1. 서 론
2. 심층처분시설 설계 기술기준
3. 심층처분시설 용량 및 배치개념
3.1 사용후핵연료 발생량 및 처분 수요
3.2 심층처분 배치방식 및 배치 개념 선정
4. 한국형 표준구조 및 배치안 설정
4.1 설계요건 및 굴착공법 검토
4.2 심층처분터널 표준구조형식(안)
4.3 심층처분터널 표준배치(안) 구성
5. 한반도 지형을 고려한 부지배치안
6. 결 론
1. 서 론
심층처분(Deep Geological Disposal)은 고준위 방사성폐기물 및 사용후핵연료를 지질학적 시간 규모에서 격리하기 위한 대표적인 대안으로 검토되어 왔다. 특히 한반도는 산악지형이 우세하고 평탄지가 제한적이며, 심부 암반의 연속성·상부 피복두께 확보를 위해 산지 하부(산자락)에서 경사진입하여 처분심도를 확보하는 개념이 현실적이다. 이러한 조건에서는 진입터널 및 중앙터널 길이를 최소화하며, 처분터널을 효율적으로 배열하고, 방사성물질 취급구역과 일반 시공구역을 분리하여 안전과 시공성을 동시에 확보하는 배치가 중요하다.
본 논문은 ‘고준위방사성폐기물 R&D 로드맵’에 따른 심층처분시설 개념기술 정립을 위한 연구 결과를 바탕으로, 한국형 심층처분시설의 처분터널 간격(CTC 25, 30, 40 m) 변화에 따른 성능과 안정성, 시공 효율, 경제성 측면의 가능성을 정량적으로 비교하여, 개념설계 단계에서 가능한 합리적 예비 배치안을 제시하는 데 목적이 있다(Korea Consultant, KEPCO E&C, 2025).
2. 심층처분시설 설계 기술기준
심층처분시설 기준은 2016년 제정된 원자력안전위원회고시(제2015-21호, 2016)가 고준위 방사성폐기물 심층처분시설에 관한 일반기준으로 설정된 상태이며, 구체적인 규제요건과 지침은 다부처 공동 예타사업으로 추진 중인 사용후핵연료 저장처분 안전성 확보를 위한 핵심기술개발사업이 종료되는 2029년 이후에 구체화 될 전망이다.
심층처분시설의 일반적 설계기준은, (1)완충재의 온도제한, (2)구조안정성 조건, (3)시공운영 조건, (4)발파진동 관리기준, (5)수리영향기준으로 체계화할 수 있다.
본 연구는 서로 평행한 처분터널의 중심간격(CTC 25, 30, 40 m)을 핵심 결정변수로 설정하고, 각 CTC 조건에서 처분공 간격은 온도제한(캐니스터 표면온도 ≤ 97 ℃)에 의해 결정되는 것으로 가정하였다. 이로부터 필요한 처분터널 수, 중앙터널 연장, 총 굴착량 및 요구 점유면적(footprint)을 산정하여 배치 대안을 정량화하였다. 시공성은 터널 굴진 속도와 처분 처리량을 기반으로 한 단순화된 공정 대리지표로 평가하였고, 발파진동 허용기준을 제시하고 이격거리별 발파진동영향을 검토하였다. 또한, 안정성 및 수리영향기준은 처분터널 주변의 변위와 지보재 응력 및 지하수위변동을 주요 지표로 하는 수치해석을 통해 확인하였다.
3. 심층처분시설 용량 및 배치개념
3.1 사용후핵연료 발생량 및 처분 수요
사용후핵연료는 매년 750톤 정도 발생하며, 2023년 기준 국내에서는 약 18,000톤의 사용후핵연료가 누적 발생하였다. 현재까지 발생한 사용후핵연료의 양이 최대 저장용량에 근접하고 있어 새로운 저장시설 부지를 확보하는 것이 시급한 실정이다(Korea Consultant, KEPCO E&C, 2025). 사용후핵연료 누적 발생량 예측은 Table 1과 같다.
Table 1.
