[논문]MX80 벤토나이트 펠렛의 열-수리-역학적 복합거동 모델링

이창수; 최희주; 김건영

doi:10.7474/tus.2020.30.5.446

MX80 벤토나이트 펠렛의 열-수리-역학적 복합거동 모델링
Numerical Modeling of Coupled Thermo-hydro-mechanical Behavior of MX80 Bentonite Pellets 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.5, 2020년, pp.446 - 461

이창수 (한국원자력연구원) , 최희주 (한국원자력연구원) , 김건영 (한국원자력연구원)

초록
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MX80 벤토나이트 펠렛에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하고자 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 스페인 CIEMAT에서 수행된 컬럼 시험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험실에서 사용된 것과 동일한 히터 파워와 물 주입압을 경계조건으로 설정하고 해석을 수행하였다. 사용된 열-수리 모델이 벤토나이트 펠렛의 복합거동 예측에 적용하기 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트 펠렛에서의 온도와 상대습도 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는 지를 살펴보았다. 계산된 결과가 계측된 온도와 상대습도 변화 경향을 적절하게 재현 할 수 있었기 때문에 사용된 열-수리 모델은 벤토나이트 펠렛의 열-수리 복합거동을 예측하고 재현하기에 적절한 것으로 판단된다. 하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작고 느리게 변화되는 것으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 존재하는 것으로 보이며, 사용된 두 역학 모델로 완충재의 복잡한 열-수리-역학적 복합거동을 현실적으로 재현하기에 부족한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulations of CIEMAT column test in Spain are performed to investigate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of MX80 bentonite pellets using TOUGH2-FLAC3D. The heater power and injection pressure of water in the numerical simulations are identical to those in the laboratory test. To investigate the applicability of the thermo-hydraulic (TH) model used in TOUGH2 code to prediction of the coupled TH behavior, the simulation results are compared with the observations of temperature and relative humidity with time. The tendencies of the coupled behavior observed in the test are well represented by the numerical models and the simulator in terms of temperature and relative humidity evolutions. Moreover, the performance of the models for the reproduction and prediction of the coupled TH behavior is globally satisfactory compared with the observations. However, the calculated stress change is relatively small and slow due to the limitations of the simple elastic and swelling pressure model used in numerical simulations. It seems that the two models are insufficient to realistically reproduce the complex coupled THM behavior in the bentonite pellets.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Mutual relationship between THM processes in a porous medium (CODE_BRIGHT, 2004)
그림 Fig. 2. Evolution of the DECOVALEX project
그림 Fig. 3. Layout of the In-situ HE-E experiment (Villar et al., 2014)
그림 Fig. 4. Experimental layout and location of sensors (Villar et al., 2012)
그림 Fig. 5. Cell B before being wrapped with the insulation material (left) and THM cells in operation (right) (Villar et al., 2012)
그림 Fig. 6. Numerical procedure of a linked TOUGH2 and FLAC3D simulation with explicit sequential solutions (modified after Rutqvist et al., 2002)
표 Table 1. Characteristics of the samples after compaction (Villar et al., 2014)
그림 Fig. 7. Numerical model for CIEMAT column test
표 Table 2. Modelling procedures
표 Table 3. Input parameter for thermal properties in the numerical simulations
표 Table 4. Input parameters for the mechanical calculations
그림 Fig. 8. Heater temperature during the heating phases (pink area) and hydration phase (light blue area)
그림 Fig. 9. Measured and calculated temperature in bentonite buffer material during the heating phases (pink area) and hydration phase (light blue area)
그림 Fig. 10. Measured and calculated relative humidity during the heating phases (pink area) and hydration phase (light blue area)
그림 Fig. 11. Sketch of the thermo-hydraulic, geomechanical and transport processes in the bentonite buffer of a KBS-3 repository (Salas et al., 2014)
그림 Fig. 12. Measured and calculated pressure during the heating phases (pink area) and hydration phase (light blue area)
그림 Fig. 13. Values of dry density and water content in hot section: observations and computed results using Barcelona Basic Model (Papafotiou et al., 2017)
그림 Fig. 14. Saturated hydraulic conductivity of FEBEX bentonite as a function of dry density (ENRESA, 2000)

