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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.17 No.S pp.15-24
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.S.15

Geological and Hydrogeological Evaluations of Field Conditions for In-DEBS Test

Nak-Youl Ko*, Wan Hyoung Cho, Geon Young Kim
Korea Atomic Energy Research Institute, 111, Daedeok-daero 989beon-gil, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
Corresponding Author. Nak-Youl Ko, Korea Atomic Energy Research Institute, E-mail: nyko@kaeri.re.kr, Tel: +82-42-868-4929
October 29, 2018 November 29, 2018 December 26, 2018

Abstract


In order to understand behaviors of engineered barriers for geological disposal of high-level radioactive wastes, an In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) test was planned. Geological and hydrogeological data of KURT (KAERI Underground Research Tunnel) site were obtained and analyzed to select an appropriate position for the In-DEBS test. Proper research galleries in the extended section of KURT were decided on for the test using regional data of the KURT site. Borehole investigations were carried out to examine local properties of the research galleries in order to characterize groundwater flow and evaluate groundwater inflow at the research galleries. The data from the borehole investigations provided the basis for selecting the position of a large-diameter borehole for the In-DEBS test as well as other practical requirements for implementing the test in the KURT conditions. From in-situ investigation of a wall of the large-diameter borehole, groundwater inflow and distribution of hydraulic conductivity at the wall were evaluated. The hydrogeological data and analysis results in this study can be applied to understand and simulate the evolution of the behavior of In-DEBS and nearby rocks.



In-DEBS 시험구간의 지질 및 수리지질학적 특성 평가

고 낙열*, 조 완형, 김 건영
한국원자력연구원, 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 111

초록


고준위방사성폐기물의 심지층처분시스템을 이루는 요소인 공학적방벽이 처분환경에서 어떻게 변화할 것인가를 이해하 기 위해 In-DEBS 시험이 계획되었고, In-DEBS 시험을 수행할 위치를 선정하기 위하여 심지층처분을 위한 지하연구시설인 KURT 부지 및 확장구간에 대한 지질 및 수리지질학적 자료가 조사, 분석되었다. KURT 부지 및 확장구간에서 조사된 자료 를 이용하여 시험을 수행할 수 있다고 판단되는 연구 갤러리를 결정하였고, 연구 갤러리 내에서의 국지적인 특성을 파악하 기 위하여 시추공 조사가 이루어졌다. 부지규모 자료의 분석 및 시추공 조사 자료를 이용하여 지하수 유동에 관한 수리지질 학적 특징 및 지하수 유입량이 평가되었으며, In-DEBS 시험을 현장에서 준비하고 수행하기 위해 요구되는 조건을 함께 고려 하여 In-DEBS 시험에 이용될 대구경 시추공의 위치를 선정하였다. 굴착된 대구경 시추공의 공벽을 조사하여 지하수 유입량 을 평가하고 공벽 부근의 수리전도도 분포를 평가하였다. 본 연구를 통해 정리된 수리지질학적 자료는 In-DEBS 시험 현장 에서 관측되고 있는 자료를 해석하여 공학적방벽의 변화 과정을 해석할 때에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017M2A8A5014857
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    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

    원자력발전에서 발생하는 사용후핵연료를 포함한 고준 위방사성폐기물의 안전한 처분을 위한 연구가 국내외에서 이루어지고 있는데, 제안된 여러 가지 처분 방법 중에서 현재 가장 널리 고려되고 있는 방법으로는 심지층처분(deep geological disposal)이 있다. 이 방법은 고준위방사성폐기물을 누출이 일어나지 않을 처분용기에 넣어 지하 심부에 두고, 처 분장을 외부로부터 격리시키는 방식인데, 현실적으로 제시 된 체계로는 스웨덴의 SKB (Svensk Kärnbränslehantering AB)가 제안한 KBS-3 방식이 대표적이다. 현 시점에서 국내 에서도 이 방식을 기준으로 하여 고준위방사성폐기물의 심 지층처분에 대한 연구가 이루어지고 있다[1].

    한국원자력연구원(Korea Atomic Energy Research Institute, KAERI)은 사용후핵연료 등의 고준위방사성폐기물 처분을 위한 심지층처분 연구를 수행하고 있으며, 처분 연 구를 위한 지하연구시설인 KURT (KAERI Underground Research Tunnel)를 운영하고 있다[2]. KURT 내부에서는 지하 공간의 지질 및 수리지질학적 특성 평가를 위한 연구 이외에 도 다양한 연구가 수행되고 있으며, 공학적방벽의 현장 시험 을 위한 In-DEBS 시험도 포함되어 있다[2].

