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문제 정의
- 본 연구에서는 현장 용질이동 실험을 위해 KURT 현장에 용질이동 실험 장치를 설계 및 설치하였으며 지하수 유동이 있는 단열을 확보하기 위하여 시험공 시추 및 단열 특성을 평가하였다. 또한 암반 단열을 통해 이동하는 핵종의 이동 및 지연 특성을 규명하기 위해서 선정된 단열을 대상으로 다양한 비수착성 또는 수착성 용질을 이용하여 현장 용질이동 실험을 수행하였다.
- 시료 주입부는 주입 시험공에 위치하며 추적자 및 지하수를 주입하고, 이때의 압력 및 유량 등을 일정하게 유지할 목적으로 설치하였다. 주입부는 추적자 및 지하수 저장 용기, 추적자 주입펌프, 압력 측정 센서, 패커 가스 분배 시스템 등으로 구성된다.
- 현장 용질이동 실험 수행을 목적으로 지하수 유동이 있는 단열로 연결된 시험공을 확보하기 위하여 KURT 우측 연구모듈과 막장부분에서 시추조사를 수행하였다[31]. 또한 시추공을 대상으로 단열분포 특성 등을 파악하여 향후 용질이동 실험을 위한 대상 단열 선정에 필요한 기초자료로 활용하고자 하였다. KURT 구조와 현장 용질이동 실험을 위한 시험공 시추 위치를 Fig.
- 수착실험을 통하여 얻은 루비듐과 니켈의 수착분배계수와 현장 용질이동 실험을 정성적으로 비교하여 수착성 용질의 이동 및 지연에 관한 특성을 규명하고자 하였다. 수착성 핵종들은 결정질암반 단열의 지하수 유동을 따라 이동하게 되는데 암반단열 충전광물과 핵종들의 수착반응은 이들의 이동 및 지연에 큰 영향을 준다.
가설 설정
- 투수량계수 및 수리전도도 산출은 지하수 흐름이 방사상 층류라고 가정하여 Moye의 공식을 사용하였다[33]. 수리시험 결과 YH 3-1 시험공의 깊이 9.
제안 방법
- 본 연구에서는 현장 용질이동 실험을 위해 KURT 현장에 용질이동 실험 장치를 설계 및 설치하였으며 지하수 유동이 있는 단열을 확보하기 위하여 시험공 시추 및 단열 특성을 평가하였다. 또한 암반 단열을 통해 이동하는 핵종의 이동 및 지연 특성을 규명하기 위해서 선정된 단열을 대상으로 다양한 비수착성 또는 수착성 용질을 이용하여 현장 용질이동 실험을 수행하였다.
- KURT에 설치된 현장 용질이동 실험 장치는 지하수 흐름이 있는 암반 단열에서 용질의 이동 및 지연에 관한 현장 실험을 목적으로 비방사성 물질 추적자를 주입 및 회수하도록 하였으며, KURT의 진입터널 말단부에 위치하도록 설치하였다. 현장 용질이동 실험 장치는 주입부, 회수부 그리고, 자료처리부 등으로 구성하였으며 Fig.
- KURT에 설치된 현장 용질이동 실험 장치는 지하수 흐름이 있는 암반 단열에서 용질의 이동 및 지연에 관한 현장 실험을 목적으로 비방사성 물질 추적자를 주입 및 회수하도록 하였으며, KURT의 진입터널 말단부에 위치하도록 설치하였다. 현장 용질이동 실험 장치는 주입부, 회수부 그리고, 자료처리부 등으로 구성하였으며 Fig. 1에 장치구성을 도식화하여 나타내었다. 주입부는 주입 시험공의 수위를 모니터링하고, 추적자를 주입할 수 있도록 설계하였다.
- 1에 장치구성을 도식화하여 나타내었다. 주입부는 주입 시험공의 수위를 모니터링하고, 추적자를 주입할 수 있도록 설계하였다. 회수부는 주입한 추적자가 포함된 지하수를 일정 시간 동안 일정 유량으로 회수하며 분석용 시료 확보를 목적으로 회수펌프, 시료분취기 그리고, 분석기기 등으로 구성하였다.
