KR101122627B1 - 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽에 관한 것으로, 상세하게는 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하여 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽; 지하 방사성 폐기물 저장소 및 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽으로 구성되는 방사성 폐기물 처리시설; 및 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽을 통한 지하 방사성 폐기물 저장소로부터의 방사성 물질 확산 억제방법을 제공한다. 본 발명에 따른 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 지하 방사성폐기물 저장소로부터 지하수에 용해되는 우라늄과 같은 방사성 물질의 이동을 현저히 저감시키는 효과가 있으며, 방사성 물질이 침전광물에 포획되어 주변 생태계로의 확산이 효과적으로 저지될 수 있는 특징이 있으므로, 방사성 물질의 확산을 차단하는데 유용하게 사용할 수 있다.

Description

지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽{Vertical biobarrier to retard the migration of radionuclides from the underground radwaste storage}
본 발명은 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽에 관한 것이다.
우리나라 전력의 40% 이상을 담당하는 원자력발전은 최근 고유가 시대에 매우 중요한 전력 생산 수단 중의 하나가 되었으며 향후 지속적으로 확대될 것으로 예측된다. 국내에는 약 20기 이상의 원자력발전소가 있으며, 향후 몇 년내에 5~6기 이상의 원자력 발전소가 추가로 건설될 예정에 있다.
하지만, 원자력발전과 핵연료주기시설 등의 운영으로부터 방사성폐기물은 필연적으로 발생하며, 방사성폐기물은 인간의 건강과 환경에 잠재적으로 위험하기 때문에 그 위해가 허용 가능한 수준까지 감소되도록 관리되어야 한다. 원자력선진국들은 중?저준위 방사성 폐기물을 처분장에 안전하게 영구처분하고 있고, 사용 후 핵연료를 포함한 고준위방사성폐기물의 안전한 처분을 위해 수십 년간의 장기계획을 통해 규제제도정비, 부지확보, 안정성평가, 시스템설계 및 연구를 일관되게 추진하고 있다. 국내의 경우 2008년 3월 방사성폐기물관리법이 제정되었고 사용 후 핵연료의 합리적 관리를 위한 공론화연구가 정부주도로 진행되고 있다.
또한, 원자력 발전소의 예기치 못한 사고 또는 방사성 폐기물처분장의 공학적 방벽을 통과한 핵종으로 인하여 부근 토양, 퇴적물, 지하수가 오염될 위험성은 항상 존재한다(Krauskopf, 1988). 다른 유독성 중금속에 의한 오염과 달리 방사성 핵종의 반감기가 최장 109년에 이를 정도로 긴 점은 방사성 물질 오염에 대한 우려를 증폭시킨다. 특히 넓은 국토를 보유하고 있는 다른 나라와는 달리 빈약한 수자원 및 토지자원을 집약적이고 효율적으로 이용해야 하는 우리나라의 경우, 지질 매체의 청정성 확보는 국가의 지속적인 발전에 필수적인 요소가 되므로 방사성 물질에 의한 지질환경 오염의 피해는 상대적으로 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 방사능에 대한 일반 국민의 정서적 불안감을 불식시키기 위해서는 원자력 정책을 추진함에 있어 방사성 물질 오염에 대한 신뢰성 있는 방안을 확립하는 것이 필수적이다.
일반적으로 지하 방사성폐기물 처분장은 방사성폐기물 용기가 물리적 인공방벽에 의해 일차적으로 보호되고 이차적으로 주변 암석에 의해 차단되는 구조로 되어있다. 물리적 인공방벽은 주로 벤토나이트 재료로 구성되어 있으며 폐기물로부터 용출되어 나올 수 있는 방사성 핵종들을 흡착하고 확산을 방지하는데 주목적이 있다. 인공방벽을 통과한 핵종들은 주위의 천연방벽인 암석 및 광물과 접촉하여 흡착 및 침전 등의 반응이 일어난다.
