1. 서 론
2. DECOVALEX
3. DECOVALEX-2011
3.1 Task A: HMC processes in argillaceous rocks
3.2 Task B: TM modeling of fracture initiation and propagation, and rock spalling in rock openings
3.3 Task C: Assessment of coupled THMC processes in single fractures and fractured rocks
4. DECOVALEX-2015
4.1 Task A: The SEALEX Experiment - HM processes in bentonite-based sealing structures
4.2 Task B1: THM processes in bentonite buffers and argillaceous host rocks
4.3 Task B2: The Horonobe EBS experiment - THMC processes in buffer, backfill and host rock
4.4 Task C1: THMC processes in single fractures of novaculite (micro-crystalline quartz) and granite
4.5 Task C2: The Bedrichov Tunnel - Hydrochemical interactions in a fractured crystalline rock
5. DECOVALEX-2019
5.1 Task A: Advective gas flow in low permeability sealing materials
5.2 Task B: Induced slip of a fault in argillaceous rock
5.3 Task C: Hydro-mechanical-chemical-biological processes during Groundwater Recovery in Crystalline Rock
5.4 Task D: HM and THM interactions in bentonite engineered barriers
5.5 Task E: Upscaling of heater test modeling results
5.6 Task F: Fluid inclusion and movement in tight rock
5.7 Task G: EDZ Evolution - Reliability, feasibility, and significance of measurements of conductivity and transmissivity of the rock mass
6. 결 언
1. 서 론
심층처분(Deep Geological Disposal, DGD) 개념은 다중방벽시스템(multi-barrier system)을 이용하여 고준위방사성폐기물(High-Level radioactive Waste, HLW)을 생태계로부터 안전하게 격리하여 인간뿐만 아니라 생태계에 방사선적 영향이 미치지 않도록 하는 것이다. 지하 수백 미터 깊이에 위치한 균열이 적고 안정된 자연방벽 시스템(Natural Barrier System, NBS)인 암반에 처분 터널을 굴착하고, 고준위방사성폐기물을 공학적방벽 시스템(Engineered Barrier System, EBS) 재료인 처분용기에 담아 벤토나이트 완충재(buffer materials)와 함께 처분 공에 처분한 후, 뒷채움재(backfill materials)로 처분 터널을 메워 완전히 격리하는 방식이다. 이러한 심층처분 개념의 대표적인 예로는 다중방벽시스템을 이용한 처분 방식으로써 스웨덴 SKB(Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)가 제안한 KBS(Kärnbränslesäkerhet)가 있다(Fig. 1). 실제 처분장과 유사한 심도의 환경에서 오랜 기간 동안 필요한 연구개발이 지속되고 있으며, 처분시스템의 성능을 직접 평가해 볼 수 있는 장점이 있기 때문에 다중방벽시스템을 이용한 심층처분 방식은 전 세계적으로 고준위방사성폐기물을 장기간(long-term)에 걸쳐 안전하게 관리할 수 있는 방법이라는 공감대가 형성되어있다(Berg and Brennecke, 2013).
심층처분장 건설을 위해 지하 암반을 굴착하면 주변 암반의 응력 조건이 변하게 되고 초기 암반상태와 다른 물성을 갖게 되는 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone, EDZ)이 형성된다. 그리고 암반 굴착과 처분장 운영 전 환기(ventilation)가 이루어지는 동안 지하수는 환원조건에서 산화조건으로 바뀌게 된다. 이후, 처분장이 운영되면 고준위방사성폐기물로부터 나오는 붕괴열(decay heat)에 의해 처분시스템 전반에 걸쳐 온도가 변하고, 처분장 주변 암반으로부터 유입되는 지하수의 영향으로 벤토나이트 완충재에서는 수리적 거동 변화가 발생한다(Fig. 2). 그리고 완충재뿐만 아니라 근계암반에서 지화학적 반응(geochemical reaction)의 발생이 예상되며 완충재가 완전히 포화되면 처분용기는 부식(corrosion)되어 부식생성물과 H2와 같은 가스(gas) 발생이 예상된다.
처분장이 운영되는 동안 처분시스템에서 발생하는 열적, 수리적, 역학적, 그리고 화학적인 거동은 각각 단일 거동뿐만 아니라 상호간에 영향을 주고받으며 복잡한 열-수리-역학-화학적 복합거동(coupled Thermo-Hydro-Mechanical and Chemical(THMC) behavior)이 발생하게 된다(Fig. 3). 붕괴열에 의한 온도변화는 벤토나이트 완충재에 포함되어 있는 공극수(pore water)의 상 변화(phase change)를 야기하고 공극수의 화학적 조성에 영향을 미칠 뿐만 아니라(Beaucaire et al., 2012), 처분시스템 전반에 열응력(thermal stress)을 발생시키게 된다. 그리고 처분시스템에서의 수리적 거동 변화로 인한 완충재의 포화도(saturation) 변화는 처분시스템의 구성 요소들 중 다공성 매질의 열적 물성을 변화시켜 열적 거동에 영향을 미치게 되며(ENRESA, 2000), 완충재 팽윤압(swelling pressure)의 발생과 유효응력의 변화로 처분시스템 전반에 걸쳐 응력이 변화하게 된다. 이러한 응력변화는 기존에 존재하는 암반 절리의 간극(aperture)에 영향을 미쳐 투수계수 변화에 영향을 줄 수도 있고(Min et al., 2004; Lee 2014), 새로운 균열 발생과 기존 균열의 확장으로 인한 공극률 변화와 그에 따른 투수계수와 흡입력(suction)을 변화시킬 수 있다(Davis and Davis, 1999; Leverett, 1941). 또한, 장기간에 걸친 화학적 반응으로 암반 절리면과 균열, 그리고 완충재의 공극에서 침전(precipitation)이 발생하여 수리적 거동에 영향을 줄 수도 있으며(Birkholzer et al., 2007), 완충재에 포함된 지하수의 특성과 광물 조성비에 따라 최대 팽윤압의 크기와 시간에 따른 팽윤압의 패턴이 바뀔 수 있다(Zheng et al., 2015; Zheng et al., 2017).
Fig. 1.
Example of vertical and horizontal emplacement design from Swedish waste disposal program (SKB, 2010)
Fig. 2.
Schematic of the thermo-hydro-mechanical and chemical processes in the high-level radioactive waste disposal system (Lee et al., 2020a)
Fig. 3.
Example diagram illustrating relevant importance of each link for coupled thermo-hydro-mechanical and chemical processes (USNRC, 2011)
고준위방사성폐기물 처분장의 설계, 건설, 그리고 안전한 운영을 위해서는 처분장에서 예상되는 THMC 복합거동 특성에 대한 이해가 반드시 필요하기 때문에 벤토나이트 완충재와 암반에서의 THMC 복합거동 특성을 규명하고자 다양한 실험실 실험과 mock-up 규모의 시험뿐만 아니라, 지하연구시설에서 축소시험과 실규모 현장시험이 수행되고 있다(NEA, 2013). 그리고 수행된 실험에서 확보한 데이터 분석과 THMC 복합거동 특성 평가를 위해서는 수치모델, 수치해석 코드, 그리고 컴퓨터 모델링 기법의 개발이 요구된다. 그뿐만이 아니라 최신의 기술을 이용하여 처분시스템에 대한 성능평가를 수행해야만 처분시스템에 대한 신뢰도를 확보할 수 있기 때문에 최신의 기술을 기반으로 한 수치모델을 확보하고 이를 토대로 컴퓨터 모델링 기법을 개발해야만 한다. 하지만, 장기간에 걸쳐 발생하는 THMC 복합거동에 관여하는 다양한 물리적인 현상들이 비선형적 거동을 보이고 그 구성방정식들의 상관관계가 명확하지 않기 때문에 이를 정확하게 해석하고 예측할 수 있는 수치모델과 모델링 기법을 개발하는 것은 매우 어렵다(Birkholzer et al., 2019). 뿐만 아니라, 개발된 수치모델과 모델링 기법을 검증하기 위해서는 오랜 시간 동안 수행되어야 하는 고비용의 실험실 시험과 현장시험이 필요하기 때문에 THMC 복합거동 분석과 예측을 위한 수치모델과 모델링 기법의 개발뿐만 아니라 검증 역시 쉽지 않다. 따라서 THMC 복합거동 수치모델과 모델링 기법 개발의 어려움을 극복하고 효과적으로 개발을 진행하기 위하여 각국에서 제안된 수치모델과 모델링 기법에 대해 상호검증을 수행하고 실험실 실험 및 대규모 현장시험 결과를 공유할 필요성이 대두되었다. 이에 국제공동연구 DECOVALEX(DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiment) 프로젝트(www.decovalex.org)가 1992년에 착수되어 DECOVALEX-I(1992-1994)을 시작으로 DECOVALEX-II(1995-1999), DECOVALEX-III(2000-2003), DECOVALEX-THMC(2004-2007), DECOVALEX-2011(2008-2011), DECOVALEX-2015 (2012-2015), 그리고 DECOVALEX-2019(2016-2019)를 거쳐 현재 DECOVALEX-2023(2020-2023)이 진행 중에 있다. 한국에서는 한국원자력연구원이 2008년부터 DECOVALEX-2011에 참여하기 시작하여 DECOVALEX-2015와 DECOVALEX-2019를 거쳐 2020년 현재 DECOVALEX-2023에 참여 중에 있다. DECOVALEX-I부터 DECOVALEX-THMC에서 수행된 과제에 대해서는 Kwon et al.(2007)과 Lee et al.(2020b)에 정리되어 있으므로, 본 고에서는 DECOVALEX에 대해 먼저 간단하게 소개하고, 한국원자력연구원이 참여하기 시작한 DECOVALEX-2011부터 수행된 주요 연구 내용을 중심으로 소개하고자 한다.
