1. 서론

한국원자력연구원은 1997년부터 원자력연구개발 사업 을 통해 사용후핵연료 및 파이로공정폐기물에 대한 심층처 분 연구를 수행해 오고 있다. 기술개발과 더불어 현장실증 연구의 중요성이 대두되면서 한국원자력연구원 내 지하처 분연구시설(KURT; KAERI Underground Research Tunnel) 을 활용한 다양한 현장실증연구가 진행되고 있다[1, 2]. 그 중 In-DEBS 프로젝트는 선진핵주기 고준위폐기물처분시스 템(AKRS; Advanced Korea Reference Disposal System of HLW)을 기반으로 한 공학적방벽의 열-수리-역학적 복합거 동 특성을 규명하기 위한 대표적인 공학규모(engineering scale)의 현장시험이다. 심층 처분환경은 핵연료로부터의 고열과, 깊은 심도로 인한 높은 지중응력, 그리고 지하수로 인한 포화상태로 대표될 수 있기 때문에, 공학적방벽의 열- 수리-역학적 거동규명을 위한 In-DEBS 프로젝트는 매우 중 요한 의미를 지닌다. 이 프로젝트는 제 4차 원자력연구개발 사업의 일환으로 2012년부터 기획되어 예비성능평가를 거 쳐 2016년 7월부터 KURT 내 RG-3에서 열-수리-역학 데이터 를 생산하고 있다. 이 실험의 주요 연구목표는 1) 공학적방벽 내 THM (Thermal-Hydro-Mechanical) 모델검증을 위한 현 장실증 데이터 생산, 2) 공학규모의 공학적방벽재 제작성 분 석 및 성능평가, 3) 현장 처분조건에서 공학적방벽재의 THM 복합거동 해석기법 개발, 4) 처분장 조건에서 벤토나이트의 광물학적, 물리·역학적 물성변화 측정, 4) 현장실증 실험을 위한 장치설계 및 제작, 통합계측시스템 구축, 그리고 데이터 분석기법 개발 등을 들 수 있다.

현재 선진국은 공학 규모의 시험을 거쳐 지하연구시설 (Underground Research Laboratory, URL)에서의 현장실험 을 통해 처분기술 및 공학적방벽 성능실증이 중점적으로 이 루어지고 있다. 특히 고준위폐기물 처분장의 고유 특징인 고 열(T)-지하수(H)-고압(M) 복합조건에서의 처분시스템 특성 규명은 처분장 장기 안전성 평가와 직접적인 연관이 있는 이 슈 중의 하나이다. 따라서 현재 처분연구 선진국들은 대부분 공학적방벽의 THM 복합거동 관련 해석 및 지하처분연구시 설에서의 검증 프로그램을 개발하고 있거나 이미 확보하고 있는 단계이다. 해외 처분 선진국들의 대표적인 THM 관련 현장실증시험으로는 스웨덴 LOT (Long Term Test of Buffer Material), TBT (Temperature Buffer Test), PR (Prototype Repository), CRT (Canister Retrieval Test), Lasgit (Large Scale gas injection test), 스위스 HE-E (Heating & Engineered Barrier experiment), 벨기에 PRACLAY (PReliminAry demonstration test for CLAY), 스페인 FEBEX (Fullscale Engineering Barrier Experiment), FEBEX Mock-up test, 일본 EBS Horonobe Experiment, 캐나다 BCE (Buffer/ Container Experiment)를 들 수 있다 [3-11].

국내에는 처분시스템의 성능검증을 위하여 2006년 한 국원자력연구원에 지하처분연구시설(KURT)을 확보하여 다양한 소규모의 현장시험이 이루어져 왔다. 근계암반에서의 열-역학적 거동규명을 위한 시추공 히터시험(BHT, Borehole Heater Test)와 처분용기 장기 부식시험, 암반손상대(EDZ, Excavation Damage Zone)의 물성특성 규명 그리고 근계암 반의 동적거동 특성평가 등이 대표적인 현장실증 연구이다 [2]. 하지만 대부분 단위모듈 혹은 단위 구성요소에 대한 실 증연구가 대부분이며, In-DEBS 시험 이전까지는 근계암반 조 건에서 처분용기와 완충재가 포함된 공학적방벽 시스템에 대 한 실증연구는 국내에서 아직 착수된 바가 없는 실정이었다.

공학적방벽시스템 열-수리-역학적(THM) 복합거동 현 장시험(In-DEBS)을 통해 국내 자체기술로 설계, 제작, 설치, 운영되므로써, 국내 공학적방벽 성능평가에 대한 현장시험 이 본격적으로 시작되었다[12]. 따라서 본 연구의 목적은 In- DEBS 시험장치에 대한 설계안을 도출하고, 현장시험용 공 학적방벽재 생산을 위한 최적 제작조건을 도출하는 것이다. 이와 관련하여 그간 한국원자력연구원에서 수행한 실증실험 수행경험과 문헌분석 그리고 본 연구원에서 제시된 AKRS를 근거로 시험장치를 설계하였다. 또한 벤토나이트 완충재와 처분용기는 시험제작을 통해 최적의 제작조건을 도출하였 고, 예비 성능평가를 통해 제작된 공학적방벽재의 성능을 검 증하였다. 본 실증시험은 최소한 5년 이상의 운영을 목표로 하고 있으며, 그 이후에 추가 운영을 할지 혹은 가동중단 후 오버코어링을 하여 검증데이터를 확보할 지에 대해서는 향후 결정할 예정이다. 참고로 AKRS에 기술된 공학적방벽시스템 의 주요 규제기준은 처분용기의 경우 1000년의 내부식 성능 확보를 위하여 Cold-spray 방식의 10 mm 구리코팅 용기를 사용하며, 완충재의 경우 건조단위밀도는 1.60 g·cm^-3 이상, 수리전도도 10^-12 m·sec^-1 이하, 열전도도 0.8 W·(m·K)^-1 이상, 그리고 팽윤압 15 MPa 이하로 규정하고 있다[13].

