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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.15 No.3 pp.219-230
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2017.15.3.219

Simulation of Unsaturated Fluid Flow on the 2nd Phase Facility at the Wolsong LILW Disposal Center

Jaechul Ha*, Jeonghwan Lee, Jeonghyoun Yoon
Korea Radioactive Waste Agency (KORAD), 174, Gajeong-re, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
Corresponding Author. Jaechul Ha, Korea Radioactive Waste Agency (KORAD), jcha@korad.or.kr+82-601-5354
July 19, 2017 August 28, 2017 September 15, 2017

Abstract

This study was conducted to predict and evaluate the uncertainty of safety after closure of the second phase surface disposal facility of the Gyeongju intermediate and low level repository in Korea. In this study, four scenarios are developed considering both intact and degraded states of multi-layered covers and disposal containers; also, the fluid flow by a rainfall into the disposal facility is simulated. The rainfall conditions are implemented based on the monthly average data of the past 30 years (1985~2014); the simulation period is 300 years, the management period regulated by institutional provisions. As a result of the evaluation of the basic scenario, in which the integrity of both of the containers and the covers is maintained, it was confirmed that penetration of rainfall does not completely saturate the inside of the disposal facility. It is revealed that the multiple cover layers and concrete containers effectively play the role of barrier against the permeation of rainfall.


경주 중저준위방폐장 2단계 처분시설의 불포화 환경하에서 침투수 유동 해석

하 재철*, 이 정환, 윤 정현
한국원자력환경공단, 대전광역시 유성구 가정로 174 기술연구소

초록

본 연구는 경주 중·저준위처분장 2단계 표층처분시설의 폐쇄 후 안전성에 대한 불확실성을 예측·평가하기 위하여 수행되 었다. 다중덮개와 처분고의 건전/열화를 고려한 총4가지의 시나리오를 도출하여 강우침투 시 예상되는 처분시설 내부의 유 체 이동을 모사하였다. 강우 조건은 총 30년(1985~2014) 간의 월평균 데이터를 적용하였으며, 시뮬레이션 기간은 제도적 관 리기간인 300년으로 설정하였다. 처분덮개와 처분고 콘크리트 모두 건전성을 유지하는 조건의 기본 시나리오 평가 결과, 처 분시설 내부의 처분고를 완전히 포화시키지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 다중 덮개층을 구성하는 8개 층의 각 매질의 모 세관 압력과 투과도 차이로 인하여 다중 덮개층이 효과적으로 차수·배수 역할을 하는 것으로 나타났다.


    © Korean Radioactive Waste Society. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서론

    방사성폐기물의 안전한 관리를 위하여 경주에 위치한 중저 준위 방사성폐기물 처분시설(이하“경주처분장”)이 2015년 부터 운영 중에 있다. 사일로 타입의 1단계 처분시설만 현재 운영 중에 있으며, 지표에 위치할 예정인 표층 타입의 2단계 처분시설은 건설을 위한 인허가 심사가 진행 중에 있다. 2단 계 표층처분시설의 경우 포화대에 위치한 1단계 시설과는 달 리 불포화대에 위치하여 지상 구조물 형태의 처분장이 운영 될 예정이다. 불포화대에 존재하는 위치적 특성과 관련된 연 구 결과에 의하면, 강우 침투가 방사성폐기물의 침출에 미치 는 영향이 매우 중요하다는 것이 보고되고 있다[1-4]. 또한 3곳의 사막 지역에 대해 물수지 분석을 통하여 강수의 60% 이상이 함양됨을 규명하였으며[5], 강수의 지하수 함양으로 인해 폐기물이 심각한 영향을 받을 수 있기 때문에 이를 해 결하기 위해서 공학적 방벽 시스템의 필요성을 명시하고 있 다[6]. 이와 같이 강우 영향으로부터의 처분장 안전성 확보 가 중요하며, 이에 따른 합리적인 예측 및 대비가 필요하다.

    본 연구에서는 2단계 처분시설 폐쇄 후에 설치될 처분장 덮개를 포함하여 처분고, 처분고 하부의 불포화대, 포화대까 지 일련의 인공방벽 및 자연방벽을 포함하여 지하수 유동 모 사를 하였다. 덮개를 구성하는 8개의 다중 덮개 층의 물성 값 들은 Table 1과 같이 실험 값이나 실측치가 아닌, 가정된 값 이 사용되었다.

