[논문]스위스 Grimsel Test Site에서 수행된 FEBEX 현장시험에 대한 수치해석적 연구

이창수; 이재원; 김건영

doi:10.7474/tus.2020.30.4.359

스위스 Grimsel Test Site에서 수행된 FEBEX 현장시험에 대한 수치해석적 연구
Numerical analysis of FEBEX at Grimsel Test Site in Switzerland 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.4, 2020년, pp.359 - 381

이창수 (한국원자력연구원) , 이재원 (한국원자력연구원) , 김건영 (한국원자력연구원)

초록
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벤토나이트 완충재에서의 열-수리-역학적 복합거동을 예측하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터를 기반으로 개발된 Barcelona basic 모델(BBM) 해석모듈의 현장 적용성을 검토하고자 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task D에 참여하여 스위스 Grimsel Test Site의 현장시험(full-scale engineered barriers experiment, FEBEX) 모델링을 수행하고 현장시험에서 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력, 포화도, 함수율 그리고 건조밀도를 계산 값과 비교하였다. 수치해석을 이용하여 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다. 상대습도 변화와 분포 역시 전반적으로 잘 모사되었으나, 수치해석에서 히터 부근에서의 재포화과정이 상대적으로 빠르게 진행된 것으로 보아 수리모델에 대한 일부 수정이 필요할 것으로 보인다. 현장시험에서는 벤토나이트 완충재와 암반 사이에 틈이 존재하지만 수치해석에서는 완벽하게 접촉하고 있는 것으로 가정하였기 때문에 운영 초기의 응력 변화는 다소 차이를 보였지만, 전반적으로 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 해체 이후 측정한 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포 역시 전반적으로 잘 재현되었지만, 건조밀도가 터널 중심과 히터부근에서 조금 크게 계산되어 벤토나이트 블록의 투수계수가 상대적으로 작은 값으로 반영되어 포화도와 함수율이 작게 계산된 것으로 보이며, 이를 개선하기 위해서는 건조밀도에 따른 투수계수 모델에 일부 수정이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 토대로 수치모델을 수정하고 추가적인 연구를 수행한다면, 보다 나은 해석 결과와 벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동을 좀 더 현실적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Within the framework of DECOVALEX-2019 Task D, full-scale engineered barriers experiment (FEBEX) at Grimsel Test Site was numerically simulated to investigate an applicability of implemented Barcelona basic model (BBM) into TOUGH2-MP/FLAC3D simulator, which was developed for the prediction of the coupled thermo-hydro-mechanical behavior of bentonite buffer. And the calculated heater power, temperature, relative humidity, total stress, saturation, water content and dry density were compared with in situ data monitored in the various sections. In general, the calculated heater power and temperature provided a fairly good agreement with experimental observations, however, the difference between power of heater #1 and that of heater #2 could not captured in the numerical analysis. It is necessary to consider lamprophyre with low thermal conductivity around heater #1 and non-simplified installation progresses of bentonite blocks in the tunnel for better modeling results. The evolutions and distributions of relative humidity were well reproduced, but hydraulic model needs to be modified because the re-saturation process was relatively fast near the heaters. In case of stress evolutions due to the thermal and hydraulic expansions, the computed stress was in good agreement with the data. But, the stress is slightly higher than the measured in situ data at the early stage of the operation, because gap between rock mass and bentonite blocks have not been considered in the numerical simulations. The calculated distribution of saturation, water content, and dry density along the radial distance showed good agreement with the observations after the first and final dismantling. The calculated dry density near the center of the FEBEX tunnel and heaters were overestimated compared with the observations. As a result, the saturation and water content were underestimated with the measurements. Therefore, numerical model of permeability is needed to modify for the production of better numerical results. It will be possible to produce the better analysis results and more realistically predict the coupled THM behavior in the bentonite blocks by performing the additional studies and modifying the numerical model based on the results of this study.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Geological disposal concepts for high-level radioactive waste
그림 Fig. 2. Mutual relationship between THM processes in a porous medium (CODE BRIGHT, 2004)
그림 Fig. 3. General layout of the FEBEX in situ test and selected sections for comparison of modelling results and measured temperature, relative humidity, and total stress (modified after Bárcena et al., 2003)
그림 Fig. 4. Location of sampling sections after dismantling operations and four selected sections, 15, 31, 43, and 56, for comparison of modelling results and measured data (modified after Villar et al., 2020)
그림 Fig. 5. TOUGH2-MP/FLAC3D coupling module algorithm
그림 Fig. 6. Numerical procedure of a linked TOUGH2-MP and FLAC3D simulation with explicit sequential solutions (modified after Rutqvist et al., 2002)
그림 Fig. 7. Hydraulic conductivity used in numerical model and hydraulic conductivity of trimmed and remoulded samples presented in the previous study (Villar, 2017)
그림 Fig. 8. Axisymmetric model for the numerical simulations of FEBEX (modified after Lee et al., 2020b)
표 Table 1. Modeling procedure for FEBEX
그림 Fig. 9. Location of the applied power and constant temperature at the heaters in the numerical simulations (Lee et al., 2020b)
표 Table 2. Input parameters
표 Table 3. BBM parameters of bentonite block
그림 Fig. 10. Evolutions of heater power of heaters #1 and #2
그림 Fig. 11. Evolutions and distributions of temperature at D1 and I sections
그림 Fig. 11. Evolutions and distributions of temperature at D1 and I sections (Continued)
그림 Fig. 12. Measured and calculated relative humidity
그림 Fig. 12. Measured and calculated relative humidity (Continued)
그림 Fig. 13. Scheme of the coupled thermo-hydro-mechanical and chemical (THMC) processes in the high-level radioactive waste disposal system (Lee et al., 2020c)
그림 Fig. 14. Measured and calculated total stress at B2 and E2
그림 Fig. 15. Typical cross section of the clay barrier (Gens, 2018a)
그림 Fig. 16. Saturation distributions after the first and second dismantling
그림 Fig. 17. Water content distributions after the first and second dismantling
그림 Fig. 18. Dry density distributions after the first and second dismantling