    심지층처분시스템의 구성요소인 공학적방벽, 특히 공학 적방벽의 주요 구성요소인 완충재의 시간에 따른 변화를 지하 환경에서 관측하여 처분장 설계나 운영에 필요한 자료를 얻 기 위한 시험이 이루어질 때에는 팽윤 현상과 같은 완충재의 변화를 발생시키는 주요 원인이 되는 지하수의 유동 환경 빛 완충재로의 유입량에 대한 정보를 이해하고 있어야 한다. 이 런 이유로 시험 위치에 대한 수리지질학적 특성을 파악하기 위한 현장 조사와 조사 결과에 대한 평가가 먼저 이루어지 며, 이러한 자료들은 시험 기간 중에 관측된 변화를 해석하 는데 이용된다[3-5].

    스웨덴의 Äspö 암반연구소(Äspö Hard Rock Laboratory) 에서는 SKB의 심지층처분시스템에 대한 시험 및 실증 을 위해 원형처분장 시험(Prototype Repository Test)이 이루 어졌다[3]. 이 시험은 처분이 이루어지는 과정에 대한 실용적 이고 공학적인 수단에 대한 개발 및 시험을 위해 수행되었다. 시험 과정은 크게 세 단계로 나누어 이루어졌는데, 첫 번째 단계에서는 시험이 이루어질 실제 규모의 처분공에 대한 수 리적 특성에 대한 조사 및 평가가 이루어졌다. Äspö 암반연 구소에서 관측된 지하수두(hydraulic head) 및 투수성 단열 의 분포에 대한 정보를 바탕으로 굴착된 시험공에 나타나는 단열 분포를 파악하고, 시험공으로 유입되는 지하수의 양을 현장에서 측정하였다. 그리고 Äspö 암반연구소의 전체적인 지하수두 분포를 이용하여 시험공 공벽 주변의 수리전도도 를 평가하였다. 이렇게 정리된 자료는 완충재를 이루는 벤토 나이트(bentonite)의 습윤 과정(wetting process)에 대한 추 정, 시험공 주변의 암반에 대한 구조 모델(structure model), 시험공 주변의 지하수 유동 모델 구성 및 해석을 위한 기본 적인 자료로 이용되었다[3].

    핀란드에서는 심지층처분 조건에서 요구되는 기계 장치를 어떻게 제작할 것이며 그것에 대한 실증을 어떻게 계획할 것인지를 알기 위해 실제 규모보다 약 40%정도로 작은 중 간 규모의 처분용기 및 공학적방벽을 만들고, 지하암반특 성화시설(underground rock characterization facility)인 ONKALO에 설치하여 완충재인 벤토나이트의 변화를 관측 하였다[4]. 이 시험에서는 설치 초기에 완충재를 이루는 벤 토나이트에서 발생할 수 있는 사항에 대해 주목하였다. 특 히, 처분용기에 의한 열의 분포, 완충재 블록(block) 사이의 공간(gap)에서 시작되어 블록으로 침투해가는 지하수에 의 해 발생하는 포화의 속도(saturation rate), 지하수의 유입으 로 인한 완충재의 팽윤(swelling), 침식(erosion), 관공작용 (piping), 상승(uplifting) 등의 영향에 대한 정보를 얻는 것 을 목표로 수행되었다[4]. 이 시험을 위해 지질 및 수리지질 학적 조사가 먼저 이루어졌다[4,5]. 지질 조건은 암반의 등 급(rock quality designation, RQD)과 단열의 빈도 및 분포 등이 조사되었으며, 지하수 유입량도 함께 측정되었다. 이 런 정보는 시험공 주변에 대한 지질 및 수리지질학적 조건 에 대한 기본 자료를 제공하여 시험이 수행되는 중에 관측 되는 온도의 변화나 처분용기의 변이(displacement), 완충 재의 습도 변화 및 팽윤에 의한 압력변화를 해석하기 위해 정리되었다.

    In-DEBS 시험에서는 공학적방벽 중에서 특히 완충재의 시간에 따른 변화를 관측하는것이 목적인데, 지하수의 유입 은 완충재의 팽윤 현상 등의 변화를 발생시킨다. 따라서 지 하수의 유동 환경 및 유입량을 시험 전에 파악해야 현장에 측 정된 완충재의 변화 양상을 이해할 수 있고, 관측자료를 수 치모의 등을 통해 해석하는데 필요한 현장의 환경자료를 구 축할 수 있기 때문에 시험 위치에 대한 수리지질학적 특성에 대한 평가가 필요하다.