    일반적으로 Capillary barrier system (모세관 방벽 시 스템)은 상부와 하부에 세립질과 조립질의 토양으로 구 성되어 있으며, 강수에 의한 침투량을 저감시키는 시스 템으로 기존의 압밀된 지층 덮개에 대한 하나의 대안으로 제안되고 있다[7-10]. 모세관 방벽 효과는 인접한 두 층의 수 리전도도 차이에 의해서 측면으로 배수시키는 개념으로 두 층의 수리전도도 차이가 클수록 기능이 우수하다[11]. 이와 같이 본 연구에서는 다중덮개를 구성하는 각 층의 매질별 투 수계수 차이에 따른 배수효과(capillary barriers)를 기대할 수 있는 층과 방벽효과(permeability barriers)의 역할을 하 는 덮개 층을 도출하였으며, 수치해석을 위하여 기상, 액상 의 복합적인 다상 유동 해석이 가능한 TOUGH2 전산코드 를 사용하였다[12].

    2.연구방법

    2.1.개념모델 설정

    연구대상은 경주처분장 2단계 표층처분시설을 구성하는 처분덮개, 처분고 콘크리트, 폐기물, 뒷채움재와 처분시설 하부의 불포화대를 포함한다. 산마루 기준으로 남동, 북동으 로 각각 지하수의 흐름이 형성되어 있으므로 모델링 영역은 지하수 흐름을 고려하여 남북방향으로 2차원 단면으로 3개 의 처분고를 포함하는 영역으로 설정하였다. 절단면은 Fig. 1 과 같이 3개의 콘크리트 컨테이너를 포함하는 대칭구조로 이루어 졌기 때문에 절단된 면의 절반만 모델링 하였다. 처 분덮개를 구성하는 8개 층은 최 상부부터 top soil, gravelly sand, pea gravel, sand1, clay1, sand2, clay2, sand3 순으로 구성되어 있다.

    수치해석을 위하여 cell-centered 유한체적법을 기반으 로 도메인을 구성하였으며, 각 격자의 질량, 에너지 보존 방정식을 해석하였다. 특히 경사를 포함하는 해석 영역의 특 성 때문에 직교좌표를 사용하여 도메인 구성시 야기되는 유 실을 방지하기 위하여 Fig. 2와 같이 Voronoi 격자 구성을 적 용하여 모델 도메인을 구성하였다[13].

    본 모델링에서는 water-air의 물리학적 특성과 불포화대 생성 후 침투되는 지하수의 유동 특성을 추적하기 위하여 TOUGH2 코드의 EOS7 모듈을 이용하였고, 모델링 결과의 시각화를 위하여 후처리 프로그램으로 Tecplot을 이용하였 다[14].

    2.2.경계조건 및 초기조건

    모델 영역의 최상부 격자는 일정한 대기압으로 설정함으 로써 압력 및 질량 이동 등을 통하여 처분시설에 영향을 미 칠 수 있는 가능성을 배제시켰다. 또한 도메인 최하부는 지 하수가 유입되어 불포화대 상부로 포화를 야기시키는 역 올 림현상을 방지하기 위하여 포화 영역으로써 일정수두로 설 정하였다. 처분시설로 유입되는 강우조건은 한반도 남부 울 산지역의 물수지 분석 자료를 활용하여 다중 덮개시스템의 입력 자료로 활용하였다[15]. 총 강우에서 증발산을 제외한 46.1%의 강우침투가 일어나는 것으로 적용하였으며, 30년 강우 데이터가 총 10번 반복되는 것으로 300년간의 강우 조 건을 설정하였다.

    8개의 덮개 층을 포함한 각 매질별 최초 포화도는 가정 된 값을 사용하였으며, 이렇게 가정된 포화도를 바탕으로 강 우 침투가 없는 조건에서 매질별 상호 작용 및 평형을 통한 포화도 분포를 Fig. 3과 같이 도출하였다. 이렇게 재분배된 포화도를 모델링의 초기조건으로 설정하였고, 이후에는 강 우 조건이 반영된 모델링을 수행하였다.

