DECOVALEX-2019 Task G 소개: EDZ Evolution – 굴착손상영역 평가를 위한 수리전도도 및 투수량계수 측정의 신뢰도, 적합성 및 중요성

권새하(Saeha Kwon),민기복(Ki-Bok Min) 한국암반공학회 2020 터널과지하공간 Vol.30 No.4

사용후핵연료의 심층처분 사업에서는 처분장 주변 모암의 수리역학적 성능을 저하시키는 굴착손상영역의 특성화가 중요하다. 이에 DECOVALEX-2019 프로젝트의 Task G에서는 균열암반 수치해석 모델을 구축한 후 암반 주변의 굴착손상영역의 수리역학적 거동을 모사하고, 구축한 모델로 처분장의 운영 시에 장기적으로 야기될 수 있는 추가적인 수리학적 변화를 관찰하였다. 과업의 첫 번째 단계에서는 2차원 균열암반 모델을 구축하여 수치해석 기법의 특성을 파악하고, 두 번째 단계에서는 3차원 균열암반 모델로 확장 후 스웨덴 애스푀 지하연구시설(Aspo Hard Rock Laboratory) 내 TAS04 간섭시험 결과와 비교하여 수치해석 모델을 검증한 후, 세 번째 단계에서는 열과 빙하 하중에 의한 영향을 반영하여 균열암반의 수리역학적 반응을 순차적으로 확인하였다. 과업의 전 과정에서 유한요소법과 개별요소법으로 균열암반에서의 수리역학적 분석을 수행하였으며, 균열의 기하학적 특성을 반영 및 굴착손상영역을 반영하는 과정에서 각 수치해석 기법에 따라 다양한 접근방법으로 고려하였다. 따라서 본 연구는 향후 결정질 균열암반에 사용후핵연료 처분장을 계획할 시 수치해석 단계에서 채택될 수 있는 다양한 접근 방법과 고려해야 할 사항들을 제시할 수 있을 것으로 전망한다. Characterizations of Excavation Damage Zone (EDZ), which is hydro-mechanical degrading the host rock, are the important issues on the geological repository for the spent nuclear fuel. In the DECOVALEX 2019 project, Task G aimed to model the fractured rock numerically, describe the hydro-mechanical behavior of EDZ, and predict the change of the hydraulic factor during the lifetime of the geological repository. Task G prepared two-dimensional fractured rock model to compare the characteristics of each simulation tools in Work Package 1, validated the extended three-dimensional model using the TAS04 in-situ interference tests from Äspö Hard Rock Laboratory in Work Package 2, and applied the thermal and glacial loads to monitor the long-term hydro-mechanical response on the fractured rock in Work Package 3. Each modelling team adopted both Finite Element Method (FEM) and Discrete Element Method (DEM) to simulate the hydro-mechanical behavior of the fracture rock, and added the various approaches to describe the EDZ and fracture geometry which are appropriate to each simulation method. Therefore, this research can introduce a variety of numerical approaches and considerations to model the geological repository for the spent nuclear fuel in the crystalline fractured rock.

스웨덴 포쉬마크 중저준위 방사성 폐기물 지하 처분장 확장 계획 소개

권새하(Saeha Kwon),민기복(Ki-Bok Min),우베 스테판손(Ove Stephansson) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.5

스웨덴 포쉬마크 (Forsmark)지역에서는 1988년부터 세계 최초의 동굴식 중저준위 방사성 폐기물 처분장(SFR1)이 운영되고 있다. 4개의 터널 및 1개의 사일로에 용량 63,000 ㎥의 처분공간이 확보되어 연간 1,000 ㎥의 폐기물을 처분할 수 있었지만, 스웨덴 내 12기 중 10기의 원자로의 수명이 연장되고, 나머지 2기의 원자로가 폐쇄되어 추가 폐기물 처분에 대한 요구가 발생하게 되었다. 따라서 6기의 수평터널을 추가로 건설하여 폐기물과 9개의 반응로 용기 처분을 위한 108,000 ㎥의 처분 공간을 확보할 계획으로 스웨덴 방사성폐기물 관리주식회사(SKB)는 SFR3으로의 확장을 위한 허가 신청서를 2014년 정부에 제출하였다. 본 연구에서는 SFR3의 추가 확장계획에 대해 소개하고, SFR3의 계획 시에 고려된 지질학적, 암반공학 및 암반수리학적인 요소들을 소개하였다. The world’s first underground repository for low- and intermediate- level radioactive waste (SFR1) has been in operation since 1988. SFR1 can accommodate 1,000 ㎥ of radioactive waste per year with 4 chambers and 1 silo with a total capacity of 63,000 ㎥ of radioactive waste. With extended operation time of 10 of the 12 nuclear power reactors and dismantling of the other 2 nuclear reactors, more nuclear waste need to be disposed in the future. Therefore, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB) submitted a license application for a repository extension (SFR3) that consists of 6 additional rock chambers with a capacity of 108,000 ㎥ of radioactive waste and for accommodating 9 boiling water reactor tanks. In this study, plans for the extension SFR3 are presented with the geological, geomechanical and hydrogeological issues to be considered.

