시멘트는 방사성폐기물 고화 매질로 널리 사용되는 매질이며, 시멘트 매질 내 핵종의 고정화 가능성을 분석하는 연구는 국내외로 활발히 수행되고 있습니다. 시멘트는 수화 과정을 거치면서 다양한 광물이 생성될 수 있으며, 이들은 핵종을 포집하는 데에 기여할 수 있습니다. 대표적으로 시멘트 고화체 중 가장 많은 양을 차지할 것으로 예상되는 성분인 CSH (Calcium-Silicate-Hydrated) 겔은 넓은 표면적을 가지기 때문에 물리적으로 이온을 포집하는 데에 효과적이라고 잘 알려져 있습니다. 이외에도 다양한 상호작용을 통해 이온을 고정화 할 수 있습니다. 예를 들어, 세슘의 경우 표면전하의 차이로 인한 정전기적 인력에 의해 주로 흡착되며, 스트론튬의 경우 양이온인 Ca2+와의 이온교환을 통해 고정화된다는 연구결과가 있습니다.
그림 1. 시멘트 내 광물과 핵종의 상호작용
이러한 광물 내 핵종과의 상호작용 기작에 관한 연구는 주로 양이온 핵종에 대해서는 수행된 바가 많지만(U, Pu 등), 음이온에 대한 연구는 상대적으로 적어 추가적인 연구들이 수행되어야 하는 상황입니다. 아이오딘과 테크니슘은 긴 반감기와 높은 선량 기여도로 인해 안전성평가에서 주요하게 고려되는 핵종입니다. 특히, 자연상태에서 주로 음이온 형태로 존재하기 때문에 표면전하가 음전하를 띠는 모래 및 토양 등에 잘 흡착되지 않아 낮은 분배계수를 갖는 것으로 알려져 자연계에서의 이동성 또한 높습니다. 따라서, 본 연구에서는 CSH gel 내 아이오딘과 테크니슘의 대체 핵종인 레늄의 흡착 기작을 파악하는 실험을 진행하여 시멘트 고화 가능성을 파악하는 연구를 진행했습니다.
본 연구에서는 CSH와 핵종 간의 정전기적 인력 영향을 살펴보기 위하여, Ca/Si의 비율을 다르게 양생하여 비방사성 핵종인 아이오딘과 레늄을 대상으로 배치 흡착실험을 진행했습니다.
CSH는 Ca/Si의 비율을 0.81, 1, 그리고 1.5로 다르게 하여 양생하였으며, 그림 2의 XRD 결과에 의하면 1.5에서 소량의 Portlandite 형성이 발견되었고 CSH가 성공적으로 양생되었음을 확인했습니다.
그림 2. CSH 의 XRD 결과
또한 표면전하를 파악하기 위해 Zetasizer로 zetapotential 분석을 진행하였고, Ca의 비율이 높은 1.5의 경우에서 양의 값을 가짐을 확인하였습니다. 또한 열분석을 통해 실제 Ca/Si 비율을 계산하여 표 2와 같이 도출했습니다.
실제 처분장 환경을 반영한 실험을 진행하기 위해 경주 처분장의 지하수 조성대로 제작한 모사 지하수를 흡착 용액으로 적용하여 탈이온수를 사용한 결과와 비교하였습니다. 아이오딘의 경우 모든 조건에서 농도감소가 측정되지 않아 흡착이 발생하지 않았다고 판단되며, 농도별 레늄의 distribution ratio 값은 그림 3에 나타내었습니다.
그림 3. 레늄의 CSH 흡착실험 결과 (distribution ratio)
본 실험결과에 따르면, 아이오딘은 CSH의 포집에는 효과적이지 않다고 판단될 수 있으나 이는 7일간의 짧은 실험기간이므로 장기적인 흡착 실험으로 추가 확인이 필요합니다.
레늄의 경우 양생한 CSH gel이 양전하를 띠는 경우에만 약하게 흡착이 되었음을 확인하였으므로, 레늄의 흡착에는 정전기적 인력이 주로 관여한다는 것을 알 수 있었습니다. 그러나 이는 양이온 핵종에 비해 현저히 적은 양을 나타내므로 실제 시멘트 폐기물 내에서 상대적으로 높은 이동성을 가질 것으로 예상되며, 효과적인 고정화에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 볼 수 있습니다.
그러나 실제 OPC는 Ca가 Si보다 상당히 높은 비율을 갖기 때문에, (+) 전하를 가진 CSH가 다량 존재할 것으로 예상되며 이는 정전기적 인력에 의한 효과가 본 실험보다 클 수도 있음을 시사합니다.
본 실험결과를 통해, 시멘트 고화체 내 주요 성분을 차지하는 CSH의 음이온 흡착 기작 데이터의 확보는 물론 더 나아가 시멘트 고화 폐기물 연구를 이해하는 기본 데이터로서 작용할 수 있을 것으로 기대합니다.