    2.3.수치해석 시나리오

    2단계 표층처분시설의 안전기능 역할을 수행하는 중요 한 요소로 다중 덮개층과 방사성폐기물을 처분하는 콘크리 트 처분고 두 가지를 고려할 수 있다. 표층처분시설의 지 하수 침투현상을 해석하기 위하여 Fig. 4와 같이 총 4가지 시나리오를 도출하였으며, 각 시나리오에 대한 포화도 변 화, 지하수 유속 변화, 각 매질별 포화시점 변화 등을 분석 하였다.

    • - CaseA: ①덮개층 건전, ②콘크리트 처분고 건전

    • - CaseB: ①덮개층 건전, ②콘크리트 처분고 열화

    • - CaseC: ①덮개층 열화, ②콘크리트 처분고 건전

    • - CaseD: ①덮개층 열화, ②콘크리트 처분고 열화

    3.연구결과

    3.1.시나리오 1

    다중 덮개층과 콘크리트 처분고가 건전성을 유지하는 조 건에서 수치해석 결과는 Fig. 5와 같이 표층처분시설 내부 로 침투하는 지하수를 효과적으로 배수·차수를 하는 것으 로 나타났다. 처분시설 하부의 불포화대는 강우침투가 이루 어지지 않아 300년 동안 포화도 증가가 이루어 지지 않았다. 이러한 현상은 마치 사물이 빛을 받을 때 사물을 뺀 나머지 부분만 빛이 투과하고 사물이 있는 부분은 투과하지 못하여 그림자가 생기는 것과 같이, 지하수가 덮개층을 투과하지 못 하여 처분고 하부의 포화도가 증가하지 않는 그림자 효과 (shadow effect)를 확인할 수 있었다.

    지표로부터의 침투 강우는 대부분 다중 덮개층을 통과하 면서 덮개층 사이의 투과도 차이에 따라 처분시설 양 끝으로 배수가 되는 현상을 확인할 수 있었다. 특히 gravelly sandpea gavel 접합면에서 대부분의 침투된 강우의 배수 현상일 일어나고, 이후 하부로 이동한 강우는 Clay-Sand 접합면에서 2차, 3차 배수가 나타나는 현상을 Fig. 6에서 확인할 수 있다. 이러한 배수 현상은 상대적으로 하부층보다 삼투압이 높은 상부층이 만나는 접합면에서 삼투 방벽 효과로 인하여 배수 가 유도되는 것으로 해석할 수 있다. 이후 Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 다중 덮개층을 통과한 일부의 침투 강우는 약 100년 후부터 콘크리트 처분고를 침투하기 시작하여 점점 처분고 내부 폐기물을 포화시키지만 300년까지 처분고 내부 전체를 포화시키지는 못한다.

    표층처분시설을 구성하는 매질의 포화 시점과 최대 포화 도 결과는 Fig. 7과 같다. 다중덮개의 최 상부 지표층인 top soil은 수치해석 기간 300년 내내 줄곧 60%의 포화도를 계 속 유지하며 하부층으로의 강우를 투과시키는 역할을 한다. 그 아래의 gravelly sand 층은 초기포화도에서의 큰 증가없 이 20%내외의 포화도를 유지한다. gravelly sand 하부의 pea gravel 층 또한 약 10%의 포화도를 지속적으로 유지한다. clay1과 clay2는 포화도가 점점 증가하다가 일정 기간이 된 후에 포화가 100%에 근접하게 되었다. 특히 clay1은 20년 후 까지 포화도의 증가가 이루어지지 않다가 이후 100년까지 서서히 증가하는 양상을 보인다. 약 100년 후 포화상태 도달 후 아래의 sand2 층으로의 지하수 침출이 되는 것으로 예상 해 볼 수 있다. 이러한 예측은 120~130년경까지 clay2의 포 화도 증가가 없다가 이후에 포화도가 서서히 증가하는 양상 을 나타내기 때문이다. 즉, clay1은 20년의 강우침투 방벽 역할을, clay2는 130년간의 방벽 역할을 하는 것으로 결과가 나타난다. 다중 덮개층 침투 이후 최종적으로 처분고가 포화 되는 시점은 clay2의 포화도 변화가 시작하는 시점과 비슷한 120년경이다. 다만 처분고를 구성하는 콘크리트 방벽에서 양 벽면과 상부층 포화에는 차이를 나타내고 있다.