AI 본문요약
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문제 정의

사용된 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델의 적합성을 살펴보고자 국제공동연구 DECOVALEX-2015 Task B1의 일환으로 수행된 스페인 CIEMAT의 컬럼 시험을 선정하였다. TH 모델이 벤토나이트 펠렛에 적용하기에 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트에서의 온도 변화와 상대습도의 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는지를 살펴보았다. 히터의 온도 및 계측지점에서의 온도에 대한 실측치와 계산값이 유사한 경향을 보이는 것으로 볼 때, 사용된 열전도도 모델은 타당한 것으로 판단된다.
본 논문에서는 TOUGH2-FLAC3D 해석시뮬레이터의 THM 수치모델을 검증하고 그 적용성을 검토하고자 DECOVAELX-2015 Task B에서 수행한 스페인 CIEMAT(Centro de Invstigaciones Energéticas, MedioAmbientales y Tecnológicas) 컬럼 시험 (column test) 모델링을 소개하고 한국원자력연구원이 수행한 모델링 결과와 실험 결과를 비교 및 분석하였다.
열-수리 해석 코드인 TOUGH2와 역학 해석 코드인 FLAC3D를 연동하여 계산하는 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 벤토나이트 펠렛에서의 THM 복합거동 특성을 수치해석적인 접근 방법으로 파악하고자 하였다. 사용된 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델의 적합성을 살펴보고자 국제공동연구 DECOVALEX-2015 Task B1의 일환으로 수행된 스페인 CIEMAT의 컬럼 시험을 선정하였다.

가설 설정

1 MPa로 가정하였다. 경계부에서의 온도를 초기온도로 고정하였으며, 유체의 유동은 벤토나이트 펠렛에서만 이루어진다고 가정하였다. 또한 변위의 경우 벤토나이트 완충재의 최외각부분에서의 수직변위를 고정하여 역학적 해석을 수행하였다.
또한 본 연구에서는 Jacinto et al. (2009)에 언급된 것과 마찬가지로 λvan와 Sls값은 온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소한다고 가정하여 식 (2)에 나타나 있는 λvan 와 Sls를 각각 식 (3)과 (4)와 같이 수정하여 수치해석에 사용하였다.
벤토나이트의 물에 대한 포화상태에서의 투수계수(permeability)를 5.0×10-21m2로 가정하였으며, 포화도에 따른 유체와 기체의 상대 투수계수(relative permeability)는 식 (5) 및 (6)을 이용했고, 식 (7)에 나타나 있는 기체의 투수계수에 대한 Klinkenberg 파라미터는 1.5 GPa로 가정하였다.
본 연구에서는 벤토나이트를 제외한 모든 매질은 불투수층으로 가정하였고, 수분보유곡선은 Van Genutchen 모델을 따른다고 가정하였으며, P₀의 값은 Gaus et al. (2014)에 제시된 값을 사용하였다. Van Genutchen 모델에서의 λ_van값은 가정된 P₀값과 초기 상대습도 40.
수치해석에서는 벤토나이트 펠렛의 경계부에서의 수직 변위를 고정하였기 때문에 역학 해석에서는 벤토나이트 완충재의 물성만 필요하다. 본 연구에서는 탄성모델을 사용하였고, 탄성계수(E)와 포아송 비(v)는 40 MPa와 0.35로 각각 가정하였다. 열응력과 유효응력 계산을 위한 열팽창계수와 Biot 상수는 각각 2.
열응력과 유효응력 계산을 위한 열팽창계수와 Biot 상수는 각각 2.6×10-6 1/℃와 1.0으로 가정하였다.
컬럼 시험 해석을 위해 8008개의 요소로 TOUGH2-FLAC3D 모델 메쉬를 생성하였으며(Fig. 7), 모든 요소의 초기온도는 21.0℃, 그리고 대기압 상태를 가정하였으며, 유효응력은 0.1 MPa로 가정하였다. 경계부에서의 온도를 초기온도로 고정하였으며, 유체의 유동은 벤토나이트 펠렛에서만 이루어진다고 가정하였다.
포화도(S)의 변화에 따른 팽윤압 (Pswelling)은 식 (8)과 같이 비선형 거동을 보인다고 가정하였고 열응력 및 팽윤압으로 인한 응력변화로 야기되는 공극률(∅), 투수 계수(k) 그리고 삼투압(Pcap)의 변화는 식 (9), (10) 그리고 (11)과 같다.

