1. 서론

고준위방사성폐기물은 다량의 초우라늄원소와 장반감 기 핵분열생성물 핵종을 함유하고 있으며, 상당기간 동안 방 사성붕괴열을 방출한다. 따라서 고준위방사성폐기물의 처 분방식으로는 지중처분 중에서도 지하 깊은 곳에 위치한 지 층에 폐기물을 격리시키는 지층처분 방식이 사용된다[1]. 현 재 최종 처분을 고려하고 있는 대부분의 국가에서는 각국 고 유의 지질특성을 고려하여 지하 수 백 미터 깊이의 지질학적 으로 안정된 암반층에 고준위방사성폐기물을 처분하는 심층 처분(deep geological repository) 개념을 개발하고 추진 중 에 있다[2-3]. 우리나라 역시 심층처분을“방사성폐기물을 사 람의 접근과 방사성핵종의 생태계 유입이 제한될 수 있도록 지하 깊은 곳의 안정한 지층구조에 처분하여 인간 생활권으 로부터 영구히 격리시키는 것”으로 정의하고[4], 이와 관련 된 시설의 일반기준에 관한 사항을 정하고 있다. 반면에 국 내외적인 환경 변화로써 2011년 3월 후쿠시마 원전 사고 이 후 국내외적으로 불고 있는 탈원전 추세에 따라 우리나라 도 새로운 제8차 전력수급기본계획(2017-2031)에서 원전·석 탄은 단계적으로 줄여나가고, 신재생에너지를 중심으로 친 환경에너지를 대폭 확대하는 방향으로 국내 에너지정책을 수정하였다. 그러나 이러한 에너지 정책의 변화와는 상관없 이 사용후핵연료를 포함한 고준위방사성폐기물은 국내에 존 재하고 계속 발생되고 있으며, 더구나 국내 사용후핵연료의 원전부지 내 임시 저장능력이 수 년 내에 포화되기 시작할 것 으로 예상된다[5]. 따라서 고준위방사성폐기물을 인간생활 로부터 안전하게 영구히 고립시킬 수 있는 최종 처분 및 관 련 기술의 확보는 그 필요성을 넘어서 매우 시급한 상황이다.

우리나라의 고준위폐기물처분연구는 한국원자력연구원 에서 1997년부터 사용후핵연료를 심부 지층에 최종 처분하 기 위한 심층처분시스템 개발을 목표로 연구를 수행하여 한 국형 기준처분시스템(KRS, Korean Reference Spent Fuel Disposal System) 및 선진핵주기고준위폐기물처분시스템 (A-KRS, Advanced Korean Reference Disposal System of HLW waste)을 개발하였다[6-7]. 고준위폐기물 심층처분시 스템 개발의 최종 단계는 개발된 처분시스템의 장기간에 걸친 안전성을 평가하고 입증하는 것이며, 이를 위하여 원 자력 선진국들은 자국의 고유 지질환경특성을 기반으로 한 다양한 형태의 지하연구시설(URL, Underground Research Laboratory)을 건설하고 운영하고 있다. 국내에는 2006년 부터 한국원자력연구원에 위치하는 KURT가 순수한 연구목 적의 지하처분연구시설로 운영되고 있다. 대부분의 원자력 선진국들은 지하연구시설을 이용하여 실제 심부처분환경에 서의 원위치 현장시험 및 해석기술을 확보기 위한 장기시험 을 수행하고 있으며, 특히 고준위폐기물 상용처분사업의 안 전성 확보를 위해 반드시 필요한 공학적방벽시스템의 성능 평가 및 현장검증시험을 실규모로 수행하고 있다.

우리나라도 2015년부터 KURT 내에 모의 처분시스템을 설치하기 위하여 주변 암반특성을 평가하여 최적의 현장 시 험조건을 결정하였으며, 2017년부터 해당 처분공에 열-수리- 역학적 복합거동 특성 변화를 원위치 측정할 수 있는 공학 적방벽시스템 열-수리-역학적(THM) 복합거동 현장시험(In- DEBS, In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 장치를 자체 기술로 구축하여 운영하고 있다[8-9]. 아울 러 현장 실험 데이터를 반영한 공학적방벽 및 이와 상호 반응 하는 자연 암반의 평가기술과 도구를 개발하고 있다. 공학적 방벽시스템 열적-수리적-역학적 복합거동 장기 현장실험 구 축 및 운영기술과 실험결과의 예측-평가기술의 확보는 심층 처분시스템의 성능 및 안전성을 평가하는 핵심 요소이며, 나 아가 처분부지 규모를 결정하는 주요 설계인자로서 향후 국 내 처분부지의 확보 가능성에 까지 영향을 미칠 수 있는 핵 심 기술개발 분야이다. 이와 관련하여 본 논문에서는 고준 위폐기물 심층처분장 공학적방벽 현장시험의 국내외 현황 을 분석하고, 국내 유일의 지하연구시설(KURT)에서 2016년 7월부터 성공적으로 운영되고 있는 KURT 기반 공학적방벽 THM 복합거동 현장시험(In-DEBS)의 배경 및 구축 과정과 현장시험 결과를 이용한 열-수리-역학적 복합거동 검증기술 개발 현황을 기술하였다.