특히 방사성 폐기물 중에서 대부분을 차지하는 우라늄 등의 핵종들은 다양한 산화수(oxidation states)를 가지고 있다. 예를 들어, 우라늄의 경우 U(Ⅵ), U(Ⅴ) 및 U(Ⅳ) 등이 있으며, 자연계에서는 주로 U(Ⅵ), U(Ⅳ)가 안정하게 존재한다. 그러나 동일한 우라늄이라 할지라도 산화수에 따라 전혀 다른 거동을 나타내며, 특히 산화수에 따라 이동도에 큰 차이를 보인다. U(VI)는 UO2 2+ 상태로서 물에 잘 용해되어 이동도가 큰 반면, U(IV)로 환원되면 불용성인 UO2(uraninite) 등을 형성하며 침전되거나 주변 토양 및 퇴적물의 입자 표면에 쉽게 흡착됨으로써 그 이동도가 매우 감소한다. 즉, 핵종들은 산화-환원 반응에 크게 영향을 받아 지화학적 거동이 달라지기 때문에 이에 대한 연구가 매우 중요하다.
한편, 방사성 폐기물 중 특히 산화 형태의 우라늄을 미생물을 이용하여 환원형태로 전환하는 생물학적 방벽을 설치함으로써, 우라늄과 같은 방사성 물질의 이동 및 누출을 억제하고 중금속, 오일 등으로 오염된 토양을 정화하고 보호하고자 하는 연구가 지난 수십 년간 수행되어왔다. 이를 통하여 U(Ⅵ)의 환원을 촉매하는 것으로 밝혀진 최초의 미생물은 Fe(Ⅲ)-환원 세균으로 알려져 있는 지오박터 메탈리리듀센스(Geobacter metallireducens) 및 쉐와넬라 푸트레파시엔스(Schewanella putrefaciens)이다. 상기 미생물들은 Fe(Ⅲ) 대신 전자 수용체로서 U(Ⅵ)을 사용할 수 있는 특징이 있다. 또한 다양한 황산염(sulfate)-환원 세균, D. 데설퓨리칸스(D. desulfuricans), D. 불가리스(D. vulgaris) 및 D. 바큘라텀(D. baculatum)을 포함한 데설포비브리오(Desulfovibrio) 종 역시 U(Ⅵ)을 U(Ⅳ)로 환원시킬 수 있는 것으로 보고된 바 있으며, 또한 오염된 지하수에서 2종의 토착 탈질소(denitrifying) 세균 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 P. 스투트제리(P. stutzeri)와, 1종의 황산염 환원 세균 쉐와넬라 푸트레파시엔스가 U(Ⅵ)의 U(Ⅳ)로의 생체촉매 환원 및 고정화(immobilization)를 수행하는 것에 대하여 보고된 바 있다. 아울러, 클로스트리디움(Chlostridium), 데설포스포로시너스(Desulfosporosinus), 데설포토마큘럼(Desulfotomaculum), 언에어로믹소박터 데할로게난스(Anaeromyxobacter dehalogenans) 등의 언에어로믹소박터(Anaeromyxobacter) 등의 세균들이 U(Ⅵ)의 U(Ⅳ)로의 환원을 촉매하는 것으로 보고된 바 있다.
