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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.65-80
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.S.65

Study on Thermal, Hydraulic, and Mechanical Properties of KURT Granite and Gyeongju Bentonite

Changsoo Lee1*, Seok Yoon1, Won-Jin Cho1, Yeonguk Jo2, Sudeuk Lee3, Seokwon Jeon3, Geon Young Kim1
1Korea Atomic Energy Research Institute, 111, Daedeok-daero 989beon-gil, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124, Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
3Seoul National University, 1, Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul, Republic of Korea
Corresponding Author. Changsoo Lee, Korea Atomic Energy Research Institute, E-mail: leecs@kaeri.re.kr, Tel: +82-42-868-8162
November 12, 2018 December 17, 2018 January 22, 2019

Abstract


In 2012, an in-situ Demonstration of Engineered Barrier System (In-DEBS) was planned with the aim of investigating the coupled thermohydro-mechanical (THM) behavior of both the engineered barrier system (EBS) and the natural barrier system (NBS) at the advanced Korean reference repository system (A-KRS). The relevant in-situ experiment has been in operation in Research Gallery 3 of the KAERI Underground Research Tunnel (KURT) since May 2016. For analysis of the in-situ experiment data and investigation of the THM coupled behavior, it is necessary to understand thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and bentonite buffer material. This paper summarizes the thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and Gyeongju bentonite presented in previous studies. Moreover, it suggests various models capable of providing input parameters for interpretative modeling of In-DEBS experiment or for predictive numerical simulations of In-DEBS or A-KRS.


KAERI Underground Research Tunnel (KURT) , In-situ Demonstration of Engineered Barrier System (In-DEBS) , Engineered Barrier System (EBS) , Natural Barrier System (NBS) , THM properties

KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열-수리-역학적 특성 규명

이 창수1*, 윤 석1, 조 원진1, 조 영욱2, 이 수득3, 전 석원3, 김 건영1
1한국원자력연구원, 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 111
2한국지질자원연구원, 대전광역시 유성구 과학로 124
3서울대학교, 서울특별시 관악구 관악로 1

초록


한국원자력연구원 부지 내에 위치한 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT) 에서는 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(A-KRS)을 기반으로 고준위방사성폐기물을 처분하였을때, 예상되는 공학적방벽(Engineered Barrier System, EBS)과 자연방벽(Natural Barrier System, NBS)에서의 열-수리-역학적 복합거동(Thermo-Hydro-Mechanical coupled behavior)의 특성을 규명하고자 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 2012 년부터 계획 및 설계를 시작하여, 2016년 5월부터 지하처분연구시설 3번 연구 갤러리(Research gallery 3)에서 진행하고 있 다. 현장시험의 데이터를 분석하고 열-수리-역학적 복합거동 특성을 명확히 규명하기 위해서는 경주 벤토나이트와 KURT 암 석 및 암반의 열적, 수리적, 그리고 역학적 물성 특성을 반드시 파악하고 있어야만 한다. 이에 본 연구에서는 지금까지 수행 된 KURT 부지 특성과 KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열적, 수리적, 그리고 역학적 특성을 정리하고, 열적, 수리적, 그 리고 역학적 모델을 제시하였다. 특히, 온도에 따른 암석의 열팽창계수 변화, 응력에 따른 암석의 투수계수 변화, 포화도에 따른 벤토나이트 및 암석의 열전도도 변화, 포화도에 따른 벤토나이트의 비열 및 흡입력 변화와 같은 열-수리-역학적 복합 물성에 대한 다양한 모델을 도출함으로써, In-DEBS 현장시험 결과 분석과 열-수리-역학적 복합거동 특성 평가를 위해 수행 될 수치시험에 필요한 벤토나이트와 암석 및 암반의 입력자료를 제시하고자 하였다.


지하처분연구시설 , 공학적방벽 현장시험 , 공학적방벽 , 자연방벽 , 열-수리-역학적 물성
    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

    한국원자력연구원은 1997년부터 고준위방사성폐기물을 안전하게 처분하기 위해 원자력연구개발사업을 진행하고 있 다. 그 사업의 일환으로 고준위방사성폐기물을 직접 처분하 기 위해 개발된 한국형 표준시스템(Korean Reference HLW disposal System, KRS) [1]과 파이로 프로세싱(Pyroprocessing) 을 거친 후 처분하는 처분개념(Advanced KRS, A-KRS) [2]을 도출하였을 뿐만 아니라, 개발된 두 처분개념을 현장 에서 검토하고자 한국원자력연구원 부지 내에 지하처분연 구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)을 건 설하고(Fig. 1), KRS와 A-KRS에서 예상되는 열-수리-역학적 복합거동(Thermo-Hydro-Mechanical coupled Behavior)의 특성을 파악하고자 다양한 실험실 시험과 현장시험을 진행 하였으며, 2018년 현재 진행 중에 있다[3,4]. 또한 수행된 실 험실 시험 및 현장시험을 분석하고 예측할 수 있는 해석 모 델과 해석 기법을 개발하고 검증하고자 국제공동연구 DECOVALEX (DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments)와 스웨덴 SKB Task 7, 8, 9에 참여하고 있다[4]. 특히, 4차 원자력연구개발사업에서는 A-KRS를 고려한 처분 시 예상되는 처분시스템 및 주변 암 반에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하고, 이를 토대로 처분시스템의 성능을 평가하기 위해 KURT에서 현장 시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)이 계획되었으며, 5차 원자력연구개발사업을 통해 KURT 연구 갤러리 3번(RG-3)에 현장시험 시스템이 설치되 었고 2016년 7월부터 운영 중에 있다[4].