2. THM 복합거동 현장시험장치(In-DEBS) 설계

2.1 복합거동 관련 공학규모 선행연구

2.1.1 KENTEX / KENTEX-C

한국원자력연구원은 2006년도부터 목업(mock-up) 규모 의 KENTEX (KAERI Engineering-scale T-H-M Experiment for Engineered Barrier System) 실험장치를 운전하였다[14]. KENTEX는 벤토나이트 완충재가 핵연료로부터의 열과 지하 수 유입 그리고 자체 팽윤압력 등의 복합환경(THM Coupled environment)에서 어떠한 거동을 하는가를 확인하기 위해 기준처분시스템(KRS; Korea Reference disposal System)의 1/3 규모로 설계·제작된 실내실험 장치이다. KENTEX 실험 은 완충재의 THM 복합거동 특성규명 관련 In-DEBS의 선행 연구의 일환으로 실내실험 조건에서 이루어졌으며, 실험은 정상가열(90℃ 유지)과 비정상가열(120℃ 유지) 그리고 냉 각조건 등으로 수행되었다(Fig. 1).

한편 열-수리-역학적 복합거동은 완충재를 통한 방사성 핵종의 이동 및 지연 과정에 영향을 미쳐, 처분장의 성능 및 처분안전성을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서 KENTEX의 후속연구의 일환으로 방사성핵종의 이동현상을 규명하기 위한 공학적 규모의 열-수리-역학-화학적 복합거동 실증실험 (KENTEX-C)을 수행하였으며, 이를 모사할 수 있는 초기 전 산모델을 개발하였다. KENTEX-C는 KENTEX 장치에 음이 온 및 양이온 용액(CsI) 순환공급시스템을 추가로 설치한 실 증실험 장치이다(Fig. 1).

2.1.2 Borehole Heater Test (BHT)

심지층처분장에서 고준위폐기물의 붕괴열에 의한 주변 암반의 온도상승 및 응력 변화를 해석하는 것은 처분장 설계 를 최적화하고, 처분장의 장기 건전성을 보장하기 위해 매우 중요하다. 이러한 붕괴열에 의한 암반의 열-역학적 거동을 실증하고, 장기거동 해석에 필요한 전산모델의 신뢰성을 검 증하기 위해 지하처분연구시설(KURT)에서 2007년 12월부 터 시추공 히터시험을 수행하였다(Fig. 2) [15]. 심지층처분 장 열해석을 위한 사용후핵연료 발열량은 한국형심지층처분 장(KRS) 기준사용후핵연료로부터 산정하였다. 기준 사용후 핵연료는 초기 농축도가 4.0wt%이고 평균 비출력(specific power)은 37.5 MW/MTHM, 평균 연소도는 45,000 MWd/ MTHM인 가압경수로 사용후핵연료이다.

암반에서의 열전달과 관련된 열-역학적 거동을 평가하 고 모델 검증에 활용할 실증자료를 획득하기 위해 시추공 히 터시험을 설계하고 설치하였다. 열-역학적 거동에 대한 면 밀한 평가와 분석을 위해서는 수리적 거동의 영향을 최소화 시킬 수 있는 구간이 시험 장소로 적합하기 때문에, 암질 변 화가 비교적 복잡하지 않으며 지하수 유입이 적은 KURT 우 측 연구모듈 구간을 시험 구간으로 선정하였다. 히터온도를 90℃로 유지시키면서 암반 내 열-역학적 변화에 대한 관찰 및 분석이 이루어졌으며, 추후 KENTEX 실험과 동일하게 최 대온도를 120℃까지 상승시켜 정상 및 비정상 과열 상태에 서 암반의 온도 분포 변화, 응력변화, 대기 온도 및 습도 변 화를 관찰하였다.

2.2 In-DEBS 현장시험 설계안 도출

제255차 원자력위원회에서 건식재처리 방법인 파이로프 로세스와 고속로를 연계하는 선진핵연료주기를 국가 연구개 발사업으로 추진할 것을 의결하였다. 이에 한국원자력연구 원을 중심으로 2010년 4월부터 새로운 핵연료주기로부터 발 생하는 고준위폐기물을 포함하여, 중수로 사용후핵연료, 하 나로 사용후핵연료, 원자력발전소 해체로부터 발생하는 장 반감기 폐기물, 즉 국내에서 발생하는 방사성폐기물 중에서 경주 중·저준위폐기물 처분장에 수용될 수 없는 폐기물을 모두 수용할 수 있는 처분시스템을 개발하였다[13].

AKRS 수직처분 개념은 원래 두 개의 처분용기를 한 세 트로 두 층을 적치하는 개념이나, In-DEBS에서는 설치환경 및 제작가능성을 반영하여 한 층만을 고려하였다(Fig. 3(a)). 또한 공학적방벽 각 구성요소의 제작가능성 및 암반굴착 능 력, KURT 환경 등을 고려하여 시험처분공, 히터 및 처분용 기, 완충재 블록, 플러깅 등의 규모를 결정하였으며, 정확한 규모는 시스템 구성요소마다 다르지만 평균적으로 AKRS의 1/2.3 규모로 설계하였다.