이에 본 발명자들은 방사성 폐기물 저장소로부터 지하수를 통해 누출될 수 있는 방사성 물질을 효과적으로 차단할 수 있는 방법을 연구하던 중 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하여 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽을 제공한다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 지하 방사성폐기물 저장소로부터 지하수로 녹아드는 우라늄과 같은 방사성 물질의 이동성을 현저히 저감시키는 효과가 있으며, 방사성 물질이 침전광물에 포획되어 주변 생태계로의 확산을 효과적으로 저지할 수 있는 특징이 있으므로, 방사성 물질의 확산을 차단하는데 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생체방벽을 개략적으로 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명의 생체방벽으로 방사성 물질이 흡착되는 모습을 나타낸 개략도이고;
도 3은 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물을 나타낸 사진이고;
도 4는 본 발명의 생체방벽을 통하여 시간에 따른 방사성 물질의 농도를 나타낸 그래프이고;
도 5는 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물을 X-선 회절 분석을 통하여 분석한 그래프이고;
도 6은 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물의 주사전자현미경 사진이고;
도 7은 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물의 투과전자현미경 사진이고;
도 8은 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물을 에너지 분산형 분석기를 통하여 분석한 사진이고;
도 9는 본 발명의 생체방벽에 잔류한 침전물에 포함되어 있는 원소의 양을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 생체방벽에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하여 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽을 제공한다. 본 발명에 따른 생체방벽을 도 1에 개략적으로 도시하였다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽에 있어서, 상기 황화물 암석층은 황철석(FeS2) 및 황동석(CuFeS2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 황화물 암석층이 황철석, 황동석 또는 이들의 화합물을 포함함으로써 지하수에 녹아든 방사성 물질들 흡착할 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 황화물 암석층의 두께는 5 내지 15 cm 인 것이 바람직하다. 만약 상기 황화물 암석층의 두께가 5 cm 미만인 경우에는 및 황화물 암석층으로의 황산염(SO4) 공급이 원활하지 않으며 이로 인하여 우라늄과 같은 방사성핵종의 흡착이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 15 cm를 초과하는 경우에는 황화물 암석층의 두께로 인하여 투수성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽에 있어서, 상기 폐광석층은 광산폐석을 포함할 수 있고, 더욱 구체적으로는 망간, 니켈 및 코발트와 같은 중금속원소가 다량 함유된 폐금속을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 생체방벽의 폐광석층이 폐금속을 포함함으로써, 상기 황화물 암석층에서 흡착이 되지 않고 잔류하는 방사성 물질을 더욱 흡착할 수 있다. 또한 상기 폐광석층은 광산폐석을 포함함으로써 광산폐석을 재활용할 수 있고, 폐석에 잔류하는 중금속을 통하여 방사성 물질을 흡착할 수 있다.
이때, 상기 폐광석층의 두께는 5 내지 15 cm 인 것이 바람직하다. 만약 상기 폐광석층의 두께가 10cm 미만인 경우에는 중금속 원소의 공급이 충분하지 않아 폐금속으로 인한 흡착효과가 저하되는 문제가 있고, 10cm를 초과하는 경우에는 폐광석층의 두께로 인하여 투수성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 석회석층을 포함한다.
상기 석회석층은 미생물의 활동이 활발하도록 pH를 조절하기 위한 것으로서, 산성화된 지하수가 상기 석회석층에 의해 중성화된 후 미생물층으로 흐르게 되고, 이때 석회석층에서 조절된 pH에 의해 미생물층에서 미생물들의 활동이 더욱 활발해지게 된다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽에 있어서, 상기 미생물층은 황산염 환원 박테리아를 포함한다.
상기 황산염 환원 박테리아는 황화물 및 폐광석에 흡착된 방사성 물질을 환원 및 침전시킬 수 있다.
이때, 상기 미생물층은 데설포비브리오(Desulfovibrio), 데설포스포로시너스(Desulfosporosinus) 및 데설포토마큘럼(Desulfotomaculum)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 미생물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 미생물들은 황산염 환원 박테리아이며 방사성 물질을 환원 및 침전시키는 직접적인 역할을 수행하며, 이를 통해 방사성 물질이 미생물층을 통과하지 못하고 잔류하게 된다.
상기 미생물층은 미생물, 유기물 및 투수성 직물로 구성된 바이오매트로 형성될 수 있으며, 상기 투수성 직물에 살아있는 미생물이 부착되고, 미생물이 투수성 직물에 부착되기 때문에 지하수를 따라 이동되는 것이 방지된다. 또한 상기 투수성 직물의 유기물 성분은 미생물의 영양분으로써 단당류 또는 다당류를 포함하고, 미생물의 활성물질인 락테이트 또는 글루코오스를 포함하여 미생물층에서의 미생물 활동이 활발히 수행되도록 한다.