    KURT 현장에서 수행 중에 있는 In-DEBS 현장시험 데 이터를 분석하고, THM 복합거동 특성을 평가하기 위해서는 벤토나이트 완충재뿐만 아니라, KURT 암석 및 암반의 열적, 수리적, 역학적 물성 특성을 파악하고 있어야만 한다. 이는 암반의 열적 특성이 벤토나이트의 열적 거동에 영향을 주고, 암반의 수리적 특성은 벤토나이트 완충재의 수리거동에 영 향을 미치기 때문이다. 뿐만 아니라, 암반으로부터 유입된 지 하수로 인한 벤토나이트 완충재의 팽윤압과 온도변화에 따 른 열응력은 벤토나이트 완충재 및 주변 암반의 역학적 거동 에 영향을 미칠 수 있기 때문에 벤토나이트의 열-수리-역학 적 물성뿐만 아니라 암반의 열-수리-역학적 물성을 파악하고 있어야만 현장 In-DEBS 시험에서의 열-수리-역학적 복합거 동 특성을 명확하게 분석할 수 있다.

    이에 본 연구에서는 현장 In-DEBS 시험이 수행되고 있는 지하처분연구시설 부지 암반의 지질학적 및 암반 역학적 특 성을 살펴보고, 지금까지 측정된 KURT 화강암 및 경주 벤토 나이트 완충재의 열-수리-역학적 물성과 In-DEBS 현장시험 구간 화강암 및 In-DEBS 현장시험에 사용된 벤토나이트 완 충재의 열-수리-역학적 물성을 함께 정리하여 In-DEBS 현장 시험 결과 분석과 THM 복합거동 특성 평가를 위해 수행될 모델링에 필요한 입력자료로 제시하고자 한다.

    2. 지하처분연구시설 부지 암반특성

    2.1 KURT 지질 특성

    KURT를 포함한 광역 지역은 경기변성암 복합체 내에 위치하며 주로 선캠브리아기의 편마암류와 중생대의 심성 암과 맥암류로 구성되어 있다. 선캠브리아기의 변성암류는 흑운모 편마암 및 편암으로 나뉘어지며, KURT 주변의 주요 구성 암석인 심성암류는 크게 시대미상의 편상 화강암과 중 생대 복운모 화강암으로 나뉘어진다. 이 중 복운모 화강암 은 전 범위에 걸쳐 가장 광범위하게 분포하는 암석으로 편 상 화강암을 관입하고 있다[5]. KURT 부지의 대부분을 구성 하고 있는 복운모 화강암은 중립 내지 세립질이며 주 구성 광물은 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모, 백운모 등이고 저 어콘, 금홍석, 인회석 등이 소량 관찰된다. 사장석과 미사장 석은 쌍정이나 입자 경계를 따라서 부분적으로 견운모화 되 어 있는 양상을 보이기도 하며, 운모류는 벽개면을 따라 녹 니석화 되어 있기도 하다. KURT 및 주변에 설치된 시추공 으로부터 확보된 시추코아를 살펴보면, 중립질 내지 세립 질 복운모화강암 및 이를 관입하는 염기성 맥암류 들로 이 루어져 있다[3]. 지표에서 풍화된 복운모 화강암의 경우 풍 화산물은 대부분이 일라이트질 점토광물이며 소량의 카올 린 광물이 산출된다.

    2.2 KURT 확장영역 암반 특성 모델

    KURT 2단계 시설확장을 위하여 2013년부터 확장영역 에 대한 조사, 설계, 건설이 추진되었고, 그 과정 중에 수행 된 지표 지질, 시추, 실내 실험 등의 결과로 확장영역의 암 석 및 암반특성 자료가 축적되었다. 특히, 실제 터널을 굴착 하는 과정에서 In-DEBS 시험 지역이 포함된 KURT 확장영 역의 암반특성을 현장측정자료로부터 획득하였다. 이 중 시 추조사에서 수집된 지질특성과 절리 밀도상태를 이용하여 KURT 확장영역의 암반을 화강암 그룹(Granite)인 G1, G2, G3 단위체와, 관입암 그룹(Dyke)인 D1, D3 단위체, 단층파 쇄대 구간(Fracture)인 F3 단위체 등 총 6개의 암반 단위체 로 구분하였다[6]. 암반 단위체 별로 RMR, Q-system, RMi 분 류법을 이용하여 연구지역 내 암반의 공학적 상태를 분석한 결과, 단층파쇄대가 통과하는 구간과 터널 종점부에 분포하 는 관입암체 일부 구간은 암반이 불량(poor)한 상태이고, 이 외의 대부분 구간에서 우수(good) 또는 양호한(fair) 상태로 나타났다. 각 암반 단위체 별 암반 분류값은 G1, D1 단위체 에서 RMR 기준으로 평균 70점과 74.7점으로 조사되어 우수 한(2등급, Good) 상태의 암반으로 평가되었고, G2, D3 단 위체 역시 평균 65.4점과 62.9점으로 비교적 우수한(2등급, Good) 암반으로 평가되었으며, G3 단위체는 평균 56.7점으 로 양호한(3등급, Fair)암반으로 평가되었다. 한편, 단층파쇄 대 구간인 F3 단위체는 평균 39.6점의 불량한(4등급, poor) 암반으로 분류된다[6].

