텍사스 오스틴 대학(University of Texas at Austin)의 연구가들은 독일과 미국에서 방사성 폐기물 용기를 거치하기 위해 사용되는 지하 소금암반이 생각했던 것 만큼 불투성이 아니며, 캡슐 혹은 격납용기의 파손 시 지하수로부터 방사성 폐기물을 격리시키는 능력에도 영향을 줄 수 있다는 가능성을 제기하고 있다. 이 대학 연구팀은 현장 시험 및 3차원 마이크로 CT 이미지 실험을 통해 소금암반이 투과성이 될 수 있음을 보였다. 11월 27일자 사이언스(Science)에 게재된 이 발견은 석유 및 가스 저장은 물론이고 특히 방사성 폐기물 처분장에 대한 영향을 주는 것이다. 이 연구에는 텍사스 오스틴 칵크렐 공대(Cockrell School of Engineering) 및 잭슨 지질과학대(Jackson School of Geosciences)가 참여했다.
이 새로운 정보가 알려주는 것은 방사성 폐기물을 어느 곳에 어떤 방식으로 저장할 것인가를 결정할 때 소금암반이 투과성을 보일 가능성이 있다는 점을 분명히 고려해야 한다는 것이라고 석유 및 지질시스템과 조교수 마사 프로다노빅(Maša Prodanovic)이 말했다. 만약 기존 방사성 폐기물 처분장이 이런 상황에 있다면, 새로운 정보를 적용하여 부지를 재평가할 필요도 있을 수 있다고 덧붙였다. 소금암반은 일반적으로 낮은 깊이에서 액체의 흐름을 차단하는데, 이런 특성을 이용하여 석유를 저장하는데 사용된다. 하지만 과학자들은 더 깊은 곳에서 소금암반이 투과성이 될 수 있다고 오랫동안 의심해 왔다. 잭슨 지질과학대의 제임스 가드너(James E. Gardner) 교수가 실험실에서 인공 소금암반을 이용하여 이 이론을 확인한 것이다.
칵크렐 공대의 박사과정 학생 소헤일 간바르자데(Soheil Ghanbarzadeh)는 이 실험 결과를 자연적인 소금암반에서 얻은 데이터와 비교하는 작업을 수행했다. 여름 인턴 기간 중에 그는 스테토일(Statoil)이 보유하고 운영하는 48개 석유 저장소의 소금암반에 석유 및 소금물의 분포를 검사했다. 관측된 액체 분포는 소금암반이 깊은 곳에서 실제로 투과성을 보인 것을 확인시켜 주었다. 특히 과학자들을 놀라게 한 것은 때때로 액체가 낮은 곳의 소금암반도 투과했다는 점을 발견한 것이다. 이 연구는 소금암반의 변형이 문제가 될 수 있음을 보여주고 있는데, 변형은 소금 결정 사이에 고인 소금물을 형성하여 액체가 이동할 수 있는 연결된 구멍을 만들 수 있기 때문이다.
원래 연구의 목적은 소금암반이 석유류 저장소로 사용될 수 있는가를 평가하기 위한 동기로 시작된 것이지만 결과는 방사성 폐기물 저장에도 영향을 줄 수 있음을 보여주고 있다. 이전까지 소금암반의 투과성 연구는 방사성 폐기물 처분장을 건설할 때 발생한 틈에 집중되어 왔다. 하지만 이번 연구는 변형을 받지 않은 소금암반도 투과성이 될 수 있다는 것을 증명한 것이다. 결정적인 것은 채굴활동이 없어도 소금이 투과성으로 변할 수 있다는 것이라고 말한 잭슨지질과학대 조교수 마크 헤세(Marc A. Hesse)는 얼마나 많은 양의 흐름이 발생하는가에 대한 추가 연구가 필요하다고 덧붙였다.