- 주입부는 주입 시험공의 수위를 모니터링하고, 추적자를 주입할 수 있도록 설계하였다. 회수부는 주입한 추적자가 포함된 지하수를 일정 시간 동안 일정 유량으로 회수하며 분석용 시료 확보를 목적으로 회수펌프, 시료분취기 그리고, 분석기기 등으로 구성하였다. 또한 회수부에서는 암반 단열 유동 지하수의 물성을 실시간으로 측정하고 기록할 수 있도록 지하수의 산화/환원전위, pH, 용존산소, 전기전도도 그리고, 온도 등에 대한 측정 장비를 설치하였다.
- 회수부는 주입한 추적자가 포함된 지하수를 일정 시간 동안 일정 유량으로 회수하며 분석용 시료 확보를 목적으로 회수펌프, 시료분취기 그리고, 분석기기 등으로 구성하였다. 또한 회수부에서는 암반 단열 유동 지하수의 물성을 실시간으로 측정하고 기록할 수 있도록 지하수의 산화/환원전위, pH, 용존산소, 전기전도도 그리고, 온도 등에 대한 측정 장비를 설치하였다. 회수부에서 측정되는 자료를 수집하고 처리할 수 있도록 자료처리부를 구성하였다.
- 실시간으로 주입공 및 회수공의 수위를 측정하기 위하여 수위 측정 센서를 인식하고 데이터를 전송받을 수 있도록 하는 수위 측정센서 전용 상용 프로그램인 Win-Situ®5 Ver. 5.6.2.10을 설치하여 대상 시험공 지하수의 수위를 측정하고 기록할 수 있도록 하였다.
- 수위 측정 센서는 고압을 견딜 수 있으며, 내부식성과 내마모성을 갖는 스테인리스 스틸 재질로 제작한 별도의 케이싱에 장착하여 설치하였다. 추적자 주입 시험공에 설치하는 이중패커의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 패커 가스 분배 시스템을 제작하여 설치하였다. 주입공 및 회수공의 특정 심도 구간에서 추적자를 주입 및 회수하기 위하여 스테인리스 스틸 재질의 이중패커를 제작하여 사용하였다.
- 추적자 주입 시험공에 설치하는 이중패커의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 패커 가스 분배 시스템을 제작하여 설치하였다. 주입공 및 회수공의 특정 심도 구간에서 추적자를 주입 및 회수하기 위하여 스테인리스 스틸 재질의 이중패커를 제작하여 사용하였다.
- 회수부는 주입 시험공에서 주입한 추적자를 회수할 목적으로 설치하였으며, 회수된 시료를 일정 시간 간격으로 분취하고 지하수의 특성을 실시간으로 측정할 수 있도록 설계하였다. 시료 및 지하수 회수부는 회수 시험공에 위치하며 지하수 압력 측정 센서, 지하수 가스 제거 유닛, 지하수 모니터링 유닛, 회수펌프, 시료분취기, 시료분석기 등으로 구성하였다.
- 회수부는 주입 시험공에서 주입한 추적자를 회수할 목적으로 설치하였으며, 회수된 시료를 일정 시간 간격으로 분취하고 지하수의 특성을 실시간으로 측정할 수 있도록 설계하였다. 시료 및 지하수 회수부는 회수 시험공에 위치하며 지하수 압력 측정 센서, 지하수 가스 제거 유닛, 지하수 모니터링 유닛, 회수펌프, 시료분취기, 시료분석기 등으로 구성하였다. 회수부의 수위 측정 센서는 주입부와 동일한 성능과 사양의 센서를 사용하였다.
- 회수부의 수위 측정 센서는 주입부와 동일한 성능과 사양의 센서를 사용하였다. 암반 단열 유동 지하수에 존재할 수 있는 가스를 제거하기 위하여 가스 제거 유닛을 설치하였다. 회수부에서 추출되는 암반 단열 유동 지하수의 물성에 대한 실시간 모니터링을 목적으로 pH(9107BNMD, Thermo Scientific Inc.
- 암반 단열 유동 지하수에 존재할 수 있는 가스를 제거하기 위하여 가스 제거 유닛을 설치하였다. 회수부에서 추출되는 암반 단열 유동 지하수의 물성에 대한 실시간 모니터링을 목적으로 pH(9107BNMD, Thermo Scientific Inc.), 산화환원전위 (9678BN, Thermo Scientific Inc.), 용존산소(083010MD, Thermo Scientific Inc.), 전기전도도(013005MD, Thermo Scientific Inc.), 온도, 유량(MP5W, Autonics Co.) 등을 측정하여 데이터 처리부에 전송할 수 있도록 하였다. 회수펌프(Gamma/L, Prominent Inc.