고준위방사성폐기물 심층처분장 모델링을 위한 불연속체 기반 수리-역학 복합거동 해석기법 현황 분석

권새하(Saeha Kwon),김광일(Kwang-Il Kim),이창수(Changsoo Lee),김진섭(Jin-Seop Kim),민기복(Ki-Bok Min) 한국암반공학회 2021 터널과지하공간 Vol.31 No.5

고준위방사성폐기물 심층처분장 내 천연방벽은 방사성핵종의 누출을 방지 및 지연할 수 있는 수리학적 특성을 갖춰야 한다. 결정질 암반의 경우 불연속면에 의해 수리학적 성능이 결정되기 때문에, 불연속면의 수리-역학적 복합거동에 대한 자세한 모사가 필요하다. 불연속체 기반 해석기법은 불연속면의 생성, 전파, 변형, 미끄러짐과 같은 복잡한 거동을 구현할 수 있어 결정질 암반 모사에 적합하다. 본 연구에서는 불연속면에서의 수리-역학 복합거동에 초점을 맞추어, UDEC, 3DEC, PFC, DDA, FRACOD, TOUGH-UDEC과 같은 상용화된 불연속체 기반 수리-역학 복합거동 해석기법을 조사하였다. 블록 기반 불연속체 해석기법의 경우 주로 불연속면 상에서 진행되는 유체 유동을 바탕으로 수리-역학 복합거동을 해석하였고, 그중 일부는 다른 수리학적 해석기법과의 결합을 통하여 모델 전체에 대한 수리-역학적 복 합거동을 제공하였다. 입자 기반 불연속체 해석기법의 경우에는 입자 사이로 흐르는 유체를 반영하여 불 연속체 모델 전체에 해당하는 수리-역학적 복합거동 모사가 가능하다. 현재까지 상용화된 불연속체 기 반 복합거동 해석기법은 2차원 해석만 제공하거나, 수리학적 해석 성능이 떨어지고, 불연속면에서의 유 체 유동만 고려되거나, 자세한 수리학적 해석을 지원하지 않는 등의 한계점이 있어 고준위방사성폐기물 심층처분시스템의 정확한 수리-역학 모델링에는 적합하지 않을 수 있다. 본 기술보고에서 검토한 다양 한 해석기법들의 장단점을 참고하여 향후 처분시스템을 정확하고 자세하게 모사할 수 있는 불연속체 기 반 수리-역학 복합거동 해석기법의 개발이 필요하다. Natural barrier systems surrounding the geological repository for the high-level radioactive waste should guarantee the hydraulic performance for preventing or delaying the leakage of radionuclide. In the case of the behavior of a crystalline rock, the hydraulic performance tends to be decided by the existence of discontinuities, so the coupled hydro-mechanical(HM) processes on the discontinuities should be characterized. The discontinuum modelling can describe the complicated behavior of discontinuities including creation, propagation, deformation and slip, so it is appropriate to model the behavior of a crystalline rock. This paper investigated the coupled HM processes in discontinuum modelling such as UDEC, 3DEC, PFC, DDA, FRACOD and TOUGH-UDEC. Block-based discontinuum methods tend to describe the HM processes based on the fluid flow through the discontinuities, and some methods are combined with another numerical tool specialized in hydraulic analysis. Particle- based discontinuum modelling describes the overall HM processes based on the fluid flow among the particles. The discontinuum methods that are currently available have limitations: exclusive simulations for two-dimension, low hydraulic simulation efficiency, fracture-dominated fluid flow and simplified hydraulic analysis, so it could be improper to the modelling the geological repository. Based on the concepts of various discontinuum modelling compiled in this paper, the advanced numerical tools for describing the accurate coupled HM processes of the deep geological repository should be developed.