제안 방법

HE-E 현장 시험 수행 전, 스페인 CIEMAT에서는 HE-E 현장시험에서 사용할 벤토나이트 완충재 물질에 대한 THM 복합거동 특성을 규명하고자 실험실 규모의 컬럼 시험을 수행하였다. CIEMAT 컬럼 시험은 직경 7 cm 그리고 높이 약 50 cm의 크기로 설계되었으며, 방사성 붕괴열을 모사하기 위해 바닥부에 히터를 설치하였고 지하수 유입을 모사하기 위해 상부에 쿨링 시스템을 설치하고 물을 주입할 수 있게 설계되었다(Fig. 4). 또한, 온도와 습도를 계측하기 위해 히터로부터 약 10 cm, 22 cm, 그리고 40 cm 이격된 지점에 센서가 설치되었으며, 시험 수행에 앞서 열 손실을 막기 위해 열전도도가 0.
CIEMAT 컬럼 시험은 초기에 히터의 온도를 100℃로 유지시키기 위해 12 W의 열을 공급하며 벤토나이트 펠렛에서의 열･수리･역학적인 복합거동을 살펴보았다. 1,518 시간 경과 이후, 시험 장치에서의 열 손실을 막기 위해 추가적인 단열재를 설치하고 7.
3). HE-E 현장 시험 수행 전, 스페인 CIEMAT에서는 HE-E 현장시험에서 사용할 벤토나이트 완충재 물질에 대한 THM 복합거동 특성을 규명하고자 실험실 규모의 컬럼 시험을 수행하였다. CIEMAT 컬럼 시험은 직경 7 cm 그리고 높이 약 50 cm의 크기로 설계되었으며, 방사성 붕괴열을 모사하기 위해 바닥부에 히터를 설치하였고 지하수 유입을 모사하기 위해 상부에 쿨링 시스템을 설치하고 물을 주입할 수 있게 설계되었다(Fig.
TOUGH2에서 일정시간(△t)에 대해 열·수리 해석을 수행하고 TH 해석의 결과인 온도, 압력 그리고 포화도를 FLAC3D의 입력값으로 사용하여 역학적 해석을 수행하여 응력과 변위를 계산한다.
TOUGH2에서 일정시간(△t)에 대해 열·수리 해석을 수행하고 TH 해석의 결과인 온도, 압력 그리고 포화도를 FLAC3D의 입력값으로 사용하여 역학적 해석을 수행하여 응력과 변위를 계산한다. 계산된 응력 값을 이용하여, 공극률과 투수계수 그리고 모세관 압력의 변화를 계산하여 TOUGH2의 입력값으로 사용하여 계산을 진행하였다(Fig. 6).
경계부에서의 온도를 초기온도로 고정하였으며, 유체의 유동은 벤토나이트 펠렛에서만 이루어진다고 가정하였다. 또한 변위의 경우 벤토나이트 완충재의 최외각부분에서의 수직변위를 고정하여 역학적 해석을 수행하였다.