- ) 등을 측정하여 데이터 처리부에 전송할 수 있도록 하였다. 회수펌프(Gamma/L, Prominent Inc.)를 이용하여 추출된 지하수 및 추적자를 일정 간격으로 분취하기 위하여 시간별 또는 용량별로 시료를 모을 수 있는 시료분취기(Foxy 200, ISCO Inc.)를 회수펌프에 연결되도록 설치하였다. 형광물질을 추적자로 사용하는 경우, 회수된 시료의 농도를 측정하기 위하여 자외선-가시광선 분광광도계(DR 4000, Hach Inc.
- 자료처리부에는 회수부에서 실시간으로 측정되는 지하수 물성 및 시료분석기를 통하여 취득한 추적자의 농도 등을 기록하기 위하여 컴퓨터를 설치하였으며, 회수부에서 측정되는 자료를 실시간으로 저장하고 관리자가 확인할 수 있도록 자체 제작한 전용 프로그램인 KAERI-IMS, Ver. 1.0을 구동시키도록 구성하였다(Fig. 3). 아울러 원격제어프로그램(RADMIN Ver.
- 3). 아울러 원격제어프로그램(RADMIN Ver. 3.2, m2m soft Co.)를 설치하여 사무실에서 인터넷을 통하여 시스템에 대한 원격제어가 가능하도록 고안하였다. 실시간으로 주입공 및 회수공의 수위를 측정하기 위하여 수위 측정 센서를 인식하고 데이터를 전송받을 수 있도록 하는 수위 측정센서 전용 상용 프로그램인 Win-Situ®5 Ver.
- 현장 용질이동 실험 수행을 목적으로 지하수 유동이 있는 단열로 연결된 시험공을 확보하기 위하여 KURT 우측 연구모듈과 막장부분에서 시추조사를 수행하였다[31]. 또한 시추공을 대상으로 단열분포 특성 등을 파악하여 향후 용질이동 실험을 위한 대상 단열 선정에 필요한 기초자료로 활용하고자 하였다.
- KURT 현장 용질이동 실험을 위하여 실험에 적절한 지하수 유동이 예측된 지역에 총 5개의 시험공을 총 2회에 걸쳐 76 mm 규격으로 시추하였으며 지하수 유동 가능성을 확인하기 위하여 시추과정에 수압시험을 병행하였다. 채취된 암석 코어는 육안 관찰에 의하여 암석 내 분포된 불연속면과 충전물 등을 파악하고, 절리의 분포상태를 분석하기 위하여 코어의 회수율을 나타내는 TCR (Total Core Recovery)과 암석의 단열 분포 정도를 나타내는 RQD (Rock Core Designation) 등의 암반 특성을 평가할 수 있는 자료를 조사하여 기재하였으며 이를 Table 3에 나타내었다.
- KURT 현장 용질이동 실험을 위하여 실험에 적절한 지하수 유동이 예측된 지역에 총 5개의 시험공을 총 2회에 걸쳐 76 mm 규격으로 시추하였으며 지하수 유동 가능성을 확인하기 위하여 시추과정에 수압시험을 병행하였다. 채취된 암석 코어는 육안 관찰에 의하여 암석 내 분포된 불연속면과 충전물 등을 파악하고, 절리의 분포상태를 분석하기 위하여 코어의 회수율을 나타내는 TCR (Total Core Recovery)과 암석의 단열 분포 정도를 나타내는 RQD (Rock Core Designation) 등의 암반 특성을 평가할 수 있는 자료를 조사하여 기재하였으며 이를 Table 3에 나타내었다. 조사 결과에 의하면 TCR이 100으로 암석 코어가 100% 회수되었으며, RQD는 50-100로 암석 상태는 대체적으로 양호한 것으로 판단되었다[32].
- 2차 시추는 KURT 진입터널 말단부에 3개의 공을 8∼11 m의 깊이로 시추하였으며, 이 때 병행한 수압시험에서 지하수의 유동을 확인하였다.
- 기반암의 불연속면 특성 즉, 방향성, 절리상태 그리고, 충전상태 등을 파악하기 위하여 지하수 유동이 확인된 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2 시추공에 대하여 시추공 영상촬영을 실시하였다. BIPS (Borehole Image Processing System)을 이용한 시추공 영상촬영은 영국 RG사의 RGVideologger2, Optical Televiewer를 이용하였다.
