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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.45-63
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.S.45

Implementation of In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System)

Young-Chul Choi*, Jin-Seop Kim, Seok Yoon, Changsoo Lee
Korea Atomic Energy Research Institute, 111, Daedeok-daero 989beon-gil, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
Corresponding Author. Young-Chul Choi, Korea Atomic Energy Research Institute, E-mail: cyc@kaeri.re.kr, Tel: +82-42-868-4870
November 6, 2018 November 29, 2018 December 17, 2018

Abstract


The paper describes the process of developing and implementing In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) for analyzing thermal-hydraulic-mechanical (THM) coupled behavior characteristics of an engineered barrier system in a high-level waste disposal system. The engineered barrier system is composed of a disposal canister, buffer, and near field rock. In-DEBS is designed to analyze the THM coupled behavior due to the inflow of underground water and the heat of disposal canisters in the buffer and near field rock. Since it is difficult to assemble the buffer block while installing sensors and heaters in a disposal hole, the buffer blocks were assembled from the outside. OBPA (One-Body Pre-Assembly) assembled with buffer blocks, sensors and heater requires special transport equipment to accurately insert it into the disposal hole because the total weight is about three tones. In this study, the fully assembled buffer block was inserted by developing a crane exclusively for In-DEBS, which can be moved into an accurate position by lifting more than five tones. To analyze the THM coupled behavior of the near field rock, 4 test holes were cored around In-DEBS and a total of 40 temperature sensors and 5 pore pressure sensors were installed in the test hole. A total of 185 sensors for temperature, relative humidity, pressure and displacement sensors were installed in the In-DEBS. All sensors were connected to a multichannel measuring system that stores field data in real time.



In-DEBS 현장시험 시스템 구축

최 영철*, 김 진섭, 윤 석, 이 창수
한국원자력연구원, 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 111

초록


본 논문은 고준위폐기물 처분시스템에서 공학적방벽의 열-수리-역학적(Thermal-hydraulic-mechanical) 복합거동 실증을 위 한 In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 를 개발하여 구축하는 과정에 대해 설명한다. 공학적방 벽은 크게 처분용기, 완충재 그리고 근계암반으로 이루어져 있는데, In-DEBS는 완충재 및 근계암반을 대상으로 지하수 유 입 및 처분용기의 발열에 의한 THM 복합거동을 분석할 수 있도록 설계되어 있다. In-DEBS 현장시험은 A-KRS의 1/2.3 규모 로 설계되어 있기 때문에 처분공의 지름이 약 860 mm로 작게 굴착하였다. 따라서, 처분공 안에서 센서와 히터를 삽입하면 서 완충재 블록을 조립하는 것은 힘들기 때문에 완충재 블록 일체형 설치 틀(OBPA)를 개발하여 외부에서 모두 조립하였다. 완충재블록, 센서 및 히터가 조립 완료된 일체형 설치 틀은 총 무게가 약 3톤으로 매우 무겁기 때문에, 처분공에 정확히 삽입 하기 위해서는 특별한 운송기구가 필요하다. 본 연구에서는 레일을 이용하여 5톤 이상의 무게를 들어서 정확한 위치에 정치 시킬 수 있는 In-DEBS 전용 크레인을 개발하여 조립완료된 완충재 블록을 삽입하였다. 근계암반의 THM 복합거동을 분석하 기 위해 In-DEBS 주위로 4개의 시험공을 굴착하여 총 40개의 온도 센서와 5개의 간극수압계를 설치하였다. 또한 근계암반 의 변위를 측정하기 위해 원거리에서 두 개의 경사공을 굴착하여 총 10개의 변위 센서를 삽입하였다. In-DEBS에는 공학적 방벽시스템에 온도, 상대습도, 압력, 그리고 변위 센서 등 총 185개의 센서가 설치되어 있으며, 이 센서들은 모두 다채널 동 시 측정이 가능한 계측시스템에 연결되어 실시간으로 현장데이터를 저장하게 된다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017M2A8A5014857
    © 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

    고준위폐기물의 심지층 처분은 자연방벽과 공학적방벽 시스템(Engineered Barrier System)을 이용하여 방사성핵종 이 외부환경으로 누출을 차단시키고 있다. 자연방벽은 지하 암반을 의미하고, 공학적방벽시스템은 처분용기, 완충재 및 근계암반으로 이루어져 있다. 이중에서 완충재는 주위 암반 으로부터의 지하수 유입을 최소화하고, 지하수에 의해 용해 된 방사성 핵종이 유출되는 것을 저지하는 중요한 역할을 하 고 있다. 고준위폐기물의 발열에 의해 완충재는 고온의 환경 에 노출됨과 동시에 암반으로부터 유입되는 지하수에 의해 포화가 일어나는 환경에 접하게 되면서 복잡한 열-수리-역학 적(Thermal-Hydraulic-Mechanical, THM) 복합 거동을 하게 되며, 이는 심지층 처분장의 안전성에 큰 영향을 미치게 된다.