4). 또한, 온도와 습도를 계측하기 위해 히터로부터 약 10 cm, 22 cm, 그리고 40 cm 이격된 지점에 센서가 설치되었으며, 시험 수행에 앞서 열 손실을 막기 위해 열전도도가 0.25W/mK인 15 mm 두께의 Teflon PTFE와 열전도도가 0.04 W/mK인 5 mm 두께의 dense foam을 이용하여 시험 장치를 단열처리하였다. 하지만, 시험이 진행되면서 시험 장치에서 열 손실이 발생하는 것으로 판단되어 5 mm 두께의 dense foam을 시험시작 후 1,518 시간이 지난 다음 열전도도가 0.
수치해석 기법과 사용된 THM 모델의 타당성을 검토하고자 히터의 온도와 계측지점 세 곳에서 계측된 온도 및 상대습도, 그리고 시험 장치 상부에서 계측된 물 주입량 및 응력을 수치해석 결과와 비교하였다. 본 연구에서는 히터에서부터 약 10 cm 이격된 지점의 온도계와 상대습도계를 T3 및 Rh3, 약 22 cm 이격된 지점의 센서들을 각각 T2 및 Rh2, 그리고 약 40 cm 이격된 지점의 센서들을 각각 T1 및 Rh1로 명명하기로 한다(Fig. 4).
수치해석 기법과 사용된 THM 모델의 타당성을 검토하고자 히터의 온도와 계측지점 세 곳에서 계측된 온도 및 상대습도, 그리고 시험 장치 상부에서 계측된 물 주입량 및 응력을 수치해석 결과와 비교하였다. 본 연구에서는 히터에서부터 약 10 cm 이격된 지점의 온도계와 상대습도계를 T3 및 Rh3, 약 22 cm 이격된 지점의 센서들을 각각 T2 및 Rh2, 그리고 약 40 cm 이격된 지점의 센서들을 각각 T1 및 Rh1로 명명하기로 한다(Fig.
수치해석에서는 실험실 시험에서 사용된 것과 동일한 히터 파워와 물 주입압을 사용하였다(Table 2). 수치해석에서 계산된 히터의 온도와 실험실 시험에서 계측된 온도는 Fig.
스위스 Mont Terri Rock Laboratory에서 PEBS(Long-term Performance of Engineered Barrier System) 프로젝트의 일환으로 수행된 HE-E 현장 시험의 경우, 1:2 스케일의 가열 시험으로 최대 140℃까지 가열하고 공학적 방벽 및 자연 방벽에서의 THM 복합거동 특성을 파악하고자 하였다(Fig. 3). HE-E 현장 시험 수행 전, 스페인 CIEMAT에서는 HE-E 현장시험에서 사용할 벤토나이트 완충재 물질에 대한 THM 복합거동 특성을 규명하고자 실험실 규모의 컬럼 시험을 수행하였다.