핵연료 모사를 위하여 전력량 4.2 kW의 알루미늄 재질 몰드히터 (직경(D)×길이(L) : 254 mm×1450 mm)를 설계 하였다. 또한 암반 굴착 직경은 D860 mm이며 그 내부에 삽 입되는 완충재 블록의 직경과 두께는 각각 800 mm과 70 mm 이 되도록 하였다. 4개의 1/4 조각이 하나의 블록층을 구성 하므로 In-DEBS 실험에 최종적으로 사용된 완충재는 33개층 132개 블록으로 설계되었다. In-DEBS 실험장치의 설계도를 Fig. 3(b)에 나타내었다.

3. 처분용기(히터) 제작특성 분석 및 최적안 도출

3.1 처분용기제작 기술현황 및 설계안 도출

3.1.1 처분용기 모사용 히터제작 기술현황

고준위폐기물 처분기술 관련하여 많은 선진국들은 처분용 기를 대체해 사용할 수 있는 가열용기를 제작하여 실증시험에 사용하고 있다. 각국에서 현장실증 시험에 사용한 주요 가열 용기의 구조와 특성에 대해 분석하였다. 주요 분석대상은 스 웨덴 LOT, 스웨덴 TBT, 스위스 HE-E, 벨기에 PRACLAY, 스페 인 FEBEX-In situ 그리고 캐나다 BCE 가열용기이었다.

이들 실험에서 공통적으로 가열시스템은 처분용기와 동일한 온도변화를 얻는 수준에서 제작되었으며, 운전조건은 처분장 최대 설계온도를 유지하거나 혹은 실제 처분용기의 열용량과 일치하도록 설계되었다. 이때 열용량은 대부분의 실험에서 열해석 코드로 가열용기 표면온도를 사전에 분석 하여 설계용량을 결정하였으며, 실제 가열 시스템은 온도와 열용량을 모두 조절할 수 있도록 제작되었다.

가열용기의 전 범위에 균일한 온도를 얻기 위해 주로 히터 용기 내면에 가깝게 열선(시즈히터)을 균일하게 감아서 표면 에 골고루 열을 발산하도록 하는 경우가 많았으며, 열손실이 많은 상하단에 추가 발열체를 두어 상하 온도편차를 감소시키 는 경우도 있었다. 용기 내부에 열전도율이 높은 MgO나 SiC 등의 고체 충진재를 채워 넣는 경우가 많았으며, 일부의 경우 (FEBEX) 충진재를 사용하지 않는 경우도 있었다. 캐나다 BCE 실증시험에서는 중심에 카트리지 히터를 넣고, 열전도도가 우 수한 알루미늄 블록을 몸체로 사용하였다. 또한 장기운영에 따 른 가열체의 정지 가능성을 대비하여 최소 한 세트 이상의 보 조 히터를 도입하였으며, 기본적으로 히터용기 내부의 주요 위 치에 열전대를 설치하여, 온도분포를 모니터링 하였다. Fig. 4 에 대표적인 실증실험의 가열용기 설계도를 나타내었다.

3.1.2 In-DEBS용 히터 설계안

3.1.2.1 히터의 소요 전력량 사전평가

In-DEBS 현장실증 실험에 사용될 가열용기를 제작하기 위 하여 FLAC3D 코드를 이용한 예비 열해석을 통해 히터의 소요 전력량을 평가하였다. 입력재료의 물성값은 In-DEBS 현장실 험에 사용될 경주 벤토나이트(KJ-II)와 KURT 암반 물성을 이 용하였다. 초기 간극수압은 0.77 MPa이었으며 고유 투수계수 는 5.0×10^-17 m² 그리고 벤토나이트의 최대 팽윤압은 5 MPa으 로 설정하였다.

히터의 용량은 1.0 kW와 1.6 kW 두 경우에 대해서 해석을 수행하였다. 히터 용량이 1.0 kW의 경우 히터 표면에서의 최대 온도는 77.8℃, 그리고 1.6 kW의 경우에는 최대 온도 가 109.2℃로 평가되었다(Fig. 5). 따라서 In-DEBS 가열용기 의 설계 표면온도가 100℃이므로 In-DEBS 현장실험을 위한 히터의 설계전력량은 최소 1.6 kW 이상이 되어야 할 것으로 판단된다. 현장실험의 경우 암반균열 등 현장암반의 비균질 로 인해 국부적인 지하수의 과도 유입이나 제작된 히터의 효 율성 저하 그리고 장기 사용에 의한 오작동의 발생 등 현장 여건에 따라 사전에 예견하지 못한 변수가 발생할 가능성이 높다. 따라서 In-DEBS 실험을 위해서는 2배 이상의 소요전 력 안전율을 고려하여 설계 전력량을 4.2 kW로 설정하였다. 또한 장기 운영에 따른 히터 오작동 발생위험을 줄이기 위 해 1 set의 예비히터를 추가로 설치하는 것으로 설계하였다.

3.1.2.2 In-DEBS용 히터설계

In-DEBS 용 히터제작을 위해 요구되는 특징은 다음과 같 다. 우선 암반 내 지하수의 영향을 견디기 위해 완전방수가 보증되는 구조를 취해야 하며, 120℃ 이상 표면온도 조절이 가능해야 하고, 또한 히터 표면의 온도분포가 균일해야하는 특징을 지닌다. 또한 벤토나이트의 높은 팽윤압( > 5 MPa)을 견기디 위하여 최소 15 MPa의 압력을 견딜 수 있고, 최소 히 터가동 수명이 5년 상시운전이기 때문에 높은 내구성과 신뢰 도를 가지도록 설계하였다. 한편 향후‘다중 처분공 복합거 동 간섭현상 현장시험(In-DEBS-M)’과의 연구연속성을 위하 여 히터운전이 온도 컨트롤 및 전력 컨트롤이 모두 가능하도 록 설계하였다.

