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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.81-95
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.S.81

Experimental Data Analysis During Initial In-DEBS Operation

Young-Chul Choi*, Won-Jin Cho, Jae Owan Lee, Geon Young Kim
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 28, 2018 February 26, 2019

Abstract


This paper is intended to describe the field experimental data obtained from the initial operation of In-DEBS (Engineering scale in-situ demonstration of engineered barrier system), which is installed to analyze the THM (thermal, hydro, and mechanical) coupled behavior of engineered barrier system. On the top, which is plugged with concrete, heat is generated during the curing process of concrete. The heat affects the buffer and the near-field rock. The temperature of the buffer and the near field rock becomes less and less farther away from the plugging. Sensors and measurement system were verified using these phenomena. To protect the measurement system, the heater temperature was gradually increased to 100°C over one week, and the temperature of the heater surface was maintained at the target temperature. After heater operation, the temperature of the buffer reached the steady state in about four days, and the relative humidity increased and gradually decreased after a certain period of time. Also, the total pressure of the buffer was increased by swelling due to groundwater saturation. After the heater was started, it was observed that the temperature and displacement of the near-field rock continued to increase.



In-DEBS 운영 초기 데이터 분석

최 영철*, 조 원진, 이 재완, 김 건영
한국원자력연구원, 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 111

초록


본 논문은 공학적방벽시스템의 THM 복합거동을 분석하기 위해 구축한 In-DEBS를 실제 운영하며 취득한 운영 초기 100일 간의 현장데이터에 대해 살펴보고자 한다. 콘크리트로 플러깅을 한 In-DEBS 상부에서는 콘크리트가 양생하는 동안 열을 발 생하게 되어 In-DEBS의 완충재 및 근계암반에 영향을 미치게 된다. 콘크리트 플러깅에서 멀어질수록 완충재 및 근계암반의 온도는 점점 감소하게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 센서 및 계측 시스템을 검증하였다. 처분용기를 모사한 히터는 온도 제어를 통해 용기 표면 온도를 100°C로 유지할 수 있도록 설정하였으며, 시스템의 안전을 위해 일주일 동안 서서히 목표온 도까지 올렸다. 히터 가동 직후 완충재의 온도는 약 4일 만에 정상상태에 도달하였으며, 상대습도는 증가하였다가 일정시간 이 지난 뒤에 서서히 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 지하수 포화에 따른 팽윤에 의해 완충재의 압력이 증가하는 것 을 볼 수 있었다. 근계암반에서는 히터 가동 후 온도가 계속 증가하며, 암반의 변위도 계속 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.



    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

    고준위폐기물처분장에서 완충재, 뒷채움재, 밀봉재 및 근계영역 암반으로 구성되는 공학적방벽시스템(Engineered Barrier System, EBS)은 처분폐기물로부터 방사성 핵종이 처 분장 밖으로 유출되는 것을 일차적으로 막아주고, 처분장 주 위의 천연방벽과는 달리 연구개발에 의해 그 성능을 인위적 으로 향상시킬 수 있으며, 또 장기특성을 비교적 정확히 예 측함으로써 처분안전성평가 시 수반되는 불확실성을 크게 감소시킬 수 있다[1].

    하지만, 고준위페기물로부터 방출되는 붕괴열과 주위 암반으로부터 유입되는 지하수 및 이로 인한 완충재의 팽윤 압 등에 의해 공학적방벽시스템은 열-수리-역학적 거동이 독립적으로 발생하는 것이 아니라, 상호 복합적으로 거동을 하기 때문에 실내 실험이 아닌, 현장에서 공학적방벽시스템 의 성능 실증실험이 필요하다.

    처분연구 선진국들은 연구용 지하연구시설에서의 공학 적방벽시스템의 성능 실증연구를 기반으로 개발된 처분 핵 심기술들이 완성기에 진입한 수준에 도달하였다. 선진국 중 스위스는 GTS (Grimsel Test Site)에서 스페인의 심층처분 장 개념을 실규모로 모사한 FEBEX (Full-Scale Engineered Barriers Experiment) 현장실증시험을 실시하고 있으며 국제 공동연구로서 수행하고 있다[2]. 스웨덴은 Äspö Hard Rock Laboratory에서 완충재장기거동시험, 뒤채움재 및 플러그 시험 등 실규모 처분시스템 현장 성능 실증 시험을 수행하 고 있다[3~5]. 또한, 일본에서는 Horonobe URL에서 자국의 처분장을 모사한 Horonobe EBS (Engineered Barrier System) THM 현장실험을 시작하였다[6].