    Case A와 같이 다중 덮개층과 콘크리트 처분고가 건전 성을 유지하는 조건에서 강우특성에 따른 변화를 예측하고 자 강우조건만 변화시켜 차이를 비교하였다. 기존 30년간의 월평균 강우량 데이터를 적용하여 300년 동안 강우의 많고 적음 등의 변화가 있는 조건과 달리 300년간 평균치의 강우 가 지속적으로 내리는 조건으로 적용하였다.

    시뮬레이션 결과는 Fig. 8과 같다. 여전히 다중 덮개층의 역할은 유지되고 있으나 각 층의 최고 포화도 값은 감소하는 것으로 나타났으며, 다중 덮개층을 지난 후 처분고 내부로의 강우침투가 이루어지지 않는 것으로 나타났다.

    3.2.시나리오 2

    다중 덮개층은 건전성을 유지하고 콘크리트 처분고가 열화된 조건에서의 수치해석 결과는 Fig. 9에서 확인할 수 있는데, 역시 Case A와 마찬가지로 표층처분시설 내부로 침투하는 지하수를 효과적으로 배수·차수를 하는 것으로 나타났다. 또한 다중덮개가 역할을 충분히 하고 있기 때문에 처분시설 하부의 불포화대는 강우침투가 이루어지지 않아 300년 동안 포화도 증가가 없는 그림자 효과(shadow effect) 또한 확인할 수 있었고, 지표로부터의 침투 강우는 대부분 Fig. 10에서와 같이 다중 덮개층을 통과하면서 덮개층 사이의 투과도 차이에 따라 처분시설 양 끝으로 배수가 되는 현상 을 확인할 수 있었다. gravelly sand-pea gavel 접합면, claysand 접합면에서 1, 2, 3차 배수가 나타나는 현상 역시 동일 한 결과가 나타났다. 이후 다중 덮개층을 통과한 일부의 침 투 강우는 약 100년 후부터 콘크리트 처분고를 침투하기 시 작하여 점점 처분고 내부 폐기물을 포화시키지만 이 경우 역 시 300년 내에 처분고 내부 전체를 포화시키지는 못하였다. 표층처분시설을 구성하는 매질의 포화 시점과 최대 포화도 결과는 Fig. 11과 같다. 다중방벽의 시간에 따른 포화도 변화 양상은 Case A일 때와 역시 같은 결과를 나타내고 있다. 다 만, 처분고의 콘크리트가 열화된 조건이기 때문에 Case A일 때와 처분고의 평형상태에 도달했을시의 포화도 값에서 차 이를 나타내고 있다. Case A에서는 0.28의 포화도로 평형이 이루어진 반면에 Case B에서는 0.33으로 포화도 평형이 이 루어져 약 5%의 포화도 증가가 나타난 것으로 확인되었다.

    3.3시나리오 3

    다중 덮개층이 열화되었으며, 콘크리트 처분고가 건전 성을 유지하는 조건에서 수치해석 결과는 앞선 두 경우와 상 당한 차이를 보여주고 있다. Case A, B와 달리 표층처분시 설 내부로 침투하는 지하수를 효과적으로 배수·차수를 하 지 못하기 때문에 Fig. 12와 같이 지표에서 침투된 강우로 인 하여 처분시설 내부가 빠르게 포화되는 현상이 확인되었다. 또한 다중덮개가 충분한 역할을 하고 있지 못하기 때문에 처분 시설 하부의 불포화대는 강우침투가 이루어지지 않아 300년 동안 포화도 증가가 없는 그림자 효과(shadow effect)를 확 인할 수 없다. 다만 여전히 처분고 콘크리트는 건전성을 유 지하고 있기 때문에 처분고 하부정도 에서만 약간의 그림자 효과가 관찰된다. 다중 덮개층 사이의 투과도 차이가 존재하 지 않기 때문에 Fig. 13과 같이 처분시설 양 끝으로의 배수현 상은 나타나지 않았다. 시간에 따른 포화도 변화 그래프에서 처분고 콘크리트는 약 20년 후부터 포화도 증가가 시작되어 Fig. 14와 같이 약 150년 후에는 처분고 내부가 완전히 포화 되는 것으로 나타났다.