    본 연구의 목적은 KURT 부지 조사 및 시추공 조사에서 획득한 지질 및 수리지질학적 자료의 분석과 현장조사 등을 통해 In-DEBS 시험을 수행하는데 적절한 위치를 선정하는 방안을 제안하는 것이다. 이를 위해 우선 KURT 부지, KURT 확장구간, 확장구간 내의 연구 갤러리(research gallery)로 규 모를 줄여가면서 지질 및 수리지질학적 특성을 파악하였다. 그리고 시추공 조사 및 수리시험을 통해 In-DEBS 시험 위치 를 결정하는데 이용할 수리지질학적 자료를 획득하고 그것 을 분석하였다. In-DEBS 시험공이 굴착된 후에는 시험공으 로의 지하수 유입량을 현장 측정하고 그 자료를 통해 시험공 주변의 수리지질학적 특성의 분포를 평가하였다. 마지막으 로 시험위치 선정을 위해 이루어진 조사 및 조사를 통해 얻은 자료의 분석과 평가를 통해 수리지질학적 자료가 In-DEBS 시험 결과를 해석하는데 어떻게 이용될 수 있을지를 논의하 여 수리지질학적 자료의 중요성을 제시하였다. KURT 확장구 간에서 이루어진 본 연구는 공학적방벽의 성능 확인을 위한 시험에 필요한 현장의 기초적인 수리지질학적 자료 구축이 라는 점에서 앞서 언급한 스웨덴이나 핀란드에서 이루어진 연구와 연관되어 있다. 다만, 처분부지가 아닌 지하연구시설 에서 원래의 설계보다 축소된 규모의 시험을 위한 현장조사 라는 점에서 두 국가에서 이루어진 시험과 각각 차이가 있다.

    2. 연구방법

    2.1 연구지역에 대한 기존 자료 분석

    본 연구에서 수행된 지질 및 수리지질학적 자료의 조 사와 평가는 KURT 부지를 대상으로 이루어졌다(Fig. 1). KURT 부지에 대한 지질 및 수리지질자료는 KURT 건설을 위한 부지조사가 시작된 이후로 다양한 연구를 통해 정리되 었다[2, 6]. In-DEBS 시험이 이루어지는 KURT 확장구간은 2015년에 완공되어 공학적방벽 외에 단열 암반에서의 지하 수 및 용질이동 특성을 파악하는 연구가 이루어졌으며, 현재 도 계속해서 수행되고 있다[2].

    KURT를 확장하면서 획득된 자료를 이용하면 KURT 확 장구간의 지질특성을 살펴볼 수 있으며, 이를 이전에 정리 된 KURT 부지주변의 지질특성과 비교할 수 있다. 이는 수리 지질학적 특성의 유추에도 이용해 볼 수 있다. 특히 MWCF (Major Water Conducting Feature)를 포함한 단열의 분포와 그것을 통한 지하수의 유동을 대략적으로 예상할 수 있는데, MWCF와 같은 대규모 단열대의 존재는 지하수의 유입에 의 한 완충재의 변화를 관찰하는 In-DEBS 시험을 위한 적절한 위치를 선정하는데 중요한 요건이 될 수 있다.

    2.2 In-DEBS 시험 위치 선정을 위한 시추공 조사

    기존의 자료가 KURT 부지 및 확장 구간에 대한 전체적 인 특성을 보여준다고 한다면, 확장구간 내의 연구 갤러리 에서 관측된 자료는 해당 연구 갤러리의 국지적 특성을 나 타낸다고 할 수 있다. In-DEBS 시험 위치 선정을 위해 후 보 영역에 대한 지질 및 수리지질학적 자료가 필요하였고, 그것을 관측하기 위해 시추공 조사를 수행하였다[7,8]. 시추 공 조사에서는 기존 자료를 통해 In-DEBS 시험을 수행하는 데 선호되는 조건을 갖춘 것으로 예상되어 선정된 KURT 확 장구간의 연구 갤러리들에 대한 국지적인 지질 및 수리지질 특성을 NX 규격의 시추공을 설치하여 조사하였다. 시추공 조사 결과는 In-DEBS 시험공의 위치를 선정하는데 필요한 현장자료로 이용되었다[8].

    수리지질학적 조사에서는 지하수위 및 시추공으로의 지 하수 유입량 측정과 함께 수리특성 파악을 위한 수리시험 이 이루어졌다. 지하수위는 조사 구역의 지하수 흐름에 대 한 개괄적인 예상을 위한 기본 자료로 이용하기 위해 측정 하였다. 지하수 유입량은 정상 상태(steady-state)에서의 지 하수 수위를 양수(pumping)를 통해 인위적으로 낮춘 후에 다시 원래의 상태로 회복되는 양상을 관측하여 측정하였다. 그리고 시험공으로 이용될 대구경 시추공으로의 지하수 유 입량 추정값은 조사위치 주변의 지하수가 시추공의 횡단면 을 수직방향으로 흘러가며, 현재의 시추공으로 유입되는 지 하수와 대구경 시추공으로 유입되는 지하수의 양은 횡단면 의 면적에 비례한다는 가정을 세워 계산하였다. 즉, 조사용 시추공과 대구경 시추공의 심도가 동일한 경우라면, 시추공 의 지름이 두 배가 되면 지하수 유입량도 두 배가 되는 비례 관계를 갖는다고 가정한 것이다. 이렇게 계산된 지하수 유 입량은 조사용 시추공 위치에 대한 상대적인 비교를 위해 이 용되었다. 수리시험은 시추공의 조건에 따라 정압수리시험 (constant head injection test) 또는 순간수위변화시험(slug test)이 수행되었다[7,8].

