2022년 4월 '이달의 과학기술인상' 이창수 박사

 

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 4월 수상자로 한국원자력연구원 저장처분기술관리부 이창수 박사를 선정했다고 밝혔다.

 

사진제공 과학기술정보통신부

 □ 인적사항
  o 성명 : 이창수
  o 생년 : 1979년
  o 소속 : 한국원자력연구원 저장처분기술관리부

 □ 주요 학력 
  o 2004. 3. ~ 2012. 2.  서울대학교 에너지시스템공학부 석·박사
  o 2000. 3. ~ 2004. 2.  서울대학교 지구환경시스템공학부 학사

 □ 주요 경력
  o 2011. 12. ~ 현재 한국원자력연구원 선임연구원
  o 2019. 1. ~ 현재 한국암반공학회 심층처분분과 위원장
  o 2017. 1. ~ 현재 한국암반공학회 편집이사
  o 2016. 1. ~ 2017. 12  학술지 지오시스템 엔지니어링(Geosystem engineering) 편집위원

 □ 전문 분야 
  o 벤토나이트 완충재 및 암반의 열-수리-역학적 복합거동 특성 규명 연구
  o 열-수리-역학적 복합거동 수치모델 및 해석시뮬레이터 개발
  o 고준위방사성폐기물 처분장 설계 및 성능평가
  o 암반 굴착손상영역 특성 평가 연구

 

ㅇ 과기정통부와 연구재단은 지하 수백 미터 깊이에 고준위방사성폐기물*을 격리하는 심층처분 방식에 대한 공감대가 세계적으로 확산되는 가운데 이창수 박사가 신뢰할 수 있는 처분장 설계 및 성능평가 요소기술을 개발한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

* 사용후의 핵연료에서 분리된 핵분열 생성물의 폐기물

 

□ 심층처분 방식으로 고준위방사성폐기물을 영구 격리하려면 처분시스템의 온도변화와 지하수 유입, 폐기물을 감싼 완충재의 포화도 변화 등에 따른 처분장 주변 암반 및 공학적 방벽에서의 열-수리-역학적 복합거동*을 정밀하게 예측할 수 있어야 한다.

 

* 처분시스템에서 발생하는 열적, 수리적, 역학적인 거동은 상호간에 영향을 주고받으며 복잡한 양상을 보이기 때문에 이를 종합적으로 평가한 처분장 부지선정과 설계가 필요함.

 

□ 이창수 박사는 기존 심층처분시스템 복합거동 예측 시뮬레이터들의 단점인 긴 해석 시간을 단축하고 효율성을 높인 열-수리-역학적 복합거동 병렬해석 시뮬레이터를 자체 개발했다.

 

ㅇ 연구팀은 국내에 유일한 지하처분연구시설(KURT*)에서 5년간 수행한 현장시험 데이터를 기반으로 국내 적용성을 평가한 결과 10만년 동안 처분시스템의 성능이 유지됨을 확인했다. 또한, 개발한 수치모델과 해석시뮬레이터를 이용하여 기존 처분시스템 성능을 유지하면서도 처분장 면적을 절반 이하로 줄이는 다층처분장 설계안도 제시하였다.

* KAERI Underground Research Tunnel

 

□ 개발된 해석시뮬레이터는 스웨덴, 스위스, 일본 등 14개국 52개 기관이 참여한 국제공동연구를 통해 국제적 신뢰를 확보했으며, 검증결과의 우수성은 다수의 국제 학술지에 발표하였다.

 

ㅇ 관련 연구성과는 최근 3년간 SCIE급 학술지 8편(상위1% 저널 3편*, 상위 5% 저널 1편** 포함)과 국내 논문 27편에 소개됐으며, 국제 공동연구 보고서도 3건 발간됐다.

*International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences(IJRMMS, ‘20년 8월, ’21년 1월, 3월)

**Tunnelling and Underground Space Technology(TUST, ‘20년 6월)

 

□ 이창수 박사는 “이번 연구는 방사성폐기물 심층처분 시 예상되는 열-수리-역학적 복합거동 해석시뮬레이터를 독자적으로 개발한데 의의가 있다”며 “앞으로도 차세대 혁신기술 개발을 통해 방사성폐기물 처분시스템 요소기술 개발에 이바지하겠다”고 밝혔다.