    수행된 암반 단위체 분포양상을 시추자료를 근거로 연 구지역 전체에 대한 암반 단위체 분포 양상을 추정하였다 [7]. 분석된 KURT 확장영역의 대부분은 G1 단위체에 속하 며, 단층파쇄대 구간인 F3 단위체는 2단계 터널 시작부를 NS 방향으로 가로지르는 형태로 존재할 것으로 추정된다. 또한 2단계 터널의 끝부분에는 관입암체 그룹인 D1과 D3 단위체 가 5~10 m 두께로 G1 단위체를 NE-SW 방향으로 관입한 형 태로 분포할 것으로 판단된다. 이외에도 F3 단위체 주변을 중 심으로 G3 단위체들이 분포할 것으로 예상되며, 폭 1 m 이하 의 소규모 D1 단위체도 일부 분포할 것으로 예상된다(Fig. 2).

    2.3 KURT 암반 현지응력

    KURT 암반의 현지응력 방향과 크기는 부지 내에 위치한 시추공 2개소(KP-2, YS-4)에서 수행한 수압파쇄(hydraulic fracturing) 응력측정법을 이용하여 규명되었다[8]. 먼저 시 추코어 관찰과 공내영상검층자료를 이용하여 수압파쇄시험 에 적합한 무결암(intact rock)구간을 선별하였으며, 최종적 으로 결정된 응력측정 대상 구간은 KP-2 공의 6개, YS-4 공 의 6개 심도이다. 이로써 시추공별 위치에 따라 측정 심도 의 편차가 있긴 하지만, 약 50~350 m 심도까지의 응력상태 를 파악하였다. 수압파쇄시험 후 촬영된 공내영상과 임프레 션패커(impression packer)로 파악한 수압파쇄균열의 방향 이 N86°E에서 N115°E로 나타났으며, 이를 토대로 KURT 부 지 암반의 최대수평응력(SHmax)방향이 동서 내지 동남동-서 북서(평균 N98°E)임을 알 수 있다(Fig. 3(a)). 측정 현지 응 력의 결과는 기존 연구[9,10]에서 보고된 한반도 영역 최대주 응력 방향과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 연직응력 (Sv)의 크기는 KURT 암반의 평균 밀도(2650 kg·m-3)를 이용 해 해당 심도에서의 상재하중(overburden pressure)으로 계 산할 수 있다(식 (1)). 수평 응력의 크기는 ISRM suggested method [11]에 준하여 수압파쇄시험에서 얻어지는 압력-시 간 곡선을 분석하여 규명하였다. 최소 수평주응력(Shmin)의 크기는 균열폐쇄압력(shut-in pressure)으로부터 규명했으 며, 최대 수평주응력의 크기는 공벽면 유효응력상태와 암반 인장강도 간의 관계로써 유추하였다. 이렇게 분석된 수평 주 응력의 크기를 선형 회귀분석하면 식 (2)와 식 (3)과 같다.

    S v M P a = 0.0265 × D e p t h m
    (1)

    S h m i n M P a = 0.0247 × D e p t h m + 2.66
    (2)

    S H m a x M P a = 0.0378 × D e p t h m + 2.95
    (3)

    대략 350 m 깊이까지 규명된 KURT 부지 암반 응력 상태는 연직응력(Sv)의 크기가 최소 주응력인 역단층성 (Sv ‹ Shmin ‹ SHmax) 응력 체계(stress regime) 하에 있음을 보 여준다(Fig. 3(b)). 또한 심도가 깊어짐에 따라 Shmin의 크기 가 Sv에 가까워지는 경향이 관찰되는데, 이는 심부영역에서 는 암반 응력 체계가 주향이동단층성(Shmin ‹ Sv ‹ SHmax) 응 력체계로 전이될 수 있음을 보여준다. 이러한 특성은 응력방 향 결과에서도 언급했듯이 기존에 연구되어온 한반도 지각 응력 특성과 유사하다[9,10]. 심지층 처분장은 현재 약 500 m 이하의 심도에 건설될 예정이며, 이러한 심도에서의 암반응 력장은 주향이동단층의 재활성에 유리한 응력체계를 가질 수 있음을 시사한다. 따라서, 처분 대상 부지의 선구조, 단층 분포를 파악할 때 주향이동 단층의 분포를 보다 자세히 분 석하고 그 물성을 정량적으로 파악해야 할 것으로 판단된다.

    3. KURT 화강암

    본 절에서는 KURT 진입터널 방향의 하향 경사 10%의 경 사 시추공 시료, 굴착손상영역 특성 평가 구간, 그리고 국내 최초의 히터시험(Borehole Heater Test, BHT) 구간에서 측 정된 KURT 화강암의 열-수리-역학적 물성과 In-DEBS 현장 시험 구간에서 측정된 KURT 화강암의 물성을 함께 정리하 고, KURT 화강암의 열-수리-역학적 모델을 도출하고자 한다.