AI 본문요약
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문제 정의

The authors appreciate and thank the DECOVALEX-2019 Funding Organisations Andra, BGR/UFZ, CNSC, US DOE, ENSI, JAEA, IRSN, KAERI, NWMO, RWM, SÚRAO, SSM and Taipower for their financial and technical support of the work described in this paper.
다중방벽 개념의 처분장에서 완충재는 1)처분장 주변 암반에 존재하는 지하수가 처분장 내로 침투하여 처분용기와 접촉하는 것을 제한하고, 2)처분용기가 기능을 상실하여 침출된 방사성핵종들이 처분장 주변의 암반으로 유출되는 것을 지연시키며, 3)폐기물로부터 발생하는 붕괴열이 주변 암반으로 잘 발산되도록 하여 처분시스템의 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하고, 4)지진과 같은 외부 충격을 완화시켜 처분용기를 보호하도록 설계되기 때문에 심층처분장의 안전성을 확보하는데 매우 중요한 요소이다(Cho, 2017). 따라서 Task D에서는 벤토나이트 완충재 블록에서 예상되는 THM 복합거동 특성을 분석하고 이를 예측할 수 있는 수치모델과 해석기법을 개발하고자 하였으며, 한국원자력연구원, 체코 IGN(Institute of Geonics of Czech Academy of Sciences), 일본 JAEA(Japan Atomic Energy Agency), 그리고 대만 NCU(National Central University of Taiwan)가 참여하였다. 개발된 수치모델과 해석기법의 검증을 위해 Task D에서 선정한 FEBEX(Fig.
DECOVALEX-2019에서 수행된 Task D에서는 스위스의 결정질 암반에 위치한 GTS(Grimsel Test Site)에서 수행된 실규모 현장시험(Full-scale Engineered Barriers EXperiment, FEBEX)(ENRESA, 2000)에 대한 수치해석을 수행하고 각 기관별로 제안된 다양한 THM 모델과 수치해석 결과를 상호 비교․검증하고자 하였다. 본 연구에서는 DECOVALEX-2019 Task D에 대해 간단히 소개하고, 한국원자력연구원이 FEBEX 모델링을 위해 사용한 시뮬레이터와 THM 모델을 살펴보고 이를 이용하여 수행된 모델링 결과를 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터와 BBM을 이용하여 스위스 GTS에서 18년 이상 수행된 FEBEX 현장시험에 대한 수치해석을 수행하고 벤토나이트 완충재 블록에서의 THM 복합거동을 살펴보았다. 그리고 사용된 THM 모델의 적합성과 BBM의 현장 적용성을 살펴보기 위해 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력 데이터와 해체 이후 조사된 완충재 블록의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도 분포 데이터를 수치해석에서 계산된 값과 비교·분석하였다.
5년 동안 계측된 벤토나이트 블록에서의 온도 및 상대습도 그리고 벤토나이트 블록과 암반 경계부에서의 응력 데이터를 기반으로 검증을 하였다. 뿐만 아니라 두 번에 걸쳐 진행된 해체 작업에서 확보한 벤토나이트 블록의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도 데이터와 계산 값을 비교하여 사용된 THM 모델과 시뮬레이터를 다양한 방법으로 검증하고자 하였다. 특히, 벤토나이트 완충재의 THM 물성은 건조밀도에 따라 크게 다르기 때문에 벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동 특성을 잘 예측하기 위해서는 건조밀도 변화를 잘 예측해야 하므로, DECOVALEX-2019 Task D에서는 완충재의 건조밀도 변화 예측 모델과 기법을 개발하고 검증하는 것에 중점을 두었다.