2. 공학적방벽 현장시험 국내외 현황

2.1 공학적방벽 복합거동 현장시험 중요성

심층처분시스템 개발의 최종 단계는 개발된 심층처분시 스템의 장기간에 걸친 안전성을 평가하고 입증하는 것이며, 이를 위하여 심층처분시스템을 구성하는 공학적방벽 및 이 와 상호 반응하는 자연 암반의 성능을 평가할 수 있는 기술 과 도구를 개발하는 것이다. 공학적방벽시스템의 거동 특 성 및 천연방벽과의 상호작용은 열적(T), 수리적(H), 역학적 (M) 거동 변화 특성으로 나타나며 이들 특성은 서로 독립된 것이 아니라 상호 복합적으로 연계되어 있기 때문에 심층처 분시스템의 장기 성능 평가는 이를 구성하는 공학적방벽시 스템의 열적-수리적-역학적 장기 복합 거동특성 현장시험을 통해서 입증해야 한다. 따라서 공학적방벽시스템의 온도, 수 리특성 및 응력분포의 복합적인 거동을 현장실증실험 결과 를 바탕으로 정확히 예측, 평가하는 것은 고준위폐기물 심층 처분의 장기 안전성 확보를 위해 반드시 확보해야 하는 핵 심 기술이다.

우리나라와 같이 국토면적이 좁은 반면에 인구밀도가 높 은 국가에서는 심층처분시스템에 적합한 부지를 확보하는 것이 가장 중요하면서도 해결하기 어려운 난제이다. 따라서 심층처분장의 건설에 필요한 부지 소요면적을 줄여 부지 확 보를 용이하게 하여야 고준위폐기물 처분의 실현 가능성을 높일 수 있다. 심층처분장에 처분된 고준위폐기물인 사용후 핵연료는 처분장 폐쇄 후에도 오랜 기간 동안 방사성붕괴열 을 방출하며, 이로 인한 온도의 상승이 심층처분장의 성능에 중요한 영향을 미친다. 따라서 심층처분장의 장기 성능을 보 장하기 위해, 심층처분장의 구성요소 중 가장 열부하가 큰 공학적방벽시스템의 첨두온도(peak temperature) 한계가 설 정되어 있다. 대부분의 국가에서 심층처분시스템 공학적방 벽의 중의 처분용기와 완충재 사이의 계면에 약 100℃의 첨 두온도 한계를 정하고 있으며, 이러한 첨두온도 한계로 인해, 공학적방벽시스템의 온도 분포가 심층처분장의 열적 배치를 결정하는 주요 요소가 된다[1]. 심층처분장의 처분공에 처분 용기를 정치시키고 완충재를 설치한 후, 시간이 경과함에 따 라 처분된 고준위폐기물로부터 발생되는 붕괴열에 의해 공 학적방벽시스템의 온도가 상승하며, 동시에 주위 암반으로 부터 처분장 내로 침투하는 지하수에 의해 완충재가 포화되 기 시작한다. 완충재가 지하수로 포화되면, 완충재가 팽윤되 어 공학적방벽시스템 전반의 압력을 상승시킨다. 따라서 공 학적방벽시스템 내의 온도 분포에 따라 처분시스템 전체의 열-수리-역학적(THM) 복합거동특성이 정해지며 이에 따라 심층처분장 처분터널에 굴착되는 처분공들의 간격과 처분공 하나에 정치시킬 수 있는 고준위폐기물의 양이 정해지므로, 주어진 면적의 처분장 내에 처분할 수 있는 고준위폐기물의 총량도 결정된다. 따라서 심층처분장의 열적 배치와 이에 의 한 공학적방벽의 수리, 역학적 특성은 심층처분장 단위 면적 에 처분할 수 있는 폐기물의 양을 제한하여 처분효율을 결정 하며, 나아가 처분장 소요 면적을 좌우함으로써, 처분부지의 확보 가능성에 까지도 영향을 미치는 중요한 설계 인자이다.

또한 고준위폐기물의 처분에 필요한 장기적인 시간개념 을 고려할 때 실질적인 처분시스템의 장기거동 실증 및 그 안 전성 평가는 반드시 수치해석모델링 기술과 연계되어야 하 며 이는 열적-수리적-역학적 복합거동 해석기술을 확보해야 가능하다. 따라서 공학적방벽시스템의 열-수리-역학적 해석 기법 개발은 심층처분시스템의 성능을 평가하는 핵심 요소 이며, 공학적방벽시스템 열-수리-역학적(THM) 복합거동 장 기 현장실험 구축 및 운영기술과 함께 고준위폐기물 심층처 분시스템의 장기 성능 및 안전성을 평가하기 위한 핵심 기술 개발 분야이다.

2.2 국외 현황

고준위폐기물 심층처분시스템개발을 위해서는 처분장 지하 깊은 곳의 지질환경 조건에서 핵종의 유출로 인한 천연 방벽(암반)의 지연/희석 기능과 공학적방벽(처분용기, 완충 재 등) 의 격납/격리 기능에 대한 성능 및 안전성을 입증해야 한다. 이러한 심층처분시스템 개발 및 성능과 안전성 입증을 위한 핵심 인프라의 하나가 지하연구시설(URL)이며 세계 여 러 나라에서 다양한 형태로 건설되어 운영되고 있다.

대부분의 원자력 선진국들은 자국의 고유 지질환경특성 을 기반으로 한 지하연구시설(URL) 내 실제 심부처분환경에 서 처분시스템의 성능평가 및 현장검증시험을 실규모로 수 행하고 있다. 특히 공학적방벽의 THM 복합거동 특성평가를 위한 해석모델 개발과 현장실증을 통한 이의 검증에 대한 연 구들은 주로 결정질암을 모암으로 한 처분시스템에 집중되 고 있으며 동시에 지하처분연구시설을 운영하고 있는 국가 들에 의해 주도되고 있다.