    이에 국외에서는 스페인의 FEBEX (Full scale Engineered Barrier Experiment) 국제공동연구를 통해 실규모 시험[1~2] 과 실규모에 준하는 Mock-up 실험[3]이 수행된 바 있다. 그 리고 프랑스 ANDRA와 스웨덴 SKB에 의해 공동으로 고온 에서 벤토나이트 완충재의 THM거동을 실험적으로 분석하 기 위해 TBT (Temperature Buffer Test) [4~5]를 수행하였 다. 그리고 스웨덴은 Aspo Hard Rock Laboratory 에서 실제 처분시스템의 1/3~1/4 규모 LOT (Long Term Test of Buffer Material) 실증실험을 통해 벤토나이트 완충재의 포화[6], 부 식 특성[7] 등이 수행된바 있다.

    국내에서는 한국원자력연구원[8-10]이 공학적 규모의 실 증시험인 KENTEX 장치를 제작하여 고온환경하에서 지하 수 유입에 따른 완충재의 THM 거동을 평가하고 TOUGH2 코드로 KENTEX 모델에 대해 해석을 수행하였다. 하지만, KENTEX는 실제 지하처분환경이 아닌 지상 시험시설을 이 용하여 완충재의 THM 거동을 분석하였다는 한계가 있다.

    한국원자력연구원에서는 실제 지하처분환경과 유사한 KURT (KAERI Underground Research Tunnel)에서 공학적 방벽시스템의 열-수리-역학적 복합적 거동을 분석하기 위한 1/2.3 규모의 공학적방벽시스템 열-수리-역학적(THM) 복합 거동 현장시험장치(In-DEBS, In-Situ Demonstration of Engineered Barrier System)를 자체 설계하여 개발하였다[11]. In-DEBS는 지하처분환경에서 완충재뿐만 아니라 근계암반 에서 처분용기의 발열, 지하수 유입 등에 의해 발생되는 온 도, 습도 및 압력의 변화를 총 185개의 센서를 통해 측정함으 로써 공학적방벽시스템의 열-수리-역학적 상호 복합거동을 분석할 수 있다. 본 논문에서는 In-DEBS 개발을 통해 현장시 험장치 구축과정에 대해 기술하고자 한다.

    2. In-DEBS 현장시험 개요 및 구성요소

    In-DEBS 현장시험장치는 Fig. 1과 같이 크게 근계암반 의 물성을 측정하는 시스템, 완충재의 물성을 측정하는 시스 템 그리고 및 히터를 제어하는 시스템으로 구성되어 있다. 본 장에서는 In-DEBS의 구성요소에 대해 기술하였다.

    근계암반에서 Fig. 1과 같이 수직방향으로의 온도 분포 및 간극수압 분포를 관찰하기 위해 처분공 주위로 중심에 서 거리가 다른 4개의 시험공에 총 40개의 온도 센서와 5개 의 간극수압 센서를 설치하였다. 그리고, 근계암반에서 변 위는 처분공의 반경 반향이 중요하므로 높이가 다른 2개의 경사공을 뚫어서 각각 6개씩, 총 12개의 암반 변위 센서를 설 치하였다. 근계 암반에 설치된 총 52개의 센서는 통합 데이 터 계측시스템과 연결되어 완충재와 함께 데이터가 동시 측 정되도록 설계 되었다.

    완충재에는 완충재의 열적거동을 분석을 위해 62개의 온 도센서, 수리적 거동을 분석하기 위해 27개의 상대습도센서, 6개의 함습율 센서 및 5개의 간극수압계, 그리고 역학적 분 석을 위해 16개의 압력센서가 설치된다. 총 116개의 센서는 통합계측시스템과 연결되어 데이터를 동시 측정할 수 있다.

    처분용기를 모사하는 히터는 Fig. 2와 같이 표면 온도를 균일하게 제어하기 위해 총 6개의 히터 블록으로 구성되어 있다. 각각의 히터 블록은 표면 온도를 측정하기 위한 센서 가 상하 각각 1개씩 설치되어 있으며, 온도를 피드백 제어하 기 위해 중앙부에 2개의 센서가 설치 되어 있다. 제어용 센서 2개와 히터 코일은 히터 제어기와 연결되어 히터의 온도를 제어하며, 계측용 센서는 통합 계측시스템에 연결되어 근계 암반 및 완충재의 데이터와 동시에 저장함으로써 히터 열과 의 상관관계를 분석하는데 사용된다.

    3. In-DEBS 현장설치

    벤토나이트 완충재 내부에는 처분용기를 모사한 히터 및 THM 복합거동을 분석하기 위한 다수의 센서들이 설치되기 때문에 완충재 블록 조립 시 이를 고려하여 쌓아 올려야 한다. 또한, 시험 공의 지름은 약 860 mm로 사람 한 명이 겨우 들 어갈 수 있는 매우 좁은 공간이기 때문에 이 시험 공 안에서 완충재 블록을 조립하는 것은 현실적으로 불가능에 가깝다. 따라서, 본 장에서는 외부에서 센서 및 히터를 설치하면서 완충재 블록을 조립하여 시험 공에 넣는 방법에 대해 기술 하고자 한다.

    3.1 KURT 시험모듈 상대습도 제어

    완충재 블록은 수분에 매우 민감하기 때문에 완충재 블 록 조립 및 실험을 수행하는 KURT내의 상대습도가 매우 중 요한 인자로 작용한다. 조립하는 동안 상대습도가 너무 높으 면 완충재 블록이 수분을 빨아들여 부피가 커지고, 상대습도 가 너무 낮으면 블록이 갈라지기 때문이다. 따라서, In-DEBS 는 시험공간에서의 온도 및 상대습도가 매우 중요한 역할을 하기 때문에 일정하게 유지하는 것이 중요하다.