    한국원자력연구원에서는 최고심도 120 m의 지하처분연 구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)에서 Fig. 1과 같이 1/2.3 규모의 공학적방벽시스템 열-수리-역학 적(THM) 복합거동 현장시험장치(In-DEBS)를 설계, 개발[7] 하여 지하수 유입 및 처분용기의 발열에 의해 발생되는 공학 적방벽시스템의 THM 복합거동을 실험적으로 분석하고 있다.

    본 논문에서는 In-DEBS를 시험공에 삽입 후 콘크리트 플 러깅(plugging)에 의한 영향 및 처분용기를 모사한 히터의 초기 가동에 의해 발생한 공학적방벽시스템의 물리적 변화 를 100일까지 계측한 현장 실험결과를 분석하고자 한다.

    2. In-DEBS 시스템 검증

    2.1 In-DEBS 센서 위치

    Fig. 2와 Fig. 3은 In-DEBS의 완충재 및 근계암반에서 의 각 센서들 위치를 정리하여 보여주고 있다. In-DEBS에는 총 180여 개의 센서들이 설치되어 있지만, 본 논문에서 공학 적방벽 시스템의 THM 거동을 분석한 센서들만 표시하였다.

    완충재의 열적거동을 분석하기 위한 온도센서는 T1, T2, … 로 표기하였으며, 완충재의 축방향으로 온도분포를 분석 하기 위해 Fig. 2와 같이 T17, T18, T20, T21, …, T62 센서 를 선정하였다. 그리고, 완충재의 반경방향 온도분포를 측 정하기 위해 T30, T31, 그리고 T32 센서를 선정하여 데이터 를 분석하였다.

    상대습도(relative Humidity) 센서의 경우 Fig. 2와 같이 Vaisala HMP110 센서는 Hm1, Hm2, … 그리고 HMT333 상대 습도센서는 Hl1, Hl2, …로 표기 하였다. 반경방향의 수리거 동을 분석하기 위해 Hm03, Hm04, …, Hm12 상대습도 센서 를 선정하였고, 완충재의 열적-역학적 복합거동을 분석하기 위해 Hm14, Hm16, Hm18, Hm22 센서의 신호를 분석하였다.

    마지막으로 총압력 센서는 Fig. 2와 같이 MP1, MP2, …로 표시하였으며, 완충재 상하부에 각각 MP6, MP1를 설치하고, 완충재의 중앙부에는 반경방향으로 MP2, MP3, MP4 그리고 MP5, 4개의 압력센서를 설치하여 신호를 분석하였다.

    2.2 플러깅 양생열에 의한 시스템 검증 방법

    In-DEBS의 히터를 정상 가동하기 전 센서 및 계측시스 템이 잘 작동하는지, 그리고 센서가 순서에 맞게 잘 연결되 어 있는지 확인할 필요가 있다. Fig. 4(a)는 In-DEBS의 상부 를 콘크리트로 플러깅한 사진을 보여주고 있다. 콘크리트는 양생하는 동안 열이 발생하고, 또한 콘크리트의 자중에 의해 In-DEBS의 센서에 영향을 주게 된다. 따라서, 이러한 현상 을 이용한다면 히터를 운전하지 않더라도 In-DEBS의 센서 및 계측시스템의 성능을 검증할 수 있을 것이다.