    2.3 In-DEBS 시험공의 수리지질학적 특성 조사

    시추공 자료의 분석을 통해 연구 갤러리의 국지적 특성, 특히 수리지질학적 특성을 평가하여 In-DEBS 시험에 이용 될 대구경 시추공의 설치 위치를 선정하는데 이용하였다. 그 리고 다른 현장 조건을 함께 고려하여 선정된 위치에 대구경 시험공을 굴착하였다[7]. 그리고 향후 In-DEBS 시험을 통해 획득될 현장자료의 해석에 이용될 시험공에 대한 수리지질 학적 특성이 현장에서 측정되었다[8]. 현장에서는 육안 관찰 을 통해 시험공 벽면에 대한 조사가 이루어졌으며, 시추공 벽면을 일정한 면적의 구역으로 구분하여 각 구역에 대한 지 하수 유출량을 현장에서 측정하였다(Fig. 2). 각각의 구역 표 면은 물리적으로 분리되었으며, 각 격자에 흡습지를 설치하 였다. 그리고 KURT 내부의 공기에 있는 습기로 인한 영향을 최소화하고 흡습된 지하수가 증발되는 것을 방지하기 위해 각 격자를 공기가 바로 닿지 못하도록 하였다. 지하수 유출 량은 일정 기간이 지난 후에 발생하는 흡습지의 무게 차이를 측정하여 평가하였다.

    3. 연구 결과

    3.1 기존 자료의 분석을 통한 시추공 조사지점의 결정

    KURT 건설 및 부지 주변에 대한 기존 조사자료를 살펴 보면, KURT 부지 주변은 중생대 복운모 화강암과 시대미상 의 화강편마암이 우세하다[9-12]. 복운모 화강암은 연구지역 에 가장 넓게 분포하는 심성암으로 화강편마암을 관입하고 있으며, 흑운모 화강암과는 점이적인 관계에 있다. KURT의 전 지역에 걸쳐 광범위하게 분포하는 복운모 화강암은 주로 석영, 사장석, 미사장석, 정장석, 백운모, 흑운모 등으로 구 성되며, 그 외에 저어콘 및 인회석 등도 관찰된다. 맥암류는 대부분 산성암맥으로 석영반암과 함께 주로 NS 내지 N10°W 의 관입 방향을 보이며, 유사한 방향인 남북방향으로 선구조 또는 단열대가 관측된다[9].

    KURT 확장구간을 중심으로 보면, KURT 부지에서 보이 는 복운모 화강암이 우세하게 나타난다[12]. 단열 등에 의한 불연속면의 방향성은 크게 N12~20E/68~88SE 및 N6~20W/ 72~88NE로 나타나는데, 단층파쇄대를 포함하는 함수대는 N8~12E/60~70SE와 N2W/80SW 방향을 갖는 것으로 관측 되었다(Fig. 3). 이 함수대는 KURT 부지 조사과정에서 대표 적인 MWCF로 확인되었다[12].

    KURT 부지의 지하수 유동 양상을 보면, 상부의 토양층 과 풍화대를 포함하는 암반층에서는 지형의 표고차의 영향 을 받아 지하수 유동이 발생하며, 계절적 변화는 강수에 의 해 나타나는 것으로 평가되었다[12]. 그러나 심도 20~80 m 사이에 발견되는 저경사 단열대를 포함한 상부 단열암반 아 래의 지하수는 불규칙한 분포를 보이며 단열의 분포가 유동 에 영향을 주는 것으로 분석되었다[12]. 단열에 의한 지하수 두 분포의 변동은 투수량계수가 크게 측정되어 지하 심부에 서의 주된 지하수 유동로로 생각되는 MWCF를 경계로 더욱 확실하게 나타난다. 다른 구역의 지하수두 분포는 지표면의 고도와 유사한 완만한 형태를 보이지만, MWCF 주변의 지하 수두 분포는 수두구배가 크고 MWCF 주변에서 수두가 급격 히 떨어지는 양상을 보인다[12]. KURT 심도 부근에서의 지하 수 흐름은 굴착된 공간인 KURT 내부로 지하수가 유입되는 양상을 보이고 있으며, KURT 확장구간을 중심으로 지하수 두 분포를 분석한 결과에서는 확장구간에서 확인된 MWCF 로 지하수가 유입되면서 지하수 유동에 영향을 끼치는 것으 로 나타났다[12].

