1.서론

2011년 3월 일본 동북부 지역에 규모 9의 지진 및 연이은 해일로 인하여 후쿠시마 원자력발전소(이하 원전) 사고가 발 생하였다. 이로 인해 다량의 방사성 물질이 대기로 방출되었 으며, 이 중 약 22%의 방사성 세슘이 토양으로 침적되었다[1]. 이에 따라 일본 전역에 광역의 방사성 오염부지가 발생하였 으며, 일본 정부에서는‘2011년 3월 11일에 발생한 동북지방 태평양 앞 바다의 지진에 따른 원자력발전소의 사고에 의해 방출된 방사성 물질에 대하여 환경 오염을 대처하기 위한 특 별조치법’(이하 방사성 물질 오염대처 특조법)을 제정하여 원자력 재해에 대한 방재 대책 및 환경 복원 방안을 계획하 였다. 방사성 물질 오염대처 특조법에서는 제염특별지역(연 간 20 mSv 이상)에 대하여 단계적이고 신속한 제염을 통한 오염 지역 축소를 목표로 하고 있으며, 오염상황 중점조사지 역(연간 20 mSv 미만)의 경우 추가 피폭방사선량을 장기적 으로 연간 1 mSv 이하를 목표로 제염을 실시하고 있다[2,3].

현재까지 일본에서는 방사성 오염부지에 대한 제염작업 을 활발히 수행하고 있다. 제염특별지역의 경우 일본 정부 에서 직접적으로 제염작업을 관리하고 있으며, 오염상황 중 점조사지역에서는 각 시정촌에서 별도의 관리가 이루어지 고 있다. 제염특별지역 내(귀환곤란구역 제외) 도로의 경우 약 10 km², 농지의 경우 54 km², 산림의 경우 46 km²에 대 하여 제염작업을 완료하였다[4]. 오염상황 중점조사지역 내 제염작업은 지정된 60 곳의 시정촌 중 제염 실시계획을 미 수립한 2곳의 지역을 제외한 58 곳의 시정촌에 대하여 도로 는 약 5,300 km, 농지 및 목초지는 약 14 km², 생활권 인근 에 위치한 산림의 경우 3 km²를 완료하였다[5]. 이러한 제염 작업으로 인하여 다량의 제염폐기물이 발생하였으며, 그 양 은 약 2,200 만 m³으로 추정된다[6]. 일본 환경성에서는 제염 작업으로 발생된 폐기물들을 처분하기 위하여 대책지역 내 폐기물 관리 계획을 수립하였다[7]. 폐기물 관리 계획에 따르 면 제염작업 직후 약 3년간 임시저장시설에 제염폐기물들을 보관하며, 이후 중간저장시설로 이송하여 약 30년 동안 보 관 및 관리하도록 하고 있다. 이후 최종 처분장의 건설이 이 루어지면, 최종 처분장으로 제염폐기물을 이송 후 관리하도 록 명시하고 있다.

제염작업 직후 폐기물 보관이 이루어지는 임시저장시 설은 제염작업이 이루어진 각 지역에서 운영되고 있다. 현 재 임시저장시설은 제염특별지역의 경우 약 11 곳의 시정 촌에서 261 개소가 운영되고 있으며, 폐기물 보관량은 약 560 만 m³에 달한다[8]. 오염상황 중점조사지역 내 임시저장 시설은 현장보관 지점을 포함하여 약 23,678 개소의 저장시설 이 운영되고 있으며, 보관량은 약 42 만 m³에 이르고 있다[9]. 중간저장시설 및 최종 처분시설 건설 시 관련 기술요소 확보 및 부지 선정 등 수 년에서 수십 년 이상 소요될 것으로 예상 되므로 원전사고 이후 제염폐기물 임시저장시설의 운영은 불가피한 선택이다. 2015년 3월 중간저장시설이 개설되어 일본 정부는 임시저장시설 내 보관되어있는 제염폐기물들 에 대한 운반 작업을 시작하였다[10, 11]. 그러나 중간저장시 설의 폐기물 저장용량에 한계가 있어 임시저장시설 내 제염 폐기물 보관이 장기화가 이루어질 전망이다. 또한 임시저장 시설의 경우 생활권 인근에 노출되어 있으므로 피난지시해 체가 이루어진 지역에 대하여 귀환 거주민의 방사선학적 안 전성 확보가 필요한 실정이다. 일본 임시저장시설 기술지침 서 및 제염폐기물 보관 지침서에 따르면 임시저장시설로부 터 발생한 방사선에 의한 일반인 추가 피폭방사선량을 감소 시키기 위해 이격거리 확보 및 복토 설치 등의 필요한 조치 를 강구해야 한다고 제시하고 있다[12,13].