주요 선진국 중 스웨덴은 Äspö Hard Rock Laboratory (Äspö HRL)에서 다양한 공학적방벽 실증시험을 수행하였 거나 수행 중이다. 완충재장기거동시험(Long Term Test of Buffer Material) [10], 뒤채움재 및 플러그시험(Backfill and Plug Test) [11], 처분용기 부식 현장실험[12] 및 자국 고유 심 층처분개념인 KBS-3를 실규모로 실증하기 위한 실규모 처 분시스템 현장 성능 실증 시험인 원형처분장(Prototype Repository) 시험이 공학적방벽 성능 평가 및 실증과 관련된 내용이다. 특히 원형처분장 1단계 열-수리-역학적 복합거동 가열실험은 2001년 9월에 착수되어 2004년에 종료되었으며 [13], 원형처분장 실험 결과에 대한 공학적방벽 THM 복합거 동 해석 프로그램 개발도 함께 수행되었다[14-18]. 일부 시험 시스템의 해체와 처분용기 회수시험을 완료한 후 안 쪽 구역 에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성 규명 현장실험은 계 속되고 있으며, 최소 2020년까지 지속될 예정이다[19]. 스웨 덴에서는 Äspö HRL에서 수행한 다양한 현장검증시험 결과 들을 이미 최종 처분장 설계에 반영하고 추가적인 인허가용 URL 건설 없이 최종 건설인허가를 기다리고 있는 세계 최고 수준의 연구를 진행 중이다.

스위스의 경우도 Mont Terri Rock Laboratory (Mont Terri RL)과 Grimsel Test Site (GTS)에 지하시험시설을 확 보하고 공학적방벽에 대한 다양한 실증시험을 실시하였거 나 실시 중에 있다. 특히 GTS에서는 국제공동연구로서 심 층처분장 개념을 실규모로 모사한 Full-Scale Engineered Barriers Experiment (FEBEX) 현장실증시험을 실시하였으 며[20], 이후 FEBEX II 시험과 FEBEX-e 시험을 거쳐 해체 실험인 FEBEX-DP를 수행하였다. FEBEX-DP의 해체 작업 은 2015년에 종료되었으며, 현재 해체를 통해 얻어진 실험 데이터를 분석하고 있다[21]. 이밖에 처분용기와 관련된 재 료부식 현장실험(MaCoTe, Material Corrosion Test)도 수행 중에 있다[22]. 점토질암이 모암인 Mont Terri RL에서는 공학 적방벽 성능평가와는 직접 관련은 없으나 스위스 심층처분 장 개념의 근계영역에서 일어나는 열-수리 거동을 규명하기 위한 1/2 규모의 대규모 현장시험인 HE-E 히터실험[23], 심 층처분 개념과 열-수리-역학적 모델을 실규모로 실증하기 위 한 실규모 정치시험(Full-Scale Emplacement Test, FE) [24] 등을 수행하고 있다.

일본 역시 Horonobe URL에서 자국의 공학적방벽시스 템을 모사한 Horonobe EBS THM 현장실험을 착수하였으며 체코의 경우는 JOSEF 지하 연구터널에서 지름 0.75 m, 깊이 2.8 m의 시험공을 뚫고, 체코 산 벤토나이트 블록으로 공학 적방벽 실증 시험을 수행중이다[8].

이와 같이, 현재 원자력 선진국들은 공학적 규모의 시 험을 거쳐 지하연구시설에서의 현장실험을 통해 처분기술 및 공학적방벽 성능실증이 중점적으로 이루어지고 있으며 아울러 시험결과의 해석 및 평가를 위한 공학적방벽 THM 복합거동 해석 프로그램을 개발하고 있거나 확보하고 있는 단계이다. THM 복합거동 모델링 기법은 연속체 모델과 불 연속체 모델로 구분되는데, 세계적으로 연속체 모델이 주로 사용되고 불연속체 해석기법의 경우 모델개발을 주로 하고 있는 실정이다. 현재, 유럽에서는 연속체 코드인 OpenGeo- Sys [25]와 Code-BRIGHT [26]를 많이 사용하고 있고, 미국 Lawrence Berkely National Laboratories (LBNL)에서 개발 한 TOUGH2 [27]와 Itasca에서 개발한 FLAC을 연계한 THM 해석기법인 TOUGH2-FLAC [28] 역시 전 세계적으로 많이 사 용하고 있다. 또한 상용코드인 COMSOL [29] 역시 많이 사용 되고 있는 THM 복합거동 모델링 기법 중에 하나이다. 하지 만 THM 복합거동은 대부분의 방정식이 비선형이며, 복잡한 상호작용으로 이루어져 있기 때문에 완벽하게 THM 복합거 동을 평가하는 기술 개발은 완료되지 않은 실정이다. 이를 위 해 선진 각국은 Development of Coupled Models and their Validation Against Experiments (DECOVALEX)와 같은 국 제공동연구를 추진하면서 각각의 해석 기법을 향상시키고 상호 검증하고 있다.

2.3 국내 현황

국내에는 처분시스템의 성능 검증을 위하여 실험실 규모 의 완충재 THM 실험 및 처분용기 부식시험 등이 수행되었으 며 2006년부터 한국원자력연구원에 지하처분연구시설(KURT) 을 확보하여 다양한 소규모의 현장시험을 거쳐 현재 공학적 규모의 공학적방벽 THM 복합거동 현장시험을 수행하기 시 작한 초기 단계이다. KURT는 2006년 말 한국원자력연구원 부지 내에 1단계 시설이 구축되어 각종 현장 검증시험을 수 행하고 있으며 이 후 연구개발 업무의 확대 및 해외기관과 의 협력사업 등으로 시설 규모의 확장의 필요성이 대두되어 2015년 1월까지 규모를 확장하여 현재 총 터널길이 551 m, 최고심도 120 m인 2단계 시설을 확보하였다(Fig. 1).