    Fig. 3(a)와 같이 In-DEBS를 설치 할 KURT 시험 모듈에 서 휴대용 데이터 수집장치를 이용하여 시간 및 송풍기 운전 조건에 따른 상대습도 변화를 측정하였다. Fig. 3(b)는 약 10 일간 In-DEBS 시험공간에서 측정한 상대습도를 나타내고 있 다. 동굴내의 흡기배기 팬을 가동하지 않을 경우 상대습도가 78%까지 증가하였다. 하지만, KURT의 흡배기 팬을 가동하 면 터널 내의 상대습도가 약 50%까지 감소하고, 팬을 정지시 키면 다시 75%까지 증가하는 형상을 볼 수 있다. 이렇게 터 널 모듈에서 상대습도의 급격한 변화는 완충재 블록 조립시 문제를 야기시키고, 또한 In-DEBS 운영 중일 때도 실험결과 에 영향을 미치기 때문에 상대습도가 일정하게 유지될 수 있 도록 조치가 필요하다.

    본 실험에서는 상대습도가 일정하게 유지시키기 위해 In-DEBS를 설치할 모듈 입구에 흡배기 밸브를 차단하고, Fig. 4(a)와 같이 모듈 입구에 차단 문을 설치하여 상대습도 를 일정하게 유지시킬 수 있도록 하였다. 차단 문 설치 이후 Fig. 4(b)와 같이 KURT내 상대습도는 약 83%로 일정하게 유 지되는 것을 확인할 수 있었다.

    3.2 완충재 블록 일체형 설치 틀 개발

    앞서 설명하였듯이 시험공의 지름이 작기 때문에 In- DEBS 설치 시 완충재 블록을 외부에서 조립 후 시험공에 넣 어야 된다. 이렇게 하기 위해서는 외부에서 완충재 블록, 히 터 및 센서를 조립하여 완충재 블록 전체를 들 수 있는 컨테 이너, 즉 일체형 설치 틀(OBPA, One-Body Pre-Assembly) 이 필요하다.

    본 연구에서는 Fig. 5와 같이 조립 완료된 완충재 블록을 들어서 시험공에 넣을 수 있도록 일체형 설치틀을 개발하였 다. 조립 완료된 완충재, 히터 및 센서의 총 무게는 약 3톤이 기 때문에 이것을 지지할 수 있도록 Fig. 5와 같이 8개의 10 mm 강봉으로 상부플레이트와 하부플레이트를 지지하도록 설계하였다. 상부플레이트는 일체형 설치 틀을 들 수 있게 4개의 지지봉을 설치하였고, 하부플레이트는 바닥에서 지하 수가 잘 유입이 될 수 있도록 다공성으로 설계하였다.

    이러한 설계가 최적화 되었는지 확인하기 위해 제작하 기 전 구조해석을 통해 안전성을 평가하였다. 구조해석 모 델을 설계하기 위해서 Solid해석용 요소를 이용하여 수치 모델링하였다. 수치 모델에 사용된 요소 수는 해의 수렴 성 테스트를 거쳐 130,963개로 결정하였다. 모든 구조물의 재질은 STS304로 가정하였고, Young’s modulus = 2×105 MPa, Poisson’s ratio = 0.3, Yield strength = 250 MPa의 물 성치를 사용하였다. 상부 플레이트와 하부 플레이트에 연결 부위는 탭 가공 후 용접되는 방법으로 고정되므로, 구조해석 에서는 일체형으로 가정하였다.

    Fig. 6과 같이 구조물 상부의 축 방향(z방향)으로 고정된 4개의 고정부(빨간색 점선 표기)는 고정 조건(x = y = z = 0)을 적용하였다. 구조물 내 가해지는 하중은 In-DEBS 전체 하중 을 고려하여 수직 방향(z방향)으로 1, 2, 3, 4 ton으로 분포하 중 조건으로 부여한 후 각각에 대해 구조해석을 수행하였다.

    해석모델은 원통 축을 기준으로 대칭되는 영역이 존재하 므로, 대칭영역 내 해당 되는 4개의 강봉에 대하여 변위량을 계산하였다. 해석 상 최대 하중조건인 4 ton의 경우, 강봉은 안쪽 방향으로 0.173 mm의 변위량이 계산되었다. 하부 플레 이트에 최대 부피가 적재되었다고 가정하였을 때, 적재물과 강봉 사이의 간격은 5 mm 이다. 따라서 상부 플레이트와 하 부 플레이트를 연결하는 ø10 mm 직경의 강봉들은 최대 하중 조건하에서도 삽입물과 간섭이 일어나지 않는 변위만을 겪 게 된다는 것을 확인할 수 있었다.

    Fig. 74톤의 하중 조건에서 일체형 설치 틀의 강봉 및 상부 판에 대한 Von-Mises stress 분포결과를 도식화한 그림 이다. 최대응력은 모두 봉의 하부 판 연결 부위에서 나타났 고 삽입물의 무게가 1 ton일 때 21.3 MPa, 2 ton일 때 38.7 MPa, 3 ton일 때 56.4 MPa, 그리고, 4 ton일 때 73.7 MPa로 계산되었다.

