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1.서 론
현재 국내 최초의 중·저준위방사성폐기물 처분시설(환 경관리센터 이하 처분시설) 1단계사업이 완공되었다. 1단계 처분시설은 높이 50 m, 직경 25 m의 사일로 6개로 구성되어 있으며, 해수면 기준 (-)80~130 m 깊이의 대수층에 위치하고 있다. 1단계 처분시설은 다중방벽 개념을 적용하여 안전성 을 담보하고 있으며, 다중방벽은 크게 인공방벽과 자연방벽 으로 나눌 수 있다. 인공방벽은 폐기물 포장용기(철재 드럼), 콘크리트 처분용기, 뒷 채움재, 사일로 콘크리트로 구성되어 있으며, 자연방벽은 주위 암반을 예로 들 수 있다. 이 중, 특 히 사일로 콘크리트는 사일로 내부의 방사성핵종의 유출과 지하수 유입을 제한하는 역할을 수행하게 된다. 사일로 콘크 리트의 두께는 위치별로 차이가 발생하지만 최소 1 m가 넘 는 것으로 설계되었다. 처분시설 폐쇄후, 사일로 내부에서는 유기성 폐기물의 미생물 분해, 철제 용기 및 폐기물의 부식으 로 인해 기체가 발생될 것으로 예상된다[1].
다공성 매질을 통한 기체이동 모델링에서 주요한 입력 변수는 기체침투압(gas entry pressure)과 기체투과도(gas permeability)를 들 수 있다. 본 연구에서는 처분시설 콘크리 트 사일로와 같은 배합비를 가지는 콘크리트 시편을 제작하 여 실험실 규모 실험을 수행하여, 처분시설 콘크리트에 대한 기체침투압(gas entry pressure)과 기체투과도(gas permeability) 를 도출하였다. 기체침투압(gas entry pressure)은 다 공성 매질 내에서의 이상 유동 특성에 대한 조절 요인으로, 완전히 포화된 다공성 매질에서 물을 밀어내기 위해 필요한 기체 주입압력과 수압간의 압력 차를 의미한다. 즉, 기체가 포화상태인 다공성 매질의 공극으로 침투하기 시작하는 시 점에서 기체압력을 의미한다. 기체투과도(gas permeability) 는 다공성 매질에서의 유량을 지배하는 성질로, Darcy’s law 에 의해 결정된다. 기체투과도(gas permeability)는 다공성 매질 고유의 특성이므로, 유체 및 특정 이동 메커니즘의 특 성에 영향을 받지 않는다[2].
연구에서는 향후 예상되는 처분시설 폐쇄를 대비하여 사일로 내부에서 발생하는 기체의 이동특성을 예측하기 위 하여 기체이동과 관련된 사일로 콘크리트의 주요 특성인 기 체침투압(gas entry pressure)과 기체투과도(gas permeability) 를 실험으로부터 도출하고 처분시설 부지를 2차원 도메 인으로 구성하여 기체이동 모델링을 수행하였다.
2실험방법
2.1.콘크리트 시편
처분시설 사일로 콘크리트 타설에 사용되는 동일한 재료 를 이용하여 동일한 배합비로 직경 150 mm, 높이 50 mm의 콘크리트 시편을 제작하였다. 콘크리트 시편의 특성과 배합 비는 Table 1, 2에 나타내었다. 콘크리트 시편은 91 일 수중 양생으로 제작하여 포화 상태를 유지하도록 하였다.
2.2.실험장비 및 방법
본 연구에서 기체침투압(gas entry pressure)과 기체투과도 (gas permeability)를 측정하기 위해 사용한 실험장치 구성 을 Fig. 1에 나타내었다. 실험장치는 콘크리트 시편이 설치되 는 압력용기, 기체 탱크, 압력조절기, 유량계, 압력계 등으로 구성되어 있으며, Fig. 1에 나타낸 바와 같이 콘크리트 시편 이 설치된 압력용기 하단에 질소 기체를 주입하고 압력용기 하단과 상단에서 기체 압력 및 유량을 실시간 측정하였다[3].