가설 설정

(2009)와 Sánchez et al.(2012)에서 사용한 값과 동일하게 0.2MPa로 설정하고 나머지는 모두 0.1MPa로 가정하였다. 벤토나이트 블록의 초기 포화도는 0.
대규모 현장 히터시험에서는 히터와 많이 이격된 곳에서 전력을 공급하기 때문에 열손실이 발생할 수밖에 없으며, 스위스 Mont Terri URL의 HE-D 현장시험과 벨기에 HADES URL의 ATLAS 현장시험에서 추정된 열손실은 약 5%로 보고되었으므로(Garitte et al., 2014), FEBEX 현장시험에서도 두 현장시험과 유사하게 약5%의 열손실이 있었다고 가정하였다. 시험 구간을 폐쇄하고 Day 0일 때, Fig.
기체 상의 상대 투수계수는 식 (13)으로 계산하였다. 또한 흡입력(s)는 식 (14)에 나타나 있는 van Genuchten 모델을 따르는 것으로 가정하였다.
1MPa로 가정하였다. 벤토나이트 블록의 초기 포화도는 0.55, 그리고 히터, 라이너, 그리고 플러그의 초기 포화도는 0.99로 가정하고 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 히터가 발열을 시작하는 시점을 기준일(Day 0)로 설정하였고, 시험 터널은 Day –385에 순간적으로 모두 굴착되는 것으로 가정하였으며 굴착 이후 터널 벽면의 온도는 12℃로, 공극수압은 대기압으로 가정하여 0.1 MPa로 고정하였고, 역학 해석에서는 자유면으로 간주하였다.
시험터널 굴착 이후 250일간의 환기작업을 거쳐 Day –135에 벤토나이트 블록, 히터와 라이너(liner) 그리고 콘크리트 플러그를 동시에 설치하여 시험구간을 폐쇄하였다고 가정하였다. 설치된 시험 장치와 플러그는 모두 12℃의 온도와 대기압 상태로 가정하였다. 그리고 압밀된 벤토나이트 블록은 초기 응력상태를 Gens et al.
시험터널 굴착 이후 250일간의 환기작업을 거쳐 Day –135에 벤토나이트 블록, 히터와 라이너(liner) 그리고 콘크리트 플러그를 동시에 설치하여 시험구간을 폐쇄하였다고 가정하였다.
8). 암반의 초기 온도는 12℃이고 완전히 포화되었다고 가정하였으며, 초기 공극수압은 0.7 MPa, 초기 응력은 28 MPa의 등방 응력조건으로 설정하였다. Fig.