    In-DEBS의 상부 플러깅은 Fig. 4(a)와 같이 크기가 1.60 m의 정사각형에 깊이가 0.69 m이기 때문에 약 2.3 m3의 콘 크리트를 사용하여 만들었다. 콘크리트 양생에 의한 온도의 영향을 분석하기 위해 콘크리트 상부 및 하부에 각각 K타입 의 열전대 TC1과 TC2를 매설하였다. 설치된 센서들은 플러 깅 이전부터 데이터 계측시스템을 통해 계속 측정하였는데, 플러깅에 설치한 열전대 측정 결과를 Fig. 4(b)에서 보여주 고 있다. 측정결과에서 볼 수 있듯이 콘크리트가 양생하는 동안 플러깅 상부에서는 최대 48℃까지 상승하고, 하부는 이 보다 낮은 온도인 약 35℃까지 상승하는 것을 관찰할 수 있 다. 따라서, 플러깅 하부에 매설된 In-DEBS의 완충재 및 근 계암반에 열이 전달되기 때문에 In-DEBS 시스템을 검증할 수 있다.

    2.3 완충재 계측 시스템 검증

    Fig. 5(a)는 플러깅 이후 In-DEBS 완충재의 축방향으로 같은 위치에 있는 온도 센서에서 측정한 데이터를 보여주고 있다. 결과 그래프에서 볼 수 있듯이 플러깅한 1일 이후부터 콘크리트 양생열에 의해 완충재의 온도가 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다. 플러깅에서 가장 가깝게 설치된 T62 센서 의 온도가 가장 높게 측정되었으며, 약 3일 이후 약 26℃ 최 고 정점을 찍으며 서서히 온도가 내려감을 관찰할 수 있다. Fig. 5(b)는 계측 이후 3.5일(Fig. 5(a)에서 점선)에 축방향에 위치한 T17, T18, T20, T21, T36, T37, T39, T40, T42, T56, T58, T60, 그리고 T62 센서의 온도분포를 깊이별로 도식화 한 결과를 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 상부 플러 깅 콘크리트 양생열에 의해 완충재에서 밑으로 갈수록 점점 온도가 감소하는 형상을 보여주고 있다. 즉, 센서 및 계측시 스템이 정상적으로 작동하며, 센서와 계측기의 연결이 올바 르게 되었음을 확인할 수 있었다.

    2.4 근계 암반 계측 시스템 검증

    콘크리트 양생열은 완충재 뿐만 아니라, In-DEBS 주위의 근계암반에도 영향을 미치기 때문에 Fig. 6과 같이 암반에 설 치한 온도센서 데이터에 대해 분석하였다.

    In-DEBS의 근계암반에서 OB1-1 ~ OB1-4 시험공에는 각각 9개씩의 온도 센서가 설치되어 있다(Fig. 3 참조). 넓 은 영역의 온도분포를 관찰하기 위해 각 시험공에서의 센서 간격을 순서대로 100 mm (OB1-1), 200 mm (OB1-2), 300 mm (OB1-3), 그리고 400 mm (OB1-4)로 달리 설치한 후 온 도를 측정하였다.

    Fig. 6는 플러깅 이후 3.5일째 되는 시점에서 각 관측 공에서의 깊이별 온도 분포를 보여주고 있다. 결과에서 관 찰할 수 있듯이 플러깅의 콘크리트 양생열에 의해 상부에 서는 온도가 높고 하부로 갈수록 낮아지는 경향을 볼 수 있 다. Fig. 6(b)에서 OB1-3과 OB1-4 관측공의 최상단에 위 치한 두 개의 온도 센서설치 깊이는 똑같이 지표에서 625 mm 떨어진 곳에 설치되어 있다. 하지만, 결과에서볼 수 있 듯이 OB1-3 관측공의 온도가 OB1-4 관측공의 온도보다 약 2℃ 높은 것을 관찰할 수 있다. 이것은 두 개의 관측공이 In-DEBS 설치공 중심으로부터 거리가 다르기 때문에 발생 한 것이다.

    실험 데이터 분석에 의해 근계암반에 설치한 온도 센서 도 정상적으로 작동하며, 센서 들은 혼동 없이 순서에 맞게 잘 설치되었음을 확인하였다.

    3. In-DEBS 운전

    In-DEBS는 상부 콘크리트 플러깅이 양생된 이후 히터 의 온도를 올려 정상가동을 시도하였다. 처분용기의 표면 온도가 100℃ 보다 높은 온도에서는 완충재의 성능이 저하 되기 때문에 처분시스템에서 100℃를 설계온도로 정하여 처분시스템을 설계하고 있다[8]. 따라서 본 연구에서는 히터 의 목표 온도를 100℃로 설정하였다.