    구조물이 받는 최대 하중인 4 ton인 경우에서, 상부 플레 이트의 최대 Von-Mises 스트레스는 54.7 MPa로 계산되었고 강봉 2와 연결되는 위치에서 나타났다. 하부 플레이트의 최 대 Von-Mises 스트레스는 74.7 MPa로 계산되었다.

    Table 1는 등가응력이 항복강도에 이르렀을 때 항복이 일 어나는 안전계수를 보여주고 있다. 이 안전계수는 안전계수 툴(safety factor tool)에 의해 계산되었다. 이 표에서 보는 바 와 같이 최대 하중이 4톤이라도 약 2.4의 안전계수를 가지기 때문에 완충재 블록 조립체를 시험공에 삽입하기 위해 설계된 컨테이너는 비교적 높은 안전성을 갖는 것으로 분석 되었다.

    3.3 완충재 블록 조립

    벤토나이트 블록 조립을 위해 Fig. 8과 같이 일체형 설치 틀의 하판에 8개의 봉 중 4개의 봉만 설치하였다. 이것은 벤 토나이트 블록이 원판으로 4등분이 되어 있기 때문에 블록 일체형 틀에 넣기 쉽게 할 수 있으며, 또한 수직으로 세워진 봉은 33단의 완충재블록을 기울여지지 않게 쌓을 수 있는 기 준선이 될 수 있다.

    먼저 가장 밑단의 벤토나이트 블록을 모서리가 강봉의 네 방향과 일치하도록 블록을 조립하였다. 4등분 된 원판의 완 충재 블록을 같은 방향으로 쌓아 올리면, 블록 사이의 틈이 커질 수 있을 뿐 아니라, 조립 완료 후 옮기는 도중에 틈이 벌 어질 수 있기 때문에 상하단의 블록은 Fig. 9와 같이 45°로 회전 교차하여 쌓아 올렸다.

    3.4 히터 설치

    히터를 블록의 정 중앙에 정치시키기 위해 Fig. 10(a) 와 같이 도넛 형 완충재 블록 한 단을 설치하였다. 크레인 을 이용하여 완충재 중앙으로 옮긴 후 블록과 히터 사이 의 공간은 벤토나이트 분말로 채워 넣어서 열 전달이 잘 일어 나도록 하였다. 이때 히터의 자중에 의해 아래 블록 이 깨지지 않게 하고, 또한 수직으로 반듯하게 세우기 위 해 크레인에서 완전히 내려 놓지 않고 걸어 놓은 상태를 유지하였다.

    3.5 THM센서 성능검증 및 설치

    In-DEBS는 짧게는 수년, 길게는 십년 이상 계속 운영되 어야 하기 때문에, 실험으로 취득한 데이터의 신뢰성 확보를 위해서는 반드시 THM용 센서들을 설치하기 전 성능검증이 이루어져야 한다. 이때 센서에 대한 성능을 검증하기 위해서 는 센서뿐만 아니라, 센서 케이블 그리고 In-DEBS에 설치할 데이터 계측시스템 전체에 대해 성능을 검증해야 한다.

    3.5.1 압력센서 개발 및 성능검증

    벤토나이트 완충재의 팽윤압은 최대 15 MPa까지 상승한 다. 상용 압력센서는 최대 2 MPa까지만 측정할 수 있기 때 문에 지하수 유입에 의해 발생되는 완충재의 높은 팽윤압을 측정할 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 힘센서를 이용하여 최대 17.7 MPa까지 측정할 수 있는 압력센서를 개발하였다(Fig. 11). 힘센서는 2.5 kN까지 측정할 수 있는 HBM 사의 C9C 센서를 Fig. 11과 같은 개발한 지그 속에 삽입 후 압력을 측정한다. 압력은 힘 에 접촉면적을 나눈 값이기 때문에 센서 접촉 부의 면적이 가 장 중요한 인자이며, 17.7 MPa 까지 측정할 수 있도록 지름 이 12 mm 인 원형 접촉부로 설계 제작하였다.

    Fig. 12(a)는 압력센서의 성능검증을 위해 개발한 압력 센서 교정기를 보여주고 있고, Fig. 12(b)는 개발된 센서의 성능검증결과를 나타낸다. 교정기에 큰 힘을 줄 수 없기 때 문에 최대 1.7 MP까지만 성능을 검증한 결과를 Fig. 12(b)에 서 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 개발된 압력센서 모듈이 만족스러운 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있었 다. Fig. 12(b)의 각 교정결과는 직선으로 커브 피팅한 후 그 값을 데이터 계측시스템에 적용함으로써 실제 값이 저장되 어지도록 설계 하였다.

    3.5.2 온도 및 상대습도 센서 성능검증

    In-DEBS에 설치할 온도 및 상대습도 센서를 현장 적용 용 케이블 및 데이터 계측기에 연결하여 계측시스템 전체 에 대해 Fig. 13(a)의 드라이블럭온도교정기(Pyros 375)와 Fig. 13(b)는 상대습도 센서 교정기인 Vaisala의 HMK15 모 델을 사용하여 온도 및 상대습도 센서의 성능을 검증하였다.