대상 데이터

벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동을 모델링하기 위해 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 TOUGH2(Pruess et al., 1999)와 Itasca consulting group에서 개발한 FLAC3D(ITASCA, 2009)를 연동하여 계산하는 TOUGH2-FLAC3D(Rutqvist, 2011) 해석 시뮬레이터를 이용하였다. TOUGH2에서 일정시간(△t)에 대해 열·수리 해석을 수행하고 TH 해석의 결과인 온도, 압력 그리고 포화도를 FLAC3D의 입력값으로 사용하여 역학적 해석을 수행하여 응력과 변위를 계산한다.
열-수리 해석 코드인 TOUGH2와 역학 해석 코드인 FLAC3D를 연동하여 계산하는 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 벤토나이트 펠렛에서의 THM 복합거동 특성을 수치해석적인 접근 방법으로 파악하고자 하였다. 사용된 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델의 적합성을 살펴보고자 국제공동연구 DECOVALEX-2015 Task B1의 일환으로 수행된 스페인 CIEMAT의 컬럼 시험을 선정하였다. TH 모델이 벤토나이트 펠렛에 적용하기에 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트에서의 온도 변화와 상대습도의 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는지를 살펴보았다.

성능/효과

이러한 경향은 수치해석에서 적절하게 재현되었으며, 그 변화량도 유사한 것으로 나타났다. Rh2의 경우도 마찬가지로 상승되는 반응이 느리기는 하지만 Rh3에서와 유사하게 나타났으며, Rh3만큼 급격한 상대습도의 변화는 아니지만, 가열 후 1518시간과 3524시간이 지난 시점에서 상대습도의 증가가 나타났으며 수치해석에서도 잘 재현되는 것으로 나타났다. Rh1에서의 상대습도 변화는 Rh2와 Rh3과 달리 급격한 변화를 보이지 않았는데, 이는 T2와 T3에서처럼 온도변화가 순간적으로 크게 변하지 않았기 때문으로 판단된다.
하지만 물 주입부에서의 온도가 상대적으로 낮게 나타났기 때문에 시험장비의 열전도도에 대한 교정은 필요할 것으로 판단된다. 계측된 상대습도와 계산된 상대습도 변화 역시 유사한 경향을 보였기 때문에 사용된 투수계수, 수분보유곡선, Klinkenberg parameter 그리고 상대 투수계수 함수는 적절한 것으로 판단된다. 하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작으면서 느리게 계산된 점과 히터 주변에서의 상대습도 변화가 계측값에 비해 조금 빠르게 변화하는 점으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 있는 것으로 판단되며 사용된 두 모델로는 완충재의 복잡한 THM 복합거동을 현실적으로 재현하기에는 부족한 것으로 판단된다.
이후 온도가 지속적으로 증가함에 따라 상승된 상대습도는 감소하게 된다. 단열재의 설치와 히터 파워를 증가시켜 벤토나이트의 온도가 순간적으로 변화되는 가열 후 1,518시간과 3,524시간이 지난 시점에서 상대습도는 처음 가열한 경우와 유사하게 순간적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 역시, 온도가 순간적으로 증가하여 기화와 액화 작용에 의한 것으로 볼 수 있다.
가열 이후 전반적으로 온도 변화 경향은 히터의 온도변화와 마찬가지로 실험실 시험 결과와 모델링으로부터 계산된 값이 유사하게 나타났다. 두 번째 가열구간(1,518 시간 ~ 3,524 시간)에서 히터의 온도는 첫 번째 가열구간에서와 마찬가지로 100℃로 유지되고 있지만 , 계측지점 세 군데에서 온도가 상승하는 것으로 나타나고 있는데, 이는 두 번째 가열구간에서 추가적으로 설치된 단열재의 영향으로 시험장치 외부로의 열손실이 감소하여 벤토나이트의 온도가 상승한 것으로 판단된다. 세번째 가열구간에서는 T2와 T3의 경우 실험실에서 계측된 값과 계산된 값이 거의 유사함을 알 수 있지만, T1의 경우 상대적으로 조금 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 모델링에서의 경계부에서의 온도 고정으로 인한 영향이 실제 보다 크게 작용했거나, 주변 단열재와 구성물질을 통한 열전달이 모델링에서는 잘 이루어지지 않았기 때문으로 판단된다.
붉은색, 검은색, 그리고 파란색의 결과는 각각 Rh3, Rh2, 그리고 Rh1에서의 결과를 나타낸 것으로써, 도형은 실험실 결과를 의미하며 실선은 모델링에서 계산된 값을 의미한다. 물 주입 전인 5015시간까지의 계측된 상대습도 변화를 살펴보면, 히터와 가까운 Rh3의 경우 히터 가동과 동시에 40%에서 약 60%까지 상대습도가 매우 빠르게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.