상기 미생물층의 두께는 3 내지 7 cm 인 것이 바람직하다. 만약 상기 미생물층의 두께가 3 cm 미만인 경우에는 미생물에 의한 우라늄 환원 효과가 저하되는 문제가 있고, 7 cm를 초과하는 경우에는 미생물층의 두께에 의해 지하수 흐름이 막히는(clogging) 문제가 있다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 지하 심지층에 위치한 방사성폐기물 저장소로부터 누출될 수 있는 방사성 물질을 차단하는 역할을 하며, 상기 생체방벽은 지하 방사성 폐기물 저장소의 측면에 수직으로 설치될 수 있고, 지하 방사성폐기물 저장소의 측면에 반원형으로 설치될 수 있다.
상기 생체방벽이 지하 방사성 폐기물 저장소의 측면에 수직으로 설치되는 것은 심지층에 존재하는 지하수의 흐름의 방향을 고려하여 지하수에 유입되어 확산될 수 있는 방사성 물질을 차단하기 위함이다. 이때, 상기 생체방벽을 지하 방사성폐기물 저장소의 측면에 반원형으로 설치하여 방사성 물질의 확산을 더욱 효과적으로 방지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 생체방벽은 투수성을 나타냄으로써 지하 심지층의 지하수가 생체방벽을 통과하여 흐를 수 있는 효과가 있다. 이때 지하 방사성 폐기물 저장소로부터 지하수로 녹아든 방사성 물질은 본 발명의 생체방벽에 의해 확산이 차단되며, 단지 지하수만이 생체방벽을 통과하여 흐르게 된다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 지하 방사성 폐기물 저장소로부터 황화물 암석층/폐광석층/석회석층/미생물층의 순서로 적층되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 생체방벽이 황화물 암석층/폐광석층/ 석회석층/미생물층의 순서로 적층됨으로써, 방사성 물질이 일차적으로 황화물 암석층에서 황화물 광석에 흡착되거나 황 성분이 용해되고, 폐광석층에서 일부 금속원소들이 다시 소량 용해되며, 석회석층을 통과하며 지하수가 중성으로 조절되고, 미생물층에서 황화물 및 폐금속 용해 성분들과 방사성 물질들이 결합하여 방사성 물질이 환원 및 침전되는 효과가 있다.
상기 방사성 폐기물은 고준위 폐기물로써, 지하 방사성 폐기물 저장소에 보관된다. 고준위 폐기물이란 일반적으로 핵연료의 재처리 공정에서 나오는 고방사능 폐기물을 말하며, 상기 고준위 폐기물의 처리는 폐기물을 안정된 형태로 농축?고화하여 발열이 적어질 때까지 스테인리스 강철제 용기인 카니스터(canister)에 넣어 30~50년에 이르는 장기간에 걸쳐 저장한 후 지하 수백 m의 깊은 지점에 매설하여 처리하게 된다.
즉, 상기와 같은 고준위 폐기물은 지하 심지층에서 오랜 시간 저장되기 때문에 고준위 폐기물에서 누출되는 방사성 물질의 차단은 반드시 수행되어야 하며, 본 발명에 따른 생체방벽은 상기 고준위 폐기물로부터 누출되는 방사성 물질의 확산을 차단하는 효과가 있어 방사능으로 인하여 생태계 및 인류에게 생길 수 있는 피해를 미연에 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 지하심부 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽은 지하 방사성 폐기물 저장소로부터 4 내지 6m 거리만큼 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 범위의 거리로 본 발명의 생체방벽이 방사성폐기물 저장소로부터 이격되어 설치됨으로써 구조적으로 안정하게 설치될 수 있다.
나아가, 본 발명은 지하 방사성 폐기물 저장소 및 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽으로 구성되는 방사성 폐기물 처리시설을 제공한다.