 

[이창수 박사 인터뷰]

 

안전하고 깨끗한 에너지원 확보는 현대 인류가 직면한 가장 큰 난제입니다. 원자력에너지 역시 그린에너지로 자리매김하기 위해 넘어야 할 관문이 있는데요. 바로 현세대뿐만 아니라 후세에도 안전한 사용후핵연료 처분방안 마련입니다. 세계적으로 다양한 처분방안이 모색되는 가운데, 한국원자력연구원 이창수 박사가 최근 국가사업인 고준위방사성폐기물 처분사업에 필요한 요소기술 개발의 단초를 마련하며 주목받았습니다. 대학원 시절부터 국내 유일의 지하처분연구시설(KURT)과 인연을 맺어온 그는 처분부지 선정의 중요성을 누구보다 잘 알고 있는 만큼 국제공동연구를 통해 수치해석 모델과 해석시뮬레이터를 개발·검증하고, 이를 바탕으로 한국형 처분시스템의 열-수리-역학적 복합거동을 예측해왔습니다. 안전하고 신뢰받는 원자력을 목표로 오늘도 지하처분연구시설(KURT)에서 사용후핵연료 최종처분 실현성 향상 연구에 매진하는 이창수 박사를 만났습니다.

 

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 박사님의 근황도 전해주세요.

 

- 이달의 과학기술인상을 수상하게 되어 매우 영광입니다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단 관계자들께 감사드립니다. 또 저를 응원해 주는 가족들, 특히 항상 저를 웃게 해주는 사랑하는 딸에게 고맙다는 말을 전하고 싶습니다. 그리고 함께 연구해온 한국원자력연구원 사용후핵연료 저장처분연구단원들과 국제공동연구 데코발렉스(DECOVALEX)를 함께 수행하는 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)의 젠스 버크호울저(Jens Birkholzer) 이하 14개국 52개 기관의 모든 참여 연구원들께 감사드립니다. 앞으로도 공동연구를 통해 개발·검증된 열-수리-역학적 복합거동 (coupled Thermo-Hydro-Mechanical, THM) 해석모듈과 해석시뮬레이터를 대한민국 고유의 고준위방사성폐기물 처분시스템에 대한 설계와 성능평가에 적용해 처분장의 안전성(safety)과 안정성(stability) 확보에 최선을 다하고자 합니다.

 

o 대학원 시절 국내 유일의 지하처분연구시설(KURT)과 인연을 맺은 지 벌써 20년 가까이 되었습니다. 박사님의 주요 연구주제에 대해 소개해 주세요.

 

- 대학원 재학 시 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT) 건설로 발생한 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone, EDZ)의 특성 평가와 손상영역이 암반의 열-역학적 복합거동에 미치는 영향을 파악하는 단일 시추공 히터시험(Single Borehole Heater Test)에 참여하며 고준위방사성폐기물 처분관련 연구를 시작했습니다. 당시 현장 데이터를 수치해석적으로 분석해 박사학위를 받았습니다. 이후 한국원자력연구원에 입사하여 암반에서의 복합거동뿐만 아니라, 고준위방사성폐기물 심층처분시스템의 공학적방벽재인 벤토나이트 완충재에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성 평가와 이와 관련된 해석모델 및 해석시뮬레이터를 개발하고 검증하는 과제에 참여하고 있습니다.

 

o 심층처분시스템의 열-수리-역학적(THM) 복합거동 해석시뮬레이터을 개발해 고준위 방사성폐기물 처분부지 선정과 설계의 신뢰성을 확보하였습니다. 개발하신 THM 복합거동 해석시뮬레이터란 무엇이고, 또 어떻게 활용되는지 설명해주세요.