국내 공학적방벽 개발에 필요한 기술로써 공학적방벽 처 분용기 제작 기술은 저온분사코팅방법을 적용하여 실규모 의 약 1/10 규모 처분용기를 제작한 것이 유일하며[7], 현재 는 KURT에서 다양한 처분용기 후보 물질에 대해 장기 부 식시험을 수행 중이다. 공학적방벽 완충재의 경우 기본적인 THM 특성(팽윤압, 수리전도도, 열전도도) 등에 대한 분석 작업이 개별적으로 수행되었고 완충재의 복합물성평가기술 이 개발 중에 있다. 완충재 성능평가 실험으로써는 실험실 규모의 열-수리 특성시험(LAB-TH) 및 KAERI Engineering- Scale T-H-M Experimental Facility for Engineered Barrier System (KENTEX) 실체모형(Mock-up) 시험을 수행하였으 며[30], 2006년 KURT를 확보한 이후 현재까지 다양한 현장검 증시험이 수행되고 있으나 In-DEBS 시험 이전까지는 공학적 방벽의 성능평가와 관련된 시험은 없었으며, 단지 처분시스 템 근계영역 암반의 열-역학적 거동을 평가하고 수치모델의 검증에 필요한 실험 데이터를 얻기 위해 시추공 히터시험이 수행된 바 있다[31]. 이후 2016년 KURT에 본 특별 논문집의 주제인 한국형심층처분시스템의 공학적방벽시스템 열-수리- 역학적(THM) 복합거동 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)이 자체기술로 설계, 제작, 설치, 운영되어 국내 공학적방벽 성능평가 현장시험이 본격적으로 시작되었다[8].

실증시험과 반드시 병행되어야 하는 공학적방벽 열-수 리-역학적 복합 거동특성에 대한 모델링 기법은 대부분 암 석 및 암반에 주로 초점을 맞추어 진행되어 왔다. 하지만 최 근 처분과 관련하여 벤토나이트에서의 이상 유체 유동 모 델링의 필요성이 증대됨에 따라 국내 여러 기관에서 모델링 기법 개선을 위해 노력하고 있다. 하지만 아직 국내에서 자 체적으로 개발된 3차원 THM 코드는 없으며, 주로 기존의 상용코드를 활용한 모델링 기법 개발 및 검증이 주를 이루 고 있다. 특히 한국원자력연구원에서는 THM 복합거동 모 델링과 관련해서 LBNL에서 개발한 열·수리해석 프로그램인 TOUGH2와 역학 해석 프로그램인 FLAC3D를 연계하여 해 석을 하는 TOUGH2-MP/FLAC3D 해석기법을 개발하였으며 DECOVALEX 등의 국제공동연구를 통하여 모델 기법을 검 증하고 있다. 특히 금번 In-DEBS 현장시험과 연계하여 국내 기술로 제작된 공학적방벽 및 가상의 처분공 설치를 통한 현 장실험 결과를 이용한 평가기술 및 검증을 수행할 계획이다.

3. KURT 기반 In-DEBS 시스템 구축

3.1 In-DEBS의 목적

심층처분장의 설계와 레이아웃 결정에 중요한 영향을 미 치는 공학적방벽시스템의 온도 및 응력 분포는 공학적방벽 시스템의 THM 복합거동에 의해 결정된다. 그러나 고준위 폐기물의 심층처분은 기술적 타당성을 확보한다고 하더라 도, 국민의 이해와 수용이 없이는 결코 진행될 수 없는 사회 적 측면을 가지고 있다. 따라서 In-DEBS와 같이 자국의 지 하연구시설에서 현장시험을 통해 심층처분시스템의 성능과 안전성을 검증하는 것은 기술적인 중요성 측면 외에도 고준 위폐기물 심층처분에 대한 국민의 이해를 증진시키는 사회 적 중요성도 가지고 있다. 또한 국내 지하연구시설에서 고유 의 암반 및 공학적방벽의 조건과 고준위폐기물의 발열량을 고려한 현장실험을 실시하여, 공학적방벽시스템의 THM 복 합 거동에 관한 신뢰성 있는 현장실험 데이터를 확보하고, 이 를 해석할 수 있는 전산모델을 개발하여 검증하는 것은 향후 수행될 심층처분시스템의 설계 효율성을 높이고, 처분 안전 성 및 국민 수용성을 확보하기 위해 반드시 수행되어야 하는 심층처분의 핵심 기술이다.

이를 위해 우리나라는 2012년 한국원자력연구원의 KURT 2단계 프로그램 기획부터 향후 10년 이상 동안 확장 된 시설에서 수행하게 될 현장 시험연구 계획을 수립하면서 독립된 KURT 시험공간에 A-KRS의 핵심기술인 공학적방벽 의 장기 성능시험을 추진하였다. 2014년부터 원자력기술개 발사업의 일환으로 선진핵주기고준위폐기물처분시스템(AKRS) [32]을 기반으로 한 공학규모 공학적방벽 열-수리-역학 적 복합거동 현장시험(In-DEBS)이 본격적으로 기획되어 한 국원자력연구원 자체기술로 전체 시스템 구성요소를 설계하 고 제작하여 In-DEBS 시스템을 2016년 5월 KURT 연구 공간 3번(RG-3)에 설치하였으며 예비 성능평가를 거쳐 2016년 7 월에 정상운영이 시작되어 본격적인 열-수리-역학 데이터를 생산하고 있다(Fig. 2). 향후 처분시스템의 실규모 실증 시험 이 수행될 때까지 In-DEBS 실험은 장기적으로 운영될 예정 이며, 이를 위한 대규모 공학적방벽 제작기술 개발 및 검증, 처분시스템 설치방법 개발 및 검증, 공학적방벽 국내산 벤토 나이트 완충재의 열-수리-역학(THM) 복합거동특성 현장시 험 및 THM 복합모델링 기술 검증, 공학적방벽 완충재 THM 특성 측정 및 모니터링 기술 개발 등을 통한 국내 고준위폐 기물 심층처분시스템 공학적방벽의 공학규모 성능검증을 최 종 목표로 하고 있다[9].