제안 방법

org) 프로젝트가 진행되고 있으며, 최근에는 2016년부터 2019년까지 DECOVALEX-2019가 진행되었다. DECOVALEX-2019에서 수행된 Task D에서는 스위스의 결정질 암반에 위치한 GTS(Grimsel Test Site)에서 수행된 실규모 현장시험(Full-scale Engineered Barriers EXperiment, FEBEX)(ENRESA, 2000)에 대한 수치해석을 수행하고 각 기관별로 제안된 다양한 THM 모델과 수치해석 결과를 상호 비교․검증하고자 하였다. 본 연구에서는 DECOVALEX-2019 Task D에 대해 간단히 소개하고, 한국원자력연구원이 FEBEX 모델링을 위해 사용한 시뮬레이터와 THM 모델을 살펴보고 이를 이용하여 수행된 모델링 결과를 살펴보고자 한다.
7), 식 (6)와 (7)을 이용하여 수치해석에서 반영하였다. 건조밀도는 FLAC3D의 역학해석에서 계산된 비체적(specific volume, v)과 공극률의 상관관계(식 (8))와 식 (9)을 이용하여 계산하였고, 계산된 건조밀도는 다음 스텝의 열-수리해석에서 업데이트 되도록 TOUGH2-MP 코드를 수정하였다(Fig. 6).
그리고 사용된 THM 모델의 적합성과 BBM의 현장 적용성을 살펴보기 위해 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력 데이터와 해체 이후 조사된 완충재 블록의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도 분포 데이터를 수치해석에서 계산된 값과 비교·분석하였다.
5년 이후 FEBEX 현장시험을 완전히 해체하였다. 두 차례의 해체 작업을 수행하면서 완충재 블록에서 샘플을 채취하여 포화도, 함수율, 그리고 건조 밀도를 측정하여 분포 특성을 살펴보았다. 본 연구에서는 사용된 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터와 수치해석 모델이 최종 단계에서의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포특성을 잘 모사할 수 있는지를 살펴보고자 Fig.
5). 먼저, 다공성 매질에서의 열-수리 거동을 TOUGH2-MP에서 계산하고, 그 결과로 계산된 온도, 공극수압, 흡입력, 그리고 포화도의 정보를 FLAC3D로 넘겨준다. 이후, TOUGH2-MP에서 전달된 정보들을 이용하여 열응력, 공극수압, 그리고 팽윤압의 변화에 따른 역학 해석을 수행하고 변화된 평균 유효응력, 공극률, 그리고 건조밀도를 TOUGH2-MP에 전달하여 투수계수, 흡입력, 공극률의 정보를 업데이트한 후 다음 스텝으로 넘어간다(Fig.
두 차례의 해체 작업을 수행하면서 완충재 블록에서 샘플을 채취하여 포화도, 함수율, 그리고 건조 밀도를 측정하여 분포 특성을 살펴보았다. 본 연구에서는 사용된 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터와 수치해석 모델이 최종 단계에서의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포특성을 잘 모사할 수 있는지를 살펴보고자 Fig. 4에 나타나 있는 1차 해체 작업 구역의 섹션15와 31 그리고 2차 해체 작업 구역의 43과 56에서 획득한 샘플의 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 에너지 보존 방정식의 열전도도(λ)가 식 (2)와 같이 포화도(Sl)의 함수로 계산되고, 비열(CR)은 식 (3)과 같이 온도의 함수로 계산되도록 TOUGH-MP를 수정하였다.
사용된 BBM이 벤토나이트 블록의 역학적인 거동을 모사하기에 적합한지를 판단하기 위해 섹션B2의 벤토나이트 블록 중간지점에서 계측된 터널 축방향 응력 데이터와 섹션E2의 암반과 인접한 곳에서 계측된 반경방향 응력 데이터를 이용하여 계산된 값과 비교하였다. 벤토나이트 블록은 현장에 설치된 이후, 지하수 유입에 따른 팽윤압의 발생과 온도 변화에 따른 열응력의 발생으로 축방향과 반경방향의 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 수치해석 상에서도 이러한 경향이 잘 재현되는 것으로 나타났다(Fig.
, 2014), FEBEX 현장시험에서도 두 현장시험과 유사하게 약5%의 열손실이 있었다고 가정하였다. 시험 구간을 폐쇄하고 Day 0일 때, Fig. 9의 검은 점선으로 표시된 부분에 각각 1,200W의 95%인 1140W의 파워를 입력하였고, Day 20에는 2,000W의 95%인 1900W의 파워를 주입하였으며, Day 53부터 검은 점선의 온도를 100℃로 고정하였다. Day 1,827에서는 히터 1의 온도를 고정하지 않으므로 히터 전원을 끈 것을 모사하였으며, Day 1,966에서 해체 구간에 위치한 벤토나이트 블록의 건조밀도, 함수율, 그리고 포화도를 계산했다.
6). 이러한 일련의 과정을 반복하면서 FEBEX 현장시험에 대한 수치해석을 수행하고 THM 복합거동 특성을 살펴보았다.
1MPa의 초기 응력으로 설정하였다. 이후 Day 6,630에서 히터 2를 끄고, Day 6,758에서 벤토나이트 블록의 건조밀도, 함수율, 그리고 포화도를 계산하였다.
먼저, 다공성 매질에서의 열-수리 거동을 TOUGH2-MP에서 계산하고, 그 결과로 계산된 온도, 공극수압, 흡입력, 그리고 포화도의 정보를 FLAC3D로 넘겨준다. 이후, TOUGH2-MP에서 전달된 정보들을 이용하여 열응력, 공극수압, 그리고 팽윤압의 변화에 따른 역학 해석을 수행하고 변화된 평균 유효응력, 공극률, 그리고 건조밀도를 TOUGH2-MP에 전달하여 투수계수, 흡입력, 공극률의 정보를 업데이트한 후 다음 스텝으로 넘어간다(Fig. 6). 이러한 일련의 과정을 반복하면서 FEBEX 현장시험에 대한 수치해석을 수행하고 THM 복합거동 특성을 살펴보았다.
8에 나타나 있는 붉은 점선에서는 온도와 압력을 고정하였고, 푸른 점선에서는 열과 유체의 이동은 없으며, 붉은 점선과 푸른 점선에서 법선 방향 변위는 모두 고정되었다. 초기조건과 경계조건이 부여된 암반을 이용하여, 시험 터널 굴착, 현장시험 장치 설치, 운영, 그리고 해체를 Table 1과 같이 단순화하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구에서는 히터가 발열을 시작하는 시점을 기준일(Day 0)로 설정하였고, 시험 터널은 Day –385에 순간적으로 모두 굴착되는 것으로 가정하였으며 굴착 이후 터널 벽면의 온도는 12℃로, 공극수압은 대기압으로 가정하여 0.