 

- 심층처분시스템은 사용후핵연료와 같은 고준위방사성폐기물을 인간 생활권에서 영구적으로 격리하기 위해 공학적방벽과 자연방벽인 암반으로 구성됩니다. 심층 처분장 건설을 위해 지하 암반을 굴착하면 주변 암반의 응력 조건이 변하여 초기 암반상태와 다른 물성을 갖는 굴착손상영역이 형성되고, 암반 굴착과 처분장 운영 전 환기(ventilation) 과정에서 지하수 조건이 바뀝니다. 이후, 처분장이 운영되면 고준위방사성폐기물에서 나오는 붕괴열(decay heat)에 의해 처분시스템 전반에 걸쳐 온도가 변하고 이에 따른 열응력이 발생합니다. 또한, 처분장 주변 암반으로부터 유입되는 지하수의 영향으로 벤토나이트 완충재에서의 수리적 거동 변화로 처분시스템에서의 압력 조건도 변화합니다. 이처럼 처분장이 운영되는 동안 처분시스템에서는 열적, 수리적, 그리고 역학적인 거동이 상호 영향을 주고받으며 복잡한 열-수리-역학적(THM) 복합거동이 발생하게 됩니다.

 

- 지하 수백 미터 심부 암반에 고준위방사성폐기물 처분장을 건설하고 운영하기 위해서는 10만년 동안 처분시스템의 안전성과 안정성이 확보돼야 합니다. 따라서 고준위방사성폐기물 처분장의 설계, 건설, 그리고 안전한 운영을 위해서는 처분장에서 예상되는 THM 복합거동을 분석하고 예측할 수 있는 전산 시스템이 필요한데, 그것이 바로 해석시뮬레이터입니다. 해석시뮬레이터를 한마디로 설명하면 복합거동을 연구하기 위해 개발된 컴퓨터 계산기라 할 수 있습니다.

 

o 박사님이 개발한 THM 해석모듈과 해석시뮬레이터는 국제공동연구를 통해 세계 최고 수준의 기술력으로 인정받았습니다.

 

- 이번에 개발한 THM 복합거동 열·탄소성 해석모듈과 해석시뮬레이터는 스웨덴, 스위스, 일본과 영국 등 다양한 국가에서 수행된 실험실 및 현장시험을 이용해 국제적으로 검증했으며, 검증 결과의 우수성은 다수의 국제학술지 및 공동연구 보고서에 기술되어 있습니다. 구체적인 실험 내용은 아래와 같습니다.

·DECOVALEX-2011 (2008-2011) : 스웨덴 암반 TM 현장시험(ÄPSE)

·DECOVALEX-2015 (2012-2015) : 스위스 몬 테리(Mont Terri) 지하시설에서 수행된 두 개의 히터시험 (HE-D & HE-E), 스페인 시아메트(CIEMAT) 실험실 시험, 일본 호로노베 지하연구시설(Horonobe URL) THM 실증시험

·DECOVALEX-2019 (2016-2019) : 영국지질조사국(BGS)에서 수행한 가스이동 실험실 시험, 스위스 단층 활성화 평가 현장시험(Fault Slip, FS), 스위스 HM 현장시험(EB)·THM 현장시험(FEBEX)

 

o THM 복합거동 연구를 위해 원자력 선진국들과 함께 데코발렉스 프로젝트를 추진하며 기술력을 확보해왔는데요. 관련 내용도 소개해 주세요.

 

- THM 복합거동에 관여하는 다양한 물리현상 간의 상관관계가 명확하지 않기 때문에 이를 정확하게 해석하고 예측하는 해석모델과 모델링 기법 개발은 매우 어렵습니다. 더욱이 개발된 수치모델과 모델링 기법을 검증하려면 장시간 고비용의 실험실 실험과 현장시험이 필요하기 때문에 검증 역시 쉽지 않습니다. 따라서 관련 기술 개발의 어려움을 극복하고 효과적인 개발을 위해 각국에서 제안된 수치모델과 모델링 기법을 상호검증하고, 공학규모의 실내시험 및 대규모 현장시험 결과를 공유하는 데코발렉스(DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments, DECOVALEX) 프로젝트가 1992년에 시작됐습니다.