- 시추공 영상촬영 결과를 바탕으로 YH 3, YH 3-1, YH 3-2 시추공들의 단열 연관성 분석을 수행하였다. YH 3 시추공은 단열이 많이 발달되어 있지 않아 다른 두 시추공과의 연관성이 없는 것으로 확인되었다.
- 패커시험 결과와 수압시험 결과를 바탕으로 YH 3-1의 9.32 m 단열과 YH 3-2의 9.86 m 및 10.08 m 단열과의 연결성 확인 및 수리특성을 측정하기 위하여 YH 3-1 시추공의 9.0∼9.8 m 구간과 YH 3-2 시추공의 9.6∼10.2 m 구간에 대한 패커시험을 수행하였다.
- 수압시험은 YH 3-1 시추공을 시험공으로 하여 9.06∼9.60 m 구간에서 인위적으로 수압을 가하여 수위변화를 유발시킬 때 YH 3-2 시추공의 7.89∼10.63 m 구간에서의 수위변화와 유량을 측정하는 방법으로 수행하였다.
- 51 m 깊이의 단열에서 지하수 유동을 확인할 수 없었다. 따라서 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2시추공에서 지하수 유동이 있는 현장 실험에 적합한 상호 연관성이 있는 단열을 찾기 위하여 패커시험을 수행하였다. 패커시험은 YH 3-2 시추공을 시험공으로 설정하고 YH 3 및 YH 3-1 시추공을 각각 관측공으로 하여 양수시험으로 수행하였다.
- 따라서 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2시추공에서 지하수 유동이 있는 현장 실험에 적합한 상호 연관성이 있는 단열을 찾기 위하여 패커시험을 수행하였다. 패커시험은 YH 3-2 시추공을 시험공으로 설정하고 YH 3 및 YH 3-1 시추공을 각각 관측공으로 하여 양수시험으로 수행하였다. YH 3-2 시추공에 대한 조사를 완료한 후, YH 3-1 시추공을 시험공으로 설정하고 YH 3 및 YH3-2 시추공을 관측공으로 하여 패커시험을 수행하였다.
- 패커시험은 YH 3-2 시추공을 시험공으로 설정하고 YH 3 및 YH 3-1 시추공을 각각 관측공으로 하여 양수시험으로 수행하였다. YH 3-2 시추공에 대한 조사를 완료한 후, YH 3-1 시추공을 시험공으로 설정하고 YH 3 및 YH3-2 시추공을 관측공으로 하여 패커시험을 수행하였다. 패커시험 절차를 Fig.
- 1,300∼1,500 mL/min의 유량으로 YH 3-2 시추공에서 지하수를 회수하며 일정 시간 간격으로 시료를 채취하였다.
- 단열 연결성 시험 결과를 바탕으로 YH 3-1 시추공 9.32 m 깊이의 단열과 YH 3-2 시추공의 9.86 및 10.08 m 깊이의 단열을 용질이동 실험 구간으로 선정하여 이중패커를 설치하였다. YH 3-1을 주입공으로 하고 YH 3-2를 회수공으로 하여 염료 및 음이온 등의 비수착성 용질과 수착성 용질을 추적자로 이용한 현장 용질이동 실험을 수행하였다.
- 08 m 깊이의 단열을 용질이동 실험 구간으로 선정하여 이중패커를 설치하였다. YH 3-1을 주입공으로 하고 YH 3-2를 회수공으로 하여 염료 및 음이온 등의 비수착성 용질과 수착성 용질을 추적자로 이용한 현장 용질이동 실험을 수행하였다. 주입공에서 20 mL/min의 유량으로 시험기간 동안 지하수를 주입하였고, 추적자 주입은 3중 밸브를 이용하여 일정시간동안 주입하였다.
- 1,300∼1,500 mL/min의 유량으로 YH 3-2 시추공에서 지하수를 회수하며 일정 시간 간격으로 시료를 채취하였다. 여러 유량 조건으로 용질을 회수하였을 때, 회수가 가장 용이한 유량을 회수 유량으로 선정하였다. 자세한 현장 실험조건 및 방법에 대하여 Table 6에 나타내었다.
- 자세한 현장 실험조건 및 방법에 대하여 Table 6에 나타내었다. 회수된 에오신과 플루오레신의 분석은 UV-vis 분광기(DR-4000, Hach)를 이용하였으며, 브롬 분석은 이온전극(9635BNWP, Orion)을 이용하였다. 수착성 용질 분석은 ICP-MS(Ultramass 700, Varian)를 이용하였다.