3.2 설계

고준위폐기물처분 연구개발의 최종 목표는 국내에서 발 생 가능한 모든 형태의 고준위폐기물과 장반감기 폐기물을 국내 고유의 심부 지질환경에 안전하게 처분할 수 있는 시스 템을 개발하고 그의 목표 성능과 안전성을 입증하는 것이다. 이를 위하여 현재 성공적으로 설치되어 운영 중인 In-DEBS 가 구축되기 전까지 다수의 실내 예비실험 및 실체모형 시 험이 있었다. 2003년 기준처분시스템(KRS)의 1/3 규모 축 소 실내시험장치(KENTEX)를 이용하여 공학적방벽 구성요 소의 성능에 대한 실내 검증연구를 우선 수행했다[30]. 이후 암반의 열적거동 특성 규명을 위한 KURT 암반에서의 시추공 히터 현장시험(BHT) 및 완충재의 열-수리특성 평가를 위한 소규모 실내실험(Lab-TH)을 수행하였다. 이 과정에서 얻어 진 기술과 공학적방벽 특성을 기반으로 A-KRS 기반 공학적 방벽의 종합적인 THM 복합거동 특성을 평가하고 검증하기 위하여 KURT에 한국형처분시스템의 1/2.3 규모 공학적방벽 현장검증시험(In-DEBS) 시스템을 구축할 수 있었다(Fig. 3).

3.3 시험위치 선정 및 시험처분공 굴착

KURT에서 In-DEBS의 설치 및 운영에 가장 최적합한 시 험위치를 선정하기 위하여 기존 자료를 이용하여 시험처분공 후보지역의 지하수 유동 특성을 파악한 후, 최종 후보지역 2 곳에 각각 3개씩 총 6개의 시험평가공을 NX 구경 10 m 심도 로 굴착하고 각 시험평가공들에서 심도별 상세 수리시험을 수 행하여 단열 특성 및 지하수 유량분포와 유동 특성을 평가하 였다. 이 결과를 근거로 수리, 암반역학 조건 및 현장설치 요 건, 암반의 단열 및 수리특성, 현장 조건 및 설치 용이성 등을 종합하여 최적 시험 위치를 선정하였다. 최종 시험 위치에는 향후 추가적인 시험을 대비하여 총 3곳에 직경 860 mm의 대 구경 시험처분공을 총 심도 3 m 구간 내 오차 1°이내로 수 직 굴착하였다. 각 시험처분공의 상세 수리특성을 조사하여 국지적 단열분포에 따른 지하수두 및 지하수 유량분포 특성 을 평가하였다. 최종 시험처분공 주위에는 방향과 거리를 달 리하여 방사상으로 4곳에 NX 구경의 모니터링공을 굴착하 고 일정간격으로 온도센서와 공극수압센서를 설치하여 In- DEBS의 운영과 함께 발생하는 열에 의한 암반의 온도 및 공 극수압의 변화와 분포 특성을 측정할 수 있게 하였다(Fig. 4). 또한 시험체에서 발생되는 열에 의한 주변 암반의 변위를 측 정하기 위해서 최종 선정된 시험처분공 공벽에 수직으로 인 접하게 각각 17 m (10°경사) 및 19 m (12°경사) 길이의 수 평 경사 시추공을 2곳에 굴착하고, 시험처분공벽으로부터 더 밀집하게 설계한 암반변위계를 설치하였다(Fig. 4). 또한 향후 In-DEBS의 데이터 해석 및 공학적방벽 THM 복합거동 특성 평가 모델 검증을 위하여 시험 위치에 굴착한 모든 시험시추 공 및 모니터링용 시추공에서 얻어진 시추코아로부터 총 259 개의 암석 특성 분석을 수행하여 시험부지 암반의 수직방향 암반변형계수, 굴착으로 인한 암반손상대(EDZ, Excavation Damaged Zone) 영향범위, 시험 구간 암석 비중, 공극률, 일 축 및 삼축압축강도, 포아송비, 인장강도 등의 시험처분공 및 시험부지 수리/암반/역학 특성에 관한 데이터를 확보하였다.

이러한 In-DEBS의 시험위치 선정 과정을 통해 시험지역 의 단열 및 수리특성, 현장 조건, 설치 용이성 등의 항목을 종 합하고 선호 조건과 배제 조건을 적용하여 시험처분공 위치 를 선정하고 다양한 모니터링공을 설치함으로써 향후 실제 처분사업에서 처분터널 내 처분공 위치 평가 및 실규모 공학 적방벽 성능검증시험의 기반을 마련하였다.

3.4 구성요소 제작

In-DEBS 시스템은 외부에서 온도와 열량 조절이 가능 한 히터를 내재한 가상의 처분용기, 처분용기를 둘러싸는 벤토나이트 블록, 처분용기와 벤토나이트의 열-수리-역학 특 성을 측정할 수 있는 센서류 및 연결라인, 상부 플러깅 및 데 이터 취득 시스템 등으로 구성된다. 이밖에 설치를 위하여 제 작하거나 설치한 바닥레일, 설치틀, 크레인, 지그(Jig) 등도 넓은 의미의 전체 시험 시스템에 포함될 수 있다.