3.기체이동 모델링
3.1.개 요
본 연구에서는 범용 다차원 다상 열-수리학적 수치 모델 인 TOUGH2를 사용하였다. 도메인 구성은 cell-centered 유 한체적법을 기반으로 각 격자의 질량, 에너지 보존 방정식을 해석한다. EOS 모듈이 구성 요소별 (water-air, water-hydrogen, water-CO2, water-brine 등)로 다양하게 존재하여 해석 하고자 하는 대상에 따라 구분 된다[4]. 기체이동 모델링은 처 분시설 내 지하수유동 특성을 반영하기 위하여 처분시설 전 체영역을 대상으로 하였다. 처분시설은 서쪽이 높고 동쪽이 낮은 서고동저의 특징을 보여주고 있다. 본 수치모델링에 사 용된 모델 영역의 크기는 가로 2,300 m, 세로 500 m로 구성 하였다. Fig. 2에는 모델 영역의 구성을 나타내었다. 모델 영 역은 사일로 내부[폐기물(waste) 및 쇄석(crushed rock)], 사 일로 콘크리트(concrete), 및 모암(host rock)으로 구성하였 다. 사일로 콘크리트의 직경은 1~1.6 m로 사일로별 enRP의 차이가 있지만, 기체이동 평가의 보수적 관점에서 1 m로 균 일하게 설정하였다. 본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 바와 같 이 2차원 수치모델링을 수행하였기 때문에 1번, 3번, 5번 사 일로를 대상으로 하였다.
3.2.경계조건 및 초기조건
처분시설의 특성상 서고동저의 지형 구조를 갖기 때문 에 수두압 분포와 지하수 흐름은 좌에서 우로 이동하는 경향 을 기본 조건으로 고려하였다. 모델 영역 좌, 하단 부분은 불 투수층, 상부는 대기압력(1.013 × 105 Pa (1 atm))으로 일정 한 압력을 유지하는 것으로 설정하였고, 오른쪽은 해수 경계 조건으로 설정하였다. 또한, 초기에 사일로를 포함한 처분시 설 전 영역이 지하수에 의해 포화된 상태로 가정을 하였으며, 이 조건에서 모델 영역의 수두분포를 Fig. 3에 나타내었다.
3.3.입력변수
수치 모델에 적용된 매질의 다상 유동 특성을 결정짓는 모세관압 및 상대 투과도는 van Genuchten 비선형 함수를 사용하였으며 Table 3에 나타내었다[2][5][6]. 사일로 콘크리 트는 내구수명이 1,400 년으로 예측이 되는바, 모델링 종료 시점을 사일로 콘크리트의 건전성이 유지되는 1,400 년까지 평가하였다. 모델링의 선원인 방사성폐기물로부터의 기체발 생량은 처분장 안전성분석보고서(SAR, Safety Analysis Report) 를 기준으로 하였다[1]. 일반적으로 중·저준위방사성 폐기물에서 발생하는 기체는 대부분 금속폐기물 및 처분용 기의 부식에 의해 발생하는 수소기체이며, 처분시설에서도 대부분 수소기체가 발생하는 것으로 평가되었다[1]. 따라서, 본 연구에서는 TOUGH2 EOS5 모듈을 적용하였다.
모델 영역 전체에 대하여 지온은 25°C (298.15°K)로 설정 하였으며, 중력 가속도 상수(gravitational acceleration constant) 는 9.81 m/sec2으로 설정하였다.
4.결과 및 토의
4.1.실험결과
콘크리트의 기체 침투압(gas entry pressure) 측정결과 를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 100% 포화된 콘크리트 시편에 질소 기체를 0.1 mL/min의 유속 으로 주입하여 3회 실험을 수행하였다. 실험결과 처분시설 사일로 콘크리트의 기체 침투압(gas entry pressure)은 0.97±0.15 bar로 측정되었다.
기존 문헌에서는 방사성폐기물 처분시설에 사용된 콘크 리트의 기체 침투압(gas entry pressure)을 1~50 bar 범위에 서 보고하고 있다[7]. 본 실험결과는 기존 문헌 값의 가장 낮 은 범위에 포함되고 있다. 기존 문헌 값들은 대부분 미량의 콘크리트 시료에 대해 수은-물 주입 실험을 통하여 도출된 결 과를 물-공기 데이터로 변환한 값으로 변환하는 과정에서 공 극율 분포, 삼투압, angle 차이 등 물성의 차이로 인한 오차 발생 가능성이 있다. 반면, 본 연구에서는 지하수로 포화된 콘크리트 시편에 질소 기체를 직접 주입하여 정밀 측정한 자 료로 실제 값에 더욱 가까운 값으로 판단된다.