일반적으로 수직으로 세워진 긴 형태(D×L : 254.4 mm ×1450 mm)의 히터의 경우 연직방향으로 볼 때, 하단부에 비해 히터 상부의 온도가 더 높은 경향을 보인다. 따라서 히 터 내부 표면의 고른 온도분포를 유지하기 위해 히터의 가열 영역을 6개의 구간으로 나누어 세부 온도 조절이 가능하도 록 하였다(Fig. 6). 즉 AC 220 V 700 W의 히터 6개 1세트 그 리고 유사시를 대비한 여분의 추가 1set를 설치하여 총 12개 의 700 W 히터가 가열용기에 삽입되었다(700 W×6 EA×2 SET). 이때 히터 당 계측용 그리고 제어용 온도센서(T-type) 가 각각 2개씩 부착되었으며, 총 24개의 열전대 센서가 부착 된 알루미늄(Al) 재질의 몰드히터를 제작하였다(Fig. 7). 히 터의 제어 및 계측과 관련된 모든 케이블은 히터 내부용기를 통해 Fig. 6과 같이 중앙상부로 배출되는 구조이며, 케이블 은 flexible tube type을 선택하여 예기치 못한 편하중 및 설 치시의 오류를 완화하도록 제작하였다.

3.2 제작히터의 성능평가

KURT 내 In-DEBS를 최종 삽입하기 전 히터용기의 수밀성 을 확인하기 위해서 제작된 히터용기를 전용 수조에 삽입하여 정상가동 유무를 확인하였다. 1일 이상의 수밀실험 기간 동안 히터용기 내로 물의 유입과 이로 인한 히터의 정지현상은 발생 하지 않았다.

제작된 히터의 성능평가를 위하여 히터주변에 완충재 블 록을 조립한 후 온도센서를 부착하여 실제 처분공에 삽입하였 다. 삽입후 실시간으로 히터 표면에서의 온도와 파워를 약 1주 일간 계측하였으며, 이때 측정된 데이터를 Fig. 8에 나타내었 다. 히터 표면에서의 온도는 100℃ 설정에 평균 99.6℃의 값과 표준편차 1.16 이하의 값을 나타내었다. 따라서 In-DEBS를 위 해 제작된 히터는 현장 설치조건에서 안정적인 거동을 보이며 계측시스템이 정상작동을 하였기 때문에, 실제 In-DEBS 실험 에 사용될 수 있음을 확인하였다. 성능평가시 완충재 블록이 수분환경에 민감하기 때문에 블록 외부에 전체적으로 비닐랩 을 이용하여 도포된 상태에서 실험이 이루어졌다.

4. 완충재 블록 제작특성 분석 및 최적안 도출

4.1 완충재 블록제작 기술현황 및 설계안 도출

4.1.1 완충재 블록제작 기술현황

공학규모 이상의 벤토나이트 완충재 블록을 제작할 경 우, 규모가 커지면서 실험실 조건에서 발생하지 않는 다양한 변수가 발생하게 된다. 공학규모(engineering scale)로 크기 가 증가하면서 프레스 재하로 성형된 완충재 블록의 상·하단 부에는 밀도차이가 발생하며, 또한 블록 내 방향성이 존재하 게 된다[16]. 이같이 완충재 내의 불균질도는 처분의 관점에서 THM 복합거동 예측모델을 검증하기 위한 실증 데이터를 생 산함에 있어 불확실성을 제공하는 주요 요인 중의 하나이다.

현재 스웨덴과 핀란드 등 유럽 처분연구 선행국들을 중 심으로 실증 규모의 완충재 블록을 생산하기 위하여 고하 중의 단축압축 방식의 프레스를 일반적으로 사용하고 있 다. Fig. 9(a)에 스웨덴에서 실증 규모의 완충재 블록 제 작을 위하여 사용하고 있는 단축압축 방식의 프레스를 나 타내었다. 유럽 선행국들 역시 규모가 커질수록 단축압축 으로 성형된 완충재 블록의 비균질 및 방향성 존재에 대 해 문제점을 인식하고 있으며, 새로운 제작방법의 도출을 위해 다양한 신규연구를 계획하고 있다. 앞서 언급하였듯 이 SKB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)와 POSIVA (Finnish Company for Nuclear Waste Management)는 공동으로 단축 압축성형(uniaxial compressing) 방식과 등압 압축성형(isostatic pressing) 방 식으로 제작된 블록의 차이점을 면밀히 분석하고, 이를 통 해 최적의 성형방법을 도출함으로써 실제 생산라인과 연계 하기 위한 연구를 2014년부터 착수하였다[17]. 한편 캐나 다 NWMO (Nuclear Waste Management Organization)는 한국과 유사하게 CIP (Cold Isostatic Press) 기법을 이용하 여 완충재 블록을 제작한 바 있다. 박스형태의 큰 완충재 블 록을 CIP를 통해 제작한 후, 원하는 형태로 깎아서 사용하 는 방식을 고려하고 있다(Fig. 9(b)).

4.1.2 In-DEBS용 완충재 블록제작 설계안

따라서 본 연구에서는 In-DEBS 현장실험을 위해 사용될 공 학규모의 균질 완충재 블록을 생산하기 위한 새로운 방법론을 제시하였다[20]. 공학규모 이상의 완충재 블록을 생산하기 위 해 플롯팅 다이 프레스(floating die press) 가압방식에 의해 1차 성형을 한 후, 성형된 완충재 블록을 2차적으로 CIP 기법을 적 용하여 재차 성형을 하는 방식이다. CIP 기법은 유체압력을 이 용하여 균등하게 가압하는 방식이기 때문에 성형되는 완충재 블록의 밀도분포가 매우 균질하고 방향성이 적은 장점이 있다.