    3.4.시나리오 4

    다중 덮개층과 콘크리트 처분고 모두 열화된 조건에서 수치해석 결과는 표층처분시설 내부로 침투하는 지하수를 효과적으로 배수·차수를 하는 어떠한 인공방벽도 없기 때 문에 Fig. 15와 같이 지표에서 침투된 강우가 처분고 도달 후 부터 바로 급격하게 포화되는 현상이 확인되었다. 또한 다 중덮개가 역할을 하고 있지 않기 때문에 Case C와 마찬가지 로 처분시설 하부의 불포화대는 강우침투가 이루어지지 않 아 Fig. 16과 같이 300년 동안 포화도 증가가 없는 그림자 효 과(shadow effect)를 확인할 수 없다. 또한 Case C에서는 처 분고 콘크리트로 인한 처분고 하부에서 나타나는 약간의 그 림자효과 역시 나타나지 않았다. 다중 덮개층 사이의 투과 도 차이가 존재하지 않기 때문에 처분시설 양 끝으로의 배수 및 차수 효과 또한 나타나지 않았다. Fig. 17의 시간에 따른 포화도 변화 그래프에서 처분고 콘크리트는 약 20년 후부터 포화도 증가가 시작되는데 처분고 콘크리트의 방벽효과로 Case C는 완만하게 포화도가 증가하는 반면 Case D에서는 급격히 포화도가 증가하고 완전히 포화되는 시점도 약 60년 으로 상대적으로 빠른 변화가 있는 것으로 나타났다.

    4.결론

    불포화 환경에서의 처분덮개 및 처분고 내부로 침투하는 강우의 유동 해석을 위하여 4가지 시나리오에 대하여 모델링 을 수행하였다. 제도적 관리기간인 300년간 평가를 하였고, 해석 결과는 다중 덮개층의 건전성이 유지되는 조건에서 처 분고 내부로의 지하수 유입은 극히 미미한 것으로 나타났다.

    다중덮개를 구성하는 다양한 층 사이의 투수계수, 삼투압 차이로 인한 배수, 차수 방벽의 역할도 확인할 수 있었다. 다 만, 신뢰도 높은 예측을 위해서는 가정 입력데이터가 아닌, 타당한 근거를 가지는 매질별 물성 값이 확보되어야 한다. 시나리오 비교 결과에서 확인했듯이 인공방벽의 역할이 충 분히 작동할 때에만 처분시설의 안전성이 보장된다는 결과 도 확인할 수 있었다. 또한 강우조건 변화를 통하여 지속적 인 경우보다 실제 강우처럼 강우량의 높고·낮음이 반복되 어 최고 및 최저치가 존재하는 형태의 조건이 더 현실성이 있 으면서 보수적인 해석으로 고려된다.

    감사의 글

    본 연구는 2014년도 산업통상자원부의 제원으로 한국에 너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입 니다(No. 20141720100610).

    Figure

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    Cross section of the Wolsong LILW Disposal Center, showing structural elements of the facility to be included in the flow simulations.

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    Example of complex mesh structures that can be created by AMESH.

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    Initial conditions on liquid saturation.

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    Four scenarios according to the role of multi-barriers and concrete container.

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    Liquid saturation distributions in Case A after 0, 10, 50, 100, 200 and 300years.

    JNFCWT-15-219_F6.gif

    Flow flux distributions in Case A after 10, 50, 100, 150, 200 and 300years.

    JNFCWT-15-219_F7.gif

    Liquid saturation changes on each material in Case A.

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    Compare liquid saturation distributions between monthly rainfall and long-term-averaged rainfall.

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    Liquid saturation distributions in Case B after 0, 10, 50, 100, 200 and 300years.

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    Flow flux distributions in Case B after 10, 50, 100, 150, 200 and 300years.

    JNFCWT-15-219_F11.gif

    Liquid saturation changes on each material in Case B.

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    Liquid saturation distributions in Case C after 0, 10, 50, 100, 200 and 300years.

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    Flow flux distributions in Case C after 10, 50, 100, 150, 200 and 300years.

    JNFCWT-15-219_F14.gif

    Liquid saturation changes on each material in Case C.

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    Liquid saturation distributions in Case D after 0, 10, 50, 100, 200 and 300years.

    JNFCWT-15-219_F16.gif

    Flow flux distributions in Case D after 10, 50, 100, 150, 200 and 300years.

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    Liquid saturation changes on each material in Case D.

    Table

    Material properties, assumed variabilities and feasible parameter range

    Reference

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