본 연구에서는 임시저장시설 인근에 위치하는 일반인들 의 방사선학적 안전성 확보를 위하여 일반인 선량제한치를 만족시키는 임시저장시설의 이격거리를 평가하였다. 이격거 리를 평가하기 위해 임시저장시설 내 복토로 인한 차폐 영향 을 평가하였으며, 임시저장시설 형태 및 크기에 따른 공간 방사선량률을 평가하였다. 이를 바탕으로 임시저장시설 특 성에 따른 일반인 선량제한치를 만족시키는 이격거리를 평 가를 수행하였다.

2.재료 및 방법

2.1.제염폐기물 특성

임시저장시설 내에 보관되어있는 제염폐기물은 대부분 불가연성 제염폐기물로서 전체 폐기물량 중 약 75%가 제염 작업으로 인하여 발생된 오염토양 폐기물로 구성되어 있다 [9]. 또한 제염폐기물은 톤 백(플렉서블 컨테이너)에 포장되 어 임시저장시설 내에 보관되고 있으며, 톤 백 용기는 빗물 침투 방지 및 오염 토양 분진의 비산 방지 등을 목적으로 하 고 있어 차폐 효과가 매우 미미하다[12,13]. 제염폐기물 내 주 요 방사성 핵종은 ¹³⁴Cs 및 ¹³⁷Cs 이며, 방사능 농도는 제염작 업 지역에 따라 다양하게 분포하고 있다. 일본 환경성에 따르 면 임시저장시설 내 보관중인 제염폐기물의 방사능 농도는 10,000~30,000 Bq/kg 구간에서 발생량이 가장 높게 나타나 고 있다[14]. Fig. 1에 제염작업 지역별 발생된 제염폐기물 방 사능 농도 분포를 나타내었다.

본 연구에서는 임시저장시설의 공간 방사선량률을 평가 하기 위하여 상기 제염폐기물의 특성을 고려하였다. 제염 폐기물의 구성성분 및 밀도는 국제방사선단위위원회(ICRU) 간행물 53에서 제시하는 토양 1형 자료로 설정하였다[15]. Table 1에 본 연구에서 설정한 토양의 밀도 및 구성성분 에 대하여 나타내었다. 제염폐기물 내 함유된 방사성 핵종 은 ¹³⁴Cs 및 ¹³⁷Cs로 고려하였으며, 이들의 방사성 핵종에 따 른 방사능 농도 비율은 후쿠시마 원전사고 초기 비율인 1:1 로 설정하였다[16]. Table 2에 본 연구에서 고려한 ¹³⁴Cs과 ¹³⁷Cs의 감마선 에너지 및 방출 분율을 나타내었다. 제염폐기 물 방사능농도의 경우 임시저장시설 내 폐기물 저장 현황을 바탕으로 최소값, 최빈값, 최대값으로 설정하였으며, 이는 각각 8,000 Bq/kg, 30,000 Bq/kg, 100,000 Bq/kg이다.