THM 센서류를 설치하기 위하여 기존에 수행하였던 KENTEX와 BHT 실증실험 경험을 바탕으로 다양한 문헌들 을 분석하였다[3]. 이를 바탕으로 In-DEBS용 벤토나이트 완 충재 블록 및 센서배치와 관련된 설계를 하였다[21]. 처분공 굴착직경이 D860 mm이므로 완충재 블록의 직경은 공벽과 완충재 블록 외벽사이의 이격거리를 고려하여 D800 mm로 설계하였으며, 두께는 설치될 계측센서의 크기와 현장 적용 성을 고려하여 70 mm로 설정하였다. 완충재 블록에 설치 되게 될 THM 센서들의 종류와 각각의 치수에 대해 Table 1 에 나타내었다. 가능하면 모든 층에 온도센서가 골고루 설 치되도록 설계하였으며, 각 층별의 센서들은 가능하면 같 은 수직 선상에 배치하여 서로의 값을 비교하기 용이하도록 하였다. 또한 수리계측값을 측정하는 H 센서들은 완충재의 재포화 속도가 상당히 느리다는 문헌들을 바탕으로 가능하 면 외곽쪽에 설치되도록 배치하였다. 센서케이블의 곡률반 경을 고려하여 현장 설치시 블록 내에 급격한 선의 꺾임이 없도록 하였다.

완충재 블록은 디스크 타입과 도넛형 타입 2가지 종류로 설 계하였다. 또한 완충재 블록의 제작 및 운반 그리고 보관상의 편의를 도모하기 위하여 4개의 조각으로 나누어 성형하였다. 디스크 타입은 처분용기 바닥과 상단부에 설치되게 되며, 도넛 형은 처분용기가 설치되는 동일 레벨 상에 위치하게 되는 블록 의 형태이다. 디스크 타입은 하단부 4개 층, 상단부 8개 층, 총 12개의 층으로 구성되어 있으며, 도넛형 타입은 21개의 층으로 이루어져 있다. 세부 형상 및 명칭은 Table 1과 같으며, 보다 자 세한 완충재 블록 설계안은 선행보고서에 제시되어 있다[21].

4.2 In-DEBS용 완충재 블록 제작 및 평가

제작되는 블록의 성형특성과 품질은 프레스 재하방식 및 재하압, 프레스 컨트롤러의 설정 그리고 블록 내 함수비 등에 의해 큰 영향을 받는다. 사전 다짐시험을 통해 벤토나이트 완충 재의 최적함수비(OMC; Optimized Moisture Content)는 15.7% 이고 그 때의 최대 건조밀도는 1.662 g·cm^-3으로 분석되었다.

4.2.1 완충재 블록제작

분말을 이용한 전형적인 프레스 가압 성형방식은 연직 하중 방향의 1축을 이용하는 방법으로, 일반적으로 하부가 고정되어 있고 상부가 내려오면서 압력을 가하는 방식이다 (단동식 프레스). 하지만 이는 성형체의 규모가 커짐에 따라 일반적으로 상부의 밀도가 하부에 비해 크게 성형되는 특징이 있다. 따라서 본 연구에서는 상·하부의 몰드가 동시에 시료 에 압력을 가하는 플롯팅(floating) 다이 방식을 적용하였다.

CIP 기법은 금속이나 세라믹 또는 폴리머 분말을 고무 백과 같은 저저항의 몰드 안에 밀봉한 후, 고압용기에 넣어 사방에서 균일한 등방압을 가해 밀도가 일정한 재료로 성형 하는 방법이다. 본 연구에서는 공학규모 이상의 균질한 완충 재 블록을 성형하기 위하여 CIP 기법을 벤토나이트에 적용하 여 블록을 성형하였다(Fig. 10).

4.2.2 완충재 내 센서위치 가공

일반적으로 완충재 내에 THM 센서(온도센서, 습도 및 간극수압센서, 응력센서 등)를 설치하기 위하여 해외 처분 연구 선진국들은 블록 내 센서위치를 관련 공구를 사용하 여 수동으로 카빙하는 방식을 사용하고 있다. 하지만 공 구를 이용한 카빙방식은 성형되는 블록의 품질이 상당히 떨어질 수 있으며, 하나의 블록을 제작하는데 많은 시간과 예산이 소요되고 매우 노동집약적이다. 따라서 본 연구에 서는 In-DEBS 실험용 완충재 블록을 위해 CNC (Computer Numerical Control) 기법을 이용하여 블록 내 센서위치를 정 교하게 성형하고 품질을 획기적으로 향상시켰다(Fig. 11).

4.2.3 블록의 성능평가

상기 기술된 방법에 의해 제작된 완충재 블록의 성형특성 을 분석하였다. Fig. 12에 동일 프레스 압력 조건에서 CIP 압 력에 따른 성형된 블록의 건조밀도 변화를 나타내었다. 프레 스의 재하압력 이상의 CIP 압력이 추가적으로 가해질 경우에 최종적으로 성형되는 블록의 밀도는 소폭 증가되지만, CIP 압 력이 프레스 압력과 유사하거나 그 이하일 경우에는 밀도증가 현상이 두드러지게 나타나지 않았다. AKRS에서 규정된 완충 재의 건조단위밀도는 1.60 g·cm^-3 이상이다. AKRS의 기준에 부합하는 공학규모의 완충재 블록을 생산하기 위해서는 플롯 팅 다이 프레스 단독으로 사용할 경우 40 MPa 이상의 압력이 필요하고, 플롯팅 다이 프레스와 CIP 조합의 경우 프레스 압력 이 20 MPa 이상이고 CIP 압력이 최소 40 MPa 이상이어야 함 을 알 수 있다. 결과적으로 In-DEBS 현장실험을 위해서는 40 MPa의 플롯팅 다이 프레스와 50 MPa의 CIP 압력을 이용하여 최종적으로 블록을 제작하였다.