방사성 폐기물 처리시설은 장시간 동안 고준위방사성 폐기물을 보관해야 하는 시설로써, 천재지변과 같은 예상치 못한 상황으로 인하여 방사성 폐기물이 누출되는 상황에 대하여 대비하여야만 한다. 따라서 방사성 폐기물이 누출되더라도 상기 방사성 폐기물의 확산을 방지하는 방벽을 필요로 한다.
이때, 본 발명에 따른 방사성 폐기물 처리시설은 지하 방사성 폐기물 저장소로 사용된 폐핵연료를 저장할 수 있으며, 이때 상기 폐핵연료로부터 누출될 수 있는 방사성 물질을 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽을 통하여 확산을 차단함으로써 생태계 및 인류에 방사성 물질의 피해가 생길 수 있는 문제를 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽을 통하여 지하 방사성 폐기물 저장소로부터의 방사성 물질 확산 억제방법을 제공한다.
이때, 상기 방사성 물질 확산 억제방법의 원리를 하기 도 2에 개략적으로 나타내었다.
지하 방사성 폐기물 저장소는 일반적으로 고준위 방사성 폐기물을 보관하는 곳으로써, 상기 방사성 폐기물 저장소로부터 방사성 물질 누출에 대한 위험은 언제제나 존재하여 이에 대한 대책이 요구된다.
생체방벽이 황화물 암석층/폐광석층/ 석회석층/미생물층의 순서로 적층됨으로써, 방사성 물질이 일차적으로 황화물 암석층에서 황화물 광석에 흡착되거나 황 성분이 용해되고, 폐광석층에서 일부 금속원소들이 다시 소량 용해되며, 석회석층을 통과하며 지하수가 중성으로 조절되고, 미생물층에서 황화물 및 폐금속 용해 성분들과 방사성 물질들이 결합함으로써 방사성 물질이 환원 및 침전되는 효과가 있다. 이를 통하여 방사성 폐기물 저장소로부터 방사성 물질이 누출되더라도 확산을 차단할 수 있다. 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함함으로써 지하수를 따라 누출될 수 있는 방사성 물질을 차단할 수 있는 효과가 있으며, 또한 지하에 오랜 시간 보관되어야 하는 방사성 폐기물로부터의 피해를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 1은 본 발명에 따른 생체방벽을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 생체방벽은 지하수의 흐름 방향을 고려하여 지하심부에 위치한 방사성폐기물 저장소로부터 일측면방향으로 5 m 이격되어 설치되었으며, 이때 본 발명에 따른 생체방벽은 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층으로 구성된다. 상기 황화물 암석층은 10 cm의 두께로 방사성폐기물 저장소와 가장 가깝도록 형성되었으며, 방사성물질을 흡착하는 역할을 수행한다. 상기 황화물 암석층 측면으로는 광산폐석을 이용한 폐광석층이 10 cm의 두께로 형성되었으며, 방사성물질을 흡착을 더욱 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 폐광석층 측면으로는 석회석층이 10 cm의 두께로 형성되어 지하수가 중성이 되도록 pH를 조절하는 역할을 수행한다. 상기 석회석층 측면으로는 데설포비브리오(Desulfovibrio) 및 락타이드를 부직포에 부착하여 제조된 바이오매트인 미생물층이 5 cm의 두께로 형성되어 방사성 물질을 불용성 침전물과 함께 침전시키는 역할을 수행한다.
<실험예 1> 시간에 따른 우라늄 농도 측정
본 발명에 따른 생체방벽으로 시간에 따른 우라늄 농도를 측정하기 위해 우라닐 나이트레이트 트리하이드레이트(UO2(NO3)2?H2O, Aldrich)를 과염소산(HClO4)에 용해하여 1×10- 3몰 농도의 방사성 물질 수용액을 제조하여 우라늄 농도로 측정하였다.