2.2.임시저장시설 특성에 따른 공간 방사선량률 평가

임시서장시설은 제염폐기물로부터 발생되는 방사선에 의하여 인근에 위치하는 일반인의 피폭방사선량을 저감하기 위하여 필요에 따라 복토를 실시한다. 복토는 작업의 효율성 및 시설의 유지관리 등을 고려하여 톤 백 등에 넣어 임시저장 시설의 측면과 상부에 설치하고 있다. 임시저장시설 형태의 경우 해당 지역의 지형도, 토지이용도, 지질도, 기상정보, 지 하수 특성 등을 고려하여 안전성이 확보된 최적의 형태를 선 정하여 설계한다[12]. 현재 일본에서 고려하는 임시저장시설 의 형태는 크게 지상 보관형, 지하 보관형, 반지하 보관형으 로 구분되며, 특수한 상황의 경우 경사지 보관형을 설치할 수 있으나 토사 재해의 영향을 피하기 위해 일본에서는 경사지 보관형 설치를 지양하고 있다. 임시저장시설의 크기는 제염 폐기물의 발생량 및 지형적 요소를 고려하여 설계되며, 임시 저장시설의 크기에 따라 저장시설 내 보관되는 제염폐기물 양이 상이하다. 높이의 경우 구조적 안전성을 유지하기 위하 여 각 층의 폐기물 적재량을 달리한다. Fig. 2에서는 임시저 장시설의 형태 및 구조 단면도를 나타내었다.

본 연구에서는 임시저장시설의 복토로 인한 차폐 영향을 평가하기 위하여 복토두께에 따른 거리 별 공간 방사선량률 을 평가하였다. 복토의 구성성분 및 밀도의 경우 앞서 나타 낸 오염 토양의 특성과 동일하게 설정하였으며, 복토 두께 조 건의 경우 10 cm, 30 cm, 50 cm에 대하여 평가를 수행하였 다. 임시저장시설의 형태는 지상 보관형, 지하 보관형, 반지 하 보관형을 고려하였으며, 크기의 경우 5 × 5 × 2 m, 20 × 20 × 2 m, 50 × 50 × 2 m, 100 × 100 × 2 m, 200 × 200 × 2 m로 총 5개의 임시저장시설 크기 조건에 대하여 평가를 수행하였다. 임시저장시설 내 1층 및 2층의 폐기물 적재량은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 임시저장시설 형태에 따라 다르게 설정하였다. 본 연구에서는 위의 조건을 바탕으로 임시저장 시설 형태 및 크기에 따른 지표면에서 높이 1 m 지점에서의 거리 별 공간 방사선량률을 평가하였다. 공간 방사선량률 평 가는 MCNPX 전산코드와 국제방사선방호위원회(ICRP) 74 간행물에서 제시하는 공간 방사선량률 환산인자를 이용하 여 실시하였다[17].

2.3.선량제한치를 만족하는 이격거리 평가

임시저장시설의 특성에 따른 거리 별 공간 방사선량률 을 이용하여 선량제한치를 만족하는 이격거리를 평가하였 다. 일본 정부는 제염지역 구분 및 공간 방사선량률 기준을 마련하기 위하여 일반인에 대한 연간 피폭방사선량 계산 시 아래 식을 이용하였다[18, 19].

여기서 E는 연간 피폭방사선량(mSv/y), H는 해당지역 의 공간 방사선량률(μSv/h), B는 배경준위(μSv/h), t_out는 실외 거주시간(hour), t_in는 실내 거주시간(hour), SF는 실 내 차폐계수이다. 일본에서 제시한 공간 방사선량률 기준인 0.23 μSv/h은 일반인 선량한도인 연간 1 mSv에 대하여 도 출되었으며, 실외 거주시간 및 실내 거주시간은 각 8시간, 16시간으로 설정하였다. 또한 일본 제염 지역의 대부분 주 거형태는 목조건물이므로 건물특성에 해당하는 차폐계수인 0.4를 적용하였으며, 배경준위를 0.04 μSv/h로 설정하였다. 이에 따라 본 연구에서는 일본 공간 방사선량률 기준에서 배 경준위를 제외한 0.19 μSv/h를 선량제한치로 선정하였으며, 이에 적합한 임시저장시설 특성에 따른 이격거리를 평가하 였다(Fig. 3).