    실제 폐기물처분장에서는 고열의 처분용기를 처분공에 집어 넣기 때문에 바로 높은 온도를 유지하게 된다[9]. 하지 만, 본 연구의 주 목적은 처분용기를 처분공에 넣는 순간의 거동을 보는 것이 아니라 히터의 발열에 의한 공학적방벽 시 스템의 장기거동을 보기위한 것이다. 만약, In-DEBS에서 초 기온도인 약 18℃에서 바로 설정온도인 100℃로 급격하게 올 린다면 히터 시스템, 센서, 케이블 및 계측시스템 등에 무리 를 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 시스템의 안전을 위해 초기에는 60℃로 올려서 약 6일간 지속시켰으며, 그 이후 매 일 10℃씩 증가시킴으로써 최종 목표 온도인 100℃에 도달 시켰다. 이때 In-DEBS에 사용된 히터는 Fig. 7(a)와 같이 총 6개의 히터블록으로 구성되어 있으며 각각 계측용 센서 2개 와 히터코일이 설치되어있다.

    Fig. 8(a)는 각 히터 블록별 입력파워를 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 히터 전원을 올린 순간 입력파워가 급 속히 증가하였다가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 예를 들 어 5번 히터 블록의 입력파워인 HP05의 경우 히터 작동 시 작 순간 파워가 350 W까지 올라갔다가 지수함수 형상으로 떨어져 100 W가 됨을 볼 수 있다. 이러한 현상은 히터의 온 도를 올릴 때마다 관찰할 수 있다. 히터 제어기는 히터 파워 제어 및 표면 온도제어를 할 수 있지만, 본 연구에서는 히터 표면온도를 일정하게 유지하기 위해 온도제어로 운전하였기 때문에 나타나는 현상이다.

    히터 가동시 히터의 각 히터블록에서의 표면온도를 Fig. 8(b)에서 보여주고 있다. 히터가 가동되는 순간 몇 시간 이 내에 온도가 정상상태(Steady state)에 도달함을 결과에서 관 찰할 수 있다. 히터 표면온도인 Fig. 8(b)는 히터 가동 후 단 몇 시간 이내에 정상상태에 도달하였지만, Fig. 8(a)처럼 히 터의 파워는 초기 가동이후 서서히 감소하여 정상상태에 도 달하기 위해서는 약 10일이 걸리는 것을 관찰할 수 있다. 히 터를 가동하면 히터의 표면은 열전도도가 좋은 SUS로 만들 어져 있기 때문에 빨리 정상상태에 도달하지만, 히터 표면은 저온의 완충재와 직접적으로 접촉되어 있어 히터표면의 열 이 완충재로 전달되어 진다. 따라서 히터 주위의 완충재에 초기에는 많은 열을 전달해야하기 때문에 히터의 입력 파워 는 서서히 감소하며 정상상태에 도달하기까지 많은 시간이 걸리는 것이다.

    4. 완충재 운영 초기 데이터 분석

    4.1 완충재 열적 거동 분석

    열전대 센서 중 T17, T18, T20, T21, T36, T37, T39, T40, T42, T56, T58, T60 및 T62는 Fig. 9(b)와 같이 완충재 블록 원주 방향으로 같은 위치에 존재하며, 축방향으로 센서들은 140 mm간격으로 배치되어 있다.

    Fig. 9(a)는 콘크리트 플러깅 이전부터 시간에 따른 각 열전대 센서의 측정된 100일간의 온도를 보여주고 있다. 계 측이후 7일에 60℃로 히터 가동을 시작하였으나, 2일 쯤 에 히터가 가동되기 전 임에도 불구하고 온도센서가 높게 나타나는 것은 Fig. 4와 같이 콘크리트 플러깅의 양생열이 완충재에 영향을 미치는 것이다. 히터를 16일에 목표온도인 100℃로 올린 후 각 완충재에서 온도가 정상상태에 도달하는 기간은 대략 4 일 정도 걸리는 것을 관찰할 수 있었다.