    In-DEBS 시험을 수행하거나 현장에서 관측한 자료를 해 석할 때, MWCF에 의한 많은 양의 지하수 유입 또는 기후 등 의 환경 조건 변화로 인한 급격한 지하수 유입량 변화가 현 장 변화 해석에 불확실성을 증가시킬 가능성이 있다고 판단 되었다. 그래서 MWCF가 존재하는 구역은 In-DEBS 시험공 굴착 위치로 적합하지 않다고 생각하여 배제하였다. KURT 확장구간의 경우, 구간 입구를 관통하는 함수대가 MWCF 로 확인되었기 때문에[12], 함수대가 지나가는 RG-3의 부분 은 시험공 후보 위치에서 제외하였다(Fig. 3). 그리고 현장 에서의 육안 관측을 통해 KURT 확장구간의 벽면에서 유입 되는 지하수의 양이 상대적으로 적고, 시험공 굴착에 필요한 공간의 확보가 가능한 위치를 고려하여 In-DEBS 시험공 굴 착을 위해 필요한 국지적인 자료를 획득할 시추공 조사를 수 행하는 구역으로 연구 갤러리 3(RG-3)의 남동쪽 구역과 연구 갤러리 4(RG-4)의 구역을 선정하였다(Fig. 4).

    3.2 시추공 자료의 분석과 현장 조건을 고려한 시험위치 선정

    상대적으로 광역 규모인 KURT 부지 및 확장구간의 지질 및 수리지질 자료를 분석하여 In-DEBS 시험의 후보 위치가 될 구역을 연구 갤러리 3과 4로 좁히고, 두 구역에 시추공을 설치하여 현장 시추공 조사를 수행하고 수리지질 특성을 파 악하기 위한 수리시험을 수행하였다[7,8].

    시추공 조사를 통한 지질조사 자료를 보면, 연구 갤러리 3과 4에서는 석영, 운모류 및 장석류를 구성하는 중립 내지 조립 화강암이 관찰되어 KURT 부지 및 확장구간 전체의 양 상과 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 단열의 방향성을 보 면, 연구 갤러리 3에서는 주로 N40~60E, N60W의 주향을 갖 는 단열이 관찰되며, 남북방향의 단열은 그 다음 빈도로 나 타났다[8]. 이에 비해 연구 갤러리 4에서는 남북방향의 단열 이 비교적 우세하게 나타났다. 따라서 연구 갤러리 3과 4의 단열 분포는 KURT 부지 및 확장구간과 비교해 볼 때, 국지 적으로는 약간 다르게 나타나기도 하지만 전반적으로는 유 사한 양상을 지닌 것으로 볼 수 있다. In-DEBS가 설치될 심 도인 심도 0~4 m 구간에서 지하수를 포함하고 있거나, 지하 수가 비교적 용이하게 유동할 수 있는 단열 또는 파쇄대는 CP3-1과 2 시추공을 제외한 모든 시추공에서 관찰되었다. 특히, CP3-3 시추공에서는 수십 cm 길이의 파쇄대도 관찰 되었다[8].

    의미 있는 지하수위가 관측되지 않고, 인위적인 수위 변 화에도 반응을 보이지 않는 CP3-1 시추공을 제외한 5개 시 추공에서 이루어진 지하수위 측정과 지하수 유입량 관측 및 추정, 수리시험 결과 해석을 통해 조사 구역의 수리지질학 적 특성을 분석하였다. 우선 지하수위의 경우, 연구 갤러리 3에 설치된 시추공(CP3-2~3)의 In-DEBS 설치 심도에서 관 측된 지하수위는 시추공 보호를 위한 케이싱 높이를 고려하 면 KURT 확장구간 바닥 심도와 거의 유사하게 나타났다. 연 구 갤러리 4의 시추공(CP4-1~3)에서는 보다 높은 지하수위 가 관측되었으나, 큰 차이는 없었다(Table 1).

    지하수위의 차이는 In-DEBS 시험 중에 지하수가 유입되 는 방향을 예상하는데 이용될 수 있는데, 지하수위가 설치심 도 이하인 경우 In-DEBS로 유입되는 지하수가 없을 수도 있 다. 지하수가 In-DEBS의 측면이 아니라 하부로부터 상승하 는 흐름으로 도달하는 상황은 설치심도보다 깊은 지점의 지 하수위가 상부보다 높을 경우에 발생할 수 있는데, 현장 관 측 결과로는 CP3-2와 3, CP4-1 시추공 부근에서 발생할 것 으로 예상되었다. CP4-2와 3 시추공 부근은 측면 및 상부에 서 하부로의 지하수 흐름에 의해 지하수가 도달할 것으로 예 상되었다[8].