본 발명에 따른 실시예 1인 생체방벽으로 6가 우라늄(U(Ⅵ)) 5×10-5몰에 해당하는 방사성 수용액을 주입하였고, 소량의 중금속 성분들을 주입하여 시간에 따른 수용액 내 우라늄 농도를 측정하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 생체방벽에 의해 지하수 내 우라늄 농도가 감소하는 것을 알 수 있으며, 다층구조물 내 미생물에 의해 환원 반응이 수행되어 검은색 침전물이 생성되는 것을 알 수 있었다. 또한, 중금속이 소량 포함된 경우에도 우라늄의 감소가 여전히 관찰되다. 이때, 구리의 경우에는 20일 이후에 우라늄 감소가 조금씩 관찰되어 구리를 첨가하는 경우에도 방사성 물질의 흡착이 이루어지는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 생체방벽으로 방사성 물질의 이동을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.
<실험예 2> 생체방벽 내 침전물의 결정도, 미세구조, 정성분석 및 정량분석
본 발명에 따른 실시예 1인 생체방벽으로 6가 우라늄(U(Ⅵ)) 5×10-5몰에 해당하는 상기 방사성 수용액을 주입하였고, 이때 생체방벽 내에 생성되는 침전물의 결정도, 미세구조 및 정성분석을 투과전자현미경, 주사전자현미경, 에너지 분산형 분석기 및 X-선 회절 분석기를 통하여 수행하였다. 상기 분석들의 결과를 도 5 내지 도 9에 나타내었다.
도 5는 상기 생체방벽 내 침전물을 X-선 회절 분석을 통하여 분석한 그래프이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 생체방벽 내 침전물은 막키나와이트(mackinawite, FeS)라는 황화광물의 한 종류인 것으로 나타났다. 상기 막키나와이트는 판상구조의 형태를 지니고 있으며, 황철석(FeS2)의 선구광물(precursor mineral)로 알려져 있는 광물로서, 다른 형태의 광물 예를 들어 망간(Mn)과 같은 중금속들은 발견되지 않았다. 이는 황산염환원미생물에 의해 망간과 같은 중금속보다 철이 선택적으로 결합하여 일차적으로 막키나와이트라는 황화광물이 먼저 형성되기 때문으로 상기 막키나와이트 황화광물이 생성되면서 우라늄과 같은 방사성 물질의 농도가 대폭 감소되는 경향을 나타내기 때문에 막키나와이트의 형성과 방사성 물질의 환원이 동시에 수행되는 것을 알 수 있다.
도 6은 생체방벽 내 침전물의 주사전자현미경 사진이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 생체방벽 내 침전물을 주사전자현미경으로 관찰하였을 때, 침전물 내에 막키나와이트의 판상구조가 뚜렷하게 관찰되었으며, 광물간의 응집이 잘 발달되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 막키나와이트 결정의 외형은 결정질 형태로 안정적으로 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 상기 막키나와이트가 생성된 것을 확인함으로써 방사성 물질의 환원이 수행된 것을 알 수 있다.
도 7은 생체방벽 내 침전물의 투과전자현미경 사진이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 생체방벽 내 침전물을 투과전자현미경으로 관찰하였을 때, 침전물 내에 막키나와이트의 판상구조가 관찰되었다. 이때, 상기 막키나와이트는 세로축과 가로축 모든 방향으로 잘 발달되어 있어서 원추형의 형태로 나타났으며, 판상의 두께는 수 십 nm를 보여주고 있다. 상기 막키나와이트가 생성된 것을 확인함으로써 방사성 물질의 환원이 수행된 것을 알 수 있다.