    Fig. 9(b)는 In-DEBS 가동이후 60일에 완충재 축방향 공 간상의 온도 분포를 보여주고 있다. 도넛형 완충재 블록 주 위에서는 히터에 의해 약 60℃를 유지하며 상부는 히터 열원 에서 멀기 때문에 약 23℃로 낮은 온도를 보였다.

    이 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 히터 길이 중앙부분에 서 축방향 거리에 따른 온도 분포가 포물선 형태를 나타내고 있으며, 이는 히터의 균질 열속(heat flux)특성을 보여주는 것이다. 히터의 열원에서 멀어질수록 완충재의 열적거동이 어떻게 되는지 살펴보기 위해 Fig. 10(a)와 같이 완충제 상부 에서의 온도센서 신호를 분석하였다. 7개의 센서는 완충재 단면에서 같은 위치에 있으며 축방향으로 각 완충재 블록에 설치 되어 있기 때문에 히터에서 완충재의 축방향 거리에 따 른 온도 분포를 관찰 할 수 있다.

    히터에서 거리에 따라 계측한 온도를 Fig. 10(b)에서 보 여주고 있다. 히터에서 멀어질수록 온도가 내려가는 것을 관 찰할 수 있다.

    열전대 센서(T55, T57, T59 그리고 T61)는 Fig. 11(a)와 같이 완충재 블록 상부에서 55 mm 깊이에 센싱부가 있고, 상대습도 센서(Hm23, Hm24, 그리고 Hl03) 두 종류 모두 블 록 상부에서 6 mm 깊이에 설치되었다. 따라서, 히터 상부 를 0 mm로 하였을 경우 완충재 위쪽으로 거리에 따라, 즉 각 센서들에서 측정한 온도 분포를 Fig. 11(b)에서와 같이 파란점으로 표시하였다. 이때 온도데이터 측정시점은 Fig. 10(b)에서 60일에 계측된 데이터들이다. 점들을 커브피팅 (Curve fitting)한 결과 실선과 같이 온도는 거리가 증가함에 따라 지수(Exponential function)적으로 감소한다.

    Fig. 12는 In-DEBS 완충재 반경방향의 온도 센서 위치 및 히터 가동 초기에 측정한 온도 결과를 보여주고 있다. 히 터의 온도 및 완충재의 온도가 정상상태에 도달하였을 경 우 히터 표면에서 암반까지의 완충재 온도 분포를 보기 위해 Fig. 13 같이 붉은 점으로 나타내었다. 이때 온도는 히터 표 면(Fig. 7에서 HE07 온도센서), 센서 T30, T31, 그리고 T32 에서 계측이후 60일에 측정한 값이다.

    도넛형 완충재에서 반경방향으로 온도분포를 보여주는 Fig. 13에서 굵은 점은 실제 계측한 값이고, 실선은 실제 계 측한 값을 커브피팅한 값이다. 이 그림에서 보는 바와 같이 완충재내에서 반경 방향 거리에 따른 온도 분포 역시 지수적 으로 감소한다.

    4.2 완충재 수리거동 분석

    Fig. 14은 도넛형 완충재에서 중간 아래에 있는 상대 습도 센서 Hm3~Hm12, 그리고 Hm13~Hm22에서 측정한 상대습도를 측정한 결과를 보여주고 있다. 그림에서 점선은 완충재 블록에서 바깥쪽, 즉 암반 쪽과 가까운 곳의 상대습도 센서에서 측정한 결과를 보여주고 있고, 실선은 히터 쪽에 위 치한 상대습도 센서의 결과를 나타낸다.

    히터 가동이후를 관찰하여 보면 상대습도가 증가하다 가, 서서히 감소함을 관찰할 수 있다. 히터에 가까운 완충재 부분에서는 가열초기에 히터에 근접한 완충재 부분에서 물 이 증발하여 생성된 수증기가 수증기 농도 구배에 의해 센 서 부근으로 이동하여 응축되기 때문에 상대습도가 증가하 다가 시간이 더 지나면 히터에서 발생되는 열에 의해 온도 가 상승되어 물의 증발이 일어나 상대습도가 크게 감소한다. 히터에서 먼 암반 쪽 완충재 부분에서는 암반에서 물이 침투 하기 때문에 완충재의 상대습도가 상승하다가, 시간이 지나 면 온도가 올라가서 건조현상이 일어나기 때문에 상대습도 가 감소한다. 그러나 온도가 상대적으로 낮아 건조현상의 영 향이 작고, 암반으로부터의 물의 침투는 상대적으로 커서 상 대습도 감소 속도는 작다.