    시추공으로의 지하수 유입량은 각각의 격리된 구간에서 지하수위를 인위적으로 낮춘 후에 수위가 회복되는 양상을 관측하여 측정하였고, 측정된 자료를 이용하여 In-DEBS 시 험공의 규모인 860 mm의 직경을 갖는 시추공으로의 지하 수 유입량을 추정하였다(Table 1). 추정된 지하수 유입량을 보면, 0.1 L·min-1 이하의 값은 CP3-2 시추공에서만 나타나 는 것으로 계산되었다. 참고로 스웨덴이나 핀란드에서는 처분공으로 유입되는 지하수 유입량의 허용최대값을 0.1 L·min-1으로 제시하고 있다[13,14].

    시추공에서 이루어진 수리시험을 통해 설치 심도에서 측 정된 수리전도도를 보면, 전반적으로 연구 갤러리 3에 설치 된 시추공 주변의 수리전도도가 연구 갤러리 4에 설치된 시 추공 주변의 수리전도도보다 낮게 나타났다(Table 1). 다만, 파쇄대가 나타난 CP3-3 시추공에서 추정된 수리전도도가 투 수성이 있는 단열이 관찰되지 않은 CP3-2 시추공에서 추정 된 수리전도도에 비해 낮게 계산되었다. 이는 시추공 굴착 지 점의 매우 국지적인 구조에 의한 영향으로 생각되었으며, 해 당 연구 갤러리 구역의 암반에 대한 수리지질학적 불균질성 이 매우 크다는 것을 보여주는 것으로 해석되었다.

    시험공 위치 선정에는 수리지질학적 조건 외에 In-DEBS 시험을 수행하기 위해 필요한 요건도 고려되었다[7]. In- DEBS 시험 수행에 관한 측면에서는, 시험 기간 중에 시험공 주변에 발생하는 열에 의한 응력 변화를 관측하기 위한 관측 공, 특히 가능한 한 수평방향으로 설치되는 것이 선호되는 경 사공의 설치에 대한 용이성과, In-DEBS를 시험 현장에서 조 립하는 상황에서 조립에 이용되는 벤토나이트 블록이 KURT 벽면에서 유출되는 수분에 받게 될 영향을 최소화하는 것을 선정 기준으로 하였다. 수리지질학적 측면에서는 In-DEBS 시험의 진행을 위해 지하수의 유입은 있어야 하지만 단열이 나 파쇄대가 존재하여 수리전도도가 크게 나타나고 상대적으 로 많은 양의 지하수 유입이 발생할 가능성이 있는 곳은 되도 록 지양하는 방향으로 시험공 위치를 선정하였다. 각 항목에 대한 비교는 상대적으로 이루어졌다. Table 2에는 Table 1에 제시된 지하수 유입량과 수리전도도 외에 시험공 위치 선정 에 이용된 항목을 제시하였다.

    Table 2의 각 항목을 종합적으로 비교하여 연구 갤러리 3 의 시추공 CP3-2와 CP3-3의 중간 위치를 In-DEBS 시험의 시 험공 위치로 선정하였다(Fig. 5). 선정과정에는 Table 2에 제 시된 내용 이외에, CP3-2는 KURT 홍보를 위한 전시용 암벽 과 가까이 위치해 있다는 점, CP4-1, 3의 수리전도도는 KURT 부지에 대한 조사자료에서 단열대로 분류된 수준이라는 점, CP4-2는 주변에 있는 CP4-1과 CP4-3 관정의 유출량이 상대 적으로 매우 크게 측정되었다는 점 등도 함께 고려되었다.

    3.3 In-DEBS 시험공 조사 및 지하수 유입량 산정

    In-DEBS 장치의 설치를 위해 직경 860 mm의 대구경 시 험공이 굴착되었다. 굴착된 시험공으로 유입되는 지하수의 양을 평가하기 위해 시험공 벽면에 대한 조사가 이루어졌다. 시험공 공벽에 대한 현장 육안 조사 및 공벽을 촬영한 사 진 자료를 이용하여 발견된 단열은 주향과 경사가 각각 N10~40W, 60~75SW로 관측되었다[8](Fig. 6(a)).