뉴멕시코 칼스베드(Carlsbad)의 폐기물격리파일럿플랜트(Waste Isolation Pilot Plant, WIPP)는 지하 소금암반 위에 저준위 방사성 폐기물을 보관하고 있다. 하지만 고준위 방사성 폐기물은 임시방편으로 간주되는 발전소의 저장조나 건식저장용기에 보관 중에 있다. 수 십 년 동안 네바다주 유카 마운틴(Yucca Mountains)에 영구적인 중앙 방사성 폐기물 처분장을 건설하는 제안이 제기되어 왔지만 정치 및 규제적 어려움으로 사실상 파기된 상태다. 이로 인해 소금암반에 폐기물을 저장하는 것에 대한 관심이 다시 증가하고 있다. 하지만 이번 텍사스 오스틴 대학의 발견은 소금암반의 재료역학을 장기적으로 검토할 필요가 있음을 보여준다. 간바르자데는 이번 발견은 현재 및 미래의 처분장의 안전성에 관한 의문을 제기해야 한다는 것을 고무시키는 것이라고 말했다.
Nuclear waste storage sites in rock salt may be more vulnerable than previously thought
Research from The University of Texas at Austin shows that rock salt, used by Germany and the United States as a subsurface container for radioactive waste, might not be as impermeable as thought or as capable of isolating nuclear waste from groundwater in the event that a capsule or storage vessel failed.
A team of researchers from the university has used field testing and 3-D micro-CT imaging of laboratory experiments to show that rock salt can become permeable. Their findings, published in the Nov. 27 issue of Science, has implications for oil and gas operations, and, most notably, nuclear waste storage. The team includes researchers from the university's Cockrell School of Engineering and Jackson School of Geosciences.
"What this new information tells us is that the potential for permeability is there and should be a consideration when deciding where and how to store nuclear waste," said Maša Prodanovic, assistant professor in the Department of Petroleum and Geosystems Engineering. "If it's an existing nuclear waste storage site, you may want to re-evaluate it with this new information."
Salt generally blocks fluid flow at shallow depth, a feature that allows oil reservoirs to form. But scientists have long suspected that salt becomes permeable at greater depth. Jackson School professor James E. Gardner confirmed this theory through laboratory experiments with synthetic rock salt.
Cockrell School doctoral student Soheil Ghanbarzadeh tested the idea against field data from natural rock salt. During summer internships he examined oil and brine distributions in rock salt in a set of 48 hydrocarbon wells owned and operated by Statoil. The observed fluid distributions confirm that salt indeed becomes permeable at greater depth. However, the researchers were surprised to find that fluids were sometimes able to flow through the salt at shallow depth.
In the study, they explain that deformation of rock salt may be the culprit. Deformation can stretch the tiny isolated pockets of brine that form between salt crystals and link them into a connected pore network that allows fluid to move.
Although this work was originally motivated by the desire to evaluate rock salt as a hydrocarbon reservoir seal for the oil industry, the conclusions may have important implications for nuclear waste storage. Previous work on salt permeability has focused on the cracks induced by the creation of the nuclear waste repository itself. The observations reported by the study, however, demonstrate that undisturbed rock salt can become permeable.
"The critical takeaway is that salt can develop permeability, even in absence of mining activity," said assistant professor Marc A. Hesse of the Jackson School's Department of Geological Sciences. "Further work is necessary to study the quantity of flow that can occur."
The Waste Isolation Pilot Plant, in Carlsbad, New Mexico, stores low-level nuclear waste in salt beds beneath the ground. However, high-level waste from the nation's nuclear energy sector is stored at the power plants in pools or dry casks, methods that are considered temporary solutions. For decades there has been a proposal to build a permanent central repository under Nevada's Yucca Mountains, but that proposal has stalled because of political and regulatory hurdles. This has renewed interest in rock salt as an alternative permanent storage solution for high-level nuclear waste. In this context, the findings of the team from UT Austin provide a timely reminder that rock salt is a dynamic material over long timescales.
Ghanbarzadeh hopes that "our discovery encourages others to ask questions about the safety of current and future disposal sites."
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