In-DEBS 실험에서 가장 중요한 요소인 공학적방벽 벤토 나이트는 아직 국내 고유처분시스템 및 방벽재질 등이 정해 져 있지 않기 때문에, 공학적방벽 복합거동특성 평가기술을 개발하여 확보한다는 연구 목적에 맞게, 재료 선정 및 공급 이 용이한 국내산 Ca-벤토나이트로 선정하였다. 실험에 사용 된 벤토나이트는 모두 국내 포항 소재 클라리언트코리아㈜ 가 자사가 소유한 국내 벤토나이트 광산의 원광으로부터 완 충재 요건에 적합한 높은 순도의 벤토나이트를 별도 생산하 여 금번 연구용으로 공급하였다. 히터용기와 벤토나이트블 록간의 갭을 메우기 위해 사용한 과립형 벤토나이트 역시 클 라리언트코리아(주)에서 생산하고 있는 LAUNDROSIL DGA 212 상용제품을 사용하였다. 벤토나이트 블록은 기존의 2축 압축으로는 3방향 균질도 확보가 어렵기 때문에 관련 국내기 술을 보유한 ㈜맥테크와 함께 다이플롯팅(Die Floating) 프레 싱과 냉간정수압프레스방식(CIP, Cold Isostatic Press)을 결 합하여 3방향으로 균질한 밀도를 갖도록 제작하였다. 또한 가능한 빈공간이 없이 벤토나이트 블록을 조립할 수 있고 다 양한 크기와 모양의 센서들을 블럭내에 설치하기 위하여 컴 퓨터제어조각방법(CNC, Computer Numerical Control)으로 최종 블록을 제작하였다(Fig. 5(a)). 최종 제작된 벤토나이 트 블록의 건조밀도는 3방향으로 모두 1.67±0.016 g·cm^-3 균질 밀도를 가진다[33]. 전체 공학적방벽 완충재는 33층으 로 설계되어 도넛 또는 원형 블록을 4등분한 벤토나이트 블 록은 서로 맞물리는 홈과 총 116개의 센서 홈을 가진 총 132 개의 블록으로 구성하였다.

가상의 처분용기를 제작하기 위하여 내부에 상하온도차 를 최소화할 수 있는 히터용기를 제작하였다. 히터용기는 6 개의 수직방향 블록으로 나누었으며 블록마다 개별 조절이 가능한 700 W 용량의 히터를 설치하였다(Fig. 5(b)). 장기적 운영을 대비하여 히터는 2세트로 설치하여 총 6개 히터블록 에 총 12개의 히터로 구성하였고 외부 제어기를 통해서 각 블 록마다 열량과 온도를 개별 조절할 수 있다. 최종 설치 전 지 하수에 의한 누수를 방지하고자 수조에 담가 예비 실험을 수 행하여 밀봉상태를 확인하였다.

장기적으로 생산될 막대한 양의 THM 특성 데이터를 효 과적으로 측정하고 관리할 수 있는 200채널 이상의 동시 데 이터 샘플링 자동 계측 시스템을 구축하였으며, In-DEBS 시 스템에 적합한 최적 THM 센서류를 외국의 시험사례와 기존 KENTEX 및 Lab-TH 실험을 기반으로 선정하였다. 사용된 다양한 센서들은 설치 전 모두 공식적인 교정을 통해 THM 복합거동특성 데이터의 신뢰도를 높이고 수치모델 해석의 기반을 구축함과 동시에 향후 시스템 보완 및 처분공 상호작 용 평가용 다중처분공 현장시험시스템(In-DEBS-M) 설치 등 의 성능확장에 대비하였다.

3.5 In-DEBS의 설치

시험처분공의 직경이 860 mm로써 대구경이기는 하지만 내부에 직접 들어가서 완충재 블록과 센서들을 포함한 구성 요소들을 조립할 수 없기 때문에 모든 구성요소들을 터널 지 면에서 미리 일체형으로 조립을 하여 크레인으로 시험처분공 에 정치하는 방법을 선택하였다. 이를 위하여 상하의 다공성 스테인레스 원형 플레이트를 8개의 10 mm 강봉이 지지하며 중간에 비틀림 방지용 가이드링이 설치된 구조의 일체형설 치틀(OBPA, One-Body Pre-Assembly)을 설계하고 제작하 였다(Fig. 6). 설치틀에 히터용기와 총 132개의 완충재 블록 을 조립하면서 완충재 각 부분에 온도, 상대습도, 총 압력 및 공극압력을 측정할 수 있는 총 116개의 센서를 설치하고 분 말 벤토나이트로 모든 갭을 메웠다.

일체형설치틀에 히터용기, 벤토나이트 블록 및 모든 센 서류와 연결라인이 결합되어 완성된 시험체를 시험처분공에 정치하기 위해서 시험 위치에 수평의 레일을 설치하고 3축 미세 이동이 가능한 크레인과 지그를 이용하여 정치함으로 써 약 3톤의 일체형 시험체가 정치되는 동안 공벽과의 마찰 로 인한 시험체의 손실이 없도록 하였다. 시험체 정치 전에 시험처분공 하부는 표준사로 편평하게 하여 설치 시 충격완 화와 운영 중 지하수 유입을 가능하게 하였다.

일체형 시험체의 설치 이후 모든 센서 및 전원 라인을 측정시스템과 연결하고 시험처분공벽과 시험체 사이의 간 극(gap)을 표준사로 채웠다. 시험체 상부의 공간은 과립형 벤토나이트로 메우고 전원을 연결하여 모든 시스템요소들의 작동상태를 확인한 후 콘크리트 플러깅을 설치하였다. 상부 콘크리트 플러깅 설계를 위하여 사전에 FLAC3D를 이용한 In-DEBS 개념의 역학적 해석을 수행하고 플러깅에 의한 일 체형 시험체 상부 변위 구속 정도를 평가하여 In-DEBS의 장 기운영에 대비하였다.