또한 40 MPa의 프레스 압력 및 50 MPa CIP로 성형된 완 충재 블록에 대해 각 공간분포 별 밀도를 측정하였다. 제작 된 완충재 블록의 다짐특성을 분석하기 위하여 블록 위 8개의 지점에서 총 24개의 샘플을 채취하였다. Table 2는 CIP 성형 전과 후의 벤토나이트 완충재 블록의 기초 통계량을 나타내며, 완충재 성능 조건과의 비교를 위해 통계 검증을 실시하였다.

우선 CIP 적용을 통해 성형된 완충재 블록의 평균 밀도 는 CIP 적용전 블록에 비해 약 5.6% 상승하였다(Table 2). 또 한 CIP 적용 전 측정된 완충재 블록의 밀도 표준편차는 0.032 이었으며 CIP 적용 후 측정된 표준편차는 0.016 이내의 값을 도출하여, CIP 적용으로 인해 블록 내 밀도편차가 현저히 감 소함을 알 수 있다. 스웨덴 SKB에서 규정하고 있는 공학규 모 이상의 완충재 블록에 대한 허용 밀도편차는 0.020이다 [22]. 즉 CIP를 함께 고려한 제작방식은 충분히 이 성능요건을 충족할 수 있으나, 프레스만으로 완충재 블록을 제작하기 위해 서는 보다 세밀한 품질관리가 필요함을 알 수 있다. 관련 선행 연구로서 2010년 이재완 등은 단축 압축방식의 프레스를 이용 하여 직경 25 cm, 그리고 두께 4.25 cm의 완충재 블록을 제작 한 경험이 있으며, 당시 획득된 평균 건조밀도는 1.54 g·cm^-3 표 준편차는 0.031 이었다[23]. 본 실험에 사용된 완충재 블록의 두 께가 7 cm임을 고려하면 본 연구에서 제시된 방법이 과거 선행 연구 사례에 비해 우수한 품질을 보임을 알 수 있다.

함수비의 변화에 대해서도 CIP 적용 전·후의 경우에 대 해 분석하였다. 함수비 분포의 편차는 CIP 적용을 통해 소폭 균질해지기는 하였지만 큰 변화는 발견되지 않았다(Table 2). 하지만 CIP 적용을 통해 블록 내 평균 함수비가 감소되는 현 상이 발견되었다. 이는 CIP 등방압력을 가하는 과정에서 블 록 내 소량의 수분이 표면으로 스미어 나오는 현상과 밀접한 관련이 있다. 결론적으로 CIP 성형 후의 블록의 밀도는 기본 적인 물리적 요구조건을 충분히 충족시켰을 뿐만 아니라, 본 연구에서 제시된 방법론을 통한 공학규모 이상의 완충재 블 록의 성형밀도가 매우 균질함을 알 수 있다. Fig. 13에 프레스 와 CIP 적용을 통해 생산된 완충재 블록의 밀도 분포와 함수 비 분포에 대해 각각 나타내었다.

5. THM 계측시스템 구축방안 평가

5.1 현장시험용 최적 센서선정

기존 선행국들의 실증실험 문헌분석 및 국내 BHT와 KENTEX 수행경험을 토대로, In-DEBS 현장실험을 위한 최적 의 센서를 선택하고 이의 데이터 취득을 위한 계측시스템을 구축하였다. 결과적으로 In-DEBS 실험에는 종류가 다른 총 194개(222채널)의 센서가 설치되어 있다(Table 3). 센서 자 체는 센서와 케이블 및 계측시스템과 연결되어 있을 경우 측 정값에 오차가 존재하게 되므로 각종 센서에 대해 운전조건 에 해당되는 범위에서 교정하여 사용하였다.

In-DEBS에 사용된 열전대 센서는 K-Type을 사용하였다 (Table 1 Thermal sensor 참조). K-Type의 +리드는 Ni-Cr과 −리드 Ni-Al의 합금으로 조합되어 있으며 최대 온도 범위는 −270 ~ 1,372℃이다. 이때 최대온도 범위에서의 기전력은 −6,458 ~ 54,886 mV이다. 62개의 센서 교정 결과 30℃에서 는 평균 30.9℃ (표준편차 0.12℃), 60℃에서는 평균 60.8℃ (표준편차 0.12℃), 그리고 90℃에서는 약 91.4℃ (표준편차 0.11℃)가 나타남을 알 수 있다. 이를 바탕으로 측정값에 대 해 오차를 보정하여 In-DEBS 계측을 위해 사용하였다.

In-DEBS에서 사용된 상대습도 센서는 Fig. 14와 같이 크게 두 가지 종류를 사용하였다. HMT333 (VAISALA)의 경 우 최대 180℃에서 사용이 가능하며, 정밀도가 좋다는 장점 이 있다. 또한 센싱 부위에서는 센서만 있고, 증폭기 회로 는 외부에 있어서 내구성이 좋다는 장점이 있지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다. HMP110은 가격이 상대적으로 저렴 하다는 장점이 있으나, 센싱부에 센서와 증폭기 회로가 같이 일체형으로 존재하기 때문에 내구성이 좋지 않다는 단점이 있다. 본 실험에서는 각각의 장단점을 이용하여 HMT333 상 대습도 센서는 3개를 사용하여 히터 근처 온도가 높은 곳에 설치하였고, HMP110센서는 그 외 80℃이하인 구간에 24개 의 센서를 설치하였다.