2. DECOVALEX
고준위방사성폐기물 심층처분장의 공학적방벽과 자연방벽에서 일어날 것으로 예상되는 다양한 복합거동을 규명하고 이를 모사할 수 있는 수치모델과 컴퓨터 모델링 기법을 개발하고 상호 비교･검증하기 위해 SSM(Swedish Radiation Safety Authority)의 전신인 SKI(Swedish Nuclear Power Inspectorate)와 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)가 주도적으로 국제공동연구인 DECOVALEX 프로젝트를 추진하여 1992년에 시작되었다. DECOVALEX 프로젝트에는 주로 방사성폐기물 처분 사업자, 규제기관, 원자력관련 연구기관, 그리고 방사성폐기물 관리와 관련된 기관들이 참여하여 1) THM 및 THMC 복합거동 해석을 위한 수치해석 시뮬레이터 개발 지원, 2) THM 및 THMC 모델링을 위한 적절한 알고리즘 개발 및 적용에 관한 연구, 3) 실험실 시험 및 현장시험 결과와 모델링 계산 결과 값의 비교, 4) 수치모델 및 모델링 개발 및 검증을 위한 새로운 시험 설계, 5) 고준위방사성폐기물 처분장에 대한 성능 평가(Performance Assessment, PA) 및 안전성 평가(Safety Assessment, SA)에 THM 및 THMC 모델링을 적용하기 위한 연구를 효과적으로 수행하고자 하였다(Tsang et al., 2009).
프로젝트의 참여기관은 일정 금액의 분담금을 부담하면서 참여하는 정식회원기관(Funding Organization, FO)과 연구만을 수행하는 연구기관, 그리고 프로젝트의 전반을 관리하는 주관기관으로 크게 구분된다(Fig. 4). 정식회원기관은 기관별로 1인을 추천하여 구성된 운영위원회(Steering Committee, SC)를 통해 프로젝트의 예산집행과 프로젝트 진행 방향 결정에 의견을 제시하며 프로젝트 전반에 관여할 수 있다. 특히, 이 위원회에서는 정식회원기관들이 원하는 BMT(Bench Mark Test)와 TC(Test Case)를 결정하여 프로젝트를 진행한다. BMT는 기관별로 제안한 수치모델 또는 컴퓨터 해석기법의 결과를 상호비교하기 위해 제안된 가상의 문제이며, TC는 실제 수행된 실험실 시험 또는 현장시험의 결과와 수치해석 결과를 비교하기 위해 제안된 과제를 의미한다. 선정된 과제들은 과제 리더(task leader)의 주도하에 진행되며, 연 2회의 워크샵에서 연구성과를 발표하고 연구기관별 결과를 상호 비교하게 된다. 워크샵의 원활한 진행과 기술자문을 위한 기술 코디네이터(technical coordinator)와 DECOVALEX 프로젝트의 대표(chairman)가 과제별 진도 평가를 수행하여 운영위원회에 보고하여 프로젝트가 원활하게 운영되도록 하고 있다. DECOVALEX-I부터 DECOVALEX-2019까지 28년간 수행되어온 과제는 Appendix A에 나타나 있으며, 참여한 정식회원기관과 연구기관 및 연구기관이 참여한 과제들은 Appendix B에 정리되어 있다.
3. DECOVALEX-2011
이전까지 수행된 4차례의 DECOVALEX에서는 일본의 Kamaishi 광산 내 현장시험, 스위스 Grimsel에서 수행된 FEBEX 실험, 미국 Yucca 산에서 수행된 시추공 내 히터시험(DTS), 프랑스 Tournimire 지하연구시설에서 수행된 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone, EDZ) 현장시험을 대상으로 각 연구팀이 개발한 수치해석 기법의 비교･검증을 수행하였다. DECOVALEX-2011에서는 굴착 과정에서 발생할 수 있는 스폴링(spalling), 굴착 이후의 환기로 인한 처분터널 주변 암반에서의 복합거동과 절리 암반에서의 THMC 거동과 관련한 이슈들에 대해 연구를 수행함으로써 처분시설의 안전성 평가와 성능 평가를 위한 THMC 복합거동 전반에 걸친 특성 평가를 수행하고자 하였다. 개발된 수치모델과 해석기법의 검증을 위해 점토질 암반으로 구성된 스위스 Mont Terri의 지하연구시설에서 수행된 현장 환기시험(Ventilation Experiment, VE), 스웨덴의 Äspö 지하연구시설에서 수행된 현장시험(Äspö Pillar Stability Experiment, APSE), 그리고 체코의 Bedrichov 터널에서의 확보한 현장 데이터를 이용하였다. 국내 최초로 한국원자력연구원이 정식회원기관 및 연구기관으로 참여한 DECOVALEX-2011에는 8개국 9개의 정식회원기관(CAS(중국), IRSN(프랑스), JAEA(일본), KAERI(한국), NDA(영국), POSIVA(핀란드), RAWRA(체코), SKB(스웨덴), WHU(중국))과 11개국 18개의 연구팀이 참여하여 3가지의 Task를 대상으로 연구를 수행하였고, 수행된 연구 내용과 결과는 최종보고서(Hudson and Jing, 2012a; Garitte, 2012; Andersson, 2012; Hudson and Jing, 2012b)에 기술되어 있으며, 주요 결과들은 국제학술지인 Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering의 2013년도 특별호에 보고되어 있다.
3.1 Task A: HMC processes in argillaceous rocks
처분시스템의 건설 및 운영 과정에서 처분시설의 터널 갱도(drift)는 강한 환기상태에 노출될 수 있기 때문에 갱도 주변 암반은 부분적인 불포화 상태(unsaturated condition)에 놓이게 된다. 환기에 의한 포화도 변화는 암반 내 지하수의 상 변화와 화학적 특성 변화를 야기하여 HMC 복합거동에 영향을 미칠 수 있기 때문에 Opalinus clay에 위치한 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 환기 실험(Fig. 5)을 대상으로 수치해석 연구가 수행되었다(Garitte, 2012). 환기 실험은 직경 1.3 m, 길이 10 m의 마이크로터널(microtunnel)에서 진행되었으며, 지하수 질량보존 측정, 상대습도 계측, 함수율 측정, 수압 측정, 암석 상대변위, 화학종 농도 변화를 측정하기 위해 100 여개의 센서를 설치하고 4년간 두 번의 재포화(re-saturation)-불포화(de-saturation) 과정을 거치면서 암반에서의 HMC 복합거동 특성 변화를 살펴보았다. 실험은 총 세 단계로 수행되었으며, Phase 0에서는 마이크로터널 굴착 후 노출(open)된 상태로 별도의 제어 없이 41개월 동안 환기가 이루어 졌다. Phase 1에서는 환기 제어실험을 통해 재포화(2002.07~2003.05), 불포화(2003.05~2004.01) 과정을 19개월에 걸쳐 진행하였으며, 마지막 Phase 2는 추가실험으로써 다시 한 번 환기 제어실험을 수행하여 재포화(2004.01~2005.07), 불포화(2005.07~2006.09) 과정을 총 33개월 동안 수행하였다. 이를 통해 불포화-재포화 과정에서 발생하는 암반 내 유체의 상 변화 특성, HMC 복합거동으로 인한 암반 내 손상 및 미세 균열 발생 특성, 굴착손상영역 내 수리거동 특성 변화에 초점을 맞춰 실험이 수행되었다.
실험 결과를 바탕으로 수치해석 기법 개발을 위해 총 5개의 연구 팀이 참여하였으며, 개발된 수치모델의 검증을 위하여 터널 내 계측 위치에 따른 상대습도, 흡입력 곡선 등의 실험결과와 비교･검증을 수행하였다. 특히 점토질 암반에서의 HMC 특성에 대한 이해를 위하여 암반 내 포화도 및 응력 변화에 따른 투수 특성의 변화, 상 변화로 인한 증기 상태에서의 확산(diffusion) 특성 변화에 초점을 두고 연구를 진행하였다. Task A는 총 네 단계로 진행되었으며, Step 0에서는 Opalinus clay 내에서 발생하는 HMC 복합거동 특성 규명과 변수 설정이 이루어졌고, 이를 바탕으로 실내 건조실험에 대한 모델링이 수행되었다. Step 1에서는 환기시험의 Phase 1까지 HM 모델링이 수행되었으며, Step 2에서는 Step 1을 통해 역산된 입력변수를 바탕으로 Phase 2까지 HM 모델링이 진행되었다. Step 2에서는 보다 현실적인 현장시험 모사를 위해 투수계수 이방성, 암반 손상도, EDZ에서의 투수계수 증가 등이 고려되었으며, 원계 영역에서 계속적으로 유입되는 지하수로 인해 포화도 감소가 낮은 것으로 판단되었기 때문에 증기의 확산에 의한 이동은 고려하지 않고 해석을 수행하였다. Step 3에서는 포화도 변화에 따른 염분 농도(salt concentration) 변화를 모사할 수 있는 수치해석 기법 개발이 수행되었으며, 마지막 Step 4는 선택적 단계로써 Quintessa 그룹에서만 연구를 진행하였고 불포화 영역에서의 화학적 반응을 모사할 수 있는 해석기법 개발이 수행되었다. Task 수행을 바탕으로 지하수의 이동은 주로 수두 차 및 다공성 매질의 투수계수에 의해 결정됨을 밝혔으며, 흡입력 곡선은 불포화 영역에서의 투수계수 및 흡입력에 미치는 영향 때문에 중요성이 큰 것으로 나타났다. 또한 굴착손상영역에서의 투수계수 증가는 미미한 것으로 나타났으며, 건조 및 습윤 과정에서 발생하는 미미한 변형은 공극률 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났고 삼투 흐름(osmotic flow) 역시 그 영향이 미미함을 밝혔다. 추후 연구로는 암석 표면 거칠기, 공기 속도 변화 등을 고려한 암석-공기 경계면(rock-air interface)에서의 유체 상 변화 과정(water exchange process), EDZ 내 절리영역에 대한 깊이 있는 고려 등이 필요할 것으로 보고하였다.
