방사성 폐기물 지하처분장의 안정성 분석에 있어서 암반내 초기응력의 역할과 의미 Significance of In-Situ Stresses in Stability Analysis of Underground Nuclear Waste Disposal Repository원문보기
우리나라에는 현재 고리, 월성, 영광 등 11기의 원자력 발전소가 운영되면서 전체 전력생산량의 40% 이상을 담당하고 있으며, 2006년까지는 12기가 추가 건설되어 총 23기의 원자력 발전소가 운영되어 국내 총 전력생산량의 절반 이상을 담당하게 될 예정이다. 하지만 이러한 원자력 발전은 필연적으로 인체에 유해한 각종 방사성 폐기물을 생산하게 되므로 이에 대한 처분기술은 대단히 높은 안전율을 고려하여 확보되어야 한다. 한국 원자력연구소의 기초연구에 의하면 국내 실정상 지하 암반내 심층처분이 가장 유리한 시스템인 것으로 보고되고 있으며, 그 중에서도 심도 500 m 이상의 고심도 지하 암반내에 터널을 뚫고 터널 바닥면에 처분공을 일렬로 굴착하여 이 처분공 내에 canister로 밀봉된 방사성폐기물을 유기하는 KBS-3 처분 시스템을 제안하고 있다. 본 연구에서는 KBS-3 처분 시스템을 고려할 경우, 필연적으로 야기되는 고심도 지하에서의 초기응력성분이 처분 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석을 실시하였으며 이와 함께 제반 설계정수 중에서 초기응력값이 어떠한 비중을 차지하는지를 살펴보았다.
우리나라에는 현재 고리, 월성, 영광 등 11기의 원자력 발전소가 운영되면서 전체 전력생산량의 40% 이상을 담당하고 있으며, 2006년까지는 12기가 추가 건설되어 총 23기의 원자력 발전소가 운영되어 국내 총 전력생산량의 절반 이상을 담당하게 될 예정이다. 하지만 이러한 원자력 발전은 필연적으로 인체에 유해한 각종 방사성 폐기물을 생산하게 되므로 이에 대한 처분기술은 대단히 높은 안전율을 고려하여 확보되어야 한다. 한국 원자력연구소의 기초연구에 의하면 국내 실정상 지하 암반내 심층처분이 가장 유리한 시스템인 것으로 보고되고 있으며, 그 중에서도 심도 500 m 이상의 고심도 지하 암반내에 터널을 뚫고 터널 바닥면에 처분공을 일렬로 굴착하여 이 처분공 내에 canister로 밀봉된 방사성폐기물을 유기하는 KBS-3 처분 시스템을 제안하고 있다. 본 연구에서는 KBS-3 처분 시스템을 고려할 경우, 필연적으로 야기되는 고심도 지하에서의 초기응력성분이 처분 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석을 실시하였으며 이와 함께 제반 설계정수 중에서 초기응력값이 어떠한 비중을 차지하는지를 살펴보았다.
The 11 nuclear power plants have been taking charge of more than 40% of the total electrical power development in Korea. In addition to the existing nuclear power plants at Gori, Wolsung, Youngkwang, etc., the 12 nuclear power plants are expected to be newly established until 2006. So, the 23 nuclea...
The 11 nuclear power plants have been taking charge of more than 40% of the total electrical power development in Korea. In addition to the existing nuclear power plants at Gori, Wolsung, Youngkwang, etc., the 12 nuclear power plants are expected to be newly established until 2006. So, the 23 nuclear power plants will produce the electric power as much as more than 50% of the national gross production. However the nuclear power plants are inevitably generating the detrimental atomic wastes. Therefore the disposal techniques for the nuclear wastes should be ensured considering a very high safety factor. According to the basic researches in KAERI, the underground disposal repositories are reported to be most favorable for Korea. The KBS-3 disposal system has been strongly suggested by KAERI and this system has a deep tunnel with several disposal boreholes in tunnel floor. The nuclear wastes, which are sealed tightly in a canister, will be disposed in these boreholes. Considering the disposal tunnel in a great depth, the in-situ stress regimes will affect severely the tunnel stability. Consequently the effect of the in-situ stresses on the disposal tunnel and the role of the in-situ stresses in tunnel stability analysis are examined by the numerical studies.