    또한 굴착된 상태에서의 지하수 유입량을 측정하기 위 해 시험공의 벽면을 일정한 크기의 격자로 나누고, 각각의 격자에서 유출되는 지하수의 양을 현장에서 측정하여 지하 수 유입량을 평가하였다(Fig. 2). 각각의 격자에서 유출되 는 지하수에 대한 현장 측정 자료를 이용하여 시험공 벽면 전체에 대한 지하수 유입 분포를 분석하였다(Fig. 6(b)). 유 입량 분포를 보면, 벽면에서 관찰된 구조가 지하수 유입량 분포와 상관성이 크다고 보기는 어렵다고 판단된다. KURT 확장구간의 터널 바닥면에서 유입된 지하수로 인해 교란 된 측정자료를 주변 지하수 유입량을 이용해 보정한 시험 공으로의 지하수 총 유입량은 1.24×10-5 L·min-1로 계산되 었다[8].

    그리고 유입된 지하수의 양을 이용하여 시험공 벽면의 수리전도도를 추정하였다(Fig. 6(c)). 추정에는 스웨덴의 Äspö 암반연구소에서 이루어진 시험의 해석에 적용된 방법 을 이용하였으며[3], 추정에 필요한 경계조건 등의 자료는 이 전에 이루어진 KURT 부지의 지하수 유동 모델링 결과를 이 용하였다[12]. 추정된 결과를 보면, 각각의 격자에서의 수리 전도도는 4.90×10-12 ~ 2.56×10-11 m·s-1로 평가되었다. 수리 전도도의 분포는 시험공의 벽면에서 관측된 단열이나 불연 속 구조와는 크게 상관이 없는 것으로 나타났다.

    4. 토의 및 결론

    In-DEBS 시험에 이용할 대구경 시험공의 위치를 선정 하기 위하여, KURT 부지규모와 KURT 확장구간 규모의 지 질 및 수리지질학적 특성이 분석되었고, 확장구간의 연구모 듈에 설치된 시추공 조사 자료를 이용하여 보다 국지적인 수 리지질학적 특성을 평가하였다. In-DEBS 시험공의 위치는 조사를 통해 측정 및 분석된 수리지질학적 특성 외에 시험 을 수행하기 위한 현장 조건을 고려하여 선정되었다. 시험공 은 860 mm의 대구경으로 굴착되었으며, 시추공 공벽에 대 한 현장조사를 통해 시험공으로의 지하수 유입량이 현장에 서 측정되었고, 측정된 유입량을 이용하여 시험공 벽면 근방 의 수리전도도 분포도 분석되었다.

    이렇게 평가된 수리전도도 분포 및 지하수 유량 분포는 향후 In-DEBS 시험이 진행되면서 획득될 여러 가지 자료의 해석에 이용될 수 있을 것이다. 예를 들면, 온도의 분포나 벤 토나이트 내의 수분 분포가 방향에 따라 다르게 나타나거나 국지적인 불균질성을 보일 경우, 이를 수리전도도나 지하수 유입량 분포와 비교하여 해석할 수 있다. 또한 상대습도의 시간에 따른 변화도 지하수 유입량을 통해 해석할 수 있다. 특히, 벤토나이트로 이루어진 완충재의 성능을 가늠할 수 있 는 요소인 지하수 유입의 차단 및 누출된 핵종의 격리에 요 구되는 벤토나이트의 특성인 팽윤 현상을 분석하기 위해서 는 지하수의 유입과 관련된 자료가 필요한데, 이에 필요한 자료를 시험공 선정 과정 및 굴착된 시험공에서 획득한 수리 지질학적 자료를 분석하여 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

    다만 국내의 지하연구시설에서는 처음으로 이루어진 연 구이기 때문에, 보다 깊은 분석과 평가가 필요한 점도 있었 다. 그 중 하나로는 시험공으로의 지하수 유입량을 시추공 조사를 통해 평가한 수치와 대구경 시험공에서 측정한 값이 차이를 보인다는 점을 들 수 있다. 이는 지하수 흐름방향의 수직면 면적에 지하수 유량이 비례한다는 가정 조건에 문제 가 있거나, 굴착 방식으로 인한 단열의 닫힘, 또는 배경단열 의 분포를 포함한 시추공 주변의 불연속 구조에 대한 국지적 인 특성으로 인해 발생한 것일 수 있는데, 차이가 발생하는 이유를 파악하고 그것을 줄일 수 있는 방안을 제시할 수 있어 야 할 것이다. 그리고 이 연구에서는 시험위치 선정과정에서 시추공 조사위치 각각에 대한 지하수 유입량을 상대적으로 비교하였지만, 실제 처분공에 대한 수리지질학적 평가에서 는 지하매질의 불균질성을 고려할 수 있는 정량적인 평가가 이루어질 수 있는 방안을 적용해야 할 것으로 생각된다. 또 한 강수량의 연변화를 고려하여 지하수 유입량의 연간변화 도 분석할 수 있도록 해야 관측자료에서 나타날 수 있는 계절 에 따른 변이도 분석할 수 있을 것으로 판단되었다.