대상 데이터

FLAC3D에서는 BBM을 지원하지 않기 때문에 본 연구에서는 Lee et al.(2019)에 기술되어 있는 BBM을 토대로 개발된 해석모듈(Lee et al., 2020a)을 사용하였다.
특히, 벤토나이트 완충재의 THM 물성은 건조밀도에 따라 크게 다르기 때문에 벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동 특성을 잘 예측하기 위해서는 건조밀도 변화를 잘 예측해야 하므로, DECOVALEX-2019 Task D에서는 완충재의 건조밀도 변화 예측 모델과 기법을 개발하고 검증하는 것에 중점을 두었다. Task D에서는 해석모델과 기법의 검증을 위해 많은 섹션에서의 현장 데이터를 활용하였지만, 본 연구에서는 열적 거동을 비교하기 위해 두 히터의 끝단인 D1과 I 섹션에서 계측된 온도 데이터를 활용하였으며, 수리적 거동을 비교하기 위해 상대적으로 온도 변화가 크지 않은 C 섹션, 히터 1이 위치하고 있는 E1섹션, 두 히터 사이의 H 섹션, 그리고 히터 2가 위치하고 있는 F2 섹션에서 계측된 상대습도 데이터를 이용하였고, 역학적 거동 비교를 위해 B2와 E2섹션에서 측정된 터널 축방향 및 횡방향 응력 데이터를 활용하였다(Fig. 3). 해체작업이 진행된 이후 현장시험에서 관측된 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도 데이터와 계산 값의 비교를 위해 본 연구에서 선정한 지점은 Fig.

데이터처리

사용된 THM 모델과 해석 시뮬레이터의 검증과 현장 적용성을 검토하고자 현장시험 데이터와 해석 결과를 비교․분석 하였다. 현장시험 데이터는 Papafotiou et al.

이론/모형

FEBEX 현장시험을 모델링하고 벤토나이트 완충재 블록에서의 THM 복합거동 특성을 평가하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D를 이용하였다. TOUGH2-MP/FLAC3D는 TOUGH-FLAC(Rutqvist et al.
벤토나이트 블록에 대한 역학적 해석을 위해서는 BBM(Barcelona Basic Model)(Alonso et al., 1990)을 사용하였으며, 나머지 물질에 대해서는 탄성 모델을 사용하였다. FLAC3D에서는 BBM을 지원하지 않기 때문에 본 연구에서는 Lee et al.
수치해석에서는 높이 50 m, 폭100 m, 그리고 회전각 10°를 갖는 3차원 축대칭 모델(axis-symmetric model)을 이용하였다(Fig. 8).
역학적 거동 해석을 위해 식 (20)에 나타나 있는 모멘텀밸런스 방정식이 이용되었다.
현장시험에서 측정된 상대습도(Rh) 데이터와의 비교를 위해 본 연구에서는 TOUGH2-MP에서 계산된 포화도를 Kelvin’s equation(식 (19))을 이용하여 상대습도로 변환하였다.