 

- 한국은 2008년부터 한국원자력연구원을 중심으로 국제공동연구에 참여하여 12년간 DECOVALEX-2011, DECOVALEX-2015, DECOVALEX-2019 총 세 단계에 걸쳐 7개의 과제를 진행했는데요. 국제공동연구를 진행하며 1)상대적으로 단순한 M(역학)과 TM(열-역학) 해석모델에서부터 복잡한 THM(열-수리-역학적) 복합거동 해석모델로, 2)단상유동(single phase)에서 이상유동(two phase)으로, 3)자연방벽에서 공학적방벽을 포함한 처분시스템 전반에 대한 해석으로, 4)다양한 암종과 완충재 물질에 대한 THM 복합모델 개발로, 5)공학규모의 실내시험 및 소규모 현장시험에서부터 점차 실규모 현장시험에 대한 복합거동 해석으로 6)계산의 효율 향상을 위한 병렬 해석기법 개발을 단계적으로 진행하였습니다.

 

o 이번 연구성과는 한국형 기준처분시스템의 THM 복합거동을 예측했다는 면에서 더욱 의미 있습니다. 특히 기존 처분장 면적을 약 1/2~1/3로 감소시켜 처분효율을 증가시킬 수 있는 다층처분장 설계안도 제시하였습니다.

 

- 국제공동연구를 통해 다른 나라 처분시스템에 대한 현장 실증 데이터 분석과 성능평가를 수행한 경험을 토대로 국내 처분시스템에도 적용해 보았습니다. 먼저, 국내 암반과 벤토나이트 완충재에도 적용 가능한지 평가하기 위해 한국원자력연구원 내에 위치한 지하처분연구시설(KURT)에서 수행된 국내 처분시스템의 THM 복합거동 특성 규명 현장시험(In-DEBS)을 분석하였습니다. 이를 토대로 한국형 기준처분시스템에 적용하여 처분장에서 10만년 동안 예상되는 THM 복합거동 특성을 해석한 결과 그 성능이 유지됨을 확인했습니다.

 

- 더불어 고준위방사성폐기물 처분장 건설 인허가를 받은 스웨덴과 처분장을 건설하고 있는 핀란드와 비교하면, 우리나라는 필요한 처분면적은 크지만, 국토 면적이 작고 인구밀도가 매우 높아 처분장 부지 선정에 많은 어려움이 예상됩니다. 이러한 어려움을 조금이나마 해소하고자, 개발된 수치모델과 해석시뮬레이터를 이용해 기존의 처분장 성능은 유지하며 처분장 면적을 약 1/3로 감소시켜 처분효율을 증가시킬 수 있는 다층처분장 설계안을 제시했습니다.

 

	스웨덴	핀란드	대한민국
필요한 처분장 면적 (km2)	3.6	2.0	4.6
전체 국토 면적 (km2)	450,295	338,424	100,363
인구밀도 (명/km2)	23	16	507

 

o 연구 과정에서 가장 힘들었던 점은 무엇인가요? 더불어 어려움을 극복한 경험도 공유 부탁드립니다.

 

- 국내에서는 처분시스템에 대한 THM 복합거동 해석시뮬레이터 개발 관련 연구가 많이 이루어져 있지 않은 상황에서 연구를 진행하다 보니 많은 부분을 국외기관 전문가에게 의존할 수밖에 없어 자체 개발에 어려움이 많았습니다. 하지만 다양한 국제공동연구에 적극적으로 참여하여 해외 전문가들의 경험과 노하우를 배우고 실패 경험 등을 참고하면서 개발의 어려움을 극복했습니다.

 

o 반대로 연구를 수행해오며 가장 즐거웠던 순간, 보람된 기억도 궁금합니다.