Fig. 5.
Schematic diagrams showing VE at Mont Terri URL of Task A in DECOVALEX-2011 (Garitte et al., 2013)
3.2 Task B: TM modeling of fracture initiation and propagation, and rock spalling in rock openings
처분장이 위치하는 심도가 증가할수록 처분장 주변에 작용하는 응력은 증가하게 되고, 처분장 주변 암반의 파괴 가능성도 함께 증가하기 때문에 암반의 파괴특성은 설계, 건설, 운영 및 계측 등 처분시스템 전반의 역학적 안정성 평가를 위해 반드시 고려되어야 하는 요소이다. 이에 Task B에서는 결정질 암반에서의 주요 파괴특성인 스폴링(spalling)에 대한 이해 및 처분시스템에 미치는 영향을 파악하고자 하였다(Andersson, 2012). 이를 위해 스웨덴의 Äspö 지하연구시설에서 처분공 사이에 위치하는 필라(pillar)의 안정성 평가를 위해 수행된 APSE 현장시험 데이터를 활용하였다. ASPE 실험에서는 먼저 지하 심도 450 m에 높이 7.5 m, 폭 5 m의 터널을 굴착한 뒤 터널 바닥면에 직경 1.75 m, 깊이 6.5 m의 수직 처분공을 천공하였다. 다음 단계로 수직 처분공에 1.0 MPa의 구속압을 가한 후 1 m 간격을 두고 6.3 m 깊이의 두 번째 수직 처분공을 천공한 뒤, 전기 히터로 암반을 가열하여 굴착에 따른 응력변화와 추가적인 열응력 발생으로 처분공 내 스폴링이 관측될 수 있도록 실험을 수행하였고, 미소파괴음(Acoustic Emission, AE), 온도, 응력 및 변위 변화 등을 통하여 스폴링 발생 유무를 확인하였다(Fig. 6). APSE 실험 과정에서는 지하수가 거의 없는 것으로 보고되었으며 실험 기간이 충분히 길지 않았고 온도가 수리적 특성 및 화학적 특성에 영향을 미칠 만큼 높지 않았기 때문에 Task 진행 시 수리-화학적 복합거동은 고려되지 않았다. 따라서 Task는 TM 복합거동 특성의 이해 및 미시적/거시적 수준에서의 암석 스폴링/항복 발생 과정 모사에 초점을 맞춰 진행되었다.
수치해석 기법 개발을 위해 한국원자력연구원을 포함하여 총 7개의 연구 팀이 참여하였으며, Task는 총 세 단계로 나누어 진행되었다. Stage 1에서는 Äspö 섬록암의 파괴 메카니즘을 규명하고 탄성모델에서 굴착 순서에 따른 응력 경로 계산을 목표로 하였으며, 이를 위해 Äspö 섬록암을 대상으로 수행된 실내 일축 및 삼축압축시험을 대상으로 수치해석 기법 개발을 수행하였다. 실내 시험에서는 암석의 파괴 과정 규명을 위하여 암석의 갑작스런 파괴를 막을 수 있도록 횡방향 변형률 제어 조건 하에서 수행되었으며, 이를 통해 축방향 응력이 최고치에 도달한 이후에도 축방향 변형률이 단조 증가하지 않는 Class Ⅱ 파괴 거동의 전 과정 응력-변형률 곡선을 획득하였다. 각 팀에서는 Class Ⅱ 파괴거동을 횡방향 변형률 제어 조건 하에서 보다 현실적으로 모사하기 위하여 다양한 해석 기법을 적용하였다. 한국원자력연구원과 스웨덴 SKB는 암석의 불균질성을 반영할 수 있도록 입자 구조를 모사하기 위해 각각 PFC2D를 이용한 Clump Model과 UDEC을 이용한 Grain Based Model을 사용하였고 체코의 TUL/UGN과 중국의 WHU는 손상지수(damage parameter)를 활용하는 연속체 해석기법을 개발했으며, 핀란드 POSIVA는 확률론적 해석기법을 통해 모델링을 수행하여 실험결과와의 비교･검증을 완료하였다. Stage 2에서는 총 4 가지 해석 목표를 설정하였으며, 참여 그룹별로 수치모델을 통해 가열 단계 동안 필라의 14개 지점에서 계측된 온도 변화 모사, 처분공 내 두 지점(깊이 2.5 m/4.1 m)에서 계측된 응력과 변위 변화 모사, 가열 기간(0, 35, 60일)에 따른 필라에서의 응력 변화 모사를 수행하였다. Stage 2에서는 탄성 모델을 적용하였으며, 참여그룹 별 해석결과 비교, 실험결과와의 비교를 통해 TM 복합거동 모사를 위해 개발된 해석기법 검증을 수행하였다. Stage 2의 해석 결과 암반 온도는 실험 결과보다 다소 높게 나타났으나, 이외 해석 결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. Stage 3에서는 탄소성 및 손상 모델을 사용하여 굴착 과정과 가열 과정을 반영한 모델링을 수행하였고, 이를 통해 스폴링 강도 및 수직공에서의 파괴 형상을 예측하였다. 해석 결과 필라의 스폴링 강도는 실내시험을 통해 측정된 암석 일축압축강도의 57% 수준에 해당하는 120 MPa로 나타났으며, 이는 기존 연구를 통해 보고된 화강암 암반의 스폴링 강도와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 미시적 수준에서 발생한 스폴링이 거시적 수준의 노치 생성으로 이어지는 현상에 대한 수학적 모사, 실험 시 계측된 미소파괴음의 수치해석적 활용 필요 등은 추후 연구를 통해 보완되어야 한다고 보고하였다.
3.3 Task C: Assessment of coupled THMC processes in single fractures and fractured rocks
결정질 절리암반은 지하수의 주 이동 통로인 절리망과 절리망에 비해 상대적으로 지하수의 이동이 어려운 무결암으로 구성되며, 절리망의 투수계수와 유체흐름은 절리의 간극변화에 영향을 받게 된다. 절리 간극은 암반 내 응력변화 및 변형에 따라 결정되므로, 절리암반의 HM 복합거동을 모사하는 데 있어 응력변화에 따른 절리 간극의 변화는 주요한 인자가 된다. 또한, 절리망 내에서 실제 유체 및 핵종의 이동 통로로 활용되는 절리들의 네트워크에 대한 실제적인 모사가 이루어져야만 절리암반 내의 유체흐름 변화에 대한 해석과 핵종 이동을 정확하게 예측할 수 있다. 이를 위해 불연속 절리망(Discrete Fracture Network, DFN)이 활용되어 왔으며, 이때 절리 길이와 응력에 따른 간극의 크기 변화는 DFN 구성에 있어 핵심적인 역할을 하게 된다(Hudson and Jing, 2012b). Task C에서는 이와 같은 HM 복합 거동에 대한 이해를 증진하기 위해 총 5개의 연구 팀이 참여하였으며, 1단계 벤치마크(Fig. 7) 해석과 2단계 실제 터널을 대상으로 한 해석이 수행되었다.
1단계 벤치마크 해석은 다시 세 단계로 세분화되어 수행되었는데, 첫 번째 단계에서는 먼저 단순한 탄소성 팽창 모델을 적용한 2차원 DFN 모델을 구성하고 다양한 경계조건 하에서 해석을 수행하였으며, 이류(advective transport) 및 확산(diffusive transport)에 의한 효과는 고려하지 않았다. 두 번째 단계에서는 이류에 의해 발생하는 유체 흐름을 고려한 HM 복합거동 모사를 수행하였고, 마지막 단계에서는 이류와 확산을 모두 고려한 수치해석 모델 개발을 수행하였다. 화학적 반응을 고려할 수 있는 HMC 복합거동 모사를 위한 모델 개발을 시도하였으나, 일정상 제약으로 수행을 완료하지 못하였다. 1단계 벤치마크 해석의 한계점으로는 절리 내 유체흐름 모사를 위한 흡착 및 분산 모델의 적용 필요성, 전단 과정에서 발생할 수 있는 절리 표면의 파괴 및 손상 모사, 절리 모사를 위한 적합한 구성 모델의 적용, 지하수 내 화학반응 모사 등이 추후 고려될 필요가 있음을 보고하였다(Hudson and Jing, 2012b). 2단계 해석에서 벤치마크 해석 결과를 바탕으로 체코의 Bedrichov 터널을 대상으로 한 3차원 해석을 수행하였다. 3차원 해석의 경우, 현장 측정 결과 및 해석을 위한 변수 정보가 충분치 않았으므로 해석은 실제 현상의 모사보다는 지표에서의 유체 흐름과 수두 변화와 같은 지하수 유동 메카니즘을 밝히는데 주안점을 두었으며, 절리망의 특성 변수에 따른 결과 변화를 살피는 데 초점을 맞춰 수행되었다.
4. DECOVALEX-2015
DECOVALEX-2015에서는 처분장에서의 안전성 평가 및 성능 평가를 위한 THMC 복합거동에 대한 이해뿐만 아니라 처분장 주변 생태계로의 핵종 이동 및 확산에 대한 수학적 접근 및 해석 기법 개발을 수행하고자 하였다(Jing et al., 2016). 세부적으로는 균열 암반 및 벤토나이트 완충재에서의 THMC 복합거동 모사, 현장시험 결과와의 비교를 통한 해석코드 검증, 결정질과 점토질 암반 및 완충재에서의 복합거동에 대한 이해도 제고 등을 목표로 하였으며, 프랑스의 Tournemire 지하연구시설, 스위스 Mont Terri 지하연구시설, 일본의 Horonobe 지하연구시설, 체코의 Bedrichov 터널에서 수행된 현장시험을 대상으로 개발된 해석코드들의 비교･검증이 수행되었다. 총 9개국에서 10개의 정식회원기관들(BGR/UFZ(독일), CAS(중국), DOE(미국), ENSI(스위스), IRSN(프랑스), JAEA(일본), KAERI(한국), NDA(영국), NRC(미국), SURAO(체코))이 참여하였고, 한국에서는 한국원자력연구원이 정식회원기관과 연구기관으로 참여하였으며 인하대학교는 한국원자력연구원의 협력 연구기관으로 참여하였다. 수행된 총 5개의 Task에 대한 연구 내용과 결과는 최종보고서(Jing et al., 2016; Millard et al., 2016; Garitte, 2016; Sugita et al., 2016; Bond, 2016; Hokr et al., 2016)에 기술되어 있으며, 주요 결과들은 국제학술지인 Environmental Earth Sciences의 2018년도 특별호에 보고되어 있다.