물 주입이 이루어진 가열 이후 5,015 시간이 경과한 이후의 계측된 상대습도 변화를 살펴보면, 시간이 지남에 따라 상대습도는 서서히 증가하는 것으로 나타났고 시험 진행 약 20,000 시간 후에도 벤토나이트 완충재는 포화상태에 도달하지 않았다. 물 주입은 상부에서 이루어졌기 때문에 Rh1 센서에서 먼저 상대습도가 증가하는 것으로 나타났다.
45 MPa로 계측되었다. 반면, 수치해석에서는 계산된 수직방향으로의 응력은 상대적으로 서서히 증가하는 것으로 계산되었으며 20,000 시간이 경과한 시점에서의 1.32 MPa로 계산되었다. 물 주입 이후 수직방향 응력이 증가하는 경향은 비슷한 것으로 계산되었지만, 물 주입 이후 급격하게 증가하는 수리-역학적 거동을 본 연구에서 사용한 탄성모델과 식 (8)의 비선형 팽윤 모델로 잘 재현할 수 없었다.
10℃로 계산되었다. 상대적으로 두 번째 가열구간에서 조금 낮게 계산되었지만, 전반적으로 실험실에서 계측된 온도와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
Rh1에서의 상대습도 변화는 Rh2와 Rh3과 달리 급격한 변화를 보이지 않았는데, 이는 T2와 T3에서처럼 온도변화가 순간적으로 크게 변하지 않았기 때문으로 판단된다. 수치해석에서 상대습도가 최대 7~8 % 정도 크게 계산되었지만, 전반적인 경향이 잘 재현된 것으로 판단된다.
12). 실험실 시험에서 계측된 응력은 물 주입 이후 급격하게 증가한 후 서서히 증가하여 시험이 시작된 20,000 시간 이후 약 1.45 MPa로 계측되었다. 반면, 수치해석에서는 계산된 수직방향으로의 응력은 상대적으로 서서히 증가하는 것으로 계산되었으며 20,000 시간이 경과한 시점에서의 1.
13). 암반으로부터의 지하수 유입으로 벤토나이트 완충재는 팽윤을 하게 되어 암반 주변 완충재의 건조밀도는 감소하게 되고, 암반 주변에서 팽윤된 벤토나이트 완충재로 인해 히터부근의 완충재는 압밀되어 건조밀도가 증가하는 것으로 나타났다. 벤토나이트 완충재의 열적, 수리적, 그리고 역학적 물성은 건조밀도에 큰 영향을 받기 때문에(ENRESA, 2000), 완충재의 열-수리-역학적 복합거동을 잘 재현하기 위해서는 완충재의 건조밀도 변화를 예측할 수 있어야 하고, 건조밀도 변화에 따른 물성변화를 반영해 주어야 할 것으로 판단된다.
물 주입은 상부에서 이루어졌기 때문에 Rh1 센서에서 먼저 상대습도가 증가하는 것으로 나타났다. 이후, 지속적인 물 주입으로 인해 약 7,500 시간이 지난 이후에 Rh2에서 상대습도가 증가하는 것으로 나타났으며, Rh3에서는 약 10,000 시간이 지난 이후 조금씩 증가하는 것으로 나타났다. 수치해석에서 계산된 물 주입 이후의 상대습도를 살펴보면 전반적으로 유사한 경향을 보이고 있다.
계측된 상대습도와 계산된 상대습도 변화 역시 유사한 경향을 보였기 때문에 사용된 투수계수, 수분보유곡선, Klinkenberg parameter 그리고 상대 투수계수 함수는 적절한 것으로 판단된다. 하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작으면서 느리게 계산된 점과 히터 주변에서의 상대습도 변화가 계측값에 비해 조금 빠르게 변화하는 점으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 있는 것으로 판단되며 사용된 두 모델로는 완충재의 복잡한 THM 복합거동을 현실적으로 재현하기에는 부족한 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 THM 모델과 TOUGH2-FLAC3D 해석 시뮬레이터를 이용해서 벤토나이트 완충재의 THM 복합거동 변화의 경향성을 예측하기에는 큰 무리가 없어 보이지만, 실험실 시험과 현장시험에서 관찰되는 THM 복합거동 특성을 면밀한 분석하기 위해서는 추후 BBM을 이용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
TH 모델이 벤토나이트 펠렛에 적용하기에 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트에서의 온도 변화와 상대습도의 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는지를 살펴보았다. 히터의 온도 및 계측지점에서의 온도에 대한 실측치와 계산값이 유사한 경향을 보이는 것으로 볼 때, 사용된 열전도도 모델은 타당한 것으로 판단된다. 하지만 물 주입부에서의 온도가 상대적으로 낮게 나타났기 때문에 시험장비의 열전도도에 대한 교정은 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