    3.1 물리적 특성

    비중과 공극률의 측정을 위해 국제암반공학회에서(International Society for Rock Mechanics, ISRM) 제안하는 시험법 [12]을 이용하였다. 암석시료를 800 Pa 이내의 진공오븐에서 24시간 이상 수중에서 포화시킨 포화시료의 질량과 105℃ 온도로 24시간 이상 건조시킨 건조질량을 측정하였다. 비 중은 건조질량과 부피를 이용하여 계산하였으며, 포화 및 건조상태의 질량 차이와 부피를 이용하여 공극률을 측정하 였다. 시험구간 별로 측정된 물성의 결과와 참고문헌을 함 께 Table 1에 나타나 있다. 측정된 비중, 공극률, 그리고 탄 성파 속도 결과를 살펴보면, 큰 차이를 보이고 있지 않는 것으로 조사되었으며, 비중은 약 2.65, 공극률은 1.22%, P 파 속도는 4686 m·s-1 그리고 S파 속도는 2413 m·s-1로 나 타났다.

    3.2 열적 특성

    In-DEBS 현장시험에서는 히터의 발열 이후, 시험구간에 서의 열적 변화가 예상된다. In-DEBS 현장시험 구간에서의 열적 변화 및 열-수리-역학적 복합거동을 이해하고 이를 분석 하기 위해서는 In-DEBS 현장시험 주변 암반의 열물성에 대 한 정보가 반드시 필요하다. 이에 본 연구에서는 선행연구에 서 수행된 일련의 연구결과와 본 연구에서 수행한 In-DEBS 시험 구간 암석의 열적 물성을 함께 정리하고자 한다.

    선행연구[13]에서는 경사 시추공에서 확보된 14개의 KURT 화강암 암석 코어에 대해 순간열전도측정계(Kyoto Electronics, QTM-500)를 이용하여 비정상세선가열법 (Transient line source method)으로 포화도에 따른 열전도 도를 측정하였으며, ASTM E 1269-05 [19]에 따라 포화도에 따른 비열을 측정하였다. 측정된 열전도도(λ)와 비열(Cp)을 공극률과 포화도의 상관관계로 나타내면 식 (4) 그리고 식 (5)와 같다[14].

    λ = 3.3322 0.981 1 − ϕ ⋅ λ w S l ⋅ λ a 1 − S l 3.4641 ϕ
    (4)

    여기서, λ, ϕ, 그리고 Sl는 각각 열전도도(W·(m·K)-1), 공 극률(-), 포화도(-)를 의미하며, λw와 λa는 각각 물과 공기의 열전도도로 0.6 W·(m·K)-1 그리고 0.03 W·(m·K)-1이다.

    C P = 0.7836 ρ r 1 − ϕ + C p w ρ w ϕ S l + C p a ρ a ϕ 1 − S l ρ r 1 − ϕ + ρ w ϕ S l + ρ a ϕ 1 − S l
    (5)

    여기서, ρr, ρw, 그리고 ρa는 각각 암석, 물 및 공기의 밀도 이며, ρr, ρw, 그리고 ρa의 값들은 25℃에서 각각 2.65 g·cm-3, 0.997 g·cm-3, 그리고 1.184×10-3 g·cm-3이고, Cpw와 Cpa는 각 각 물과 공기의 비열로 각각 4.181 J·(g·K)-1 및 1.005 J·(g·K)-1 이다.

    경사 시추공에서 확보된 암석 코어에 대해 비정상세선가 열법(Transient line source method)으로 측정한 열전도도 결과[13]와 굴착손상영역 특성 평가 구간과 히터시험 구간에 서 획득한 암석 코어를 이용하여 건조상태에서 Divided-bar 시험을 수행한 결과[15,16]를 본 연구에서 In-DEBS 시험구 간을 대상으로 수행한 열전도도 시험 결과와 함께 Table 2 에 정리하였다.

    또한 암반의 온도변화로 인해 야기되는 암반의 열-역학 적 거동에 영향을 미치는 주요 인자인 열팽창계수는 일반적 으로 온도가 증가하면 열팽창계수는 증가하는 경향이 있는 데[20-23], KURT 화강암 역시 온도가 증가함에 따라 열팽창 계수가 증가하는 것으로 나타났고(Fig. 4), 그 상관관계는 식 (6)과 같다.

    a T = 0.7704 T + 1.3306
    (6)

    여기서, aT는 온도에 따른 열팽창계수(microstrain/℃) 그리고 T는 온도(℃)를 의미한다.

    3.3 수리적 특성

    고준위방사성폐기물 처분시스템 주변 근계 암반영역에 서는 붕괴열에 의한 온도 변화로 인한 열응력과 암반 지하 수의 유입으로 인해 발생하는 벤토나이트 완충재의 팽윤 압으로 인해 응력상태가 변하게 되고, 변화된 응력은 암석 의 투수계수를 변화시킨다. 따라서 In-DEBS 현장시험의 결 과 분석과 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하기 위해 서는 응력변화에 따른 암석의 투수계수 특성을 파악할 필 요가 있다. 이에 본 연구에서는 In-DEBS 시험구간에서 확 보된 30개의 암석시편을 이용하여 다양한 구속압 조건에 서 KURT 화강암 시편의 투수계수를 순간증압법(transient pulse method) [24, 25]를 이용하여 측정하였다. 본 연구에 서 투수계수 측정을 위해 사용한 장비는 MTS 816 프레임 과 MTS Model 286.31 Transient Permeability System을 이 용하였다.