    Fig. 15은 완충재 상부의 상대습도 분포를 보여주고 있 다. 히터에서 가까운 Hl02 센서에서 측정한 상대습도는 히 터가 가동직후 급속히 증가하다가 일정 기간이 지난 후에는 점점 감소하는 전형적인 모습을 보여주고 있다. 하지만, 플 러깅 가까이 존재하는 Hm23, Hm24, 그리고 Hl03 센서에서 측정한 상대습도는 일정한 시간이 지난 후에도 계속 증가하 는 모습을 관찰할 수 있다. 이것은 히터 표면에서 발생되는 열이 주로 표면적이 큰 반경방향으로 이동하기 때문에 축방 향은 상대적으로 열의 영향을 덜 받고 플러깅 쪽에서 침투하 는 지하수의 영향이 크기 때문이다.

    4.3 완충재 역학 거동 분석

    압력센서는 Fig. 16과 같이 하부에 한 개, In-DEBS 중 앙의 도넛형 완충재에 네 개 그리고 상부에 한 개를 설치하 여 신호를 취득하였다. 압력센서는 1축방향이기 때문에 In- DEBS의 반경방향이 아닌 축방향, 즉 위아래의 압력을 측정 할 수 있게 설치되어 있다.

    Fig. 16의 압력 측정데이터에서 히터가 가동되는 시점인 6일부터 압력이 증가하여 MP6센서를 제외하고는 약 20일부 터 정상상태에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 완충재 내에 서 압력이 증가하는 원인은 지하수 유입에 의한 팽윤압, 처분 용기 열에 의한 완충재의 열팽창 등 여러 가지가 있다. 지하 수 유입에 의한 완충재에서 팽윤압이 발생할 경우 압력은 서 서히 증가하는 형상을 띄며, 단시간 내에 압력변화율이 크게 변하지 않는다는 특징이 있다. 따라서, Fig. 16의 MP1~MP5 센서에서 측정된 압력은 단 20일 이내에 크게 변하므로 팽윤 압에 의한 것이 아니라 다른 원인에 의한 것으로 추측된다.

    In-DEBS에서 완충재의 압력 증가 원인이 완충재의 열 팽창에 의한 것인지를 분석하기 위해 Fig. 17과 같이 중앙 도넛형 완충재에 설치된 압력센서와 가장 가까이 설치된 온 도센서로부터 측정한 데이터와 비교해 보았다.

    히터 가동 시점이 데이터 계측이후 7일째 이며 60℃에서 목표온도인 100℃까지 올린 시점이 16일이다. 완충재의 온 도인 Fig. 17의 센서 Hm14, Hm16, Hm18 그리고 Hm22에서 측정한 값도 히터 제어시점과 같이 온도가 증가하는 것을 관 찰할 수 있다. 이때 중요한 것은 Fig. 17에서 완충재 중앙에 위치한 MP2~MP5 센서에서 계측한 압력도 완충재 온도 형상 과 매우 유사함을 관찰할 수 있다. 즉 히터가동 시점 및 온도 를 올리는 시점에서 압력이 증가하고, 완충재의 온도가 정상 상태에 도달할 때 압력도 같이 더 증가하지 않고 정상상태에 도달함을 알 수 있다. 따라서 In-DEBS 가동 초기 완충재의 압력 증가원인은 히터 가동에 의한 완충재의 열팽창에 의한 것으로 추측되어 진다.

    5. 근계 암반 운영 초기 데이터 분석

    본 장에서는 In-DEBS의 주변 암반에서 히터 가동에 의 한 초기 운영 데이터를 분석하여 열-수리-역학적 거동에 대 해 살펴보고자 한다.