- 회수된 에오신과 플루오레신의 분석은 UV-vis 분광기(DR-4000, Hach)를 이용하였으며, 브롬 분석은 이온전극(9635BNWP, Orion)을 이용하였다. 수착성 용질 분석은 ICP-MS(Ultramass 700, Varian)를 이용하였다.
- 6×10-4로 나타났으며, 24 시간 동안 총 회수율은 약 10%로 확인되었다. 플루오레신의 주입 및 회수시험은 초기 플루오레신 농도를 2,000 ppm으로 하여 20 mL/min의 유량으로 약 30 분간 주입하고, 1,300 mL/min의 유량으로 회수할 때 유출 농도비 및 총 회수율을 측정하였다. 초기농도에 대한 유출농도비(C/C0)의 최고값은 에오신과 유사하게 추적자 주입 후 약 1.
- +1가 핵종으로 루비듐, +2가 핵종으로 니켈, 그리고, +3, +4가 핵종들로 사마륨과 지르코늄을 각각 사용하였다. 각각의 추적자를 2,000 ppm의 초기농도로 혼합용액의 형태로 조제하여 20 mL/min의 유량으로 30 분간 주입하였으며, 1,500 mL/min의 유량으로 회수하였다. 회수공에서 수착성 용질은 루비듐을 제외하고 검출되지 않았다.
- 화강암반 단열을 통한 핵종의 이동 및 지연 특성 평가를 위하여 현장 용질이동 실험을 KURT에서 수행하였다. 현장 용질이동 실험을 위해 KURT에 실험 장치를 설계하여 설치하였으며, 용질이동 실험 수행을 위한 지하수 유동이 있는 단열을 확보하기 위하여 시험공을 시추하고, 시험공 단열 특성을 분석하였다.
- 화강암반 단열을 통한 핵종의 이동 및 지연 특성 평가를 위하여 현장 용질이동 실험을 KURT에서 수행하였다. 현장 용질이동 실험을 위해 KURT에 실험 장치를 설계하여 설치하였으며, 용질이동 실험 수행을 위한 지하수 유동이 있는 단열을 확보하기 위하여 시험공을 시추하고, 시험공 단열 특성을 분석하였다. KURT 현장에 구축된 용질이동 실험 장치는 주입부, 회수부, 자료처리부 등으로 구성되었다.
- KURT 현장에 구축된 용질이동 실험 장치는 주입부, 회수부, 자료처리부 등으로 구성되었다. 지하수 유동이 있는 단열로 연결된 시험공을 확보하기 위하여 KURT 우측모듈 2공 및 진입터널 말단부에 3공 등 총 5공의 시험공을 시추하였으며, 수압시험과 시추공 영상촬영 등을 통하여 시추공의 단열특성을 분석하였다. 수압시험 결과 진입터널 말단부 지역 시추공들인 YH 3, YH 3-1, YH 3-2 등에서 지하수 유동을 확인할 수 있었다.
- 08 m 깊이에 분포하는 단열을 실험 대상 구간으로 선정하였다. 플루오레신, 에오신, 브롬화합물 등의 비수착성 용질과 루비듐, 니켈, 사마륨, 지르코늄 등의 수착성 용질을 모의 핵종으로 이용하여 현장 용질이동 실험을 수행 하였다. 비수착성 용질들은 암반 단열과 반응이 거의 없기 때문에 추적자 주입 후 2 시간 이내에 유출이 확인되었다.
- 추적자 및 지하수 주입 시 암반 단열 유동 지하수의 수위 변화 측정을 위하여 추적자 주입 시험공에 실시간 측정이 가능한 수위 측정 센서(LevelTroll 300, In-Situ Inc.)를 설치하였으며, 측정 자료는 전용 프로그램(Win-Situ®5 Ver. 5.6.2.10, In-Situ Inc.)을 이용하여 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 그러나 현재까지 수행된 실험실 규모의 연구로는 심지층 처분 환경과 동일 또는 유사한 조건에서 핵종거동에 대한 정보를 얻기가 어렵다. 실내실험의 한계를 극복하고 한국형 고준위폐기물 처분시스템의 현장 실증 및 다양한 처분기술의 확보를 위해 지난 2006년 11월 한국원자력 연구원 부지 내에 소규모 지하연구시설인 KURT (KAERI Underground Research Tunnel)를 건설하였다[27, 28]. 2003년부터 건설계획 및 설계를 시작하여 2004년에 시설의 설계와 관련 인허가 작업을 완료하였으며, 2005년 1단계 건설공사가 착수되어 2006년 후반부터 실험 장비를 설치하였다.