    일반적으로 구속압이 증가하면 암석의 투수계수는 줄어 드는 경향을 보이는데[26], 본 연구에서도 마찬가지로 응력 이 증가함에 따라 투수계수는 식 (7)과 같이 음지수 형태로 감소하는 경향을 뚜렷하게 보이고 있다(Fig. 5). 본 연구에서 측정된 K0는 1.94×10-19 m2로 나타났다.

    K = K 0 × exp − 0.1873 ⋅ σ
    (7)

    여기서, K0는 구속압이 없는 상태에서의 투수계수이고, σ는 구속압(MPa)를 의미한다.

    3.4 역학적 특성

    고준위방사성폐기물 처분시스템 주변 근계 암반영역은 처분 터널 및 처분 공의 굴착으로 주변 암반에서의 응력이 변 화하게 되고 이는 처분시스템 전반의 응력장에 영향을 미치 게 된다. 이러한 응력변화를 이해하기 위해서는 암반의 역학 적 물성에 대한 이해가 반드시 필요하다. 이에 본 연구에서는 히터시험 구간에서 측정된 암석의 역학적 물성과 In-DEBS 현장시험 구간에서 획득한 암석 시편에 대한 일련의 역학적 시험 결과를 정리하여 KURT 화강암의 역학적 물성으로 제 시하고자 한다. 역학적 물성을 조사하기 위해 수행된 일축 압축시험, 삼축압축시험, 그리고 간접인장시험은 국제암반 공학회에서 제시한 각각의 표준시험법[12]을 토대로 수행하 였다. 기존 연구결과와 본 연구에서 수행한 역학적 물성시험 결과를 살펴보면, Table 3에 나타나 있듯이 일축압축강도를 제외하고, 전반적으로 역학적 물성은 큰 차이를 보이지 않는 것으로 조사되었다.

    3.5 굴착손상영역에서의 물성 변화

    발파에 의한 굴착의 경우, 발파압력에 의해 암반은 손상 을 입을 뿐만 아니라 굴착으로 인해 응력 재분배가 일어나기 때문에 기존의 물성과는 다른 특성을 나타내는 굴착손상영 역(Excavation Damaged Zone, EDZ)을 형성하게 된다. 굴착 손상영역에서의 물성 변화는 고준위방사성폐기물 처분장의 구조적 안전성에 영향을 줄뿐만 아니라, 열적, 수리적 물성 변화로 인해 처분시스템의 성능 저하를 야기할 수도 있다. 따라서 굴착손상영역에서의 물성 변화를 토대로 굴착손상 영역의 크기를 추정하고 굴착손상영역에서의 열적, 수리적, 역학적 특성을 규명하고자 Fig. 1에 나타나 있는 회차구간 (Turning Shelter, TS)에서 굴착 전과 후에 획득한 암석 시편 을 이용하여 실험실 시험과 현장시험을 수행하였다[15-18]. 굴착 전과 후의 획득한 암석 시편에 대한 실험실 시험 결과 를 살펴보면, 비중은 굴착 전·후의 물성변화는 없는 것으로 나타났지만 공극률, 탄성파 속도, 일축압축강도, 탄성계수, 그리고 건조상태에서의 열전도도는 굴착손상영역에서 물성 변화가 조사되었다(Table 4). 또한 Fig. 6에 나타난 것처럼 물성변화를 토대로 추정한 EDZ의 크기는 1.1~2.4 m로 조 사되었다[15-18].

    실험실 시험뿐만 아니라 KURT 현장시험을 통해서도 굴착손상영역에서의 물성변화를 측정하고 암반의 구간 별 물성 변화를 토대로 굴착손상영역의 크기와 굴착손상영역 에서의 물성 변화 특성을 평가하였다[27-29]. 히터시험이 수행된 연구 갤러리 2번(RG2) 입구에서는 질소가스를 이 용하여 암반의 투수계수를 측정한 결과, 굴착손상영역의 크기는 약 2.0 m로 조사되었으며, 굴착손상영역에서의 암 반 투수계수의 변화는 수 십~백배 이상 크게 나타나는 것 으로 파악되었다[27]. 회차구간에서 발파 후에 시추한 공을 대상으로 Goodman jack 시험을 수행하고 암반 변형계수 를 측정한 결과, 굴착손상영역의 크기는 약 1.5 m인 것으 로 나타났고 굴착손상영역에서의 암반변형계수는 약 28% 감소하는 것으로 파악되었다[15,28]. 또한 In-DEBS 현장시 험으로 인해 변화되는 암반의 변위를 계측하기 위해 확보한 변위 계측공(OB2-1)에서 수행된 Goodman jack 시험 결과 를 살펴보면, 손상영역의 크기는 1 m 이상인 것으로 나타 났으며, 암반변형계수의 경우 약 30% 정도 감소하는 것으 로 나타났다[29].