    In-DEBS에서 히터의 최대 온도는 100℃이기 때문에 온 도센서는 30℃, 60℃ 그리고 90℃에서 성능실험을 수행하였 다. Table 2는 총 62개의 열전대 센서 중 대표적으로 10개 센서의 성능 검증 결과를 보여주고 있다. 모든 센서는 30℃ 에서 약 0.8℃, 60℃에서는 약 0.6℃ 그리고 90℃에서는 약 1.2℃ 높게 측정되었다. 따라서 온도 세 지점에 대한 결과 를 직선으로 커브피팅을 한 후 각 센서에 대한 교정값을 대 입하였다.

    상대습도 센서의 성능검증은 HMK15를 사용하였다. Fig. 13(b)의 각 용기에 용질 MgCl2, NaCl, 그리고 K2SO4를 용매에 넣으면, 용기 내부의 상대습도는 각각 33%, 75%, 그리고 97% 를 유지하게 된다. 여기에 온도계 및 상대습도 센서를 꼽은 후 센서를 검증할 수 있다. 온도계를 설치한 이유는 용기 내 부의 상대습도는 온도에 따라 차이가 발생하기 때문에 교정 하기 위한 것이다. Table 3은 총 27개의 상대습도 센서 중 대 표적으로 10개에 대한 센서 성능검증 결과를 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 센서 모두 상대습도 오차가 1% 이내 임을 확인할 수 있었다.

    3.5.3 THM센서 설치

    Fig. 14는 상대습도 센서를 완충재 블록에 설치하는 모 습을 보여주고 있다. 각 센서의 크기에 맞게 카빙이 되어 있 는 블록에 센서를 삽입 한 후 지하수 유입을 막기 위해 벤토 나이트 분말을 넣어 눌려서 빈 공간을 채웠다. 프레기가 아닌 사람의 손으로 눌려서 매울 경우 건조 밀도는 약 1,000 kg·m-3 되며, 표면은 완충재 블록과 블록 사이의 틈을 없애기 위 해 Fig. 14(b)와 같이 자를 이용하여 표면을 평평하게 만 들었다.

    완충재 내에는 완충재의 THM 거동을 분석하기 위해 총 116개의 많은 센서들이 설치되어있다. 센서케이블을 완충 재 중앙으로 뺄 경우, 완충재 중앙의 높은 히터온도 의해 센 서 케이블의 건전성에 문제가 생길 수 있다. 또한 완충재 중 앙에 위치한 히터 전원 케이블의 높은 자기장에 의해 센서 신호에 잡음이 들어갈 수 있는 가능성이 존재하기 때문에, Fig. 15와 같이 116개의 센서 케이블을 완충재 외곽으로 빼 서 설치하였다.

    완충재에 지하수가 유입이 되면 팽윤압이 최대 17 MPa까 지 걸리기 때문에 센서 케이블을 정리하지 않고 설치할 경우 센서 케이블이 단락될 수도 있다. 높은 압력이 생기더라도 센 서 케이블의 손상을 막을 수 있도록 본 연구에서는 Fig. 15(b) 와 같이 케이블들을 서로 겹치지 않게 정리하여 설치하였다.

    4. OBPA 조립 및 삽입

    완충재 블록을 외부에서 다 쌓은 이후에는 일체형 설치 틀인 OBPA를 조립하여 시험공에 넣는 공정이 필요하다. 이 때 무게가 4톤이 넘는 OBPA를 들어서 시험공에 정확히 삽입 할 수 있는 크레인이 필요하며, 또한 완충재 블록사이의 틈으 로 지하수가 급속히 침투하여 센서에 영향을 주는 것을 방지 할 수 있는 방법이 필요하다. 본 장에서는 이러한 문제점을 해결하여 OBPA를 시험공에 정치시키는 방법에 대해 설명 하고자 한다.

    4.1 일체형 설치틀 조립 및 갭매움

    히터 및 센서들을 완충재 블록에 모두 설치한 이후 일체 형 설치 틀을 Fig. 16과 같이 완전히 조립하였다. 완충재의 조 립을 위해 4개만 설치한 강봉 사이로 나머지 4개의 강봉을 설 치하고, Fig. 16(a)와 같이 히터 케이블 및 센서 케이블을 상 부 플레이트 구멍을 통해 밖으로 빼내고 봉에 맞춰 설치를 완 료하였다(Fig. 16(b)).

    In-DEBS를 설치한 후 지하수가 완충재 블록을 통해 서 서히 내부로 전파되는 것이 아니라, 완충재 블록 사이 그리고 센서 케이블과 완충재 블록 사이의 틈으로 급속하게 침투할 가능성이 있다. 센서 케이블 및 블록 사이로 들어온 지하수는 실제 처분환경에서의 THM 거동과 다른 거동을 하게 되어 센서로부터 측정된 데이터의 신뢰성이 낮아지게 되고, 또한 센서 고장의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 완충재 블록사이 또는 블록과 센서 케이블 사이 의 틈을 매워서 지하수 유입을 차단해야 한다. 본 연구에서 는 Fig. 17(a)과 같이 벤토나이트 가루를 블록 사이 및 케이 블 틈 사이에 매워 넣는 작업을 수행한 후, Fig. 17(b)와 같 이 쇠망을 조립완료 된 OBPA를 감싸서 그 사이에 입상 벤토 나이트를 채워 넣음으로써 지하수 유입을 차단시켰다. 이때 사용한 입상 벤토나이트는 백색의 클라리언트 코리아㈜사의 Laundrosil DGA212 이다.