Projection of spent nuclear fuel generation
심층처분시설의 규모는 사용후핵연료의 처분조건에 따른 처분공의 직경, 심도, 간격 등은 사용 핵연료의 특성에 따라 달라지며, 국내의 경우 중수로원자로 핵연료와 경수로원자로 핵연료의 요구조건이 상이하다. Table 2는 핀란드, 한국원자력연구원, 한국원자력학회의 처분시스템별 처분면적을 비교한 것이다.
Table 2.
Comparison of disposal area by disposal system
3.2 심층처분 배치방식 및 배치 개념 선정
Kim(2024)은 처분시설 배치방법을 수직처분(KORAD-V)과 수평처분(KORAD-H)으로 구분하여 제시하였다. 수직처분은 처분터널 단면 3,500(W) × 4,400(H, mm)과 처분공(캐니스터) 규격 Ø1,250 × 7,962(H, mm)을 적용하며, 중수로 및 경수로 사용후핵연료의 통합 처분을 전제로 한 소요면적은 6.3 km2(3.18 × 1.97 km)로 제시하였다. 수평처분은 처분공 규격 Ø2,500 × 6,000(H, mm)을 적용하고, 슈퍼컨테이너 개념을 통해 1개 처분공에 다수의 처분대상을 수용하는 방식으로 구성된다. 이때 중수로와 경수로를 포함한 통합 처분 기준 소요면적은 7.2 km2(3.58 × 2.00 km)로 산정되었다.
공통 설계 가정 시 처분용기당 4 다발 장전, 완충재 최대온도 100 ℃로 제한하여 제시하였다. 설계입력자료는 발생량, 연간 처분율, 포장/재포장 설비 처리량, 처분공 및 터널 배치 등이며, 한국형 심층처분시설의 배치 최적화와 연계되어 있다.
완충재 제한온도(100 ℃)와 처분용기 적재량(4 다발/용기)은 처분공 간격과 처분밀도를 규정하므로, 수직·수평 개념 간 비교뿐 아니라 동일 개념 내에서도 터널 간격, 처분공 간격, 패널 폭 등 배치 변수의 간섭(굴착량·시설배치면적·공기·안정성)을 정량평가하는 체계가 필요하다. 수평방식은 수직방식에 비해 면적은 증가하고 굴착량, 완충재 소요량은 감소하는 것으로 나타났다. 수직 처분방식은 스웨덴, 핀란드, 수평 처분방식은 스위스, 프랑스, 병행방식은 영국, 일본 등이 채택하고 있다.
4. 한국형 표준구조 및 배치안 설정
4.1 설계요건 및 굴착공법 검토
처분터널 간격은 Fig. 1에 나타낸 수직처분 및 수평처분에서 처분터널–처분공(캐니스터) 간격 변화에 따른 열해석 결과를 기반으로 검토하였다. 완충재 성능 확보를 위한 용기 표면온도 기준은 통상 100 ℃를 적용하나, Kim(2024)은 안전마진 3 %를 반영하여 온도제한치 97 ℃를 제안하였으며, 해석에는 사용후핵연료 냉각기간(경수로 평균연소도 55년, 고연소도 70년, 중수로 최소 50년)과 처분용기 구리 두께 30 mm 이상, 완충재 조건(용기 표면온도 100 ℃ 이하), 용기 표면선량률 1.0 Gy/hr 이하 등의 설계요건을 적용하였다(Kim, 2024).
4.2 심층처분터널 표준구조형식(안)
이번 연구에서는 한국원자력환경공단 조건을 동일하게 적용하여 처분방식별 최적 터널 간격을 도출하였다.
4.2.1 예비 경제성, 시공성
캐니스터 표면온도 제한 97 °C 조건에서, 수직처분 시 PWR 처분공의 최소 간격은 터널 간격이 25, 30, 40 m일 때 각각 9.0, 8.0, 6.5 m로 산정된다.
Table 3은 수직처분 시 처분터널 간격변화에 따른 처분시설의 핵심지표를 요약한 것이다.
Table 3.