성능/효과

히터에서 상대적으로 가까운 지점에서 계측된 온도와 계산된 온도는 전반적으로 유사한 거동을 보였지만(Fig. 11(a)), 계측된 온도가 다소 편차를 보인 반면, 수치해석에서 계산된 D1섹션과 I섹션에서의 온도는 큰차이를 보이지 않았다. 벤토나이트 중간지점과 암반 근처에서의 계측된 온도를 살펴보면, 섹션I가 두 히터 사이에 위치하기 때문에 히터로부터 동일한 이격거리에 위치했음에도 불구하고 섹션 I에서의 온도가 높게 나타났는데, 수치해석에서도 열 중첩의 영향이 잘 모사된 것으로 판단된다(Fig.
2차 해체 작업에서 측정된 포화도와 함수율은 히터가 위치한 섹션43과 위치하지 않은 섹션56 모두 첫 번째 해체작업에서 측정된 포화도와 함수율 보다 높게 나타났으며, 히터 부근의 벤토나이트의 경우 포화상태로 변화된 것으로 조사되었다(Fig. 16(b)와 Fig.
12(c)). 그리고 섹션F2에서의 상대습도 분포 변화에서도 히터 부근에서의 건조현상과 시간이 지남에 따라 전반적인 상대습도 증가 경향이 잘 나타났다(Fig. 12(d)).
터널 중심과 히터부근에서의 계산된 포화도와 함수율이 상대적으로 작게 나타난 반면, 건조밀도는 크게 나타난 것으로 보아 본 연구에서 사용한 건조밀도에 따른 투수계수 변화(식 (5))가 실제 완충재의 특성과 차이를 보이기 때문으로 판단된다. 다시 말해, 수치해석에서 건조밀도가 증가함에 따라 투수계수의 감소 정도가 실제 완충재 블록에서의 감소보다 더 크게 감소하여 포화도와 함수율이 작게 나타난 것으로 판단된다. 또 내부에서의 포화도와 함수율이 작게 나타나 팽윤이 상대적으로 덜 발생하여 건조밀도가 크게 나타나게 된 것으로 판단된다.
11(b)와 (c)). 또한, FEBEX 시험터널 중심으로부터 이격된 거리에 따른 온도분포 역시 계측값과 계산값이 유사하게 나타난 것을 알 수 있으며, 섹션I에서 전반적으로 온도가 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다(Fig. 11(d)).
사용된 BBM이 벤토나이트 블록의 역학적인 거동을 모사하기에 적합한지를 판단하기 위해 섹션B2의 벤토나이트 블록 중간지점에서 계측된 터널 축방향 응력 데이터와 섹션E2의 암반과 인접한 곳에서 계측된 반경방향 응력 데이터를 이용하여 계산된 값과 비교하였다. 벤토나이트 블록은 현장에 설치된 이후, 지하수 유입에 따른 팽윤압의 발생과 온도 변화에 따른 열응력의 발생으로 축방향과 반경방향의 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 수치해석 상에서도 이러한 경향이 잘 재현되는 것으로 나타났다(Fig. 14). 하지만 수치해석에서 축방향과 반경방향의 응력 모두 상대적으로 빠르게 증가하는 경향을 보였는데, 이는 현장 조건과 달리 수치해석에서는 암반과 벤토나이트가 완벽하게 일치하는 조건을 가정하였기 때문인 것으로 판단된다.
11(a)), 계측된 온도가 다소 편차를 보인 반면, 수치해석에서 계산된 D1섹션과 I섹션에서의 온도는 큰차이를 보이지 않았다. 벤토나이트 중간지점과 암반 근처에서의 계측된 온도를 살펴보면, 섹션I가 두 히터 사이에 위치하기 때문에 히터로부터 동일한 이격거리에 위치했음에도 불구하고 섹션 I에서의 온도가 높게 나타났는데, 수치해석에서도 열 중첩의 영향이 잘 모사된 것으로 판단된다(Fig. 11(b)와 (c)).
12(a)와 (b)). 수치해석에서는 섹션별로 큰차이를 보이지 않는 것으로 나타났고, 전반적으로 지하수 유입에 따른 상대습도의 변화를 수치모델이 잘 재현한 것으로 나타났다.
이동된 수증기는 온도 감소로 인해 물로 변화되어 히터와 가까운 지점에서의 상대습도는 순간적으로 증가하는 것으로 나타났고, 이후 지속적인 온도의 상승으로 히터와 가까운 지점에서의 상대습도는 감소하다가 지하수의 유입으로 인해 상대습도는 서서히 증가하는 것으로 나타났다. 수치해석에서도 히터 가동 이후의 순간적인 상대습도 증가가 나타났고 상대적으로 온도가 더높은 섹션E1에서 더 크게 발생한 건조현상도 잘 모사되었다(Fig. 12(c)).