3.결과 및 고찰

3.1.복토 두께에 따른 거리 별 공간 방사선량률

Fig. 4에 지상 보관형 임시저장시설의 크기가 50 × 50 × 2 m, 제염폐기물의 방사능 농도가 30,000 Bq/kg일 때 복토 두께에 따른 거리 별 공간 방사선량률을 나타내었 다. 임시저장시설 거리에 따른 공간 방사선량률은 복토 두 께가 증가할수록 감소하였다. 복토에 의한 차폐효과는 10 cm일 때 68.9%, 30 cm일 때 96.9%, 50 cm일 때 99.7%로 나타났다. 본 연구에서는 상기 결과를 일본재해대책본부 (NERHQ)에서 실측한 임시저장시설의 복토 영향평가 결과 와 비교하였다[20]. 비교 결과 복토 두께가 10 cm일 때 5%, 30 cm일 때 1%의 오차를 보였으며, 본 연구의 결과와 유사 하게 나타났다.

임시저장시설 내 복토로 인한 영향은 공간 방사선량률 결과에 큰 영향을 나타내었다. 복토 두께를 증가시킬수록 공간 방사선량률이 크게 감소하였다. 그러나 복토의 경우 오염되지 않은 토양 및 오염된 토양을 정화하여 사용하므로 복토 두께가 증가할수록 복토 생산에 해당되는 비용 손실이 증가할 것이다. 따라서 본 연구의 결과를 바탕으로 임시저장 시설 설계 시 경제적 측면을 고려하여 최적의 복토 두께를 설 정할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2.임시저장시설 형태에 따른 거리 별 공간 방사선량률

Fig. 5에 임시저장시설의 크기가 50 × 50 × 2 m, 제 염폐기물의 방사능 농도가 30,000 Bq/kg일 때 임시저장시 설 형태에 따른 거리 별 공간 방사선량률을 나타내었다. 공 간 방사선량률은 지상 보관형에서 가장 높게 나타났으며, 이 어서 반지하 보관형, 지하 보관형 순으로 나타났다. 복토가 없을 경우 반지하 보관형은 지상 보관형에 비해 공간 방사 선량률이 38% 감소하였으며, 지하 보관형의 경우 44% 감소 하였다. 임시저장시설로부터 거리가 멀어짐에 따라 지상 및 반지하 보관형의 경우 1 m 이격거리의 공간 방사선량률에 비해 거리에 따라 평균 약 56%(3 m 거리에서), 72%(5 m), 80%(7 m), 84%(9 m) 감소하였다. 지하 보관형의 경우 64%(3 m 거리에서), 80%(5 m), 86%(7 m), 90%(9 m) 감소 하여 지상 및 반지하 보관형에 비해 거리에 따른 공간 방사선 량률이 빠르게 감소하였다.

국내 유사사고 발생 시 최종적으로 적용할 임시저장시설 형태는 공간 방사선량률 결과, 각 시설의 구조적 안전성, 운반 용이성, 비용적 측면 등을 고려하여 최적의 형태를 선정 하여야 한다. 반지하 보관형과 지상 보관형의 경우 공간 방 사선량률은 기준치 이하로 나타나지만 일본의 임시저장시설 기술지침에 의하면 지상 보관형에 비해 지상과 지하부분의 경계를 통한 강수 침투 위험성이 높아 이에 대한 대책이 필요 하다고 제시하고 있다. 또한 반지하 및 지하 보관형의 경우 굴착 시에도 구조적 안전성을 확보하기 위하여 시추 조사가 우선적으로 실시되어야 하며, 다량의 굴착 토양이 발생할 경 우 이를 보관할 장소가 추가적으로 필요하다고 제시하고 있 다. 지상 보관형은 다른 형태의 시설에 비해 공간 방사선량 률이 높게 나타나지만, 제염폐기물의 이동, 반출 등이 용이 하다는 장점이 있다. 이는 제염폐기물 운반 및 보관 작업자 의 작업 편의성을 높여 작업시간을 단축시키고 결과적으로 작업자의 피폭방사선량을 감소시킨다. 또한 지상 보관형은 시설의 유지보수가 용이하며 제염폐기물 양에 따라 유동적 으로 시설의 크기를 변경할 수 있다는 장점이 있다. 이 뿐만 아니라 지상 보관형은 제염폐기물의 반출 후 굴착이 이루어 진 다른 형태에 비해 부지복원이 용이하다. 따라서 지상 보 관형의 공간 방사선량률이 다른 형태에 비해 높게 나타났으 나 기타 요인들을 종합적으로 고려해 보았을 때 적절한 두께 의 복토가 존재한다면 지상 보관형이 가장 적합한 임시저장 시설 형태로 판단된다.