    4.2 In-DEBS 이동용 크레인 개발

    조립완료된 OBPA는 완충재 블록, 히터, 및 센서류 그리 고 자체 무게를 고려한다면 무게가 약 4톤이 된다. 4톤의 무 게가 되는 OBPA를 시험공으로 넘어지지 않게 잘 이동해야 하며, 또한 좁은 지하터널 안에서 지름이 860 mm인 시험공 에 정확히 넣는 것이 쉽지 않은 일이다. 지게차, 상용 크레인 등으로는 OBPA를 이동하여 시험공에 넣을 수 없기 때문에 본 연구에서는 In-DEBS 전용 크레인을 개발하였다.

    현장시험 설치용 크레인의 가장 중요한 요건은 4톤 이상 의 무게를 들 수 있어야 한다. 또한 평면에서 진동 없이 x, y 축으로 정밀하게 이동시킬 수 있어야 한다. 이러한 요건을 만족시키기 위해 Fig. 18과 같이 철도 레일을 이용하여 설계 하였다. 그리고 레일 방향의 수직방향으로 OBPA를 이동시 키기 위해 크레인 상부의 H빔을 따라 움직일 수 있는 기어 트로이(Geared trolley) 설치하였다. 이에 따라 설치된 크레 인은 터널 내의 좁은 공간에서도 4톤이 되는 OBPA를 x, y 축 으로 이동하여 처분공에 정확하게 삽입할 수 있다.

    이렇게 설계된 현장시험 설치용 크레인 구조물이 실제 4 톤을 들었을 때 파손되지 않고 안전하게 작동할 수 있는지 확인하여 위해 Fig. 19와 같이 구조해석을 수행하였다. 우 선, 크레인의 경계조건은 Fig. 19(a)와 같이 바닥의 4지점은 고정이고 크레인 상단 구조물 중앙에 하중이 걸린다고 가정 하였다.

    하중을 1톤에서 18톤까지 변화시키면서 구조물의 응력 과 변형률을 계산한 결과를 Table 4에서 정리하였다. 해석 결과에 따르면 크레인 구조물에 18톤을 매달았을 때에도 항 복응력인 234 MPa에 도달하지 않음을 알 수 있다. 즉, 조립 완료된 OBPA의 무게가 약 4톤이기 때문에 크레인 구조물이 버틸 수 있다.

    구조해석을 통해 In-DEBS 전용 크레인의 안전성을 확인 후 제작하여 KURT 시험 모듈에 Fig. 20과 같이 설치하였다. 크레인의 이동을 원활히 하기 위해 레일을 바닥에 깔아야 되 는데 바닥이 평평하지 않다는 문제점이 있다. 이러한 문제점 을 해결하기 위해, Fig. 20(a)와 같이 높이가 다른 여러 개의 철제 구조물을 바닥에 설치한 후 표면을 평평하게 하여 그 위 에 Fig. 20(b)와 같이 레일을 설치하였다. 그 후 Fig. 20(c)와 (d)처럼 제작된 크레인을 조립하여 설치 완료하였다.

    4.3 OBPA 삽입 및 플러깅

    OBPA 삽입 전 지하수의 유입을 원활하게 하고 시험공의 바닥을 평평하게 만들기 위해 시험공 하부에 직경 2~3 mm의 주문진 규사를 약 30 cm 높이로 채워놓은 후 Fig. 21과 같 이 In-DEBS 전용 크레인을 이용하여 OBPA를 시험공에 정 확히 삽입하였다.

    OBPA가 설치된 이후 상부 플러깅은 Fig. 22(a)와 같이 약 2.3 m3 물량의 콘크리트로 마감되었다. 콘크리트는 일반 포틀랜드 시멘트, 모래(잔골재 용) 그리고 물을 현장에서 배 합하였으며 시멘트 800 kg, 물은 약 320 L, 그리고 모래는 2,400 kg 정도가 사용되었다. 본 플러깅 설치에 적용된 콘크 리트는 배합설계 지침을 근거로 하였으며 시멘트 : 모래 : 물 은 각각 1 : 3 : 0.4의 중량비로 타설되었다. 본 In-DEBS시스 템에 적용된 플러깅은 OBPA 상부 마감용으로 별도의 외부 하중이 작용하지 않으며 균열 및 침하와 같은 내구성도 크게 요구되지 않기에 굵은 골재는 사용되지 않았다.

    In-DEBS 상부에 센서, 히터 등 많은 케이블들이 노출되 어 있기 때문에 장기간 실험 시 케이블이 손상될 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig. 22(b)와 같이 플러깅 위 에 투명 아크릴 커버를 제작하여 덮음으로써 케이블 들을 보 호하였다.

    5. 근계 암반 물성 측정시스템 설치

    In-DEBS는 완충재 및 히터에서의 물성만을 측정하는 것 이 아니라, Fig. 23과 같이 시험공 주위의 암반 물성 변화도 계측할 수 있도록 설계되었다. 근계 암반의 온도 및 간극 수 압을 측정하기 위해 In-DEBS 주위에 4개의 관측공을 굴착하 여 40개의 열전대와 5개의 간극수압센서를 설치하였다.

    그리고, 시험공 근계암반의 수평 방향의 변위를 측정하 기 위해 Fig. 23과 같이 2개의 경사공을 In-DEBS 시험공 벽 으로부터 약 0.4 m까지 굴착하여 변위 센서를 설치하였다.