In-DEBS에서 벤토나이트 완충재의 팽윤압을 측정하기 위해 Fig. 15과 같이 압력센서와 힘센서를 사용하였다. 압력 센서는 Fig. 15(a)와 같이 Jooshin사의 MSP-20 모델을 선정 하였다. 최대 측정 압력은 2 MPa이다. 벤토나이트 완충재의 최대 팽윤압은 약 15 MPa이지만, 시중에 판매되는 센서의 대 부분이 2 MPa까지만 측정되기 때문에, 더 높은 압력을 측정할 수 있는 센서가 필요하였다. 물리적으로 압력은 힘에 접촉면 적을 나눈 값이다. 따라서 접촉면적을 알고 힘을 측정 한다면 압력을 측정할 수 있으므로, 힘센서를 이용하여 팽윤압을 측 정할 수 있는 모듈을 자체 개발하여 사용하였다. 결과적으로 센싱부의 지름을 12 mm로 정하여 최대 17.7 MPa의 압력을 측정할 수 있도록 설계하였다.

5.2 완충재 및 암반 모니터링 계측시스템 구축

In-DEBS에 사용된 센서들은 모두 타입이 다르기 때문에 다른 종류의 데이터 취득보드를 사용해야 한다. 하지만 다른 종류의 데이터 취득보드를 사용하더라도 222개 채널은 시간 지연 없이 동시에 측정되어야 하므로, In-DEBS 실험에서는 다수 센서에서의 신호를 동시에 측정할 수 있는 계측시스템을 제작하여 사용했다.

5.2.1 하드웨어

센서로부터 들어오는 신호는 우선 신호증폭기(Signal conditioner) 를 거쳐서 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호를 바꿔서 저장하는 DAQ (Data AcQuisition system) 보드로 가 게 된다. In-DEBS용 THM 복합거동 측정 시스템은 온도, 습 도, 압력 등 센서의 종류가 다르기 때문에 신호증폭기도 다 른 종류를 사용하였다. 온도센서는 열전대센서 K-type이기 때문에 DEWETRON사의 PAD-TH8-P 모델의 신호증폭기를 사용하였고, 습도 센서는 전압을 측정하기 때문에 PAD-V8-P 를 사용하였다. 각 신호증폭기는 최대 8개의 채널을 다룰 수 있기 때문에 온도신호용은 총 10개, 습도신호용은 총 8개 의 신호증폭기를 사용하였다. 신호증폭기를 통과한 센서 신호는 A/D 보드에서 디지털 신호로 바뀌면서 컴퓨터에 저장하게 되며, 이때 A/D 보드는 DEWETRON사의 ORION- 1616-100모델을 사용하였다.

또한, 상대습도 센서 및 압력센서는 자체적으로 전원을 공급해줘야 하기 때문에 12 V와 24 V의 센서용 전원공급장치를 추가로 설치하였다. 이러한 In-DEBS용 THM 복합거동 측정 시스템의 하드웨어 구성도 및 설계디자인을 Fig. 16에 나타 내었다. 조립·완성된 In-DEBS용 계측시스템을 Fig. 17에 나 타내었다. KURT 내 설치환경은 습도가 매우 높기 때문에 방 습 전용 케비넷을 이용하였고, 그 내부에 항온·항습기를 부 착하여 계측기 및 시스템을 보호하도록 제작하였다. 케비넷 전면에는 크게 모니터, 산업용 컴퓨터, 그리고 정전을 대비 한 UPS (Uninterruptible Power Supply)가 달려 있다. 모니 터는 센서들로부터 나오는 측정 신호 값을 보여주며, 데이터 취득 및 분석용 컴퓨터가 설치되어 있다.

5.2.2 모니터링 소프트웨어

THM 복합거동 측정 시스템을 제어하고 데이터를 저장 할 수 있는 In-DEBS 전용 모니터링용 소프트웨어를 개발하 였다(Fig. 18). 모니터링 소프트웨어는 환경설정 모듈과 완 충재 및 근계암반 내부에 위치한 온도, 수리, 압력 센서로부 터 측정된 데이터를 표시하는 계측모듈로 구성되어 있다. 또 한 시간에 따른 변화를 자세히 관찰하기 위해 모니터링 소프 트웨어 화면의 오른쪽 그래프처럼 원하는 시간대의 일부 데 이터를 출력할 수 있게 구성되어 있다. 한편 히터는 총 6개의 히터블록으로 구성되어 있기 때문에 각 히터블록이 한 개의 열선과 2개의 온도 센서로 이루어져 있으므로 총 12개의 히터 표면온도 및 총 6개의 히터 파워를 각각 출력할 수 있 게 개발하였다. 모든 실시간 계측데이터는 현장의 계측컴퓨 터뿐만 아니라 KURT 방문객을 위하여 In-DEBS 계측시스템 전면에 그리고 오피스에서 동시에 확인이 가능하며, 사무실 에서 모든 원격제어가 가능하도록 구성하였다.

6. 결과분석 및 토론

한국원자력연구원에서 개발하고 있는 처분용기는 주철용 기를 기반으로 그 외부에 부식에 저항성이 높은 구리를 저온 분사코팅 기술을 활용하여 제작하는 방식이며, 일반적으로 구리층의 두께는 10 mm 이상으로 설계하고 있다[13]. 하지 만 본 연구에서는 지하연구시설에서의 공학적방벽 실증을 목적으로 처분용기를 대신하여 동일 열량을 발생시키는 가 열용기를 제작하였다. 처분용기 모사용 히터제작 시 크기가 실험실에서 실증규모로 커지면서 용기 표면에서의 온도분 포에 차이가 발생하므로, 모델검증을 위해 보다 신뢰할 수 있는 히터를 제작하기 위해서는 가열 영역을 세분화하여 온 도조절이 가능한 방식이 선호되며, 단순히 시즈히터와 같은 열선만으로 가열하는 방식 보다는 용기 내부에 고열전도도 의 충진재를 채우는 방식이 예비 성능실험을 통해 효과적 인 것으로 분석되었다. 또한 현장실험의 경우 현장암반의 비 균질로 인한 국부적인 지하수 과도유입이나 제작된 히터의 효율성 저하를 포함한 오작동의 발생 등이 예상되므로, 제작 히터의 설계용량은 반드시 사전 열해석 결과를 바탕으로 이 의 불확실성(안전율)을 고려해야 하며 한 세트 이상의 예비 히터를 추가로 구비해야 한다.