4.1 Task A: The SEALEX Experiment - HM processes in bentonite-based sealing structures
처분시스템에서는 처분용기와 주변 환경과의 차단을 위해 팽윤(swelling) 특성을 지니고 있는 벤토나이트 완충재를 활용하며, 완충재의 밀봉(sealing) 성능은 처분장의 안정성을 확보하기 위한 필수적인 평가 요소이다. 따라서 Task A에서는 벤토나이트 완충재의 팽윤 특성에 따른 HM 복합거동을 모사하기 위한 모델을 개발하고자 하였으며, 검증을 위해 Fig. 8에 나타나있는 프랑스 Tournemire 지하처분시설에서 수행된 실험인 SEALEX(Sealing performance experiment) 현장시험 결과를 활용하였다(Millard et al., 2016). SEALEX는 처분 시스템 전반(처분용기, 갱도(gallery), 샤프트(shaft))에 대한 밀봉 성능평가와 함께 처분 시스템의 장기 건전성에 영향을 미칠 수 있는 조건들을 규명하기 위한 목적으로 수행되었다. 보다 구체적으로는 Fig. 9에 나타나 있듯이 벤토나이트 혼합비(순수 MX80 벤토나이트, 모래/MX80 혼합물) 및 벤토나이트 제조 조건(사전에 다짐 수행한 블록(pre-compacted block) 및 현장에서 다짐 수행한 파우더 형태(in situ compacted powder))에 따른 밀봉 시스템의 장기(long-term) 수리특성 시험, 벤토나이트 코어 형상에 따른 수리특성 시험, 변질(altered) 조건에 따른 밀봉성능 시험 등이 진행되었다. SEALEX 현장시험에서는 60 cm 직경의 수평 시추공 바닥면에 직경 56 cm 의 벤토나이트 코어를 수평하게 위치시키게 되며, 벤토나이트 코어와 시추공/터널 벽면에는 횡방향으로 최대 2 cm의 틈(Fig. 8의 annular void)이 발생하게 된다. 코어의 팽윤 작용을 발생시키기 위해 축방향 양 단으로 일정 압력의 물을 주입한 뒤 패커(inflatable packer)와 O-ring을 사용하여 방수 작업을 수행하게 되며, 물 주입이 완료된 후 4~5년 정도 포화를 진행하였다. 포화 기간 동안에는 부피 제어 조건(volume controlled condition)하에서 각 실험들을 수행하고자 축방향으로 구속을 가한 상태를 유지하였고, 수리자극(pulse) 및 일정압력 하 주입(injection at constant-head)시험 등이 수행되었다.
Task A는 6개의 연구 팀이 참여하였으며, 실험 과정 동안 벤토나이트 코어(모래/MX80 혼합물)가 위치한 주변 암반에서 발생하는 유량 손실에 대한 모델링이 수행되었다. Task는 4단계에 걸쳐 진행되었으며, Step 0에서는 세 가지 실내시험(흡입력 측정 시험(water retention test), 침투 시험(infiltration test), 팽윤 및 압축 시험)을 바탕으로 포화 및 불포화 조건에서 벤토나이트의 HM 복합거동을 모사할 수 있는 해석기법 개발과 입력변수 설정이 이루어 졌다. Step 1에서는 개발된 해석기법을 적용하여 SEALEX 현장시험의 1/10 크기인 밀봉 과정 모형실험(mock-up test)에 대한 HM 모델링을 수행하였고, Step 2에서 벤토나이트 주변 암반에서의 수리적 거동에 대한 모델링을 거쳐 최종적으로 Step 3에서는 현장실험에 대한 HM 복합거동 모델링을 진행하였다. 이를 통해 벤토나이트의 물성은 건조밀도에 큰 영향을 받음을 확인하였으며, 벤토나이트 코어와 벽면의 틈에 대한 모델링을 통해 수화 과정 초기에는 벤토나이트 코어가 겔(gel)상태로 존재하지만 틈이 모두 메워지면 압밀된 벤토나이트 상태로 변화됨을 확인하였다. 또한 초기 수화(hydration) 과정 동안에는 축방향 구속으로 인해 축방향으로 팽윤압이 발생하고 횡방향으로는 자유 팽창이 발생하게 되며, 틈이 모두 메워지게 되면 모든 방향으로 팽윤이 발생하는 현상이 잘 모사됨을 확인하였다. 또한 시간에 따른 벤토나이트-모래 혼합물의 건조밀도 변화는 HM 복합거동에 큰 영향을 미치게 되며, 따라서 포화 상태에서의 유체 투수계수와 벤토나이트 건조밀도에 대한 정확한 평가와 함께 정확한 흡입력 곡선(water retention curve)의 예측 또한 중요함을 보고하였다.
4.2 Task B1: THM processes in bentonite buffers and argillaceous host rocks
처분시스템에서는 처분 용기에서 발생하는 열이 벤토나이트 완충재와 주변 암반으로 전달되어 비등온(non-isothermal) 상태에 놓이게 되며, 지하수의 유입으로 완충재 및 주변 암반의 포화도가 변하게 된다. 처분장의 설계와 안전한 운영을 위해서는 이와 같은 복잡한 과정에 대한 이해 및 예측이 필수적이기 때문에 Task B1에서는 점토질 암반과 벤토나이트 완충재에서 발생할 수 있는 THM 복합거동에 대한 이해도 향상과 해석 모델 및 해석기법 개발을 목표로 하였다(Garitte, 2016). 수치해석 기법 개발을 위해 한국원자력연구원을 포함하여 8개의 연구 팀이 참여하였으며, 개발된 모델과 해석기법의 검증을 위해 스위스 Mont Terri URL에서 Opalinus clay를 대상으로 수행된 두 현장 히터시험(HE-D /HE-E)과 스페인 CIEMAT에서 수행된 실험실 시험(Fig. 10(b))의 데이터를 활용하였다. HE-D 현장시험(Fig. 10(a))은 암반만을 대상으로 수행되었으며, 수평 시추공 내에 히터가 직접 접촉하도록 위치시킨 뒤 가열 기간 동안 암반에서의 온도, 공극수압, 변형률의 변화를 계측하였다. HE-E 현장시험(Fig. 10(c))은 PEBS (Performance of Engineered Barrier Systems) 프로젝트의 일환으로 수행되었으며, 수평 시추공 내에 히터와 입자형태의 벤토나이트 혼합물(granulated bentonite mixture)을 함께 위치시켜 실험을 수행하였다.
Task는 실험결과를 바탕으로 초기 비등온-재포화(non-isotermal resaturation) 과정에서 벤토나이트 완충재 및 암반의 THM 복합거동 특성 파악, 처분장의 초기 폐쇄 단계에서의 안전성 평가, 암반 및 벤토나이트 완충재의 열전도도 결정 및 포화도의 영향 파악, 개발된 수치모델들의 비교･검증을 목표로 네 단계 걸쳐 연구를 수행되었다. Step 1a에서는 HE-D 현장시험에 대한 모사가 이뤄졌으며, Step 1b에서는 벤토나이트 완충재에 대한 THM 복합거동 이해를 위해 수행된 실내시험인 CIEMAT 컬럼(column) 시험에 대한 모델링을 수행하였다. Step 1a 및 1b를 통해서는 Opalinus clay와 벤토나이트 완충재에 대한 공통의 입력변수들을 정하였으며, 이를 통해 참여그룹별 해석코드의 검증을 완료하였다. Step 2a에서는 앞선 두 단계를 통해 개발된 해석기법 및 입력변수를 활용하여 HE-E 현장시험을 대상으로 모델링이 수행되었으며, Step 2b에서는 조정된 입력변수를 활용하여 해석모델의 비교･검증이 수행되었다. 이를 통해 HE-E 현장시험에 대해 성공적으로 모사가 수행되었으며, 가열 중단 이후 완충재의 재포화(resaturation)까지 대략 50년 정도의 시간이 필요할 것으로 예측하였다. 해석 과정에서는 3차원 및 2차원 축대칭 모델을 통해 구성된 수치모델을 이용하여 시간에 따른 온도, 상대습도, 공극수압, 응력 변화를 계산하고 결과를 상호 비교하였다. 가열 시 경계조건은 히터 파워를 이용하여 온도를 증가시키도록 하였으며, 완충재의 포화 과정에 대한 모사(완충재 내 계측 위치별 상대 습도 예측), 포화도에 따른 열전도도 변화를 반영한 온도 변화 모사(완충재 내 계측 위치별 온도 변화), 주변 암반으로부터의 지하수 공급에 대한 모사(터널 주변 암반의 포화도 변화)가 팀 별로 잘 수행되었음을 확인하였다.