 

- 개발된 해석모델과 해석시뮬레이터로 한국형 기준처분시스템의 THM 복합거동 성능을 처음 평가하고 고준위방사성폐기물 처분사업에 조금이나마 기여하게 돼 큰 보람을 느낍니다. 그리고, 제가 참여한 다부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 원자력안전위원회) 공동사업기획이 예비타당성 조사를 통과하여 2021년부터 9년간 약 4,300억 원 규모의 ‘사용후핵연료관리 핵심기술개발사업 (iksnf.or,kr)’으로 진행되고 있습니다. 국내·외 많은 기관과 대학이 국내 사용후핵연료 처분 관련 연구에 관심과 열정을 갖고 참여할 수 있는 환경을 조성하는데 미력하나마 기여할 수 있어 보람입니다. 더불어 다부처 공동사업의 성공적인 진행으로 처분 안전성과 안정성 확보에 필요한 핵심기술 개발 역시 좋은 결과를 기대하고 있습니다.

 

o 박사님이 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가요?

 

- 지금까지는 연속체 해석기법을 기반으로 공학적방벽재인 벤토나이트 완충재에 적합한 THM 해석시뮬레이터를 개발하였습니다. 앞으로는 공학적방벽재 뿐만 아니라 처분장 주변 절리 암반에서의 THM 복합거동도 효과적으로 해석할 수 있도록 불연속체 해석기법을 기반으로 THM 해석시뮬레이터를 개발할 예정입니다. 그리고 장기간에 걸쳐 발생하는 지화학적 반응에 의한 열-수리-역학-화학적(THMC) 복합거동도 예측할 수 있는 연속체 및 불연속체 해석시뮬레이터를 개발하여 한국형 심층처분시스템의 성능평가에 적용하고 싶습니다.

 

o 고준위방사성폐기물의 안전한 처분은 국가적 이슈입니다. 박사님의 연구성과가 국민의 삶에, 또 우리나라 원자력발전에 어떻게 기여할 수 있을까요?

 

- 고준위방사성폐기물의 안전한 처분은 원전을 이용하는 모든 국가가 직면한 전 세계적인 이슈입니다. 고준위방사성폐기물의 안전한 처분을 위해서 지금까지 개발하고 검증받은 해석시뮬레이터를 확장하여 열-수리-역학-화학적(THMC) 복합거동 해석시뮬레이터를 개발하고 대한민국 현실에 맞는 최적의 처분시스템을 제시하여 현세대뿐만 아니라 후세에도 고준위방사성폐기물에 대한 불안감 없이 안전하게 생활할 수 있는 세상을 만들 수 있도록 노력하겠습니다.

 

o 평소 연구에 임하는 자세, 연구자로서의 신념도 들려주세요.

 

- 분야마다 다르겠지만, 대부분의 연구가 단기간에 성과를 도출하기는 어렵습니다. 조바심을 내지 않고 연구결과와 무관하게 제게 주어진 과제에 항상 진심으로 임하고, 최선을 다했습니다. 특히 제가 수행하는 열-수리-역학-화학적(THMC) 복합거동 특성 규명 관련 연구는 열적, 수리적, 역학적, 그리고 화학적인 거동 각각에 대한 이해뿐만 아니라, 서로에게 미치는 영향을 복합적으로 이해하고 평가할 수 있어야 합니다. 하지만, 모든 분야에 전문가가 되기는 어렵기 때문에 각 분야의 전문가들과 항상 소통하고 협업하며 배우는 것에 주저하지 않고 노력하고자 합니다.

 

o 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

 

- 모든 현상에 대해 당연하다고 생각하지 않고 항상 “왜?”라는 궁금증과 호기심을 가지시고 궁금증을 해소하기 위해 적극적으로 노력하시길 바랍니다. 그러면 호기심과 궁금증이라는 씨앗은 꾸준한 노력이라는 자양분에 의해 뿌리를 내리게 되고 실패라는 비·바람을 견디다 보면 연구라는 훌륭한 나무로 자라 성과라는 커다란 열매를 맺을 것입니다. 그리고 실패는 연구성과라는 열매를 맺기 위해 겪어야 하는 과정일 뿐입니다. 실패를 두려워하지 마시고 꾸준히 노력하시길 바랍니다.

 

"본 저작물은 과학기술정보통신부에서 '2022년' 작성하여 공공누리 제1유형으로 개방한 보도자료를 이용하였으며, 해당 저작물은 정책브리핑 사이트 www.korea.kr 에서 무료로 다운받으실 수 있습니다."