The 11 nuclear power plants have been taking charge of more than 40% of the total electrical power development in Korea. In addition to the existing nuclear power plants at Gori, Wolsung, Youngkwang, etc., the 12 nuclear power plants are expected to be newly established until 2006. So, the 23 nuclear power plants will produce the electric power as much as more than 50% of the national gross production. However the nuclear power plants are inevitably generating the detrimental atomic wastes. Therefore the disposal techniques for the nuclear wastes should be ensured considering a very high safety factor. According to the basic researches in KAERI, the underground disposal repositories are reported to be most favorable for Korea. The KBS-3 disposal system has been strongly suggested by KAERI and this system has a deep tunnel with several disposal boreholes in tunnel floor. The nuclear wastes, which are sealed tightly in a canister, will be disposed in these boreholes. Considering the disposal tunnel in a great depth, the in-situ stress regimes will affect severely the tunnel stability. Consequently the effect of the in-situ stresses on the disposal tunnel and the role of the in-situ stresses in tunnel stability analysis are examined by the numerical studies.
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문제 정의
본 연구에서는 이와 같이 고심도 핵폐기물 지하처분장의 설계에서 더욱 중요성이 제기되고 있는 지반내 응력분포 특성을 통하여, 응력분포양상이 지하처분장의 거동특성에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴보고자 한다.
이 시험의 목적은 핵폐기물 처분 대상 부지에 대한지반 공학적 해석을 위함이었는데, 수직응력은 4.7 MPa 였고 최대수평주응력은 2.9 MPa로서 N15°E 방향으로, 최소수평주응력은 1.7 MPa로서 N75°W 방향으로 작용하는 것으로 조사된 바 있었다. 이 응력분포양상은 이 지역이 정단층의 지각조건에 놓여있음을 의미하는 것이었고, 인근 지역에서 발견되고 있는 N-S 방향의 정단층이 시험결과의 신뢰도를 향상시키고 있음을 알 수 있었다(Moo Y.
가설 설정
처분공은 터널 바닥을 따라 일정 간격으로 설치하며 처분공마다 각각 한 개의 캐니스터가 안치된다. Fig. 1은 처분장 유니트의 단면구조를 보여주는데(문현구 외 1994), 수치해석 모델에서는 이를 참조하여 처분공의 깊이는 7.5 m, 직경은 2 m이며 처분 공의 간격은 5 m로 설정하였으며, 이동 터널은 지표 하부 500 이에 위치하는 것으로 가정하였다. Fig.
모델의 상부면을 제외한 모든 경계면에 대해서 수평 또는 수직 방향의 변위를 구속하는 경계조건을 부여하였으며, 상부면에는 처분장 주변 암반의 응력상태를 얻기 위하여, 지표하부 500 이에 위치하는 터널을 가정하여, 이 심도에 해당하는 지증 무게를 수직하중으로 등 분포시켰다.
제안 방법
또한 측압계수를 1.5로 고정한 상태에서 지반 정수를 변화 시켜 보았는데, 앞서 언급한 바와 같이 지반 정수 중에서도 가장 그 영향이 큰 변형계수 부분을 각각 5배 및 10배로 증가시켜 이에 따른 처분장의 거동특성도 함께 살펴보았다.
수치해석에서는, 불연속면을 독립적으로 고려할 수 있으며 또한 최소수평주응력 및 최대수평주응력을 입체적으로 고려할 수 있는 3DEC을 해석 툴로 사용하였으며, 변형계수를 고정시킨 상태에서 측압계수를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 으로 변화시키는 경우와 측압계수를 1.5로 고정시킨 상태에서 변형계수를 1배, 5배, 10배로 변화시키면서 총 7가지에 대한 수치해석을 실시하였다.