3.6 운영 및 보완

In-DEBS 설치 이후 정상적인 전원공급 이전에 구성요소 및 계측시스템 예비평가를 완료하였다. 상부 콘크리트 플러 깅을 설치하고 시험영역 내 상대습도 등 환경 유지를 위한 시 험 모듈 앞에 출입문을 설치하였고 계측시스템, 히터 제어기, 암반 계측기 보호를 위하여 내부에 별도로 계측제어실을 구 축하였다. 장기적인 안정 운영을 위하여 약 48시간 정전까지 방어되는 무정전 전원공급장치(UPS, uninterruptible power supply)를 구축하였다. 2016년 7월 19일 정상적인 전원공급 을 시작하여 최종 운영 목표온도인 100℃ 까지 10일에 걸쳐 서 단계적으로 승온을 시켰으며 각 단계마다 전체 시스템의 작동 상태를 점검하였다. 현재까지 실제 계측온도 100±1℃ 상태를 유지하고 있으며 시간 경과에 따른 온도, 상대습도, 팽윤압 및 암반 압력 등에 관한 양질의 THM 데이터베이스 (DB, data base)를 구축 중이다.

막대한 양의 THM 데이터가 생산됨에 따라 실험데이터 분석 및 DB 구축용 온라인 분석시스템을 개발하였으며 이는 측정 시스템, DB서버, 분석용 컴퓨터, 모니터링용 컴퓨터 등 의 개별 시스템이 내부 인터넷망으로 서로 연결된 온라인 분 석 시스템으로써 모든 DB를 개인 컴퓨터로 다운받아서 데이 터 정밀 분석이 가능하다. 또한 In-DEBS의 원거리 모니터링 시스템을 함께 구축하여 THM 복합거동 측정 시스템을 내부 컴퓨터망으로 연결하여 지상의 인터넷이 연결된 모든 연구 실에서 작동상태 및 데이터를 상시 확인할 수 있을 뿐 아니라 측정 시스템의 채널, 데이터 취득 환경을 제어할 수 있는 원 격 제어기능이 포함되어 있다. 모든 데이터는 2중으로 저장 하고 있으며 센서 종류별, 채널별, 샘플링에 따라 체계적인 데이터 추출이 가능하다.

3.7 THM 복합거동특성 모델 개발 연구

고준위폐기물의 처분에서 다루어지는 기간이 장기간임 을 고려할 때 실질적인 심층처분시스템의 성능 및 안전성 평 가는 수치해석모델 기술과 연계되어 수행되어야 한다. 특히 THM 복합거동 해석 모델 개발에 대한 노력은 세계 각국에 서 오랜 시간에 걸쳐 진행되어오고 있으나 일반적인 THM 복합 거동은 비선형적인 거동을 보이며 구성방정식에 필요 한 인자 수가 많기 때문에 각국 고유의 처분시스템 주변에서 예상되는 복합 거동을 예측하는 것은 매우 힘들다. 따라서 열·수리·역학적 복합 거동을 이해하기 위해서 세계 각국에 서는 THM 관련 실험실 시험, 현장시험을 바탕으로 다양한 모델링 기법을 제안하고 있지만, 복잡한 열·수리·역학적 복 합 거동 특성을 완벽하게 예측하는 모델링 기법은 아직 개발 되지 못한 실정이다. In-DEBS를 구축하기 이전부터 한국원 자력연구원에서는 THM 복합거동특성 모델링 기법을 개발 하고 있다. 열-수리 병렬 해석 코드인 TOUGH2-MP를 위해 각각 28개의 중앙처리장치(CPU, central processing unit)로 이루어진 노드 10개를 갖춘 리눅스 클러스터 구축하고 윈도 우 기반의 역학적 특성 해석 FLAC3D 코드를 인터넷 허브를 이용해 리눅스 클러스터에 연동함으로써 THM 복합거동 해 석을 위한 TOUGH2-MP/FLAC3D 통합 병렬 해석 기법을 개 발하였다. 특히 구축된 TOUGH2-MP/FLAC3D 해석 기법의 신뢰성 확보 및 현장 적용성 확보를 위하여 THM 복합거동모 델 국제비교검증프로젝트인 DECOVALEX에 참여하여, 스위 스 FEBEX시험 등의 기존 검증된 실규모 현장시험 데이터를 이용한 참여국간의 상호 해석 기술 검증을 수행하고 있다. 아 울러 개발된 해석 기법을 In-DEBS의 초기 운영 데이터에 적 용하여 In-DEBS 벤토나이트 블록의 열 및 수리특성 예측 가 능성을 확인하였으며, 향후 KURT의 현장시험조건을 반영한 In-DEBS의 열-수리-역학적 복합거동 특성 해석 및 모델 검 증을 수행할 예정이다.

이상의 In-DEBS의 설계, 제작, 설치, 운영 및 모델 평가와 관련된 일련의 과정들을 Fig. 7에 도시하였다.