도 8은 생체방벽 내 침전물을 에너지 분산형 분석기로 분석한 사진이며, 도 9는 에너지 분산형 분석기를 통해 확인한 원소들의 양을 나타낸 그래프이다. 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이 생체방벽 내 침전물에 우라늄이 흡착된 것을 알 수 있었다. 즉, X-선 회절 분석을 통하여 막키나와이트(FeS)로 밝혀진 침전물에 우라늄이 흡착됨으로써 본 발명의 생체방벽 중 황화물 암석층 및 폐광석층을 통과하면서 용해된 일부 성분들과 우라늄이 반응하여 우라늄의 광물학적 제거가 원활하게 이루어진 것을 알 수 있었다.
도 9에 나타낸 바와 같이 반응 30일 이후 망간 또는 구리와 같은 중금속이 존재할 때 우라늄이 더욱 흡착되는 것을 알 수 있으며, 이를 통하여 본 발명의 생체방벽 중 폐광석층을 통과하면서 우라늄의 광물학적 제거가 활발해지는 것을 알 수 있다. 특히 구리가 존재하는 경우, 도 4에서 나타낸 바와 같이 2주까지는 구리에 의한 우라늄의 제거가 거의 없었지만, 도 9에서 나타낸 바와 같이 4주가 지난 시점에서는 구리의 영향에 의해 많은 양의 우라늄이 제거되는 것을 알 수 있다.
1 : 황화물 암석층
2 : 폐광석층
3 : 석회석층
4 : 미생물층
5 : 지하 방사성폐기물 저장소

Claims (18)

  1. 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  2. 제1항에 있어서, 상기 황화물 암석층은 황철석(FeS2) 및 황동석(CuFeS2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  3. 제1항에 있어서, 상기 황화물 암석층의 두께는 5 내지 15 cm 인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폐광석층은 망간, 니켈 및 코발트로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 폐금속인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폐광석층은 광산폐석을 포함하여 재활용하는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폐광석층의 두께는 5 내지 15 cm 인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미생물층은 황산염 환원 박테리아를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  8. 제7항에 있어서, 상기 황산염 환원 박테리아는 데설포비브리오(Desulfovibrio), 데설포스포로시너스(Desulfosporosinus) 및 데설포토마큘럼(Desulfotomaculum)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 미생물인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  9. 제1항에 있어서, 상기 미생물층은 미생물, 유기물 및 투수성 직물로 구성된 바이오매트인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유기물은 미생물의영양분으로 단당류 또는 다당류를 포함하고, 미생물 활성물질인 락테이트 또는 글루코오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  11. 제1항에 있어서, 상기 미생물층의 두께는 3 내지 7 cm 인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  12. 제1항에 있어서, 상기 생체방벽은 지하 방사성폐기물 저장소의 측면에 수직으로 설치되는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  13. 제1항에 있어서, 상기 생체방벽은 지하 방사성폐기물 저장소의 측면에 반원형으로 설치되는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  14. 제1항에 있어서, 상기 생체방벽은 지하 방사성 폐기물 저장소로부터 황화물 암석층/폐광석층/석회석층/미생물층의 순서로 적층되는 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 핵종의 이동을 저감하는 수직 생체방벽.
  15. 제1항에 있어서, 상기 방사성폐기물은 고준위 폐기물인 것을 특징으로 하는 지하 방사성폐기물 저장소로부터 방사성 물질을 차단하는 생체방벽.
  16. 지하 방사성 폐기물 저장소 및 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽으로 구성되는 방사성 폐기물 처리시설.
  17. 황화물 암석층, 폐광석층, 석회석층 및 미생물층을 포함하는 생체방벽을 이용하여 지하 방사성 폐기물 저장소로부터 방사성 물질의 확산 억제방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 황화물 암석층에서 우라늄과 같은 방사성 성분이 황화물 광석에 흡착되거나 황 성분이 용해되고, 폐광석층에서 일부 금속원소들이 다시 소량 용해되며, 석회석층을 통과하며 지하수가 중성이 되도록 조절되고, 미생물층에서 황화물 및 폐금속 용해 성분들과 방사성 물질들이 결합함으로써 방사성 물질의 환원 및 침전을 유도하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질의 확산 억제 방법.
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