- 또한 회수부에서는 암반 단열 유동 지하수의 물성을 실시간으로 측정하고 기록할 수 있도록 지하수의 산화/환원전위, pH, 용존산소, 전기전도도 그리고, 온도 등에 대한 측정 장비를 설치하였다. 회수부에서 측정되는 자료를 수집하고 처리할 수 있도록 자료처리부를 구성하였다. 현장 실험 장치의 각 구성부 사양을 Table 2에 정리하였다.
- 주입부는 추적자 및 지하수 저장 용기, 추적자 주입펌프, 압력 측정 센서, 패커 가스 분배 시스템 등으로 구성된다. 추적자 및 지하수 저장용기는 내부식성의 플라스틱 재질을 사용하였다. 추적자 주입펌프는 암반 단열을 따라 흐르는 지하수의 수위 즉, 수두를 최대 50 psi까지 견딜 수 있는 무맥동 정량 주입펌프(M930, 영린기기)를 사용하였다.
- 추적자 및 지하수 저장용기는 내부식성의 플라스틱 재질을 사용하였다. 추적자 주입펌프는 암반 단열을 따라 흐르는 지하수의 수위 즉, 수두를 최대 50 psi까지 견딜 수 있는 무맥동 정량 주입펌프(M930, 영린기기)를 사용하였다. 추적자 및 지하수 주입 시 암반 단열 유동 지하수의 수위 변화 측정을 위하여 추적자 주입 시험공에 실시간 측정이 가능한 수위 측정 센서(LevelTroll 300, In-Situ Inc.
- 시료 및 지하수 회수부는 회수 시험공에 위치하며 지하수 압력 측정 센서, 지하수 가스 제거 유닛, 지하수 모니터링 유닛, 회수펌프, 시료분취기, 시료분석기 등으로 구성하였다. 회수부의 수위 측정 센서는 주입부와 동일한 성능과 사양의 센서를 사용하였다. 암반 단열 유동 지하수에 존재할 수 있는 가스를 제거하기 위하여 가스 제거 유닛을 설치하였다.
- 2 m 구간에 대한 패커시험을 수행하였다. 패커시험 결과 YH 3-1 시험공의 깊이 9.32 m의 단열과 YH 3-2 시험공의 깊이 9.86, 10.08 m의 단열이 상호 연결된 것으로 확인되었으며, 이단열들을 현장 용질이동 실험에 대한 대상 단열로 선정하였다. Fig.
- 수착성 용질이동 실험을 위하여 산화수가 (+1)∼(+4)인 핵종들을 추적자로 사용하였다.
- 수착성 용질이동 실험을 위하여 산화수가 (+1)∼(+4)인 핵종들을 추적자로 사용하였다. +1가 핵종으로 루비듐, +2가 핵종으로 니켈, 그리고, +3, +4가 핵종들로 사마륨과 지르코늄을 각각 사용하였다. 각각의 추적자를 2,000 ppm의 초기농도로 혼합용액의 형태로 조제하여 20 mL/min의 유량으로 30 분간 주입하였으며, 1,500 mL/min의 유량으로 회수하였다.
- 현장 용질이동 실험을 위해 KURT에 실험 장치를 설계하여 설치하였으며, 용질이동 실험 수행을 위한 지하수 유동이 있는 단열을 확보하기 위하여 시험공을 시추하고, 시험공 단열 특성을 분석하였다. KURT 현장에 구축된 용질이동 실험 장치는 주입부, 회수부, 자료처리부 등으로 구성되었다. 지하수 유동이 있는 단열로 연결된 시험공을 확보하기 위하여 KURT 우측모듈 2공 및 진입터널 말단부에 3공 등 총 5공의 시험공을 시추하였으며, 수압시험과 시추공 영상촬영 등을 통하여 시추공의 단열특성을 분석하였다.
- 현장 실험의 대상 단열을 선정하기 위하여 상호 연관성이 높은 것으로 평가된 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2 시험공에 대하여 패커시험을 수행하였으며, YH 3-1 시추공의 9.32 m 깊이에 분포하는 단열과 YH 3-2 시추공의 9.86 및 10.08 m 깊이에 분포하는 단열을 실험 대상 구간으로 선정하였다. 플루오레신, 에오신, 브롬화합물 등의 비수착성 용질과 루비듐, 니켈, 사마륨, 지르코늄 등의 수착성 용질을 모의 핵종으로 이용하여 현장 용질이동 실험을 수행 하였다.