    3.6 KURT 화강암 물성

    KURT 건설 전, 부지 조사를 위해 시추한 경사 시추공, 굴 착손상영역의 특성을 평가한 회차구간, 국내 최초의 히터시 험 구간, 그리고 처분시스템의 열-수리-역학적 복합 거동 특 성을 규명하고자 수행되고 있는 In-DEBS 현장시험 구간의 암석을 대상으로 조사된 물리적, 열적, 수리적, 역학적 물성 을 총 정리하여 KURT 화강암 물성에 대한 평균값과 표준편 차를 Table 5에 나타내었다. Table 5에 정리된 화강암의 물 성은 In-DEBS 현장시험 분석뿐만 아니라, 추후 수행될 다양 한 현장시험의 예비해석과 분석에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 실험실 시험에서 사용된 암석시편이 서로 다른 시험구간에서 확보되었으며 수행된 현장시험 구간도 다르기 때문에, 일부의 물성이 구간별로 차이를 보일 수 있으 므로, Table 5에 나타나 있는 암석의 물성을 사용할때, 유의 해야 할 것으로 판단된다.

    4. 벤토나이트 완충재

    고준위방사성폐기물 처분시스템에서의 공학적방벽에 서는 고준위방사성폐기물의 방사성 붕괴열에 의한 온도변 화, 지하수 유입에 따른 완충재의 포화도 변화 및 열응력 과 팽윤압의 발생으로 인한 처분시스템에서의 응력변화 가 예상되며, 응력변화로 인한 열-수리적 거동 변화가 예 상된다. 이러한 공학적방벽에서의 열-수리-역학적 복합거 동 특성을 규명하고자 한국원자력연구원에서는 공학적 규 모의 열-수리-역학적 시험인 KENTEX를 수행하였으며[30], 2016년부터 In-DEBS 현장시험이 수행 중에 있다[3]. 수행된 KENTEX시험과 2018년 현재 수행 중인 In-DEBS 현장시험 의 데이터 분석과 벤토나이트 완충재의 열-수리-역학적 복합 거동 특성을 규명하기 위해서는 완충재의 열적, 수리적, 그 리고 역학적인 물성 특성을 반드시 이해하고 있어야 한다. 이에 본 연구에서는 다양한 선행연구에서 도출된 Ca형 경주 벤토나이트(KJ-Ⅰ)의 열-수리-역학적 물성과 In-DEBS 현장 시험에 설치된 벤토나이트(KJ-Ⅱ)의 기본 물성과 함께 정리 하여, 경주 벤토나이트 완충재의 열-수리-역학적 물성을 도 출하고 열-수리-역학적 복합거동 해석을 위한 다양한 모델 을 제시하고자 한다.

    4.1 광물학적 특성

    KJ-Ⅱ 벤토나이트를 구성하고 있는 광물조성을 알아보 기 위하여 XRD 분석이 수행되었다[31]. XRD 측정 결과, 몬모 릴로나이트(montmorillonite) 함량은 대략 65% 정도로 나타 났으며, 8종류의 부수 광물들도 존재하였다(Table 6, Fig. 7).

    4.2 물리적 특성

    KJ-Ⅱ 벤토나이트는 몬모릴로나이트를 다량 함유한 점 토광물에 속한다. 이러한 점토 흙은 입자의 크기에 의해 분 류될 수 있다. Fig. 8은 KJ-Ⅱ 벤토나이트 분말에 대한 입도 분포 곡선을 나타내며, 통일분류 결과 고소성 점토인 CH로 분류되었다. KJ-Ⅱ 벤토나이트 분말의 비중은 2.71, 초기 중 량함수비는 약 12%, 액성한계와 소성한계는 각각 146.7%, 28.4%였으며 소성지수는 118.3%였다. In-DEBS에 설치된 완충재는 KJ-Ⅱ 벤토나이트 분말을 다이플로팅(die floating) 방식의 하중을 재하하여 압축하였으며 초기 건조밀도와 공 극률은 각각 약 1.75 g·cm-3와 35%로 나타냈다.

    4.3 열적 특성

    고준위방사성폐기물의 붕괴열은 처분시스템의 온도를 변 화시켜 처분시스템의 성능을 저하시킬 수 있기 때문에 처분시 스템에서의 설계 기준을 완충재에서의 최고 온도를 100℃ 이 하로 규정하고 있다[33]. 따라서 완충재의 열적 특성은 처분시 스템의 설계와 성능평가에 매우 주요한 요인이 된다고 볼 수 있다. 완충재의 열적 물성은 크게 열전도도, 비열, 그리고 열 팽창계수로 나뉠 수가 있으며, 본 절에서는 KJ-Ⅱ 압축 벤토나 이트 완충재의 열전도도와 비열 값을 조사하였다[31,32]. 열전 도도는 비정상 열선법 원리에 입각한 QTM-500 (Kyoto Electronics, Japan) 장비가 이용되었으며, 비열은 이중 탐침법 원 리에 입각한 KD2-pro (Decagon Device, USA) 장비가 사용되 었다. 우선 열전도도의 경우 다양한 건조밀도와 포화도에 따 라 압축 벤토나이트 시료가 조성되었으며 초기 함수비에서 건 조 과정에 따라 포화도가 조절된 34가지 케이스에 대한 열전 도도가 측정되었다. 식 (8)은 건조밀도와 포화도에 따른 KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도 식을 나타내고 있다. 실 험에 사용된 건조밀도는 1.57~1.80 g·cm-3 였으며, 포화도는 0~70% 범위를 보였으며 식 (8)의 R2는 0.93 값을 나타냈다.

