 인자를 고려하여 적절한 시기에 방사성폐기물을 안전하게 처분함으로서 후세대에의 부담을 최소화해야 한다. 처분시설의 폐쇄후 안전성은 시설 관리종료 후의 적극적 보수활동에 의존하지 말아야 한다. 폐기물 처분으로 인한 후세대의 건강 또는 환경에의 영향이 현재의 허용수준보다 크지 않아야 한다. 방사선 방호에 대한 기본 안전원칙 처분시설로부터의 점진적인 누출[정상적인 자연현상]의 경우, 결정집단의 개인에 대한 연간 피폭선량은 현재 선량한도인 연간 1 mSv의 분율로 규제기관에서 정한 선량상한치[0.1 mSv/yr] 이하여야 한다. 그 밖의 파괴적 사건들[자연적 또는 인위적인 요인으로 비롯된 예상하기 어려운 현상]로 인한 결정집단의 개인에 대한 연간 위험도는 위험도 한도인 연간 10-5의 분율로 규제기관에서 정한 위험도상한치[10-6/yr] 이하여야 한다. 폐기물 처분으로 인한 모든 방사선 피폭은 경제적, 사회적 인자를 고려하여 합리적으로 달성할 수 있는 한 낮아야 한다. [과학기술부 고시 제2005-17호, 중저준위 방사성폐기물의 처분에 관한 방사선위해방지 기준] [IAEA (1989) Safety Principles and Technical Criteria for the Underground Disposal of High Level Radioactive Wastes, Safety Series No. 99]

처분 안전성 평가의 역할과 적용 처분사업 단계별 안전성평가의 역할 처분시설 단계별 안전성평가의 적용

처분안전성 평가대상 처분시설의 성능과 처분시설이 환경과 인간에게 미치는 영향 1. 근계 (Near-Field) 2. 원계 (Far-Field) 3. 생태계 (Bio-Sphere)

처분 안전성 평가 세부대상 구 분 구 성 평가 세부 대상 1. 근계 (Near- Field) 2. 원계 (Far- Field) 폐기물 고화체 및 포장용기 공학적 인공방벽 등 구조물 뒷채움재 핵종 재고량 (처분제한치) 고화체 및 포장물 요건 구조물의 열화 재포화시간 고화체 침출 특성 뒷채움재 수분 및 핵종이동 특성 2. 원계 (Far- Field) 자연암반 지하수 유동 핵종 이동 포화/불포화대의 수문학적 특성 지하수 유동경로, 유동시간 지하매질을 통한 핵종이동 3. 생태계 (Bio- Sphere) 우물, 강, 바다 방사선 피폭그룹 피폭경로 (먹이사슬) 피폭그룹의 먹이사슬 및 섭생특성 피폭경로별 선량평가

처분 안전성평가 절차 안전성평가 전제조건 설정 평가 시나리오 설정 평가방법/체계 구축 방사선적영향 계산 방사선적영향 분석 폐기물 특성 처분개념/시설 지질환경/자연환경 법적요건 (성능 목표치) FEP목록, 상호작용행렬 시나리오 - 운영 중 시나리오 - 지하수 시나리오 - 침입자 시나리오 평가방법론 - 결정론적 평가 - 확률론적 평가 모델링 (개념 및 수학모델) 입력자료 피폭선량 (DOSE) 위험도 (RISK) 주요경로/파라미터의 민감도 분석 불확실성 분석 규제기준 비교 처분시설 개념 최적화

ASSESSMENT CONTEXT Purpose Audience Regulatory framework Assess level of safety using currently available information Identify most important uncertainties Suggest further data collection and/or conceptual models Increase confidence that site and design are suitable Purpose Audience Regulators Staff involved in producing safety assessment Regulatory framework IAEA and ICRP recommendations

ASSESSMENT CONTEXT End-points Timeframes Individual effective dose to member of critical group Institutional control period up to 300 years No cut-off time Timeframes Hypothetical or realistic Disposal system characteristics

안전성평가 시나리오 개발 절차 FEP 목록 작성 및 DB 구성 FEP Database 세가지 범주 : External, Environmental, Contaminant FEPs FEP 선별 및 배제 근거 문서화 외부 FEP 가정 및 기준시나리오 개발 상호작용 행렬(Interaction Matrix) 작성 기준시나리오 도출 변동시나리오 개발 인간침입, 지진, 기후변화 시나리오 등 FEP (Features, Events and Processes) 특징(Features) : 처분시설 또는 부지 그 자체의 일반적인 특성 예: 폐기물 용기, 인공구조물 사건(Events) : 단기적이고 잘 정의되는 시간 규모로 일어나는 현상 예: 지진 과정(Processes) : 장기간에 걸쳐 연속적으로 작용하는 현상 예: 포장용기의 부식, 지하수의 흐름 시나리오 : 안전성평가에서 방사성폐기물의 누출과 이동 그리고 궁극적으로 방사선영향을 추정하기 위해 사용되는 조건들의 가정된 세트(Set)

안전성평가 시나리오 개발 도구 범주에 따른 FEP 목록(140개 항목) 을 Tree 구조로 표현 IM 시각화, 행렬생성 및 상호작용 유무 표현 상호작용행렬 요소와 선별된 FEP 사이의 연결관계 표 작성

안전성 평가 모델링 q 핵종이동 메커니즘 및 평가모델 (지하수 이동 시나리오) 지하수의 이류 (advection) 매질내 확산(diffusion)과 분산 (dispersion) 매질과의 화학적 반응에 의한 흡착 (sorption) 암반내로의 확산 (matrix diffusion) 방사능 붕괴 (decay)

* Shrinking Core Model 등 안전성 평가 모델링 개념모델 (침출) * 용해도 제한 확산 모델 * Surface Wash model * Shrinking Core Model 등

안전성평가 모델링 q 개념모델 (지하수 이동시나리오) 생태계(우물) 생태계(하천, 바다)

여기서 : 흡착에 의한 분배계수(distribution coefficient), 안전성 평가 모델링 q 수학적 모델 (지하수 이동시나리오) 질량보존식 : 운동량보존식 : ; Darcy’s Law 핵종이동방정식 : (이류-분산 방정식) 여기서      : 핵종 α의 농도                   : 핵종 α의 지연계수(retardation factor)                   : 핵종 α의 분산계수(dispersion tensor)                   : 핵종 α의 붕괴상수(decay constant)                   : 핵종 α의 선원항(source term) 여기서 : 흡착에 의한 분배계수(distribution coefficient), 여기서 : 핵종별 분자확산계수(molecular diffusion coefficients) : 핵종별 분산 계수(longitudinal dispersivity)

안전성 평가 모델링 수치해석 모델 (지하수 이동시나리오)

확률론적 안전성평가 Parameter Laboratory Distribution and Field Research Repository Geosphere Chemical interaction Biosphere Laboratory and Field Research Results Theory Expert Opinion Calculated Data Submodel Parameter Distribution Frequency Consequence Simulate Transport And Estimate Select Set Repeat

안전성평가 결과 (예시) SWEDEN (SFR-1)