    5.1 근계 암반 열적 거동분석

    Fig. 18은 OB1-1~OB1-4 관측공에서 측정한 온도결과를 보여주고 있다. 히터 가동 전 1~6일 사이에 암반 온도가 올 라가는 것은 플러깅의 콘크리트 양생열에 기인한 것이다. 특 히 Fig. 18(c)와 (d)에서 28℃까지 높이 올라간 이유는 지표 면에서 625 mm 떨어진 곳의 센서로서 콘크리트, 즉 열원과 가장 가깝게 설치되었기 때문이다.

    Fig. 18(b)에서 2,225 mm와 2,425 mm에 설치된 온도센 서의 측정결과는 약 35일 이후에 특이한 형상을 나타내고 있 다. 이것은 센서, 케이블, 및 계측시스템 등 이상상태에 의해 발생할 수도 있고, 암반의 전리, 지하수 유입 등에 의해 발생 할 수도 있다.

    각 관측공에서 히터에 의해 근계암반의 온도 분포를 살 펴보기 위해 Fig. 18의 온도 데이터에서 30일 지점에서의 암 반 온도를 공간상으로 도식화 한 것을 Fig. 19에서 보여주고 있다. Fig. 9(b)의 히터 가동 중 완충재의 온도분포와 유사하 게 히터 주위로 포물선 형상의 온도분포를 보여주고 있다. 이때 OB1-1 ~ OB1-4 관측공에서 깊이 1,850 mm에 있는 센 서들의 온도를 관찰하여 보면 각각 24.8℃, 26.3℃, 25.4℃, 그리고 24.2℃로 다르게 나타남을 알 수 있다. 이것은 각 관측공의 위치가 In-DEBS 시험공으로부터 각각 230 mm, 190 mm, 280 mm, 그리고 410 mm로 떨어져 있어, 거리가 멀수록 암반의 온도가 낮아지기 때문이다.

    Fig. 18의 근계암반에서 측정한 온도결과를 살펴보면 Fig. 9(a)의 완충재 결과와 달리 히터 가동 이후에 온도가 정 상상태에 도달하지 못하고, 계속 온도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 계측 이후 30일과 100일에서 완충재 및 근계암반 의 수직 온도분포를 보여주는 Fig. 20에서 그 차이를 쉽게 찾을 수 있다. Fig. 20에서 우측 온도 분포는 완충재의 온도 분포를 30일과 100일에서 계측한 결과인데, 100일이 경과된 시점까지도 30일 경과시점에서의 온도와 비슷한 온도분포 를 나타내고 있다. 하지만, Fig. 20의 좌측 온도 그래프처럼 근계암반일 경우 30일에서 100일이 지난 후 전체적으로 약 1.1℃가 상승하는 것을 볼 수 있다. 100일 이후의 온도변화 에 대해서는 지속적으로 관찰할 예정이다.

    5.2 근계암반 역학 거동분석

    In-DEBS 주변 암반의 가동 초기 역학적 거동을 살펴보 기 위해 Fig. 21과 같이 암반 변위 신호를 분석하였다. 경사공 인 OB2-1에서 In-DEBS 벽면으로부터 1.3 m 떨어진 곳에 설 치한 암반센서와 OB2-2에서 In-DEBS 벽면으로부터 1.9 m 떨어진 곳에 설치한 암반센서에서 계측한 신호를 Fig. 21 우 측아래에서 보여주고 있다. 히터 가동에 의한 암반 온도 가 변위에 미치는 영향을 살펴보기 위해 수직공인 OB1-1의 중 앙에 설치한 센서에서 계측한 암반 온도를 Fig. 21 우측 상단 에서 보여주고 있다.

    계측 후 7일 째에 히터 가동에 의해 근계 암반의 온도가 올라가고(Fig. 21 그래프의 점선), 이 때 OB2-1과 OB2-2 시 험공의 암반의 변위가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이것 은 암반온도가 증가함에 따라 근계 암반이 열팽창을 하게 되 고, 따라서 암반에서 압축응력이 발생하기 때문에 암반변위 가 감소하는 것으로 판단된다.