수치해석은, 터널 및 처분공 굴착 이전 수치모델을 완전히 평형싱태에 도달하게 한 두L 측압계수를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0으로 변화시키면서 터널의 측벽 및 크라운, 그리고 터널바닥과 처분공 인접지점에 대한 변위 및 응력 상태의 변화 양상을 3차원적으로 분석하기 위해 3DEC 해석이 실시되었다(Itasca, 2003).
수평응력의 경우, 수압파쇄시험에 의한 국내 각 지역별 초기응력 양상으로부터 해당 심도에 대한 측정값이 수직 응력의 0.5배에서 1.0배 사이에 있는 것으로 보고되고 있고 오버코어링에 의한 측정값에서도 0.5배 내지 1.5배로 보고 되고 있으나(최성웅 외, 1999), 측압계수의영향을 뚜렷이 확인하기 위해 측압계수가 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0의 5가지 경우에 대해 살펴보았다.
우리나라 지반 조건에 가장 적합한 형태로 보고되고 있는 고심도 핵폐기물 지하처분장 건설과 관련하여 지표 하부 500 m 지점에 굴착한 이동로 터널과 그 하부에 굴착한 다수의 처분공을 가정하여 초기응력의 분포양상이 지하구조물에 미치는 영향을 살펴보았으며, 이와 함께 지반 물성치 중 지하구조물의 안정성 분석에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있는 변형계수를 변화 시 키면서 지하구조물의 거동양상을 수치 해석적으로 살펴보았다.
성능/효과
Fig. 3에서 보는 바와 같이 측압계수의 증가에 따라 변위 발생 양상이 뚜렷이 변하고 있음을 확인할 수 있으며, 특히 터널 측벽에서의 X 방향의 변위나 처분공 입구에서의 X 방향의 변위 발생양상보다는 터널 크라운 부 또는 처분공 입구부에서의 y 방향 변위발생 양상이 더 큼을 알 수 있다.
그 결과, 측압계수가 변함에 따라 터널의 측벽부, 크라운 부, 그리고 처분공 입구부에서의 변위발생 양상은, 터널 측벽에서의 X 방향이나 처분공 입구에서의 X 방향의 변위 발생보다는 터널 크라운부 또는 처분공 입구부에서의 y 방향 변위발생 양상이 더 큼을 알 수 있었으며, 응력의 분포양상도 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
결국은 채굴적의 형상과 함께 매우 중요하게 다루어져야 할 입력 자료요소로서 측압계수가 제시되었는데, KBS-3 처분 시스템(장근무 외, 1997)과 같이 심도 500 m 이상의 고심도에 위치하게 될 지하핵폐기물 처분장의 경우 지반내 초기응력의 분포양상은 더욱 세밀히 검토되어야 할 것이다.
따라서 고심도 핵폐기물 지하처분장의 안정적 설계를 위해서는 측압계수의 규명이 필수적으로 선행되어야 할 것이며, 수평응력이 수직응력보다 크게 나타날 경우 터널 크라운부 및 처분공 주변에서의 변위 발생 양상에 대한 면밀한 검토가 선행되어야 할 것이다.
참고문헌 (7)
Itasca Consulting Group Inc., 2003, 3DEC User's Guide
Moo Y. Lee, 2002, Hydraulic Fracturing in situ stress measurement in the Yucca Mountain, http://www.sandia. gov/eesector!gs/gm/project_hf.html
Sung O. Choi, Hee-Soon Shin, 2004, Thermo-mechanical studies on the rock mass behaviour around nuclear waste disposal repository, Proc. of 2004 ARMS
문현구, 주광수, 1994, 방사성 폐기물의 열하중에 의한 절리암반의 거동에 관한 수치해석적 연구, 터널과 지하공간, 한국암반공학회지, 제4권, 제2호, pp. 102-118
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