17(a)). 수치해석으로 계산된 포화도와 함수율은 암반부근 뿐만 아니라, 섹션31의 히터부근에서 역시 유사한 것으로 나타났지만, 섹션15의 터널 중심부에서 상대적으로 낮게 나타났다.
11(d)). 시간에 따른 히터 파워와 벤토나이트에서 온도 변화 그리고 온도분포가 전반적으로 유사한 경향을 보였기 때문에, 본 연구에서 사용된 TOUGH2-MP의 열전도도 모델(식 (2))이 벤토나이트 블록에서의 열적 거동을 모사하기에 적절한 것으로 판단된다.
12에 나타내었다. 암반 근처에서 벤토나이트 블록의 상대습도는 암반으로부터의 지하수 유입으로 빠르게 증가하는 것으로 나타났고, 지하수가 서서히 안쪽으로 이동하여 벤토나이트 블록의 중간 지점에서도 상대습도가 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 12(a)와 (b)).
18). 암반과 인접한 벤토나이트 블록은 설치 이후 암반으로부터의 지하수 유입으로 인해 상대습도와 포화도가 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 12(a), Fig.
상대습도 변화 특성과 분포 역시 전반적으로 잘 모사되었으나, 수치해석에서 히터 부근에서의 포화과정이 상대적으로 빠르게 진행된 것으로 보아 상대투수계수 모델 또는 확산 모델에 일부 수정이 필요할 것으로 보인다. 열응력 및 팽윤압의 발생으로 인한 응력변화는 현장조건과 수치해석에서의 가정조건 차이로 운영 초기에 다소 차이를 보였지만 전반적으로 잘 계산되는 것으로 나타났다. 해체 이후 측정한 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포 역시 전반적으로 잘 재현되었지만, 건조밀도가 터널 중심과 히터부근에서 조금 크게 계산되었기 때문에, 벤토나이트 블록의 투수계수가 상대적으로 작은 값으로 반영되어 포화도와 함수율이 작게 계산된 것으로 보이며, 이를 개선하기 위해서는 건조밀도에 따른 투수계수 모델에 수정이 필요할 것으로 판단된다.
13에 나타난 것처럼 온도 증가로 인해 물이 수증기로 변하고 가스의 압력구배에 의해 수증기는 바깥쪽으로 이동하게 된다. 이동된 수증기는 온도 감소로 인해 물로 변화되어 히터와 가까운 지점에서의 상대습도는 순간적으로 증가하는 것으로 나타났고, 이후 지속적인 온도의 상승으로 히터와 가까운 지점에서의 상대습도는 감소하다가 지하수의 유입으로 인해 상대습도는 서서히 증가하는 것으로 나타났다. 수치해석에서도 히터 가동 이후의 순간적인 상대습도 증가가 나타났고 상대적으로 온도가 더높은 섹션E1에서 더 크게 발생한 건조현상도 잘 모사되었다(Fig.
17에 나타내었다. 첫 번째 해체 이후 측정된 벤토나이트 블록의 포화도와 함수율의 변화를 살펴보면, 섹션15에서는 암반으로부터의 지하수 유입으로 인해 전 구간에서 초기값보다 증가한 것으로 나타났고, 히터가 위치한 섹션31 주변 암반부근에서는 섹션15와 유사하게 증가하는 것으로 나타났지만 히터 부근에서는 온도증가에 따른 기화로 인해 섹션15에 비해 상대적으로 크게 변화지 않는 것으로 조사되었다(Fig. 16(a)와 Fig.
12(d)). 하지만, 섹션H에서는 상대적으로 낮은 증가를 보였으며, 섹션E1에서는 히터 가동 초기에 상대습도 증가 이후 감소되는 속도가 느린 것으로 나타났고, 500일 이후 상대습도 증가가 계측된 값에 비해 빠르게 진행되는 것으로 계산되었다. 히터 부근에서의 상대습도 변화를 조금더 현실적으로 재현하기 위해서는 사용된 상대투수계수 모델 또는 확산 모델의 수정이 필요할 것으로 판단되며, 다양한 모델을 이용하여 최적의 수리모델을 도출할 필요가 있을 것으로 보인다.