    λ = 0.476 ρ d + 0.426 S l − 0.075
    (8)

    여기서 ρd 는 건조밀도(g·cm-3), Sl 는 포화도(%), 그리고 λ는 열전도도(W·(m·K)-1)를 나타낸다. 또한 비열의 경우 건 조밀도 1.45~1.80 g·cm-3 범위와 포화도 0~80% 사이에서 평 균 1.061 kJ·(kg·K)-1 값을 보였다. Fig. 9는 건조밀도 및 포화 도에 따른 열전도도와 비열값의 분포를 보여주고 있다. 또 한 열역학적 물성인 열팽창계수의 경우 건조상태에서 측정 되었으며 KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트의 선형 열팽창계수는 건조 밀도 1.50~1.80 g·cm-3 범위에서 4.0~6.0×10-6/℃ 값을 나 타냈다[34].

    4.4 수리적 특성

    처분용기와 암반 사이에 설치된 완충채는 초기에는 불 포화상태로 존재한다. 시간이 경과함에 따라 주변 암반으 로부터 지하수가 유입되는 경우 암반의 경계면의 완충재의 포화도는 증가할 것이나, 고준위방사성폐기물로부터 발생되 는 붕괴열로 인해 처분 용기 경계면의 완충재는 불포화 상태 를 유지하다가 시간이 경과하면 포화도가 증가하게 된다. 이 처럼 완충재의 포화-불포화 거동은 함수특성곡선(soil water characteristic curve)과 투수계수와 같은 수리적 특성으로 설명될 수 있다. KJ-Ⅰ 압축 벤토나이트의 투수계수는 건조 밀도 1.4~1.8 g·cm-3 범위에서 2.40×10-21~2.72×10-19 m2 값 을 보였으며 Fig. 10과 같이 건조밀도에 반비례하는 것으로 나타났다[35].

    또한 경주 벤토나이트의 포화도에 따른 흡수력(suction pressure)의 변화는 Fig. 11에 정리되어 있다. Fig. 11은 선 행연구[36,37]에서 수행된 건조밀도 1.5 g·cm-3과 1.6 g·cm-3 에 대한 포화도에 따른 흡수력의 변화와 In-DEBS에서 사용 된 건조밀도 1.72 g·cm-3의 벤토나이트 블럭에 대한 포화도 에 따른 흡수력의 변화를 함께 도시한 것이다. KENTEX에 적 용된 벤토나이트는 동일한 밀도하에서 포화도를 달리한 시 료를 각각 제작한 후 각 포화도에서의 흡수력을 측정한 것 이며, In-DEBS에 적용된 벤토나이트는 습윤 및 건조 이력에 따라 순차적으로 흡수력을 측정한 것이다. 포화도 변화에 따른 흡수력의 변화를 예측하는 많은 모델들이 존재하지만, 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용하는 식 (9)의 van Genuchten 모델[38]을 이용하였으며, 각각의 건조 밀도에 대한 van Genuchten 파라미터는 Table 7과 같다.

    P s u c t i o n = − P 0 ( ( S * ) − 1 λ − 1 ) 1 − λ
    (9)

    여기서 S*는 유효 포화도를 의미하며, λ와 P0은 물질상 수를 의미한다.

    Fig. 12는 온도에 따른 KENTEX에 적용된 벤토나이트의 온도에 따른 함수특성곡선을 나타낸다. 온도가 증가함에 따 라 흡수력은 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 기존에 보고 된 선행연구[40]와 유사한 경향을 보였다.

    4.5 역학적 특성

    완충재의 역학적 특성은 외부의 충격이나 하중으로부터 처분 용기를 보호하고 공학적방벽의 역학적 건전성을 규명 하는데 중요한 역할을 한다. 고준위방사성폐기물의 붕괴열 은 완충재에 열응력을 발생시키며 암반으로부터 유입되는 지하수는 완충재를 팽윤시켜 처분 용기 및 암반에 팽윤압을 유발한다. KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트의 완충재의 팽윤압은 Fig. 13과 같이 건조밀도 값이 1.6 g·cm-3 일 때 온도에 따라 감소 하는 경향을 보였으며 대략 2~7 MPa 값을 나타냈다[41]. 또 한 KJ-Ⅰ 압축 벤토나이트의 완충재의 일축압축강도, 탄성 계수, 포아송비, 전단강도는 Table 8과 Table 9와 같으며 압 축지수(compression index)는 0.14, 압밀계수(coefficient of consolidation)는 0.18 m2/year, 그리고 체적변형계수(coefficient of volume compressibility)는 0.0214 m2/MN의 값 을 보였다[39].

    4.6 벤토나이트 물성 요약

    2018년 8월 현재 한국원자력연구원에서는, KJ-Ⅰ과 KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트 완충재에 대한 열-수리-역학 물성 규명에 관한 연구가 계속 진행되고 있다. 기본물성과 광물학적인 분 석 결과 KJ-Ⅰ과 KJ-Ⅱ 벤토나이트에 대해 큰 물성 차이는 발 생하지 않았다. 열물성의 경우 KJ-Ⅰ과 KJ-Ⅱ 벤토나이트에 대해 어느 정도 연구가 진행되었으나 수리-역학 물성의 경우 열팽창계수와 팽윤압을 제외하고는 KJ-Ⅱ 벤토나이트에 대 한 물성은 아직 충분한 데이터를 확보하지 못하였다. 특히 역학 물성의 경우 탄소성 구성 모델인 BBM (Barcelona basic model)에 관한 인자는 KJ-Ⅰ 벤토나이트에 대해서도 거의 연구가 진행되지 않은 실정이다. In-DEBS 현장시험에 설치 된 완충재는 KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트이기에 추후에는 KJ-Ⅱ 압축 벤토나이트에 대해 수리-역학 물성 규명에 관한 연구가 계속 진행될 예정이다.