완충재 블록의 경우에도 공학규모 이상으로 크기가 증가 하면서 프레스 재하로 성형된 완충재 블록의 상·하단 부에는 밀도차이가 발생하며 블록 내 방향성이 존재하게 된다. 완충 재 내 이 같은 불균질도는 처분의 관점에서 THM 복합거동 예 측모델을 검증하기 위한 실증 데이터를 생산함에 있어 불확 실성을 제공하는 주요 요인 중의 하나이다. 완충재를 균질한 단일 밀도로 가정하여 예측된 완충재 블록 내 열적, 수리적, 역학적 인자들에 대한 해석결과 또한 신뢰성이 떨어지기 때 문이다. 따라서 공학규모 이상의 처분 실증연구를 위해서는 설계기준을 만족하는 균질한 완충재 블록을 생산할 수 있는 방법을 사전연구를 통해 확보해야 하며, 또한 벤토나이트가 수분환경에 매우 민감하고 보관시 응력이완 현상 등에 따른 균열발생이 잦으므로 제작블록의 보관 및 이송을 위한 계획 을 사전에 마련해야 한다.

일반적으로 완충재 블록 내 함수량이 높을수록 함수비 측정을 위한 건조시 블록 내 많은 균열이 발생하는 것을 관 련 연구를 통해 확인할 수 있었다[21]. 이 같은 현상은 함수비 가 20% 이상일 경우에 현저하게 나타났다. 실제 처분조건에 서 처분용기와 접하고 있는 완충재 표면의 제한온도는 KRS 에서 100℃ 이하로 규정하고 있기 때문에, 완충재가 처분용 기와 접하게 되면 갑작스런 수분증발로 블록에 의도치 않은 균열이 발생할 수 있다. 이는 곧 벤토나이트 블록의 열전도 도 저하와 직접적인 연관이 있는 현상으로, 공학적방벽의 신 뢰성 있는 예측모델을 개발하기 위해서 추가적으로 고려해 야 하는 요인 중의 하나가 될 수 있다. 또한 실제 대량의 완충 재 블록을 생산할 때에, 과연 물 공급을 통한 블록제작 및 이 의 품질관리가 원활할지는 의문이다. 실제 처분사업이 진행 되었을 때 대량의 벤토나이트 원광에 대해 각기 초기 함수비 가 다른 원광을 최적함수비 상태로 맞추고 이를 유지하기란 어렵기 때문이다. 또한 함수비 상태에 따라 목표(규제치)로 하는 건조밀도 또한 지속적으로 변하기 때문에 요구하는 규 제기준 범위 내에서 관리하기란 쉽지 않을 것이다.

완충재 블록은 저장환경 내 수분변화에 매우 민감하기 때문에 각 공정 후 바로 진공포장을 하여 보관을 하여야 한 다. 본 연구에서는 1차 가압 이후와 CNC 가공 후 2차례에의 진공포장 과정을 거쳤으며, 일단 제작된 블록은 가능하면 빠 른 시일 내에 실험하는 것이 바람직하다. 이는 벤토나이트 재 료 자체가 주변 수분환경에 민감한 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 시간 경과에 따라 완충재 표면에 응력이완(stress release) 현상이 발생하여 균열이 발생하기 때문이다. 이때 CIP를 적용한 완충재 블록은 시간 경과에 따른 응력이완 현 상이 적용하지 않은 블록에 비해 현저히 적다는 점을 확인할 수 있었다.

예비 블록조립 및 센서설치 시험을 통해 암반과 In-DEBS 에 설치된 다양한 계측센서들이 모두 정상작동하고 있음을 확인하였다. 한편 THM 복합거동 계측시스템과 관련하여, 완충재 블록의 높은 팽윤압을 측정할 수 있는 현장설치용 압 력센서의 개발이 필요한 실정이다. 관련 센서의 수요가 제 한적이므로 제작업체 측에서 완충재의 팽윤압(약 15 MPa) 측정범위의 센서 기종을 현재 단종시킨 상태에 있다. 또한 현장적용을 위해서는 최소의 센서로 최대의 양질 데이터를 확보하는 것이 선호되므로, 향후 고성능의 복합센서(multisensor) 및 무선 센서(wireless sensor) 등의 개발이 필요할 것으로 판단된다.

7. 결론

처분시스템 THM 복합거동 현장실증을 위한 In-DEBS 시험을 위해 그간 한국원자력연구원에서 수행한 실증실험 수행경험과 관련 선진국 사례에 대한 문헌분석 등을 토대로 AKRS 기반 시험장치를 설계하였다. 또한 In-DEBS 실험에 사용될 공학적방벽재에 대한 시험제작 및 예비 성능평가를 통해 최적 제작조건을 도출하였다. 그 주요 연구결과를 요약 하면 다음과 같다.

본 연구결과는 In-DEBS에서 사용될 공학규모 이상의 신 뢰성 있는 공학적방벽재를 생산하는데 중요한 기초자료로 활용될 수 있으며, 나아가 현장실증 실험을 통한 THM 복합 거동 예측모델의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으 로 예상된다.