    감사의 글

    이 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 시행하는 한국연 구재단의 원자력기술개발사업의 지원으로 수행되었습니다 (과제번호: NRF-2017M2A8A5014857).

    Figure

    JNFCWT-17-S-15_F1.gif

    Location and outline of KURT.

    JNFCWT-17-S-15_F2.gif

    In-situ measurement of groundwater inflow at the In-DEBS test borehole with depth of 2.8 m and diameter of 860 mm.

    JNFCWT-17-S-15_F3.gif

    Extended section of KURT (Phase Ⅱ in Fig. 1) and water-conducting fracture zones (RG: Research Gallery).

    JNFCWT-17-S-15_F4.gif

    Locations of the investigation boreholes.

    JNFCWT-17-S-15_F5.gif

    The selected position of the In-DEBS test borehole.

    JNFCWT-17-S-15_F6.gif

    The results of survey for the wall of the In-DEBS test borehole ((a) optical image, (b) groundwater inflow, (c) estimated hydraulic conductivity).

    Table

    Hydraulic heads and groundwater inflows observed at the investigation boreholes, and the estimated hydraulic conductivities for the depth of In-DEBS test (0~4 m from the floor of KURT)

    Evaluation of additional items for selecting the position of In-DEBS test [7]

    Reference

    1. H.J. Choi, J.Y. Lee, and J. Choi, “Development of Geological Disposal Systems for Spent Fuels and High-level Radioactive Wastes in Korea”, Nucl. Eng. Technol., 45(1), 29-40 (2013).
    2. J. Lee, I.Y. Kim, D.S. Bae, M. Lee, Y.M. Lee, and H.J. Choi, A Safety Case of the Conceptual Disposal System for Pyro-processing High-Level Waste Based on the KURT Site (AKRS-16): Ⅰ. Design Base & Disposal Facility, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-6727/2016 (2016).
    3. T. Forsmark, I. Rhén, and C. Andersson, Prototype Repository. Hydrogeology - Deposition- and lead-through boreholes: Inflow measurements, hydraulic responses and hydraulic tests, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company Report, SKB IPR-00-33 (2001).
    4. I. Hakola, H. Kivikoski, M. Löija, and P. Marjavaara, Designing, Commissioning and Monitoring of 40% Scale Bentonite Buffer Test, Posiva Oy Working Report, POSIVA 2015-08 (2015).
    5. V. Toropainen, Bentonite Buffer Pre-Test – Core Drilling of Drillholes ONK-PP264…267 in ONKALO at Olkiluoto 2010, Posiva Oy Working Report, POSIVA 2010-85 (2010).
    6. W.J. Cho, J.H. Park, and S.K. Kwon, Investigation and Evaluation of the Site for the Small Scale Underground Research Tunnel, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-2751/2004 (2004).
    7. N.Y. Ko and G.Y. Kim, Hydrogeological Survey of Candidate Test Boreholes for In-DEBS Test, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR- 6034/2015 (2015).
    8. N.Y. Ko and G.Y. Kim, Borehole Investigation for the In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) Test, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-6975/2017 (2017).
    9. G.Y. Kim, Y.K. Koh, D.S. Bae, and C.S. Kim, “Mineralogical Characteristics of Fracture-filling Minerals from the Deep Borehole in the Yuseong Area for the Radioactive Waste Disposal Project”, J. Miner. Soc. Korea, 17(1), 99-144 (2004).
    10. H.I. Park, J.D. Lee, and J.G. Jeong, Geological map of Korea (Yousung sheet 1:50,000), Korea Institute Geoscience and Mineral Resources, Republic of Korea (1977).
    11. S.M. Lee, H.S. Kim, and K.C. Na, Geological map of Korea (Daejeon sheet 1:50,000), Korea Institute Geoscience and Mineral Resources, Republic of Korea (1980).
    12. S.H. Ji, N.Y. Ko, Y.K. Koh, J.S. Kwon, J.H. Ryu, K.W. Park, C.K. Park, S. Yoon, S.Y. Lee, J.K. Lee, J. Lee, C. Lee, and S. Jung, A Safety Case of the Conceptual Disposal System for Pyro-processing High-Level Waste Based on the KURT Site (AKRS-16): Ⅱ. Site Description, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-6728/2016 (2016).
    13. Posiva Oy, Safety Case for the Disposal of Spent Nuclear Fuel at Olkiluoto - Performance Assessment 2012, Posiva Report, POSIVA 2012-04 (2012).
    14. Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co., Long-term Safety for KBS-3 Repositories at Forsmark and Laxemar – a First Evaluation, Main Report of the SR-Can Project, SKB Technical Report, SKB TR-06- 09 (2006).
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      http://www.jnfcwt-en.or.kr

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