이론/모형
- 기반암의 불연속면 특성 즉, 방향성, 절리상태 그리고, 충전상태 등을 파악하기 위하여 지하수 유동이 확인된 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2 시추공에 대하여 시추공 영상촬영을 실시하였다. BIPS (Borehole Image Processing System)을 이용한 시추공 영상촬영은 영국 RG사의 RGVideologger2, Optical Televiewer를 이용하였다.
성능/효과
- 한편 YH 3-1 시추공은 7.28, 7.80, 7.97, 그리고, 9.32 m 지점에서 간극 2∼3 mm의 파쇄절리가 관찰되었으며 단열 유동지하수 유량이 충분하여 현장 실험에 적합한 것으로 확인 되었다.
- 시추공 형상촬영 결과 YH 3 시추공은 4.96 m 지점에서 폭이 2 mm 정도 되는 단열이 있으나 단열의 유동 지하수 유량이 20 mL/min 이하로 확인되어 현장 실험에 필요한 유량이 확보되지 않아 현장 실험에 적합하지 않았다. 한편 YH 3-1 시추공은 7.
- 32 m 지점에서 간극 2∼3 mm의 파쇄절리가 관찰되었으며 단열 유동지하수 유량이 충분하여 현장 실험에 적합한 것으로 확인 되었다. YH 3-2 시추공은 YH 3 또는 YH 3-1 시추공 보다 단열 형성이 잘 되어 있는 것으로 확인되었다. 특히 3.
- 시추공 영상촬영 결과를 바탕으로 YH 3, YH 3-1, YH 3-2 시추공들의 단열 연관성 분석을 수행하였다. YH 3 시추공은 단열이 많이 발달되어 있지 않아 다른 두 시추공과의 연관성이 없는 것으로 확인되었다. 반면에 YH 3-1와 YH 3-2 시추공의 깊이 단열이 상호 연관성이 높은 것으로 분석되었다.
- YH 3-2 시추공을 시험공으로 하여 수위 변화를 유발하였을 때, 3.28∼8.75 m의 시험구간에서 관측공인 YH 3, YH 3-1 시추공에서는 수위변화가 거의 관찰되지 않아 단열의 연관성이 거의 없는 것으로 확인되었다.
- 수압시험 결과 YH 3-1 시추공의 9.32 m의 단열과 YH 3-2 시추공의 9.51∼10.63 m 구간에 존재하는 단열들과의 연결성이 가장 좋은 것으로 확인되었다.
- 이를 통하여 YH 3-1 시추공의 8.60∼10.45 m 구간과 YH 3-2 시추공의 8.75∼10.57 m 구간에 존재하는 단열의 연관성이 높은 것으로 확인되었다.
- 시추공 영상촬영 분석결과 YH 3-1 시추공의 9.32 m 깊이에 존재하는 단열과 YH 3-2 시추공의 8.51 m 깊이에 존재하는 단열이 상호 연관성이 높을 것으로 추정되었으나, YH 3-2 시추공의 8.51 m 깊이의 단열에서 지하수 유동을 확인할 수 없었다. 따라서 YH 3, YH 3-1 그리고, YH 3-2시추공에서 지하수 유동이 있는 현장 실험에 적합한 상호 연관성이 있는 단열을 찾기 위하여 패커시험을 수행하였다.
- 수리시험 결과 YH 3-1 시험공의 깊이 9.0∼9.6 m 구간의 투수량계수는 1.46×10-5 m2/sec, 수리전도도는 1.17×10-5m/sec로 측정되었으며, YH 3-2 시험공의 깊이 9.6∼10.2 m 구간의 투수량계수는 4.9×10-6 m2/sec, 수리전도도는 2.7×10-6 m/sec로 확인되었다.
- 1,420 mL/min의 유량으로 회수하였을 때, 초기농도에 대한 유출농도비(C/C0)의 최고값은 추적자 주입 후 약 1.7 시간 뒤에 7.9×10-5로 나타났으며 약 8 일 동안 브롬의 누적 회수율은 45%로 확인되었다(Fig. 11).