후속연구

뿐만 아니라, THM 모델에서 사용된 입력 파라미터의 온도 의존성을 검토하여 추가적으로 수치해석 모델을 수정할 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 THM 모델과 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터는 향후, 실험실 시험과 현장시험 설계 및 데이터 분석에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 지금까지 개발된 한국형 기준처분시스템(Korean reference disposal system)의 성능평가에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
현장 데이터와 계산값을 비교·분석하여 도출된 THM 모델의 수정 및 보완사항을 토대로 개선하고, 현장시험 조건을 최대한 반영하여 수치해석을 수행한다면더좋은 해석결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, THM 모델에서 사용된 입력 파라미터의 온도 의존성을 검토하여 추가적으로 수치해석 모델을 수정할 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 THM 모델과 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터는 향후, 실험실 시험과 현장시험 설계 및 데이터 분석에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 지금까지 개발된 한국형 기준처분시스템(Korean reference disposal system)의 성능평가에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
수치해석 결과, 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며, 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 3개월 이상 진행된 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다. 상대습도 변화 특성과 분포 역시 전반적으로 잘 모사되었으나, 수치해석에서 히터 부근에서의 포화과정이 상대적으로 빠르게 진행된 것으로 보아 상대투수계수 모델 또는 확산 모델에 일부 수정이 필요할 것으로 보인다. 열응력 및 팽윤압의 발생으로 인한 응력변화는 현장조건과 수치해석에서의 가정조건 차이로 운영 초기에 다소 차이를 보였지만 전반적으로 잘 계산되는 것으로 나타났다.
그리고 사용된 THM 모델의 적합성과 BBM의 현장 적용성을 살펴보기 위해 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력 데이터와 해체 이후 조사된 완충재 블록의 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도 분포 데이터를 수치해석에서 계산된 값과 비교·분석하였다. 수치해석 결과, 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며, 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 3개월 이상 진행된 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다. 상대습도 변화 특성과 분포 역시 전반적으로 잘 모사되었으나, 수치해석에서 히터 부근에서의 포화과정이 상대적으로 빠르게 진행된 것으로 보아 상대투수계수 모델 또는 확산 모델에 일부 수정이 필요할 것으로 보인다.
즉, 히터 2 주변 벤토나이트 블록의 열전도도가 상대적으로 높기 때문에 동일하게 히터 온도를 100℃로 유지하기 위해서는 히터 2에 더 많은 파워를 주입하여야했을 것이다. 이러한 두 가지의 이유로 현장에서는 히터 파워가 차이를 보였지만 모델링에서는 차이를 보이지 않았으며, 추후 황반암과 설치 프로세스를 반영한 모델링을 모두 수행하고 어떠한 영향이 더큰지도 조사해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.
수치해석에서도 첫 번째 해체 때보다 포화도와 함수율이 증가했지만 전반적으로 계측값보다 낮게 나타났다. 첫 번째 해체와 최종 해체에서 계측된 값이 계산값과 차이를 보이는 것은 수치해석에서 사용된 투수계수가 작았거나, 상대투수계수 모델 또는 흡입력 모델에 사용된 상수들이 벤토나이트 블록의 수리적 거동을 모사하기에 부족했을 것으로 판단되며, 추후 모델에 사용된 파라미터에 대한 보정이 필요할 것으로 보인다.
열응력 및 팽윤압의 발생으로 인한 응력변화는 현장조건과 수치해석에서의 가정조건 차이로 운영 초기에 다소 차이를 보였지만 전반적으로 잘 계산되는 것으로 나타났다. 해체 이후 측정한 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포 역시 전반적으로 잘 재현되었지만, 건조밀도가 터널 중심과 히터부근에서 조금 크게 계산되었기 때문에, 벤토나이트 블록의 투수계수가 상대적으로 작은 값으로 반영되어 포화도와 함수율이 작게 계산된 것으로 보이며, 이를 개선하기 위해서는 건조밀도에 따른 투수계수 모델에 수정이 필요할 것으로 판단된다. 현장 데이터와 계산값을 비교·분석하여 도출된 THM 모델의 수정 및 보완사항을 토대로 개선하고, 현장시험 조건을 최대한 반영하여 수치해석을 수행한다면더좋은 해석결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
현장 데이터와 계산값을 비교·분석하여 도출된 THM 모델의 수정 및 보완사항을 토대로 개선하고, 현장시험 조건을 최대한 반영하여 수치해석을 수행한다면더좋은 해석결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Barcelona basic 모델(BBM) 해석모듈은 무엇을 기반으로 개발되었는가?	벤토나이트 완충재에서의 열-수리-역학적 복합거동을 예측하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터를 기반으로 개발된 Barcelona basic 모델(BBM) 해석모듈의 현장 적용성을 검토하고자 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task D에 참여하여 스위스 Grimsel Test Site의 현장시험(full-scale engineered barriers experiment, FEBEX) 모델링을 수행하고 현장시험에서 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력, 포화도, 함수율 그리고 건조밀도를 계산 값과 비교하였다. 수치해석을 이용하여 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.
	Kärnbränslesäkerhet 방법에는 어떤 방식들이 있는가?	고준위방사성폐기물을 안전하게 처분하기 위해 제안된 심층처분개념의 대표적인 예로는 스웨덴 SKB(Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)가 제안한 KBS(Kärnbränslesäkerhet)를 들 수 있다. KBS는 다중방벽 시스템 개념을 기반으로 하여 지하 수 백 미터 깊이에 위치한 균열이 적고 안정한 암반에 처분터널과 처분공을 굴착하고 벤토나이트 완충재와 함께 처분 용기를 처분공에 처분한 이후, 처분터널을 뒷채움재로 메워서 안전하게 격리하는 방식으로 수직처분방식과 수평처분방식이 있다(Fig. 1).
	현장시험과 계산 값을 비교한 항목들에는 무엇이 있는가?	벤토나이트 완충재에서의 열-수리-역학적 복합거동을 예측하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터를 기반으로 개발된 Barcelona basic 모델(BBM) 해석모듈의 현장 적용성을 검토하고자 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task D에 참여하여 스위스 Grimsel Test Site의 현장시험(full-scale engineered barriers experiment, FEBEX) 모델링을 수행하고 현장시험에서 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력, 포화도, 함수율 그리고 건조밀도를 계산 값과 비교하였다. 수치해석을 이용하여 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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