    5.1 근계암반 온도 및 간극수압 측정용 수직공

    근계 암반에서의 히터에 의한 열 변화 및 간극수압을 측 정하기 위해 시험공 주위에 Fig. 24와 같이 4개의 관측공을 굴착하여 총 40개의 온도센서 및 5개의 간극수압계를 설치하 였다. 이때 각 관측공은 In- DEBS 중심부에서 0.19 m, 0.21 m, 0.32 m 그리고 0.39 m 떨어진 지점에 있으며, 각 관측공 에는 약 10개의 온도 센서가 깊이가 다르게 설치되었다.

    Fig. 25은 4개의 관측공에 설치된 온도 및 간극수압센서 의 설치 위치를 보여주고 있다. 근계 암반의 넓은 영역에서 의 온도 분포를 관찰하기 위해 각 시험공의 센서 간격을 달리 하여 설치하였다. 센서 간격은 OB1-1부터 OB1-4까지 각각 100 mm, 200 mm, 300 mm 그리고 400 mm 이다. 이때 히터 에 의한 암반의 온도분포 변화를 살펴보기 위해 각 시험공의 온도 센서 어레이는 Fig. 25과 같이 히터 중심과 센서 어레이 중심이 일치하도록 설치하였다.

    간극수압센서는 Fig. 25의 점과 같이 깊이별로 총 5개를 설치하였다. 간극수압 센서 PR4, PR1, PR2, PR3 그리고 PR5 는 지표에서 각각 1.500 m, 2.5 m, 3.5 m 그리고 4.5 m 깊 이에 설치하였다.

    5.2 암반변위 측정용 경사공

    처분공을 굴착할 경우 암반에 응력변화가 발생하고, 이 로 인해 암반에 변위가 발생하게 된다. 또한 지하수가 유입 될 경우 In-DEBS의 완충재에서 발생한 팽윤압이 주위 암반 에 큰 압력을 주게 되어 암반의 변위를 발생시킬 수 있다. 이러한 원인들에 의해 발생된 근계암반의 변위는 처분공의 반경방향으로 변위가 더 크게 발생하기 때문에 Fig. 23과 같이 In-DEBS에서 약 20 m 떨어진 곳에서 Fig. 26(a)와 같 이 2개의 경사공을 뚫어서 각각 5개의 변위 센서를 설치하 였다.

    OB2-1 경사공은 Fig. 26(b)와 같이 약 10°의 기울기 로 총 16.8 m를 굴착하여 In-DEBS 시험공에서 2.3 m 깊이 에 도달하도록 하였다. 암반변위 센서는 In-DEBS 처분공 의 표면으로부터 0.7 m 지점에서 0.3 m의 간격으로 총 5 개가 설치되었다. OB2-2 경사공은 약 12°의 기울기로 총 18.9 m를 굴착하여 In-DEBS 시험공에서 3.0 m 깊이에 도 달하도록 하였다. 암반변위 센서는 In-DEBS 처분공의 표 면으로부터 0.3 m 지점에서 0.3 m의 간격으로 총 5개가 설 치되었다.

    6. In-DEBS 데이터 계측 시스템

    In-DEBS 데이터 계측 시스템은 Fig. 27과 같이 센서 데 이터 계측기, DB서버 그리고 원격 모니터링 시스템으로 크 게 3가지로 나누어져 있다. 센서 데이터 계측기는 In-DEBS 의 완충재, 히터 및 근계암반에 설치한 모든 센서와 연결되 어 시간지연 없이 동시에 데이터를 취득할 수 있도록 설계되 었다. DB서버는 데이터 계측기에서 취득한 데이터를 유저가 쉽게 찾아서 분석할 수 있도록 날짜 별, 센서 별 등으로 DB 를 구축하는 기능을 수행한다. 또한 실험데이터를 이중으로 저장하는 기능도 수행하기 때문에 계측시스템의 오작동으로 인한 데이터 손실을 미연에 방지할 수 있다.

    In-DEBS는 운영자가 상주하는 사무실과 멀리 떨어진 KURT에 설치되어 있어 운영자가 In-DEBS의 운전상태를 상 시 확인할 수 없는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 Fig. 27 과 같이 원격 제어 모니터링 시스템을 개발하여 사무실에서 도 운영자가 항상 In-DEES의 운영상태감시 및 제어가 가능 하도록 설계하였다.

    In-DEBS에는 수백 개의 센서 케이블 및 히터 전원공급용 케이블이 연결되어 있다. 이러한 케이블을 터널 내부에 노출 되어 있을 경우 케이블 피복이 손상되는 등 외부요인이 계측 신호에 영향을 줄 수 있기 때문에 Fig. 28(a)와 같이 덕트를 제작하여 케이블을 보호하도록 설치하였다.

    KURT 내부는 Fig. 5와 같이 상대습도가 항상 매우 높기 때문에 계측기 및 제어기 등 전자기기를 장시간 운전할 경 우 고장이 날 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 항온항습이 유지되는 계측제어룸을 Fig. 28(b)와 같이 설치 하여 제어룸 내에 각종 계측기 및 제어기를 세팅하였다(Fig. 29 참조). 그리고 정전에 대비하여 12시간동안 자가운전이 가능한 UPS (Uninterruptible Power Supply)를 설치하였다.