Comparison of key indicators by disposal tunnel spacing in vertical disposal
굴착량과 소요부지 면적을 비교하면, 총 굴착량은 처분터널 간격 40 m일 때, 최소이며, 소요부지는 25 m인 경우 가장 낮게 나타났다. 비율로 보면, 굴착량은 25 m 대비 40 m일 때 82.7 % 수준이며, 처분터널 간격 40 m 적용 시 25 m 간격에 비해 소요부지 면적은 117.9 % 수준으로 굴착량은 17.3 % 감소하나 소요부지는 17.9 % 증가하여, 공사비가 부지 구입비용보다 큰 경우 경제성 측면에서 유리하다고 볼 수 있다.
처분터널 CTC 증가에 따른 굴착량 절감은 처분터널 개수 감소 및 패널 구성의 단순화에 기인한다. 반면, 부지 면적 증가는 처분터널 간격 확대에 따른 기하학적 결과로서 부지 선정 시 충분한 지하 공간 확보가 요구된다.
Table 4는 수평처분 시 처분터널의 간격과 총 굴착량 핵심지표를 요약한 것이다.
Table 4.
Comparison of key indicators by disposal tunnel spacing in horizontal disposal
처분용기 최소간격이 6.0 m이므로 처분터널 간격의 증가에 비해 처분공 간격의 축소는 제한적이다. 처분터널 간격 25 m인 경우 총굴착량이 최소로 나타나며, 소요부지 면적은 20 m인 경우에 비해 0.3 % 증가에 그쳐 처분터널 간격 25 m가 적정한 것으로 나타났다.
4.2.2 안정성
초기측압계수 K0 = 0.5를 적용하여 현장조건 시공순서를 3D 모사하였으며, 모델링 결과는 Fig. 2와 같다.
천단변위는 CTC 25 m에서 최대 –0.058 mm 발생하였으며, CTC 40 m에서는 –0.039 mm 발생했다. 내공변위는 CTC 25 m에서 최대 –0.011 mm 발생하였으며, CTC 40 m에서 –0.005 mm 발생하였다. 숏크리트압축응력은 CTC 25 m에서 최대 0.049 MPa 발생하였으며, CTC 40 m에서는 0.010 MPa 발생하였다. Fig. 3은 시공단계 안정성 검토 해석결과를 나타낸 것이다. 따라서, 처분터널 간격 40 m 적용 시 25 m에 비해 변위 및 지보재 응력 모두 작게 나타나 안정성 확보 측면에서 40 m 간격 적용이 유리한 것으로 판단된다.
4.2.3 발파영향
터널 굴착 시 발파진동영향 검토를 위한 상관식은 국토교통부(2006)에서 제시한 다음 식으로 검토하였다.
여기서, D : 폭원으로부터 이격거리(m), W : 지발당 최대장약량(kg), : 진동속도(cm/sec)이다.
발파진동허용기준은 Table 5와 같이 설정하였으며, 장약량은 KURT 적용사례(KAERI, 2013)를 참조하였다.
Table 5.
Vibration criteria for structural safety
단공발파기준으로 처분터널의 발파진동영향 검토결과 지하연구시설과는 135 m 이상, 인접터널의 양생 중인 콘크리트 구조물과는 66 m 이상, 터널 라이닝은 50 m, 숏크리트 타설구간은 25 m 이상 이격할 경우 모든 발파패턴에서 발파진동으로 인한 문제는 없을 것으로 예상된다.
실제 심층처분시설의 처분터널에는 라이닝이나 콘크리트 구조물이 없으므로 터널 간격 40 m를 적용할 경우 발파로 인한 문제는 없을 것으로 보이며, 콘크리트 구조물이 설치될 경우 발파패턴을 변경하거나 충분한 이격거리가 확보되도록 발파계획을 수립할 필요가 있다.
4.3 심층처분터널 표준배치(안) 구성
수직처분 시 지하연구시설 공간과 진입터널, 중앙터널, 처분터널이 필요하며, 처분터널 간격 40 m, 처분공 간격 6.5 m 적용 시 총 사용후핵연료 처분에 필요한 부지는 3.52 × 1.97 km = 6.93 km2 소요되는 것으로 나타났다.