콘크리트 시편의 기체 투과도를 측정하기 위하여 기체 주 입압력을 2 bar, 3 bar, 4 bar 증가시키며 실험을 수행하였으며, 0% 포화된 콘크리트 시편의 기체 투과도는 2.44×10-17 m2로 측정되었다. 콘크리트 시편의 포화도를 증가시켰을 경우 상 대기체 투과도는 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으 며, 이 결과는 기존의 문헌 값과 유사한 경향을 나타내고 있 다[8][9]. 사일로 콘크리트 시편에 대해 측정된 기체침투압 (gas entry pressure)과 기체투과도(gas permeability) 결과 는 수치 모델링의 입력변수로 활용되었다.
4.2.모델링 결과
4.2.1.수소기체 이동
사일로 폐쇄후 시점부터 모델링 종료 시점인 1,400 년 까지 지하수에 용해된 기체의 이동 특성을 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 사일로 폐쇄후 발생하는 수소기 체는 사일로 내부 지하수에 용해되어 해안 방향으로 이동하 는 것을 알 수 있다. 폐쇄후 10 년 이후부터, 지하수에 용해 된 수소기체가 사일로 하부를 통해 외부로 이동하는 것을 알 수 있다. 처분시설은 수두구배가 서고동저의 형태이기 때문 에 지하수에 용해된 수소기체는 지하수의 흐름을 따라 동쪽 의 해안방향으로 이동하는 것을 알 수 있다. 또한 사일로 내 부에서 발생된 수소 기체는 폐쇄 초기에는 사일로 하부를 통 해 사일로 외부로 이동하는 것을 확인할 수 있지만 시간이 지 남에 따라 사일로 상부로 기체의 이동이 확장되는 것을 확인 할 수 있다. 기체이동 모델링 결과, 사일로 내부에서 발생하 는 수소 기체는 기상으로 이동하지 않고 지하수에 용해되어 지하수와 함께 생태계로 이동하는 것을 알 수 있다. 따라서, 사일로 내부에서 발생하는 수소 기체는 기상으로 사일로 내 부에 축적되지 않으며, 이로 인해 사일로 콘크리트의 내구성 에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.7
4.2.2.수소기체 밀도
사일로 내부에서 수소기체의 밀도 변화는 수소 기체에 의한 사일로 내부 포화와 직접적인 관련이 있다. 폐쇄후 시 간 변화에 따른 사일로 내부 수소기체 변화를 Fig. 6에 나타 내었다. 폐쇄후 약 1,000년 이후부터 사일로 폐기물 적치부 의 상부에서부터 수소 밀도가 증가하는 현상을 확인할 수 있 다. 수소 기체 발생 직후부터 약 1,000 년 까지는 사일로 내부 의 지하수에 용해되지만 1,000 년 이후부터 용해도 제한치를 초과하여 기상으로 존재하게 되는 것을 알 수 있다. 기체 형 태로 존재하게 될 경우, 밀도차이에 의해 기체가 발생하는 폐 기물 적치부에서 사일로 상부로 이동하는 것으로 판단된다.
5.결 론
본 연구에서 처분시설에 대한 2차원 모델 영역을 구성 하여 콘크리트 열화 예상 시점인 1,400 년까지 기체이동 수 치 모델링을 수행하였다. 이에 앞서 처분시설 사일로 콘크 리트에 대한 기체침투압(gas entry pressure)과 기체투과도 (gas permeability)를 실험으로 측정하였다. 본 연구의 결론 은 아래와 같다.
- 사일로 콘크리트의 기체침투압(gas entry pressure)과 기체 투과도(gas permeability)는 각각 0.97±0.15 bar 및 2.44×10-17 m2로 측정되었다.
- 사일로 폐쇄후 발생된 수소기체는 발생과 동시에 지하 수 용해가 시작되며, 지하수에 용해된 수소기체는 좌에 서 우로 흐르는 지하수의 흐름에 따라 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 폐쇄 후 초기에는 사일로 내 부의 기체 밀도는 뚜렷한 증가양상을 나타내지 않지만, 약 1,000 년 후 부터 사일로 상부부터 밀도가 증가하 기 시작한다. 하지만 모델링 종료시점까지 사일로 내부 의 수소 기체 밀도가 큰 폭으로 증가하지는 않는다. 즉, 1,400 년 이후에도 사일로 내부에서 발생된 수소 기체는 기상으로 존재하는 분율이 극히 작음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 사일로 내부에 처분되는 폐기물 에서 발생하는 기체는 사일로 내부에 축적되지 않으며, 이로 인해 사일로 콘크리트의 내구성에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
