오랜 기간 지하 깊숙한 암반 안에 처분된 방사성폐기물은 어떻게 될까? 국내 연구진이 땅속에서 수십만 년 동안 발생하는 현상들을 예측해 이를 영상으로 보여줄 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발했다.

한국원자력연구원 저장처분기술개발부 김정우 박사 연구팀은 고준위방사성폐기물 지하처분장 내 물질의 이동·변화 등의 거동을 수십만 년 후까지 예측하고 영상으로 확인할 수 있는 모듈화된 시뮬레이션 프로그램(아프로, APro, Adaptive Process-based total system performance assessment framework for a geological disposal system) 개발에 성공했다고 11월 30일 밝혔다.

500m 지하에 처분된 방폐물 주변에서는 수십만 년 이상 동안 복합적 현상들이 다양하게 발생한다. 처분된 사용후핵연료 붕괴열에 의한 열전달 현상, 암반과 단열을 통해 흐르는 지하수 유동 현상, 매우 높은 압력을 받는 암반과 처분장 구조물들의 역학 현상, 확률은 매우 낮지만 폐기물로부터 방사성핵종이 물에 녹아 누출됐을 때 다른 물질과 반응하는 지화학 현상 등이 연계된다.

기존 국내 평가 프로그램들은 단순화된 시계열 분석만 가능했고, 처분장 전체에 걸친 복합적 현상들을 고려할 수 없었다.

연구진은 처분장 내에 발생하는 복합 현상들을 고려한 종합적인 안전성 평가 기술 개발에 집중했다. 병렬계산, 기계학습과 같은 고성능컴퓨팅 기술을 이용해 복합적 현상들의 변화 과정을 3차원적으로 평가하는 데 성공했다.

처분장 안에는 미터(m) 규모의 구조물들이 수 제곱킬로미터(km2) 면적 내에 조밀하게 분포돼 있어 수십만 년을 고려한 시뮬레이션을 위해서는 많은 계산량과 계산 시간이 필요하다.
 
이에 연구진은 전체 처분장을 구획별로 나눠 각 구획별 컴퓨터들이 시뮬레이션한 결과를 합치는 병렬계산 기법으로 여러 개의 계산을 동시에 수행했다. 처분장 구조물 내 조밀한 계산 영역에 대해서는 대용량 계산을 대체할 수 있는 별도의 기계학습을 통해 계산량과 계산 시간을 줄였다. 그 결과, 여러 가지 시나리오에 대한 처분장 속 방사성물질의 이동 등을 파악할 수 있게 됐다.

또한 지하처분장에서 발생할 수 있는 특정 현상들만 조합해 상호 작용 등을 평가할 수 있도록 전산 모듈화했다. 이에 따라 프로그램 사용자는 레고 조각을 조립하듯 원하는 요소들만 조합해 시공간에 따른 변화 과정을 3차원 영상을 통해 확인할 수 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 및 (재)사용후핵연료관리핵심기술개발사업단(단장 김경수)의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 지난 11월 29일에 열린 ‘2023 고준위방사성폐기물 처분 Safety Case 워크숍’을 통해 국내 전문가들에게 발표됐다. 또한 그동안 3편의 SCIE급 논문 게재, 1건의 특허 등록과 19건의 프로그램 등록도 마쳤다. 아울러 내년부터는 개발된 프로그램을 산업체, 학교, 연구소에서 직접 활용할 수 있도록 교육을 실시할 계획이다.

조동건 사용후핵연료저장처분기술개발단장은 “앞으로는 지하처분장이 안전하다는 것을 가상현실(VR)과 같은 첨단 영상 기술들을 통해 일반인이 직접 체험하고 확인할 수 있도록 할 계획”이라며 “지하처분장에 대한 국민들의 막연한 불안감을 해소할 수 있도록 다방면으로 노력하겠다”라고 밝혔다.