- 초기농도에 대한 유출농도비(C/C0)의 최고값은 에오신과 유사하게 추적자 주입 후 약 1.8 시간 뒤에 4.8×10-4로 나타났으며, 하루 동안 총 회수율은 약 11%로 확인되었다(Fig. 10).
- 에오신을 초기 농도 1,100 ppm로 주입하고, 1,500 mL/min의 유량으로 회수하였을 때, Fig. 9에서 보여주듯이 초기농도에 대한 유출농도비(C/C0)의 최고값은 추적자 주입 후 약 1.7 시간 뒤에 4.6×10-4로 나타났으며, 24 시간 동안 총 회수율은 약 10%로 확인되었다.
- 비수착성 용질의 최고농도 유출시간이 1.7∼1.8 시간인데 비해 단열과의 반응성에 의해 루비듐의 유출속도가 약간 느린 것으로 나타났다.
- 4 ppb로 측정되었다. 루비듐과 니켈은 총 891 시간의 현장 용질이동 실험 후 총 회수율이 모두 1% 이하로 매우 적게 측정되었으며, 루비듐의 총 회수율이 니켈보다 약 2배정도 높게 나타났다. 이는 루비듐이 +1가의 산화수를 띠고 있기 때문에 +2가의 산화수를 띠는 니켈보다 단열충전 광물과의 반응성이 적어 니켈보다 비교적 빠르게 유출된 것으로 판단된다.
- 실험실 연구결과와 현장실험 결과의 비교를 통하여 단열 충전광물과 반응성이 높은 핵종들은 유출속도가 느리고 회수율이 낮게 나타나는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 암반단열을 구성하고 있는 광물들과 핵종들의 반응, 즉 수착반응이 핵종의 이동특성에 많은 영향을 주는 것임을 시사한다.
- 지하수 유동이 있는 단열로 연결된 시험공을 확보하기 위하여 KURT 우측모듈 2공 및 진입터널 말단부에 3공 등 총 5공의 시험공을 시추하였으며, 수압시험과 시추공 영상촬영 등을 통하여 시추공의 단열특성을 분석하였다. 수압시험 결과 진입터널 말단부 지역 시추공들인 YH 3, YH 3-1, YH 3-2 등에서 지하수 유동을 확인할 수 있었다.
- 채취된 암석 코어는 육안 관찰에 의하여 암석 내 분포된 불연속면과 충전물 등을 파악하고, 절리의 분포상태를 분석하기 위하여 코어의 회수율을 나타내는 TCR (Total Core Recovery)과 암석의 단열 분포 정도를 나타내는 RQD (Rock Core Designation) 등의 암반 특성을 평가할 수 있는 자료를 조사하여 기재하였으며 이를 Table 3에 나타내었다. 조사 결과에 의하면 TCR이 100으로 암석 코어가 100% 회수되었으며, RQD는 50-100로 암석 상태는 대체적으로 양호한 것으로 판단되었다[32]. 1차 시추는 KURT 우측 연구모듈에 노출된 단열을 기준으로 2개의 공을 17∼20 m의 깊이로 시추하였으나 시추와 병행한 수압시험에서 지하수 유동을 확인할 수 없었다.
후속연구
- 한편 수착성 용질은 반응성이 비교적 적은 루비듐의 경우 2 시간 후에 유출이 시작되었으며, 니켈, 사마륨, 지르코늄 등의 다가 수착성 핵종들은 유출이 거의 확인되지 않았다. 본 연구에서 수행한 KURT 현장 용질이동 실험의 조건은 심도가 낮고 지하수가 산화상태이므로 정확한 실증자료를 확보하기 위하여 향후에 지하수의 수위 변화가 적고 환원 상태의 지하수 이동이 있는 심도가 깊은 곳에서 현장 실험이 수행 되어져야 할 것이다. 현재 KURT는 확장 건설 중이며, 건설공사가 완료되면 향후 이를 보완한 실험을 추가적으로 수행할 예정이다.
- 본 연구에서 수행한 KURT 현장 용질이동 실험의 조건은 심도가 낮고 지하수가 산화상태이므로 정확한 실증자료를 확보하기 위하여 향후에 지하수의 수위 변화가 적고 환원 상태의 지하수 이동이 있는 심도가 깊은 곳에서 현장 실험이 수행 되어져야 할 것이다. 현재 KURT는 확장 건설 중이며, 건설공사가 완료되면 향후 이를 보완한 실험을 추가적으로 수행할 예정이다.
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