수평처분 시 진입터널, 중앙터널, 처분공이 필요하며, 수평처분공 간격 25 m, 처분용기 간격 6.0 m 적용 시 총 사용후핵연료 처분에 필요한 부지는 2.5 × 1.97 km = 4.93 km2 소요되는 것으로 나타났다. 배치는 처분심도의 암반이 양호한 상태일 때 기준이며, 실제 시공 시 간단한 지반보강만으로 극복할 수 없을 정도로 암질이 불량한 구간이 나타나 이를 회피하는 경우 면적 증가는 불가피하다. Fig. 4는 수직 및 수평처분 예비 배치안을 제시한 것이며, 배치형식 결정 시 참고하도록 한다.
사용후핵연료의 수직배치와 수평배치 시 차이점은 수직처분의 경우 처분터널에 처분공이 설치되며, 수평처분의 경우 중앙터널에서 직접 처분공을 수평시공하게 되므로 터널 안정성 측면에서는 수직처분 기준으로 안정성이 확보된다면 수평처분의 경우 안정하다고 판단할 수 있다.
심층처분시설 배치에 따른 안정성을 검토하였으며, Fig. 5와 같다. 대심도의 양호한 결정질 암반임을 고려하여 국내 터널설계에 적용되는 자료를 기준으로 선정하였다.
터널심도가 증가함에 따라 천단침하, 내공변위, 숏크리트 압축응력, 숏크리트 전단응력이 모두 증가하는 것으로 나타났으며, 심도 100 m에 비해 500 m에서 천단변위는 약 5.3배, 내공변위는 29.3배, 숏크리트 압축응력은 16.6배, 전단응력은 4.7배 정도로 나타나 내공변위와 숏크리트 압축응력에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 압축응력 최대값이 30 MPa에 근접하므로 향후 처분시설 계획 시 숏크리트의 두께 증가, 고강도숏크리트 사용 등을 적극 검토할 필요가 있는 것으로 나타났다.
심층처분시설 안정성검토를 위해 중앙터널이 굴착된 상태에서 연결통로와 처분터널 굴착 시 시공단계별 변위 및 지보재 응력을 검토하였다. 해석심도는 500 m를 기준으로 하였으며, 중앙터널 양측 터널이 굴착완료된 상태에서 연결통로 #1 굴착 ⇨ 연결통로 #2 굴착 ⇨ 처분터널(상) 굴착(148단계) ⇨ 처분터널(하) 굴착(148단계) 순으로 해석을 수행하였다. Fig. 6은 심층처분시설의 연결통로, 처분터널, 수직구, 그리고 URL 진입터널 모델링 결과이다.
검토결과 연결통로 #1, #2 굴착완료 시 각각 최대 천단변위는 –0.493, –0.487 mm, 숏크리트 압축응력은 0.57, 1.14 MPa, 록볼트 축력은 5.95, 5.90 kN으로 나타났다.
일반적인 터널과 비교할 때 안전성에 문제가 있을 정도의 값은 아닌 것으로 판단된다(숏크리트 fck = 21 MPa일 때 허용응력 fca = 8.4 MPa, 록볼트 SD400, D25 사용 시 Pa = 101 kN). 지하 500 m에 위치한 처분터널 굴착 시 최대천단변위 –0.286 mm, 숏크리트압축응력 0.616 MPa, 록볼트축력 8.643 kN로 나타나 안전한 범위 이내인 것으로 판단된다. 진입터널 하부로 지하연구시설(URL) 터널이 굴착될 경우(상하 순이격거리 14.6 m) 진입터널의 거동을 살펴본 결과, 천단침하는 1단계 0.56 mm에 비해 7단계에서 1.12 mm로 0.56 mm(100 %) 증가하였으며, 숏크리트 압축응력은 1단계 0.29 MPa에서 7단계 0.45 MPa로 0.16 MPa(55 %) 증가하였고, 록볼트 축력은 1단계 1.11 kN 7단계 3.88 kN으로 2.77 kN(250 %) 증가하는 것으로 나타났다. 이상의 결과로 볼 때 진입터널 하부 굴착 시 충분한 이격거리를 확보할 필요가 있다.
굴착공사 진행 경과에 따른 지하수 흐름의 변화를 분석하기 위해 임의지역을 가정하여 광역지하수 흐름을 검토하였다.
수리경계는 하천경계, 고정수두경계는 수치지도 기반 DEM자료를 활용하였으며, 지하수 함양 경계(Recharge boundary)는 우리나라의 계절적인 특성을 반영하기 위하여 기상청의 10년 평년값 자료(‘15~’24년)의 연평균 강우량 자료를 이용하였다.