4.3 Task B2: The Horonobe EBS experiment - THMC processes in buffer, backfill and host rock
Task B2는 일본 JAEA에 의해 제안되었으며, Horonobe 지하연구시설에서 수행된 공학적방벽 시스템에 대한 실규모 현장시험에 대한 수치모델 개발을 목표로 하였다(Sugita et al., 2016). 현장시험에서는 처분용기에서 발생하는 열과 지하수 유입으로 인한 재포화 과정 시 Horonobe 지하연구시설의 퇴적암 및 벤토나이트 완충재로 구성된 처분시스템 전반에 걸쳐 발생하는 THMC 복합거동에 대한 조사가 이뤄졌으며, Task B2에서는 현장시험 결과와 수치모델의 비교･검증이 수행되었다. Horonobe 지하연구시설 실험에 적용된 일본의 처분개념에서는 고준위방사성폐기물은 유리화된(vitrified) 폐기물을 탄소강의 처분용기(overpack/canister)에 넣고 주변을 완충재로 감싸는 것이다. 이를 모사하기 위해서 Horonobe EBS 실험에서 처분용기를 수직하게 위치시키고 주변을 고밀도로 압축된 Kunigel V1 벤토나이트와 모래의 혼합물로 채웠으며, 터널의 뒷채움은 Kunigl V1 벤토나이트 및 암석 쇄설물의 혼합물로 수행하였다(Fig. 11). 시험이 진행되는 동안 완충재의 화학적 변이(chemical alteration)를 방지하기 위해 처분용기의 표면온도는 100°C 이하가 되도록 실험을 수행하였다. 실험은 지하심도 350 m에서 수행되었으며, 콘크리트 플러그를 통해 EBS의 밀폐를 완료하였다.
Task B2 수행을 위해 한국원자력연구원의 협력연구팀인 인하대학교를 포함하여 총 5개의 연구팀이 참여하였으며, Task B2는 3단계로 구성되었다. 먼저, Step 1에서는 처분용기와 완충재, 암반으로 구성된 1차원 벤치마크 모델을 통해 수치모델 개발을 수행하였으며 개발된 해석기법을 통해 함수율 분포에 따른 수리적 입력물성들의 영향, 함수율(water content) 변화에 따른 열전도도 변화 등을 확인하였다. Step 2에서는 콘크리트, 터널 지보, 플러그, 뒷채움재 등 처분시스템 전반에 대한 3차원 해석이 수행되었으며, 뒷채움재가 완충재의 응력 분포에 영향을 미치며, 서로 다른 THMC 복합거동 특성으로 인해 두 물질 간의 복잡한 상호작용이 발생함을 확인하였다. 마지막으로 Step 3에서는 각 팀 별로 개발된 수치해석 기법을 적용하여 7년에 걸친 장기 안정성 평가 해석을 수행하였으며, 시간에 따른 온도, 응력, 공극수압 등의 결과 비교가 이루어졌다. Task 수행을 통해 완충재의 열, 수리적 거동이 비교적 잘 모사됨을 확인하였으나, 향후 보다 나은 성능/안전성 평가를 위해서는 완충재의 변위를 포함한 역학적 거동, 완충재-뒷채움재 간의 상호 작용에 대한 모사 부분에서 보완이 필요한 것으로 나타났다.
4.4 Task C1: THMC processes in single fractures of novaculite (micro-crystalline quartz) and granite
처분시스템이 위치하게 되는 절리 암반(fractured rock)에서의 절리 투수계수의 변화는 암반 및 완충재의 포화도 변화와 밀접한 관련이 있으며, 처분시스템 인근 지질환경으로의 장기간에 걸친 핵종 이동에 큰 영향을 미치게 된다. 1992년부터 진행되어 온 이전 단계의 DECOVALEX Task 들을 통해 이와 관련된 다양한 연구들이 수행되어 왔으나, 단일 절리 내에서 발생하는 THMC 복합거동 전반에 걸친 보다 심도 있는 연구를 위해 Task C1이 제안되었다(Bond, 2016). Task C1은 단일 인공절리를 포함한 규암(quartzite) 및 화강암(granite)을 대상으로 수행된 Fig. 12의 실내 투수시험(Yasuhara et al., 2006, 2011)에 대한 수치해석을 수행하고, 실험결과를 바탕으로 절리 내 THMC 복합거동의 이해를 위한 수치모델 및 해석적 모델 개발에 주안점을 두었다. 실험에서는 온도, 구속압 등의 경계조건 변화 시 단일 절리를 통한 증류수의 투수 특성 변화 및 절리를 통해 빠져나온 증류수의 화학 조성 변화를 관측하였다. 실험 시 시간에 따라 각기 다른 온도로 시료를 가열하였고 최고 온도는 90°C였으며, 절리를 통과하여 나온 증류수의 화학 조성 및 차압(differential pressure)을 계측하였다. 실험 후에는 절리의 간극을 계측하기 위해 우드 합금(Wood’s metal)을 주입하였고, 일정 유량으로 주입 시 점진적으로 발생하는 압력 차이를 통해 시료의 유효 수리간극(effective hydraulic aperture) 변화를 계산하였다.
Task C1은 7개의 연구 팀이 참여하였으며 Step 0~2의 세 단계는 규암 대상 실험을 대상으로 task가 수행되었고, Step 3~5는 4개 팀(TUL, BGR/UFZ, CAS, Q/UoE)이 화강암 실험 결과를 바탕으로 해석을 수행하였다. Step 0에서는 벤치마크 해석 수행을 위해 절리면의 수리적, 역학적 특성을 대표할 수 있는 절리면의 표면 거칠기를 선택하는 작업과 이를 대상으로 한 지화학적 모델 구성 작업이 수행되었다. 벤치마크 해석에서는 등온 조건과 유체의 이동이 없는 조건을 가정하였으며 세 가지 온도(20, 60, 120°C)에서 석영(quartz) 광물의 용해 과정을 모사하였고 시간에 따라 용해되는 규소(silicon)의 농도 변화 결과를 바탕으로 비교․검증을 수행하였다. Step 1은 Step 0을 보다 정밀화 하는 단계로써 활동계수(activity coefficients)와 용해 속도(dissolution rate)를 보다 정밀하게 정의하는 작업을 수행하였으며, Step 2에서는 앞선 두 단계에서 개발된 모델을 바탕으로 비등온 조건을 고려한 THMC 복합거동 모델을 구성하였다. Step 3에서는 화강암을 대상으로 한 실험 결과의 모사를 위해 Step 0~2에서 개발된 모델을 활용하였으며, 이 단계에서는 유체의 흐름이 없는 조건을 가정하였고 역학적 영향을 고려하지 않고 두 가지 등온 조건(25°C, 90°C)에서 용해 속도와 pH 결과에 대한 비교를 수행하였다. Step 4에서는 역학적 조건을 고려한 해석을 수행하였으며, 마지막 Step 5에서는 비등온 조건을 고려한 전체 실험 과정 모사를 수행하였다. Task 수행 과정에서 절리 표면의 거칠기 및 간극 모사를 위해 절리면의 형상을 반영할 수 있는 2차원 불연속 모델(discretised model), 등가모델을 활용한 절리 모델, 실제 3차원 절리면 구현을 위한 synthetic 모델이 적용되었으며, Task 수행 결과의 비교검증은 구속압(M) 및 온도 변화(T)에 따른 투수계수의 변화(H) 및 유출되는 증류수에 용해된 규소의 농도 변화(C) 모사를 통해 THMC 복합거동 전반에 대한 이해에 초점을 맞춰 진행되었다. 향후 연구로는 응력 부식(stress corrosion) 및 압력 용해(pressure solution)효과에 대한 모사, 절리 간극 분포의 영향을 반영하기 위한 모델 개선 등이 필요할 것으로 보고하였다.
Fig. 12.
Schematic diagram of the experimental set-up and the fractured granite specimen (Bond et al., 2016)
4.5 Task C2: The Bedrichov Tunnel - Hydrochemical interactions in a fractured crystalline rock
Task C2는 DECOVALEX-2011에서 수행된 Task C의 연장선에서 수행된 연구로써 체코의 Bedrichov 터널에서 계측된 지하수 유입 및 추적자(tracer) 이동에 대한 규명을 위해 진행되었다(Hokr et al., 2016). 절리암반 내에서 유체 흐름의 불균질성에 대한 이해도를 높이고 Bedrichov 터널 현장에서의 지하수 유동 및 자연 추적자(natural tracer)의 이동을 모사하기 위한 모델링 과정의 불확실성 평가를 목표로 하였다. Bedrichov 터널은 체코 북부에 위치한 상수도 터널(water supply tunnel)로써 총 연장은 2600 m이며 결정질 암반 내에 위치해 있다. 터널 연장 중 초반 890 m는 TBM(Tunnel Boring Machine)을 활용하여 굴착하였으며, 나머지 구간은 발파공법을 활용하여 굴착을 수행하였다. 수년간 체코 SÚRAO를 통해 터널 내 지질조사가 수행되으며, DECOVALEX-2015에서는 DECOVALEX-2011에서 완료되지 못한 연구의 마무리와 실제 현장 조건을 반영한 대규모 터널 사이트에 대한 모델링 기법 개발이 수행되었다.
Task에는 3개 연구 팀이 참여하여 핵종 이동에 영향을 미칠 수 있는 암반 내 유체 흐름 및 자연 상태에서의 추적자 이동에 대한 모사를 통해 HC 복합거동에 대한 이해도를 높이고자 하였으며, 3차원 해석을 수행하여 터널을 포함한 부지 규모에 대한 모델링 기법 개발도 함께 진행하였다. 터널 내 특정 구간에서의 지하수 유입 특성을 살펴보기 위해 개념적으로 구성된 4개의 모델을 구성하였으며(Fig. 13), 절리 및 단층에 대한 고려를 통해 투수 특성의 불균질성을 모사하였다. 개념적으로 구성된 4개의 모델은 지형 정보를 정확히 반영하지는 않았으며, 터널 내 특정 깊이의 특정 위치를 선택하여 불균질성을 반영할 수 있도록 구성되었다. 4개의 구성 모델은 각각 투수성이 높은 천부와 투수성이 낮은 심부로 구성되었으며 많은 유량이 발생할 수 있는 단층/절리가 터널 진행 방향에 수직하게 배치되었다. 또한, 계절 변화에 따른 터널 내 지하수 유입 특성 모사를 위해 정상류(steady flow) 및 비정상류(transient flow) 해석을 단계별로 수행하였다. 모델링 수행 결과, 정상류 상태에서의 수리적 문제에 대한 해석결과는 비교적 만족스러운 것으로 나타났으나, 비정상류 해석의 경우 터널, 터널 상부, 주변 암반 및 절리의 기하학적 구성 및 정보의 부족으로 인하여 실험결과와 다소간 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 보다 현실적인 해석을 위해서는 불포화 영역에 적합한 방정식 구성이 필요한 것으로 보고하였다.