4. In-DEBS의 중장기 운영 계획

대부분의 원자력 선진국들은 지속적이고 장기적인 방 사성폐기물 처분 연구과정에서 고준위폐기물 상용처분사 업의 안전성 및 수용성 확보를 위해 자국의 고유 지질환경 특성을 기반으로 한 지하연구시설(URL) 내 실제 심부처분 환경에서 공학적방벽시스템의 성능평가 현장시험을 실규 모로 수행하여 심층처분시스템 설계 및 인허가에 적용하고 있으며 이와 병행하여 THM 복합거동 해석기법을 개발하 고 있다. 대부분의 경우 설치 이후 현재까지 장기적으로 운 영 중이며, 대표적인 실규모 공학적방벽 실증실험인 스위스 GTS에서의 FEBEX 시험의 경우, 1994년 기획을 시작하여 1997년 설치 및 운영 시작 이 후 단계적인 중장기 계획에 따라 2015년 해체가 완료될 때까지 약 20년 간 운영되었 다. 이후에도 관련 데이터의 해석 및 이를 이용한 복합거 동모델링 도구 개발과 기존 FEBEX 시험처분공을 활용한 고온에서의 완충재 성능 평가를 위한 HotBENT 프로젝트 를 준비 중에 있다.

In-DEBS의 경우 확정적인 단계별 운영계획은 아니지만 KURT의 암반 및 수리특성에 따라 2016년 설치 이후 완충재 가 자연적으로 포화되는 기간을 최소 10년 이상으로 예측하 고, 이후 시험체 상부에서 수직으로 관통하는 완충재 시료채 취용 시추 및 분석결과에 따른 추가적인 장기 운영 또는 완전 해체를 결정할 예정이다. 단기적으로는 생산되는 데이터를 분기별로 사용자 모임에서 분석하여 중장기 운영계획에 반 영할 계획이다. 또한 생산되는 데이터를 이용한 예비 THM 복합거동특성 모델링 결과도 중장기 운영계획에 반영된다. 당초 완충재의 포화속도에 따라 인공적인 지하수 주입도 고 려하여 In-DEBS를 설계하였으며, 약 2년 9개월의 운영 기간 이 지난 현재, 상부 및 하부로부터의 지하수 유입과 이에 따 른 완충재의 포화가 진행됨을 확인하여 당분간 자연적인 지 하수 유입을 유지하기로 하였다.

In-DEBS 실험 이외에도 실제 처분장에서는 다수의 처분 공들이 일정 간격으로 배열되기 때문에 이들의 상호 복합 영 향을 평가하기 위한 KURT에서의 다중처분공 THM 복합거 동 현장시험(In-DEBS-M)을 계획 중에 있다. In-DEBS-M은 KURT 내 새로운 실험 지역에서의 수행 방안 이외에도, 여건 에 따라 기존 In-DEBS 시험구간을 활용한 시험 범위의 확장 도 고려되고 있는 상황이지만 현재의 자연적인 In-DEBS 실 험 현장 조건의 교란을 최소화 하는 범위에서의 실험 확장이 수행될 것이며, 당초 In-DEBS 시험의 목표달성을 위해서 향 후 최소 10년 이상 안정적으로 운영될 예정이다.

5. 결론

심층처분장의 설계와 레이아웃 결정에 중요한 영향을 미 치는 공학적방벽시스템의 온도 및 응력 분포는 공학적방벽 시스템의 THM 복합거동에 의해 결정된다. In-DEBS 시험은 국내 유일의 지하연구시설(KURT)에 최초로 설치하여 운영 되는 처분시스템 공학규모 현장시험으로써, 기본 설계부터 완충재 블록, 내부 주철용기 및 히터, THM 복합거동 계측시 스템 등의 현장 실증 시험용 시스템 구성품들을 국내 기술과 연계하여 자체 제작하고 설치하여 성공적으로 THM 특성 데 이터를 생산할 수 있는 기술을 확보하였다. 그러나 In-DEBS 가 설치된 KURT는 약 500 m 이하로 예상되는 처분심도의 환경을 완전히 반영할 수 없는 실험 조건이며 In-DEBS 역시 실규모 처분시스템의 실증시험을 대신할 수 없는 공학규모 실험으로써 선진핵주기고준위폐기물처분시스템(A-KRS) 개 념을 기반으로 하였기 때문에 실험 결과들을 향후 실제 처분 환경을 고려한 시스템에 그대로 적용할 수 없는 한계와 불확 실성이 존재한다. 그러나 In-DEBS 시험을 위한 벤토나이트 블록, 히터용기, 데이터 처리 시스템 등의 구성요소 설계, 제 작, 운영 기술 및 THM 복합거동 해석 기술들은 향후 처분심 도 URL에서의 실규모 현장 실증시험에 직접 활용될 수 있는 핵심기술들이다.

세부적으로는 A-KRS 처분시스템의 1/2.3 공학규모의 시 스템에 총 116개의 THM 센서를 배치하고, 3방향 건조밀도 균질도가 향상된 벤토나이트 완충재 블록을 제작하였다. 또 한 내부에는 상하온도차를 최소화할 수 있는 히터용기를 개 발하였으며, 데이터 관리를 위하여 KURT 지하 환경에 적합 한 THM 거동특성 데이터 자동 측정 시스템을 개발하였다. 일체형 설치틀(OBPA) 및 OBPA의 정확한 적치를 위해 3축 이동 기능이 장착된 현장설치 크레인을 제작하여 최종 In- DEBS의 설치를 성공적으로 완료하고 현재 안정적으로 운영 중에 있다. In-DEBS의 실험결과를 포함한 공학적방벽 THM 복합거동 특성을 평가하기 위하여 TOUGH2-MP와 FLAC3D 를 연동한 TOUGH2-MP/FLAC3D 해석기법을 개발 하고 국 제공동연구 DECOVALEX에 참여하여 해석기법의 타당성 및 암반의 열-수리적 이방성을 고려한 새로운 해석 모델을 검증 중이다. 향후 이를 이용하여 In-DEBS의 현장시험조건을 반 영한 열-수리-역학적 상호작용을 고려한 해석 및 모델 검증 을 수행할 예정이다.