    7. 결론

    본 논문에서는 고준위폐기물처분장의 공학적방벽의 THM 복합거동 실증을 위한 In-DEBS 시험장치를 개발하고 측정시스템을 구축하였다. In-DEBS는 A-KRS 단위처분공의 1/2.3 규모로 완충재 및 근계암반을 대상으로 지하수 유입 및 처분용기의 발열에 의한 THM 복합거동을 실증할 수 있 도록 설계되었다. In-DEBS가 위치한 연구갤러리 입구에는 차단벽을 설치하여 터널 흡기 팬의 가동유무에 상관없이 항 상 상대습도가 일정하게 유지하도록 하였다. 완충재 블록은 처분 시험공 외부에서 일체형설치틀(OBPA) 안에 쌓아가면 서 히터 및 센서를 설치하였고, 조립이 완료된 OBPA는 전용 크레인을 이용하여 처분 시험공에 정확히 삽입한 후 그 위 를 콘크리트 플러깅(plugging)으로 마감하였다. 근계암반에 서 열적거동을 분석하기 위해서는 In-DEBS 시험공 주위로 4 개의 수직공을 굴착하여 총 40개의 온도센서와 5개의 간극 수압계를 설치하였다. 그리고, 암반의 변위를 측정하기 위해 두 개의 경사공을 뚫어 총 10개의 변위센서를 매립하였다. 완충재 및 근계암반에서의 센서 케이블은 모두 계측제어룸 에 설치되어 있어 있는 계측기로 연결되어 모든 센서신호가 동시에 측정이 가능하도록 하였다. 본 연구를 통해 개발된 In-DEBS 시험장치는 우리나라 고준위폐기물처분장 공학적 방벽의 THM 복합거동 특성 규명 및 실증에 활용할 수 있으 며, 또한 이 시스템 구축에 사용된 노하우(know-how) 및 실 증기술은 고준위폐기물처분장의 건설 및 운영에도 도움이 될 것으로 기대된다.

    감사의 글

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

    Figure

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    In-DEBS consists of near field rock measuring system, buffer material measuring system and heater controller.

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    Heater consists of 6 block. Each heater block is equipped with two sensors for measurement, two sensors for control and two heater coil.

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    (a) Acquisition system for the relative humidity and (b) the measured relative humidity in the KURT test module.

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    (a) Door installation to control a relative humidity in the test module, (b) the measured relative humidity in the KURT after installing the door.

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    (a) Conceptual design and (b) detail design for a OBPA (One-Body Pre-Assembly).

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    The material and boundary condition of one-body pre-assembly structure.

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    Maximum stress of (a) bar3 and (b) top plate in 4 ton load condition.

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    OBPA bottom plate and rod assembly.

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    Installation the bentonite block by rotating it 90 degree. (a) Bottom block and (b) upper block.

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    (a) Bentonite block shaped like doughnut that allow the heater to be centered, (b) heater installation.

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    Developed pressure sensor by using load sensor. (a) Design drawing and (b) picture of the pressure sensor.

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    Pressure sensor calibration. (a) Calibrator and (b) calibrated result for pressure sensor.

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    Sensor calibrator. (a) Dryblock temperature calibrator (Pyros 375), (b) relative humidity calibrator (VAISALA HMK15).

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    Pictures of (a) before and (b) after installing relative humidity sensor in the bentonite block.

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    Picture of sensor cables (a) before and (b) after arrangement.

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    (a) Assembly top plate of OBPA and (b) completed assembled bentonite block.

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    To prevent underground water pass through between the buffer block, filling between buffer blocks with (a) bentonite powder and (b) granular.

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    (a) Conceptual model and (b) design drawing for In-DEBS crane.

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    (a) Numerical modelling and (b) stress result of crane when In-DEBS is hanging.

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    The picture of the crane installation. (a) Rail pedestal, (b) rail installation, (c) crane frame assembly and (d) assembled crane.

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    The process of inserting OBPA in the test hole. The picture of (a) inserting OBPA, and (b) insert complete.

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    The picture of (a) installed plugging, and (b) completed installation of In-DEBS.

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    Measurement system for near field rock. There are four test bore hole for measuring temperature and pore pressure and two sloped hole for measuring displacement.

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    Picture of a test hole coring for installing a temperature and pore pressure sensors.

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    The location of thermocouple and pore pressure sensor at the near rock.

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    (a) Coring test hole for installing displacement sensors and (b) the location of displacement sensors.

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    Data acquisition system for In-DEBS. The system consist of measurement system, DB sever and remote control monitoring system.

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    The picture of (a) sensor cable to protect cables and (b) measurement and control room to protect DAQ system in a humidity environment.

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    Installing the measurement system and DB server in the measurement and control room.

    Table

    Calculated safety factor results as the load by using the analytical model

    Calibrated results of thermos-couple sensor at 30℃, 60℃ and 90℃ by using dry block temperature calibrator (Pyros 375)

    Calibrated results of relative humidity sensor at 33%, 75% and 97% by using HMK15

    Numerical analysis result of In-DEBS crane. The result shows that the crane is safe because it does not exceed the yield stress when the load is 18 tones

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      http://www.jnfcwt-en.or.kr

    3. Korean Radioactive
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