3.3.임시저장시설 크기에 따른 공간 방사선량률

Fig. 6에 방사능 농도가 30,000 Bq/kg, 복토가 없는 경우 임시저장시설 크기에 따른 거리 별 공간 방사선량률 을 나타내었다. 임시저장시설의 크기 5 × 5 × 2 m 를 제 외한 시설에 대하여 공간 방사선량률의 결과는 비교적 유 사하게 나타났다. 상기 시설에서 거리에 따른 공간 방사 선량률은 1 m에서 6.5 μSv/h, 3 m에서 2.0 μSv/h(1 m 를 기준으로 70% 수준), 5 m에서 0.9 μSv/h(86%), 7 m 에서 0.5 μSv/h(92%), 9 m에서 0.3 μSv/h(95%)로 나 타났다. 시설크기가 5 × 5 × 2 m일 경우 다른 시설크기 에 비해 공간 방사선량률이 거리에 따라 빠르게 감소하였 으며, 1 m에서 7.7 μSv/h, 3 m에서 3.6 μSv/h(54%), 5 m 에서 2.2 μSv/h(71%), 7 m에서 1.6 μSv/h(79%), 9 m에서 1.2 μSv/h(84%)로 나타났다.

임시저장시설의 크기가 증가할수록 보관하는 제염폐기 물의 양이 증가함에도 불구하고 공간 방사선량률이 유사하 게 나타난 것은 적재 중인 제염폐기물에 의하여 방사선이 자 기 차폐되기 때문이다. 즉 내부에 존재하는 제염폐기물에서 발생하는 방사선은 외부에 적재된 제염폐기물에 의해 차폐 되어 임시저장시설 부지 경계의 방사선량에 미치는 영향이 미미하다. 일본 환경성에서는 반입되는 제염폐기물량에 따 른 공간 방사선량률에 대하여 측정을 수행하였다[21]. 일본 환경성 측정 결과에 따르면 임시저장시설 내 보관되는 시간 에 따라 임시저장시설에 적재되는 제염폐기물의 양은 증가 하지만, 공간 방사선량률 측정값은 일정하게 유지되어 본 연 구와 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다.

3.4.선량제한치를 만족시키는 이격거리 평가

Table 3에 선량제한치를 만족시키는 임시저장시설로부 터의 이격거리를 나타내었다. 이격거리는 제염폐기물의 방 사능농도, 복토 두께, 임시저장시설의 형태 및 크기를 고려 하여 계산하였다. 이 중 임시저장시설의 형태 및 복토의 두 께가 이격거리 설정 시 가장 큰 영향을 주었다.

크기가 50 × 50 × 2 m인 지상 보관형에 대해서는 복토두께가 0 cm인 경우 이격거리는 14 m(최소농도), 33 m (최빈농도), 57 m(최대농도)로 각각 평가되고, 복토 두께 가 10 cm인 경우 6 m(최소농도), 18 m(최빈농도), 36 m (최대농도), 복토 두께가 30 cm인 경우 0 m(최소농도), 2 m (최빈농도), 7 m(최대농도)로 평가되었다. 반지하 보관형에 대해서는 복토두께가 0 cm인 경우 이격거리는 9 m(최소농 도), 24 m(최빈농도), 45 m(최대농도), 복토 두께가 10 cm 인 경우 3 m(최소농도), 12 m(최빈농도), 26 m(최대농도), 복토 두께가 30 cm인 경우 0 m(최소농도), 1 m(최빈농도), 5 m(최대농도)로 평가되었다. 지하 보관형에 대해서는 복토 두께가 0 cm인 경우 6 m(최소농도), 16 m(최빈농도), 31 m (최대농도), 복토 두께가 10 cm인 경우 2 m(최소농도), 4 m (최빈농도), 10 m(최대농도), 복토 두께가 30 cm인 경우 0 m(최소농도), 0 m(최빈농도), 1 m(최대농도)로 평가되었 다. 복토 두께가 50 cm일 때 이격거리는 임시저장시설 형태 에 관계없이 본 연구에서 고려한 제염폐기물 방사능 농도 구 간에서 0 m로 평가되었다.