    5. 맺음말

    본 연구에서는 고준위방사성폐기물 처분시스템에서 예 상되는 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하기 위해 지하 처분연구시설에서 수행되고 있는 In-DEBS 현장 시험의 데이 터 분석하고 평가하기 위해 필요한 입력자료를 도출하고자 하였다. 벤토나이트 완충재 물성의 경우, 기존에 수행된 선행 연구 결과들을 정리하였으며, KURT 화강암의 물성에 대해서 는 기존에 수행된 연구 결과와 In-DEBS 현장시험 구간에서 확보된 암석시편을 이용한 실험실 시험 결과를 함께 정리하 여 열, 수리, 역학적 물성을 제시하였다.

    본 연구에서 제시한 포화도에 따른 열전도도와 비열 모 델은 공학적방벽과 자연방벽에서의 열적 거동 특성을 분석 하고 예측하는 것에 활용될 수 있으며, 벤토나이트의 함수특 성곡선과 수리전도도는 지하수 유입에 따른 벤토나이트 완 충재에서의 수리적 거동을 분석하는데 활용될 수 있을 것으 로 판단된다. 또한 온도에 따른 열팽창계수 및 팽윤압의 변 화는 공학적방벽과 자연방벽에서의 역학적 거동 특성 평가 의 역학적 거동 특성을 위한 입력자료로 활용될 수 있을 것이 다. 앞서 언급한 열, 수리, 역학적 물성과 모델은 In-DEBS 현 장시험 분석 및 평가뿐만 아니라 처분시스템의 설계 및 성능 평가, 그리고 안전성 평가에 활용될 것으로 판단된다.

    지금까지 많은 열, 수리, 역학적 물성 평가와 다양한 모 델이 제시 되었지만, 벤토나이트에서의 열-수리-역학적 복합 거동 특성을 좀 더 명확하게 분석하고 예측하기 위해서는 온 도 변화에 따른 벤토나이트 완충재의 부피변화 및 열팽창계 수의 변화에 대한 실험 데이터와 실험 데이터를 바탕으로 한 모델이 추가적으로 필요할 것으로 생각되며, 벤토나이트 완 충재의 포화도 변화에 따른 공극률의 변화 및 투수계수의 변 화에 대한 실험 데이터와 모델이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 암반에 적용 가능한, 특히 손상된 암반에 적용 가능한 함수특성곡선 역시 확보 되어야만 공학 적방벽 및 자연방벽에서의 열-수리-역학적 복합거동을 명확 하게 분석하고 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

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

    Figure

    JNFCWT-17-S-65_F1.gif

    Location of In-situ tests and experiments in KURT.

    JNFCWT-17-S-65_F2.gif

    Mechanical site-descriptive model [7]. (a) 3 dimensional model, (b) 2 dimensional model at the elevation of KURT expansion, (c) Rock mass distributions from face mapping after excavation.

    JNFCWT-17-S-65_F3.gif

    The estimated in situ stress profiles showing (a) SHmax orientation and (b) stress magnitudes. The stress result indicates that stress regime in KURT site is in favor of thrust faulting (Sv < Shmin < SHmax) (modified from [8]).

    JNFCWT-17-S-65_F4.gif

    Relationship between temperature and average linear thermal expansion coefficient of 30 rock samples [18].

    JNFCWT-17-S-65_F5.gif

    Relationship between confining stress and average permeability of 30 rock samples with confining stress.

    JNFCWT-17-S-65_F6.gif

    Relationship between porosity and distance from the wall [15].

    JNFCWT-17-S-65_F7.gif

    Quantitative analysis for the XRD pattern obtained from the accessory minerals-enriched KJ-Ⅱ sample [31].

    JNFCWT-17-S-65_F8.gif

    Particle size distribution of bentonite powder [32].

    JNFCWT-17-S-65_F9.gif

    Distribution of thermal conductivity and specific heat capacity.

    JNFCWT-17-S-65_F10.gif

    Permeability vs. dry density for compacted bentonite [35].

    JNFCWT-17-S-65_F11.gif

    SWCC for compacted bentonite [36,37].

    JNFCWT-17-S-65_F12.gif

    Suction versus water content relationships at 25℃ and 90℃ (modified from [39]).

    JNFCWT-17-S-65_F13.gif

    Swelling pressures of KJ-Ⅱ bentonite [41].

    Table

    The physical properties of intact rock specimens

    The thermal properties of intact rock specimens

    The mechanical properties of intact rock specimens

    Properties change of rock specimens obtained before and after blasting, and EDZ size estimated from the property changes

    Rock properties at KURT

    Quantitative analysis for accessory minerals except montmorillonite in the KJ-Ⅱ bentonite [31]

    Parameters of van Genuchten model

    Unconfined compressive strength, Younʼg s modulus, and Poissoʼn s ratio of KJ-I bentonite [39]

    Cohesion and internal friction angle of KJ-I bentonite [39]

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