    6. 결론

    본 논문에서는 고준위폐기물처분장에서 공학적방벽시 스템의 THM 복합거동을 분석하기 위해 구축된 In-DEBS를 실제 운영하여 취득한 초기 100일간의 현장데이터를 분석하 였다. 운영 초기이기 때문에 지하수 유입에 의한 영향은 크지 않았지만, 히터의 발열에 의해 완충재 및 근계암반의 THM 의 복합거동이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 그 주요 연 구결과를 요약하면 다음과 같다.

    • 히터를 가동시켰을 경우 완충재의 온도는 약 1주일 안 에 정상상태에 도달함. 이때 완충재에서 열원으로부터 거리에 따른 온도 분포는 지수함수의 형상을 가짐.

    • 초기 완충재에는 수분함량이 일정하게 분포하지만, 히 터가 가동되면서 완충재의 온도 분포가 달라지고, 이 에 따라 수분이 증발하여 증기압에 의해 수분이 저온 부로 이동하게 됨. 따라서, 완충재 내의 상대습도는 상 승하다가 일정한 시간 이후에 서서히 감소하는 형상으 로 나타남.

    • 완충재 내의 온도와 압력이 같은 형상을 가지고 있음. 즉, 완충재의 온도가 상승하면 압력도 상승하며, 정상 상태에 도달하면 압력도 정상상태에 도달함. 이것은 지하수 유입에 의한 팽윤압에 의해 발생한 것이 아니 라, 완충재의 온도가 증가함에 따라 열팽창이 발생하 여 나타나는 현상으로 분석됨.

    • In-DEBS의 근계암반의 온도는 히터 발열에 의해 증가 하지만, 완충재와는 달리 정상상태에 도달하지 않고 계속 온도가 올라가는 것을 관찰하였고 또한 근계암 반의 변위도 계속 줄어드는 것을 확인.

    현재 계속 실험 중에 있으며 향후 중장기 현장 실험 데이 터 DB가 축적되어진다면, 공학적방벽시스템에 대한 THM 복합거동 특성을 분석함으로써 처분장의 성능 및 처분안전 성 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

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

    Figure

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    (a) In-DEBS installed at KURT, (b) 3D scheme for In-DEBS [7].

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    Sensor locations and notations in the buffer and plugging of in-DEBS

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    Sensor locations in the near field rock of in-DEBS.

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    (a) In-DEBS Plugging, (b) Measured temperature of top and bottom at the concrete plugging as a function of operating time.

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    (a) Measured temperature histories after plugging, and (b) temperature spatial distribution in the buffer block due to concrete curing heat at 3.5 days after operation.

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    (a) Temperature spatial distribution in (a) OB1-1, OB1-2, (b) OB1-3 and OB1-4 due to concrete curing heat at the 3.5 days after plugging.

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    (a) Sensor locations on the heater and (b) picture of heater.

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    (a) Input power and (b) measured temperature on the heater surface as a function of operating time.

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    Axial temperature distribution on the In-DEBS. (a) Measured temperature as a function of operating time, (b) Temperature distribution on the space.

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    (a) Temperature sensor locations above the heater, (b) Measured temperatures.

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    (a) Sensor depth in the buffer block and (b) spacial temperature distribution above the heater.

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    (a) Temperature sensor locations and (b) measured temperature of a radial direction on the In-DEBS as a function of operating time.

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    Spacial temperature distribution of the radial direction.

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    The measured relative humidity by the sensor Hm3~Hm12 on the doughnut shape buffer as function of operating time.

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    The measured relative humidity as function of operating time.

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    The measured total pressure on the bentonite block as function of operating time.

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    Comparison temperature and total pressure on the buffer as function of operating time.

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    Thermal behavior on the rock. Measured temperatures in the (a) OB1-1, (b) OB1-2, (c) OB1-3 and (d) OB1-4 test hole as function of operating time.

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    Spatial temperature distribution in the (a) OB1-1,OB1-2, (b) OB1-3 and OB1-4 test hole at the 20 days after operation.

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    Variation of spatial temperature distribution on the rock and bentonite buffer at the 30 days and 100 days after operation.

    JNFCWT-17-S-81_F21.gif

    (a) Locations of the displacement sensor in the rock, (b) Measured displacements and temperature.

    Table

    Reference

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