본 연구에서 평가한 선량제한치를 만족시키는 이격거리 는 제염폐기물의 방사능 농도, 복토층의 두께에 따라 비교적 넓은 범위를 나타내었다. 사고 이후 오염지역 내 대표적인 제염폐기물의 방사능 농도를 바탕으로 최적화된 복토층 두 께를 선정할 수 있으며, 이를 통해 이격거리 범위의 폭을 줄 임으로써 본 연구의 유효성을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 바탕으로 임시저장시설 설계 시 인근에 거 주하는 일반인 및 작업자들의 방사선 안전성 확보를 위하여 물리적 방호를 수립할 수 있을 것이다.

4.결론

본 연구에서는 제염폐기물 임시저장시설 인근에 생활하 는 일반인의 방사선학적 안전성 확보를 위하여 임시저장시 설의 이격거리를 평가하였다. 이격거리 평가 시 임시저장시 설 내 복토층에 대한 차폐영향 평가를 수행하였으며, 임시저 장시설의 형태 및 크기에 따라 거리별 공간 방사선량률을 평 가하였다. 이를 바탕으로 선량제한치를 만족시키는 임시저 장시설로부터의 이격거리를 도출하였다.

임시저장시설의 복토 두께는 공간 방사선량률 결과에 크 게 영향을 미쳤으며, 복토에 의한 차폐효과는 10 cm일 때 68.9%, 30 cm일 때 96.9%, 50 cm일 때 99.7%로 나타났다. 복토 두께가 30 cm 일 경우 대부분의 방사선이 차폐되어 제 염폐기물의 방사능 농도가 최대인 100,000 Bq/kg 일지라도 10 m 이내에서 선량제한치를 만족하였다. 임시저장시설 형 태에 따른 방사선량률은 지상 보관형, 반지하 보관형, 지하 보관형 순으로 높게 나타났다. 크기가 50 × 50 × 2 m이고 복토두께가 0 cm인 경우, 지상 보관형의 평가된 이격거리는 14 m(최소농도), 33 m(최빈농도), 57 m(최대농도)이며, 반 지하 보관형의 이격거리는 9 m(최소농도), 24 m(최빈농도), 45 m(최대농도), 지하 보관형의 이격거리는 6 m(최소농도), 16 m(최빈농도), 31 m(최대농도)로 나타났다. 복토의 두께 가 증가함에 따라 이격거리는 감소하였는데, 복토두께가 30 cm인 경우 지상보관형의 이격거리는 농도에 따라 각각 0 m, 2 m, 7 m, 반지하 보관형의 이격거리는 0 m, 1 m, 5 m, 지 하 보관형의 이격거리는 0 m, 0 m, 1 m로 평가되었다. 복토 두께가 50 cm일 때 이격거리는 임시저장시설 형태에 관계없 이 본 연구에서 고려한 제염폐기물 방사능 농도 구간에서 모 두 0 m로 평가되었다.

그러나 지상 보관형의 경우 유지관리 및 부지복원이 타 유형시설에 비해 용이하므로 적절한 복토 차폐를 설치한다 면 지상 보관형이 가장 적합한 시설일 것으로 판단된다. 임 시저장시설 크기에 따른 이격거리 평가 시 크기의 영향은 미 미하게 나타났으며, 이는 적재된 제염폐기물로 인해 자기차 폐가 발생하였기 때문이다. 해당 결과를 바탕으로 지형적 요 소, 유지관리, 부지복원의 용이성, 경제적 측면 등을 고려하 여 최적화된 임시저장시설 형태를 설계할 수 있을 것으로 판 단된다. 본 연구의 결과는 현재 일본에서 운영중인 임시저장 시설에 대한 방사선학적 안전성 개선방안으로 활용될 것으로 판단된다. 또한 폐기물 관리 기반 연구 및 방사능방재 관련 연구의 기초자료로도 활용될 수 있을 것이다.