Fig. 13.
Tunnel profile and model configuration representing selected real positions in the tunnel (modified after Hokr et al., 2016)
5. DECOVALEX-2019
DECOVALEX-2019는 처음 시작 당시에는 11개국의 12개 정식회원기관들(ANDRA(프랑스), BGR/UFZ(독일), CNSC(캐나다), DOE(미국), ENSI(스위스), IRSN(프랑스), JAEA(일본), KAERI(한국), RWM(영국), SURAO(체코), SSM(스웨덴), TaiPower(대만))이 4년간 동일하게 분담금을 지급하기로 하였으나, 프로젝트가 진행되는 도중 NWMO(캐나다)가 추가적으로 정식회원기관으로 참여하여 13개의 정식회원기관으로 구성되었다. 이 프로젝트에는 11개국의 20개 연구기관이 프로젝트에 참여하여 7가지의 Task를 수행하였고, 수행된 연구 내용과 결과는 DECOVALEX의 최종보고서(Tamayo-Mas and Harrington, 2020; Graupner et al., 2020; Iwatsuki, 2019; Gens, 2020; Plua et al., 2019; Meier and Backers, 2020)에 기술되어 있으며, 주요 결과들은 국제학술지인 International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences의 특별호에 게재되어 있다. 한국에서는 한국원자력연구원이 정식회원기관과 연구기관으로 참여하였으며, 한국지질자원연구원은 한국원자력연구원의 협력 연구기관으로 참여하였다. 한편, 서울대 민기복 교수 연구팀이 스웨덴 원자력규제기관인 SSM의 협력 연구기관으로 참여하였다.
5.1 Task A: Advective gas flow in low permeability sealing materials
점토질 기반암 층에 처분시스템이 위치할 경우, 고준위방사성폐기물의 방사성 붕괴열에 의한 지하수의 상변화로 인한 수증기와 처분용기를 비롯한 금속물질의 부식으로 수소를 비롯한 다른 기체 성분들이 발생할 수 있다. 기체 생성 속도가 점토의 공극 내에서 기체 확산 속도를 초과할 경우에는 기체 압력이 주변 매질의 기체 유입 압력(gas entry pressure)을 초과하기 전까지 불연속적인 기체상이 형성되고 축적되며, 초과 시점에서 기체의 이류(advective flow)가 발생할 수 있다. 이때 기체상 방사성 핵종이 이류를 통해 이동할 경우 처분장 주변 지질환경으로 급격히 확산될 위험이 있기 때문에(Lee et al., 2019), Task A에서는 투수성이 낮은 점토질 기반암 및 벤토나이트와 같은 공학적방벽에서 기체의 이류 발생 시점에 대한 과정을 보다 잘 이해하고자 하였다. 특히 벤토나이트 공학적방벽의 성능에 큰 영향을 미치는 기체의 유입, 흐름 및 이동 경로에 초점을 맞춰 연구가 진행되었다(Tamayo-Mas and Harrington, 2020). 이전의 연구들을 통해 기체의 이동은 공극수에 용해된 기체의 이류 및 확산, 점성-모세관(visco-capillary) 이상 유동, 매질 내 이동 경로의 팽창, 인장 절리 발생에 의한 경로 생성이 주요한 것으로 보고되었다(Marschall et al., 2005). Task A는 한국원자력연구원을 포함하여 8개의 연구 팀이 참여하여 선행연구에서 보고된 것을 기반으로 점토질 기반암에서의 기체 이동을 정량적으로 수행할 수 있는 수치모델을 개발하였다. Task는 총 네 단계로 나누어 연구가 진행되었으며, 마지막 단계는 선택적으로 수행되었다. 1단계에서는 기체이동 모사를 위한 해석코드 개발을 수행하였으며, 2단계에서는 개발된 코드를 통해 1차원 기체 이동 실험에 대한 모델링이 수행되었고, 3단계에서는 포화된 벤토나이트 내에서 구상류(spherical flow)에 대한 모사를 목표로 진행되었다. 마지막 단계는 선택적 과제로써 Callovo-Oxfordian 점토암을 대상으로 수행된 실험을 바탕으로 점토암 내에서의 기체이동에 대한 모사가 수행되었다. 1~4단계 검증대상 실내시험은 직경 59.59 mm, 길이 119.88 mm의 벤토나이트 샘플을 대상으로 하였으며, BGS(British Geological Survey)에서 1차원 기체 주입 시험(1~3단계)과 구상류 주입 시험(4단계)을 수행하였다(Fig. 14). 각 실험은 포화 과정 후 기체를 주입하였으며, 포화과정과 기체주입 과정에서 응력, 공극수압의 변화를 계측하였고, 수치해석 결과는 각 계측결과와 비교･검증을 완료함으로써 벤토나이트 내 기체 흐름을 모사하기 위한 수치해석 기법 개발을 수행하였다.
5.2 Task B: Induced slip of a fault in argillaceous rock
투수성이 낮은 암반에서 단층은 유체의 주요 이동 경로로 작용하며, 지진 또는 유체 주입으로 인한 단층 거동 발생 시 핵종의 이동 경로로 작용할 수 있으므로 단층 거동 모사 및 예측은 고준위방사성폐기물 처분 시스템의 장기 안정성 평가에 반드시 필요한 기술요소이다. Task B는 단층 활성화와 관련하여 암반의 수리적, 역학적 안정성 평가를 위한 HM 복합거동 수치해석 기법을 개발하는 데에 목표가 있다(Graupner et al., 2020). 해석 대상은 스위스 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층활성화(Fault Slip, FS) 현장실험으로서 각 연구팀은 독자적인 수치해석 코드를 개발하고 상호 검증한 후 현장실험 결과를 모델링하게 된다. FS 실험은 Mont Terri 지하연구시설의 점토층을 가로지르는 ‘Main Fault’에서 2015년 봄과 가을에 수행된 일련의 수리자극 실험으로, 주입실험에 사용된 장비는 유체주입 및 자료 수집을 위한 장비와 변위, 공극수압, 유량을 동시에 측정할 수 있는 다운홀 프루브(downhole probe)로 구성되어 있다. BFS2 보어홀 내의 Main Fault Core(FC)의 하부(심도 47.2 m), 내부(심도 44.65 m), 상부(심도 40.6 m 및 37.2 m)에서 총 네 차례의 주입시험이 수행되었으며(Fig. 15), 단계적으로 주입 압력을 일정 압력 조건으로 증가시킨 뒤 주입 유량과 압력의 변화, 주변 암반의 변위 등을 측정하였다.
Fig. 14.
View of the radial flow gas migration apparatus for Task A in DECOVALEX-2019 (Tamayo-Mas and Harrington, 2019)
Fig. 15.
Schematic view of the (a) Mont Terri Main Fault plane with the URL; (b) cross section of the Main Fault; (c) SIMFIP test equipment; (d) three-dimensional deformation unit (Guglielmi et al., 2017)
한국지질자원연구원을 포함하여 총 9개의 연구팀이 참여하였으며, 세 단계로 나누어 Task가 수행되었다. 1단계는 벤치마크 해석으로 개념적으로 설정된 한 개의 단층을 대상으로 하여 HM 복합거동을 모사할 수 있는 수치해석 기법의 개발과 비교･검증을 목표로 하였다. 단층의 변형 모사를 위하여 두 가지 수리간극 모델(FM1, FM2)을 가정하였으며, 각 수리간극 모델은 불투수성 절리의 미끄러짐과 투수성 절리의 미끄러짐을 모사하였다(Rutqvist et al., 2020). FM1 모델과 FM2 모델은 주입된 유량 및 미끄러짐 영역에 대한 해석 결과에서 서로 다른 양상을 보였으며, FM1 모델의 경우 미끄러짐 발생 시 변위와 주입유량이 갑자기 증가하는 현상을 잘 모사하는 것으로 나타났다. 2단계에서는 1단계 연구결과를 바탕으로 Mont Terri 지하연구시설의 Minor Fault에서 수행된 실험결과의 모사 및 비교･검증을 수행하였으며(Park et al., 2020), FM1 모델이 실험결과와 잘 일치하는 것으로 보고되었다. 마지막 3단계에서는 주입공 내의 다른 위치에서 수행된 유체주입실험으로 인해 유발된 단층 활성화와 투수계수 변화를 모사하고자 하였으며, 이를 위해 복수의 교차하는 절리들을 모사하는 과정이 추가되었고, 최종적으로 실험결과와의 비교･검증이 수행되었다.