반면에 물 주입이 이루어진 상부는 상대적으로 건조밀도가 낮고 수리전도도가 커지게 되어 물의 유입이 더욱더 쉽게 일어날 수 있게 되어 팽윤압의 변화가 더욱더 빠르게 나타날 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, BBM을 이용하고 건조밀도 변화에 따른 완충재의 열적 그리고 수리적 물성 변화를 반영하여 수치해석을 수행한다면 시험에서 계측된 수리-역학적 복합거동을 조금 더 현실적으로 재현할 수 있을 것으로 판단된다.
, 1990)과 같은 모델을 사용해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 탄성모델은 포화도 혹은 흡입력(suction pressure)의 변화에 따른 체적변형계수(bulk modulus, K)의 변화가 없지만 BBM에서는 체적변형계수가 흡입력의 함수로 나타나며(Rutqvist et al., 2011, Lee et al., 2019, Lee et al., 2020), 흡입력 변화에 따른 체적 변형률과 그에 따른 팽윤압의 변화가 현실적으로 모사되기 때문에(Alonso et al., 1990, Gens, 1995) 시간에 따른 축방향 응력변화가 조금 더 현실적으로 재현될 수 있을 것으로 판단된다.
하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작으면서 느리게 계산된 점과 히터 주변에서의 상대습도 변화가 계측값에 비해 조금 빠르게 변화하는 점으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 있는 것으로 판단되며 사용된 두 모델로는 완충재의 복잡한 THM 복합거동을 현실적으로 재현하기에는 부족한 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 THM 모델과 TOUGH2-FLAC3D 해석 시뮬레이터를 이용해서 벤토나이트 완충재의 THM 복합거동 변화의 경향성을 예측하기에는 큰 무리가 없어 보이지만, 실험실 시험과 현장시험에서 관찰되는 THM 복합거동 특성을 면밀한 분석하기 위해서는 추후 BBM을 이용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
컬럼 시험에서 계측된 수리-역학적 복합거동을 좀 더 현실적으로 재현하기 위해서는 다양한 모델을 이용하여 적절한 모델을 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다. 특히, 벤토나이트 완충재의 역학적 거동을 잘 모사하는 것으로 알려진 Barcelona Basic Model (BBM) (Alonso et al., 1990)과 같은 모델을 사용해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 탄성모델은 포화도 혹은 흡입력(suction pressure)의 변화에 따른 체적변형계수(bulk modulus, K)의 변화가 없지만 BBM에서는 체적변형계수가 흡입력의 함수로 나타나며(Rutqvist et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사성 붕괴열은 어떠한 영향을 초래하는가?	고준위방사성폐기물(high-level radioactive waste, HLW)의 특성 중 하나인 방사성 붕괴열(decay heat)은 고준위방사성폐기물 처분 시스템 및 처분장 주변 암반의 온도 분포에 영향을 미칠 뿐만 아니라 온도 변화에 따른 열응력을 유발하여 처분시스템 및 처분장 주변 암반의 응력 상태에 영향을 미치게 된다. 그리고 처분 시스템으로 유입되는 지하수는 벤토나이트 완충재의 열전도도를 변화시켜 처분 시스템의 열적 거동을 변화시키게 되고, 포화도 변화에 따른 팽윤압(swelling pressure)이 발생하여 처분 시스템 및 처분장 주변의 응력 상태를 변화시키게 된다.
	THM 복합거동의 예측의 어려움으로 진행하는 프로젝트는 무엇인가?	하지만 THM 복합거동은 비선형적인 거동을 보이며, 구성방정식에 필요한 인자 수가 많기 때문에 복합 거동을 예측하는 것은 매우 어렵다. 이러한 어려움을 효과적으로 해결하고 상호 검증하고자 세계 각국의 모델링 전문가들이 모여 국제 공동연구인 DECOVALEX(DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments) 프로젝트를 1992년부터 진행해오고 있다(Birkholzer et al., 2019).
	벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동을 모델링하기위해 사용한 시뮬레이터는?	벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동을 모델링하기 위해 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 TOUGH2(Pruess et al., 1999)와 Itasca consulting group에서 개발한 FLAC3D(ITASCA, 2009)를 연동하여 계산하는 TOUGH2-FLAC3D(Rutqvist, 2011) 해석 시뮬레이터를 이용하였다. TOUGH2에서 일정시간(△t)에 대해 열·수리 해석을 수행하고 TH 해석의 결과인 온도, 압력 그리고 포화도를 FLAC3D의 입력값으로 사용하여 역학적 해석을 수행하여 응력과 변위를 계산한다.

참고문헌 (20)

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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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