터널굴착공사는 계획심도까지 굴착 및 운영을 계속 수행하는 것을 가정하여 지하수 부정류 모사를 수행하였으며, 이에 따른 주변 지하수위의 변화를 예측하였다. 지하연구시설 및 처분시설 터널 굴착 공기에 따른 지하수 강하를 굴착단계에 따라 검토한 결과, 최대 지하수 강하량은 0.35 m 이하로 터널굴착에 따른 주변 지하수 대수층의 영향은 아주 미미한 것으로 나타났으며, 터널 굴착 종료 이후 지하수위는 초기 지하수위로 거의 회복되는 것으로 예측되었다.
터널구간별 총 지하수 유입량은 지하연구시설(URL) 125.25 m3/일, 처분시설 구간은 150.39 ~ 214.20 m3/일로 분석되어 지하터널 굴착이 주변 지하수 변화에 미치는 영향이 미미한 것으로 분석되었다. 지하연구시설 지하수 유입량 분석결과는 Table 6에 나타낸 바와 같다.
Table 6.
Groundwater inflow to the repository
5. 한반도 지형을 고려한 부지배치안
수직처분 시 지하연구시설 공간과 진입터널, 중앙터널, 처분터널이 필요하며, 산악지형이 많은 국내상황을 반영하여 Fig. 8과 같이 산자락에 진입터널을 설치할 경우 충분한 토피를 확보하면서 진입터널 연장을 최소화하고, 방사성 물질취급과 공사 동선을 분리할 수 있는 이점이 있다. 이 때 진입터널 갱구부가 해안에 인접한 경우 기후변화로 인한 해수면 상승을 고려하여 EL. 50 m 이상에 배치할 필요가 있다(Yoo et al., 2025).
6. 결 론
본 연구는 처분터널 중심간격(CTC)을 핵심 변수로 설정하고, 완충재 온도제한에 의해 결정되는 처분공 간격과 연계하여 굴착량, 부지점유면적, 공정, 발파진동, 안정성, 수리영향을 기준으로 검토하고, 물량, 시공성, 구조적 안정성, 수리적 영향에 미치는 상호간섭을 검토하였다.
CTC 증가 시 수직처분 기준 총 굴착량은 25 m 대비 30 m에서 92.0 %, 40 m에서 82.7 %로 감소하는 반면 부지 점유면적은 106.2 % 및 117.9 %로 증가하여 굴착량 절감–부지 확대의 상호간섭이 확인되었다. 온도제한을 만족하는 PWR 처분공 최소 간격은 CTC 25, 30, 40 m에서 9.0, 8.0, 6.5 m로 산정되었으며, CTC 40 m가 공정, 작업간섭 측면에서 유리한 경향을 보였다. 또한, 발파진동 평가와 안정성 수치해석에서 CTC 확대는 인접 터널 상호작용을 완화해 진동 관리 여유를 높이고 변위, 숏크리트 압축응력을 감소시켰다.
따라서, 개념설계 단계에서는 온도제한을 기반으로 간격–물량–공정의 관계를 정립하되, 인접 터널 상호작용과 발파진동을 포함한 기준 최적화를 적용해야 한다. 결론적으로 부지 점유면적이 일부 증가하더라도 안정성, 시공효율성 및 경제성을 종합적으로 고려할 때, CTC 40 m와 처분공 간격 6.5 m의 조합은 한국형 HLRW 심층처분시설 개념기술 확립 단계에서 효율적인 개념 배치안으로 제안될 수 있다. 아울러 산악지형이 많은 한반도의 지형적 특성을 고려할 때 산자락에 진입터널을 설치할 경우 충분한 토피를 확보하면서 진입터널 연장을 최소화하고, 방사성 물질취급 구역과 시공구역을 분리할 수 있는 이점이 있다.
향후, 처분형식 선정, 부지선정, 지반조사 결과에 따라 장기적인 열-수리-역학적 상호작용, 단열대, 지하수 유동경로 변화 등에 대해 검토를 진행하는 예비 자료가 될 것으로 본다.