5.3 Task C: Hydro-mechanical-chemical-biological processes during Groundwater Recovery in Crystalline Rock
지하 공간 내 처분장 건설은 주변 지질환경의 변화를 유발하며, 처분장 폐쇄 후에는 지질환경이 이전과 비교하여 어느 정도 회복될 것인지는 불확실하다. Task C는 일본 JAEA가 Mizunami 지하연구시설에서 수행된 GREET(Groundwater REcoversy Experiment in Tunnel) 프로젝트(Fig. 16)를 바탕으로 제안한 것으로 결정질 균열 암반에 위치한 연구용 갤러리 주변에서의 지질환경 회복 과정을 평가하기 위한 목적으로 수행되었다(Iwatsuki, 2019). GREET 프로젝트에서는 터널 굴착 전후 HMC 환경 변화에 대한 조사를 위해 굴착 전 환경에 대한 사전조사를 먼저 수행하고, 지질환경 회복 평가를 위한 현장 시험을 위해 지하 500 m에 길이 46.5 m, 폭 5 m, 높이 4.5 m의 폐쇄실험용 갱도(Closure Test Drift, CTD)를 굴착 후, 방수 플러그(water-tight plug)를 설치하여 갱도를 밀폐시킨 뒤, 6년 동안 유입된 지하수에 대한 계측을 수행하였다. 실험 과정에서 지하수의 수리적 그리고 화학적 변화는 화강암 내 절리 분포에 영향을 받는 것으로 나타났고, 갱도폐쇄 실험을 통해 무결암 암반 영역에서는 수압 변화가 크게 발생하지 않았지만 절리와 연결된 영역에서는 즉각적인 수압 변화가 나타났으며, 이를 통해 폐쇄 실험용 갱도 주변 암반이 높은 불균질성을 갖는 것으로 평가되었다. 절리 내 염소(Cl) 농도는 천부와 심부의 지하수가 섞이는 과정에서 변하는 것으로 나타났으며, 폐쇄 실험용 갱도 내의 지하수는 점진적으로 알칼리성으로 변화하는 것으로 확인되었다. GREET 현장시험을 통해 지하수의 화학적, 수리적 변화를 관측하여 해당 변화가 화강암 내 절리 분포에 영향을 받음을 확인함으로써 시간에 따른 HMC 복합거동 특성을 파악하였다.
Task C는 3개의 연구팀이 참여하여 굴착에 따른 수두 변화와 지하수 내 화학 성분의 변화를 수치해석 기법을 통해 모사하고자 하였다. 결정질 절리암반 모사를 위해 불연속 절리망을 활용한 등가연속체공극매질 모델(Equivalent Continuum Porous Medium, ECPM)을 적용하여 유체 흐름과 유동에 따른 화학적 변화 예측 해석기법을 단계적으로 개발하였다. Task는 총 세 단계로 구성되었으며, 1단계에서는 CTD 굴착에 따른 환경 변화 모델링, 2단계에서는 CTD 밀폐에 따른 환경 회복(recovery) 모델링, 마지막 단계에서는 CTD 폐쇄 후 장기(long-term) 환경 변화 모델링을 수행하였고, 갱도 굴착 및 폐쇄에 따른 수압과 지하수 내 화학성분 변화를 모사하는 데 초점을 맞추었다. 갱도 내 각 계측지점에서의 염소 농도 변화는 연구진들의 결과를 상호 비교･검증 결과 다소간 불일치함을 나타냈으며, 이를 통해 불균질한 절리 분포 시 실제 지하수 이동 통로 역할을 하는 절리들의 연결성 모사를 위한 연구가 필요한 것으로 나타났다. 또한, 지하수 내 화학 성분의 장기 이류 및 확산을 예측하기 위한 반응성 수송 모델링(reactive transport modeling) 기법의 적용성 평가에 대한 필요성을 보고하였다.
5.4 Task D: HM and THM interactions in bentonite engineered barriers
Task D는 벤토나이트 완충재에서의 HM 및 THM 복합거동 특성에 대한 연구를 목표로 하고 있으며, 특히 완충재가 포화 상태에 도달한 후 최종 상태에서 공학적방벽의 복합거동을 해석하고 예측할 수 있는 수치해석 기법 개발과 완충재의 성능 평가에 초점을 두고 있다(Gens, 2020). Task D는 스위스 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 EB(Engineered Barrier emplacement experiment) 현장실험과 스위스 GTS(Grimsel Test Site)에서 수행된 FEBEX(Full-scale Engineered Barriers EXperiment)현장실험에 기초하여 수행되었다(Fig. 17).
EB 현장실험에서 벤토나이트 완충재는 모형 처분용기를 지지하기 위한 벤토나이트 블록과 시험터널을 메우기 위한 벤토나이트 펠렛(pellet)으로 구성되었으며, 등온 조건에서 약 10.7년간 진행되었다. EB 실험 과정 기간 중 계측을 통해 두 완충재가 점진적으로 포화되는 것을 확인하였으며, 팽윤압으로 인해 시험구간에서의 응력이 변화되는 것이 관측되었다. 실험 종료 시 벤토나이트 완충재는 포화상태에 도달하였으며, 종료 후 시험구간을 해체하는 과정에서 벤토나이트 블록과 펠렛이 초기 건조밀도가 달랐음에도 불구하고 종료 시점에서는 건조밀도가 유사하게 나타나 거의 균질화(homogenization) 되었음을 확인하였다. FEBEX 현장실험에서 완충재는 벤토나이트 블록으로만 구성되었으며, 주변 암석으로부터 자연적인 수화 과정이 이루어지도록 하였고 비등온(non-isothermal) 조건에서 실험이 수행되었다. 약 5년 동안 히터를 가열한 이후 첫 번째 히터가 위치한 시험구간을 해체했고, 약 18.5년 동안의 시험을 수행한 이후 시험 구간 전체를 최종적으로 해체하였다. 실험 초기 히터 근처의 벤토나이트는 히터의 열로 인하여 건조되었고, 열로 인한 상 변화로 생성된 증기의 이동은 상대 습도의 국부적 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 실험이 지속됨에 따라 완충재는 암반과 접해있는 지점부터 점진적으로 포화되었으며 그로 인해 팽윤압이 발생하여 시험구간에서의 응력변화가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 5년 동안 가열 후 1차 해체에서 벤토나이트 완충재는 암반에서 가까운 부분을 제외하고는 포화 상태에 도달하지 않았으며, 건조 밀도의 경우 히터 근처에서는 증가하였고 암반과 인접한 곳에서는 감소하는 것으로 관측되었다. 실험 종료 후 최종 해체 시에는 벤토나이트 완충재는 대부분 포화 상태에 도달하였으나 건조밀도 분포는 불균질하였으며 1차 해체 과정과 비교하여 크게 변화하지 않은 것으로 나타났다.
수치해석 기법 개발을 위해 한국원자력연구원을 포함하여 4개의 연구 팀이 참여하였으며, 각 팀 별로 해석코드를 활용하여 2차원 혹은 3차원 해석이 수행되었다. Task를 통해서는 TH 및 THM 복합거동을 모사할 수 있는 해석기법 개발을 목표로 하였으며, 이를 위해 유체/기체 이동 방정식, 열 평형 방정식, 기체 평형 방정식 등이 팀 별로 개발 과정에 따라 해석코드 내에 적용되었다. EB 현장실험 모사의 경우 상대습도의 점진적 증가, 팽윤압 형성 등은 모든 팀에서 비교적 잘 모사되는 것으로 나타났으나, 실험을 통해 관측된 벤토나이트 블록과 입자 형태의 벤토나이트 뒷채움재(granular bentonite backfill) 간의 균질화(homogenization) 현상은 수치해석 과정에서 잘 모사되지 않는 것으로 나타났다. FEBEX 실험에 대한 모사 과정에서 관측된 수화과정 및 건조밀도의 변화는 일부 모델을 통해 잘 모사되는 것으로 나타났다. 최종적으로 EB현장시험에서 수치해석적으로 관찰되지 않은 균질화 과정을 현실적 모사를 위해서는 벤토나이트 펠렛(pellet)의 역학적 거동을 잘 모사할 수 있는 새로운 모델 적용이 필요한 것으로 보고되었다. FEBEX 시험에서는 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 비교적 잘 재현되는 것으로 나타났으나 실험에 사용된 두 개의 히터 간 파워 차이는 잘 모사되지 않은 것으로 나타났으며 보다 현실적 모사를 위해서는 설치공정과 주변 암반의 불균질한 특성에 대한 정확한 모사가 필요할 것으로 보고하였다. 또한 사용된 벤토나이트 블록에 대한 THM 복합거동 모사를 위해서는 BBM(Barcelona Basic Model)과 같은 개선된 구성모델이 필요함을 확인하였다.
5.5 Task E: Upscaling of heater test modeling results
Task E의 목표는 수 미터의 작은 규모 모델부터 단계적으로 해석 모델의 규모를 키워 최종적으로는 수 킬로미터에 이르는 실규모 처분장을 모사함으로써 처분장에서의 THM 복합거동을 효과적으로 모사하는 데 주안점을 두었다(Plua et al., 2019). 이를 위해 프랑스의 ANDRA(French National Radioactive Waste Management Agency)가 Meuse/Haute-Marne 지하처분시설에서 Callovo-Oxfordian 점토암(COx)을 대상으로 수행한 각기 다른 규모의 현장 히터실험을 활용하였다. Task E에서는 5개의 연구팀이 참여하여 1) 모델 검증, 2) 소규모(small-scale) 현장 히터시험(TED experiment) 모델링, 3) 실규모(full-scale) 현장 히터시험(ALC experiment)에 대한 블라인드 예측, 4) 실제(real-scale) 심지층 처분장 모델링까지 총 4단계에 걸쳐 연구를 수행하였다(Fig. 18). 특히, 히터 실험 해석과정에서는 시간에 따른 온도, 수압 등의 변화를 현장시험결과와 비교･검증을 통해 THM 복합거동 전반에 걸쳐 수치해석 기법의 정확성을 높이는데 주안점을 두었다.
첫 번째 단계에서는 점토암에 대한 THM 입력변수의 기준(reference) 값 설정을 위한 작업이 수행되었으며, 이때 설정된 기준 값은 2단계 해석에서 블라인드 테스트 및 결과 분석 시 활용되었다. 연구팀들이 활용한 THM 모델은 각 히터시험 모사에 적합한 것으로 나타났으며, 타당한 THM 모델 구성을 위해서는 경계조건 및 투수계수 이방성을 적절히 반영하는 것이 필수적임을 보고하였다. 3단계 블라인드 예측 과정에서는 히터공 주변의 굴착손상영역 내 특성 변화에 대한 모사에 초점을 두었으며, 굴착손상영역 내에서의 수리 특성 변화를 잘 모사하기 위해서는 투수계수와 탄성계수의 적절한 설정이 반드시 필요하다고 언급하였다. 마지막 단계에서는 심도 580 m의 지하 암반에 10.2 m 직경의 두 개의 진입 갱도를 중심으로 0.8 m 직경의 112개 처분 터널로 구성된 처분장을 가정하여 실규모 처분장에 대한 수치해석을 수행하였는데, 마지막 단계에서는 각 연구팀 별로 모델 및 변수 설정에 제한을 두지 않아 공극수압 및 응력 변화 결과가 팀별로 다소간 차이를 보이는 것으로 나타났다. 또한 해석결과를 토대로 처분장의 THM 해석 수행 시 온도(T), 공극수압(H), 유효응력(M) 각 분야 계산을 위해 필요한 입력변수의 중요도를 조사하였다. 열전도도, 열팽창계수, 밀도, 포아송비, Biot 상수, 투수계수, 공극률, 탄성계수 등을 대상으로 하였으며, 온도 해석에서는 열전도도, 공극수압 해석에서는 투수계수, 유효응력 계산에서는 탄성계수가 가장 중요한 입력변수로 평가되었다.
5.6 Task F: Fluid inclusion and movement in tight rock
유체포유물(fluid inclusion)은 광물의 입자 생성 시 주위에 존재하는 유체나 광물 혹은 유기물 입자간 반응으로 인해 생성된 유체가 주변의 온도 및 압력에 따라 기체 혹은 액체 상으로 암석의 결정질 구조 또는 입자 경계에서 발견되는 것을 의미하며, 모든 종류의 퇴적암 결정질 구조 또는 입자 경계에서 발견된다. 유체포유물은 마이크로미터 단위로 존재하기 때문에 미시적 접근 방법을 통해서만 관측할 수 있고(Fig. 19), 일반적으로 암석 내에서 적은 양으로 분산되어 존재하게 된다. 이러한 유체포유물은 암석 내에서 주변 정수압(hydrostatic pressure)보다 훨씬 높은 압력 하에서 존재하며, 입자구조가 치밀하여 매우 낮은 투수계수를 갖는 암석의 경우 이동이 거의 불가능하다. 그러나 천공, 굴착 혹은 수리자극으로 인한 인장절리 생성과 같은 유체의 이동경로 발생으로 인해 유체 이동이 발생하게 되면 결정 구조들 사이에 미세 균열이 발생하게 된다. 장기적인 관점에서의 처분시스템 성능 평가를 위해서는 이러한 미세 균열과 유체 이동을 통해 발생하는 유체포유물의 분포와 양, 상호연결성 등을 특성화 할 필요가 있다. 그러나 이와 같은 유체포유물의 이동 특성은 미시적 단위에서 발생하므로 아직까지 정량화가 어렵고, 거시적 수준으로 확장하는 과정이 필요하다. 따라서 Task F에서는 비교･검증을 위한 명확한 실험 대상을 규정하지 않고, 유체포유물 특성화를 위한 개념 설정, 수학적 모델 구성과 이를 기반으로 하는 수치해석 기법 개발을 목표로 하였다. Task F는 3개의 연구팀이 참여하여 총 세 단계로 나누어 진행하였으며, 1단계에서는 문헌 연구를 통한 미시적 스케일에서의 유체포유물 이동에 대한 개념 설정 연구가 수행되었다. 2단계에서는 미시적 스케일에서 거시적 스케일로의 확장 연구와 수학 모델 구성 연구가 수행되었고, 최종 단계에서는 수치모델 개발과 미시적 관측 결과와의 비교･검증 연구가 수행되었다.
Fig. 19.
Experimental observation of fluid inclusion migration after 156-hour run at 202°C (Roedder, 1984)
5.7 Task G: EDZ Evolution - Reliability, feasibility, and significance of measurements of conductivity and transmissivity of the rock mass
Task G는 고준위방사성폐기물 처분 시스템이 위치한 결정질 균열 암반 내 절리의 투수량계수(transmissivity) 변화를 수치해석적으로 모사하기 위한 해석 기법 개발을 목표로 하였다(Meier and Backers, 2020). 개발된 해석코드의 검증을 위해 스웨덴 Äspö 지하처분연구시설 내 TAS04 터널에서 스웨덴 SKB에서 수행한 수리간섭시험(hydraulic interference test)의 계측 결과를 활용하여 비교･검증이 수행되었다. TAS04 터널(Fig. 20)은 세립질의 화강암, 섬록암 및 화강섬록암 암반을 대상으로 발파를 사용하여 굴착되었으며, 굴착손상영역의 범위 측정을 목표로 수리역학적 물성 측정을 위한 실험이 수행되었다. 실험에서는 1~2 m 길이의 42개의 드릴홀을 터널 바닥면에 천공하였고, 각 드릴홀은 유체주입공 또는 유체 주입 시 공극수압의 변화 계측을 위한 관측공으로 사용하였으며, 수리간섭실험을 통해 암반 및 절리의 투수량계수를 측정하였다. Task G는 서울대학교를 포함하여 3개의 연구팀이 참여하였으며, WP1과 WP2의 두 단계로 나누어 연구가 수행되었다. WP1에서는 수리역학적 해석코드 개발 및 비교･검증을 위하여 등방성 절리 암반으로 표현되는 TAS04 터널의 단면을 2차원으로 간략화하여 모델링하였다. WP2는 개발된 해석코드를 활용하여 TAS04 터널에서 수행된 수리간섭시험을 모사하고자 하였으며, 이를 위해 세 단계로 나누어 해석이 수행되었다. 첫 번째 단계에서는 일부 절리를 포함한 터널의 3차원 해석모델 구축, 두 번째 단계에서는 불연속 절리망 및 터널 주변 굴착손상영역을 포함한 보다 현실적인 3차원 해석모델 구축이 수행되었으며, 정상상태(Steady-state)에서의 수리역학적 거동을 확인하였다. 마지막 3단계에서는 앞서 구축한 3차원 해석모델을 바탕으로 실제 주입 자료를 활용하여 수리간섭시험에 대한 해석을 수행하였다.
6. 결 언
고준위방사성폐기물 처분장에서 예상되는 복합거동 특성을 이해하고 이를 예측하기 위해 다양한 분야의 전문가들이 모여 수치모델, 수치해석 코드, 그리고 컴퓨터 모델링 기법을 개발하고자 1992년부터 국제공동연구 DECOVALEX가 진행되고 있다. DECOVALEX에서는 세계 각국에서 수행된 현장 및 실험실 실험 데이터를 공유하고 다양한 관점과 방법으로 데이터 분석을 수행하면서 복합거동에 대한 이해도가 높아졌고, 이를 토대로 효과적으로 해석모델과 해석기법이 개발되었으며 개발된 연구 결과를 서로 비교･검증함으로써 개발된 성과물의 신뢰도를 향상시켜 왔다. 특히, 막대한 비용과 많은 시간을 필요로 하는 대규모 현장시험으로부터 얻게 되는 소중한 현장 데이터와 연구 개발 경험을 공유함으로써 복합거동에 대한 이해 수준을 극대화 할 수 있었으며, 개발된 해석기법의 검증을 수행할 때, 동일한 조건에서 국외의 전문가들과 blind test를 수행하기 때문에 투명한 검증이 가능하였다.
한국에서는 2008년부터 한국원자력연구원이 DECOVALEX에 정식회원기관과 연구기관으로 참여하고 있다. DECOVALEX-2011에는 협력 연구기관인 서울대학교와 함께 참여하였으며, DECOVALEX-2015에는 인하대학교와 함께, 그리고 DECOVALEX-2019에는 한국지질자원연구원과 함께 다양한 모델과 코드를 이용하여 참여하였다(Appendix C). DECOVALEX-2011에서는 Task B에 참여하여 한국원자력연구원이 결정질 암반에서의 스폴링 파괴에 대한 TM 수치모델과 해석기법을 개발하였고, 서울대학교에서는 Task B에서 암석의 Class II 파괴거동에 대한 수치모델과 해석기법을 개발하였다. DECOVALEX-2015에서는 Task B1에서 점토질 암반과 벤토나이트에서의 THM 모델과 수치해석 기법을 개발하였으며, 인하대학교는 Task B2에 참여하여 퇴적암과 벤토나이트 완충재에서의 THM 모델과 수치해석 기법을 개발하였다. 이후, DECOVALEX-2019에서는 한국원자력연구원이 Task A에서 완충재에서의 가스 이동과 Task D에서 점토질암반과 벤토나이트 완충재에서의 HM 복합거동 및 결정질 암반과 벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동과 상호작용에 대한 해석모델과 해석기법을 개발하고 검증하였으며, 한국지질자원연구원이 한국원자력연구원의 연구기관으로 Task B에 참여하여 점토질 암반에서의 단층 거동에 대한 해석모델을 개발하고 검증하였다. 서울대학교의 경우, 스웨덴 SSM으로부터 위탁과제를 받아 결정질 균열 암반 내 절리의 투수량계수 변화 예측 모델을 개발하였다.
한국 참여기관들이 DECOVALEX-2011부터 DECOVALEX-2019까지 7개의 과제를 수행하면서, 1) 상대적으로 단순한 M과 TM 해석 모델에서부터 복잡한 THM 복합거동 해석 모델로, 2) 단상유동(single phase)에서 이상유동(two phase)으로, 3) 자연방벽에서 공학적방벽을 포함한 처분시스템 전반에 대한 해석으로, 4) 다양한 암종과 완충재 물질에 대한 THM 복합모델 개발로, 5) 실험실 실험 및 소규모 현장시험에서부터 점차 실규모 현장시험에 대한 복합거동 해석으로 6) 계산의 효율 향상을 위한 병렬해석기법 개발로 단계적으로 발전이 이루어졌다. 지난 12년간 개발된 다양한 THM 해석모델을 기반으로 DECOVALEX-2019 Task E에서 수행된 것처럼 처분장 실규모에 대한 수치해석적 연구가 추가적으로 수행될 필요가 있을 것으로 보이며, 향후에는 THMC에 대한 해석모델 및 해석기법 개발과 검증이 필요할 것으로 판단된다.