이방성 파괴 모델을 이용한 횡등방성 암반 내 시추공 안정성 해석

김한나,권새하,민기복 한국자원공학회 2015 한국자원공학회지 Vol.52 No.4

This study presents borehole stability analysis in transversely isotropic rock using analytical and numerical models. The study includes the verification of existing analytical solution, comparison of the isotropic and anisotropic model, and comparison of the range of borehole breakout that is predicted using the anisotropic Mohr-Coulomb failure criterion considering strength anisotropy. A various scenarios with depth in transversely isotropic rock are considered in order to examine the borehole breakout. As a result, the elastic modulus anisotropic ratio (E/E’) and shear modulus anisotropic ratio(G/G’) have big influence on the stress distribution but the effect of anisotropic ratio of Poisson’s ratio (ν/ν’) is not great. The prediction of borehole breakout that does not consider the anisotropic behavior of rock can lead to erroneous results, therefore it is necessary to consider the anisotropy in borehole stability analysis in anisotropic rock. 본 연구는 이론해와 수치해를 이용하여 횡등방성 암반에 대한 시추공 안정성 해석을 실시하였다. 기존에 제안된 횡등방성 암반 내 시추공 주변에서의 응력 분포에 관한 이론해와 수치해석을 통한 탄성해를 분석하였으며, 강도이방성을 고려한 이방성 파괴 모델에서의 시추공벽 붕괴 범위를 예측해보고 이를 등방성 파괴모델을사용한 경우와 비교해 보았다. 또한 심도가 깊어짐에 따라 예상되는 시추공벽 붕괴 결과에 대해 검토하였다. 그 결과, 포아송비 이방성비(ν/ν’)의 영향은 미비하였으나 탄성계수 이방성비(E/E’)와 전단탄성계수의 이방성비(G/G’) 정도에 따라 응력 분포 양상에 큰 차이가 있었다. 또한 대상암반 주변의 응력 경계 조건에 의해서 뿐만아니라 암반의 탄성계수 이방성과 강도 이방성의 고려 유무에 따라서 시추공벽 주변의 파괴형태에 상당한 차이가 있음을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 결과를 감안할 때 시추공의 안정성 해석 수행 시에는 암석의 이방적특성을 고려하는 것이 필수적이라 판단된다.

고준위방사성폐기물 심부시추공 처분 기술의 현황과 전망 – 대구경 장심도 시추공 거동 특성을 중심으로

박보나,권새하,민기복 한국자원공학회 2017 한국자원공학회지 Vol.54 No.4

This technical note describes the status and outlook of high-level radioactive waste disposal in a deep borehole, which is considered as an alternative way to isolate spent fuel and/or high-level radioactive waste permanently. The deep borehole disposal (DBD) concept consists of drilling into deep crystalline basement rock, emplacing waste canisters in the lower disposal zone of the borehole, and sealing and plugging the upper portion of the borehole through backfill. To make this concept viable, we should develop a new drilling technology that can achieve relatively larger bottom hole diameter drilling. It is expected that the large diameter drilling contributes to unpredictable borehole instability, e.g., severe borehole breakout or lost circulation, which takes up the additional cost. Furthermore, lack of scientific drilling experience in Korea, compared with other countries with rich experience and obstacle to find an appropriate site still remains as a challenge to overcome. 본 기술보고에서는 고준위방사성폐기물 혹은 사용후핵연료를 생태계로부터 영구격리 시키기 위한 방안으 로 생태계와의 이격거리가 멀고 투수율이 매우 낮은 지층에 처분하기 때문에 안전성 측면에서 유리하다고 평가되는 심부시추공 처분 기술의 현황 및 전망에 대해 알아보았다. 결정질 기반암이 존재하는 심도까지 시추하여 하부 처분구 간에 고준위방사성폐기물 처분용기를 적치하고 상부 구간은 벤토나이트 등으로 완전히 밀봉시키는 이 방식은 아직 기술적으로 실현가능성이 검증되지 못하였다. 현존하는 시추기술로 이 방식을 실현가능하게 하려면 시추공의 직경 을 최소 두배로 늘리는 새로운 기술이 개발되어야 한다. 이때 시추공 직경 증가에 따른 크기효과가 시추 시 불안정성을 야기하여 시추비용이 증가할 것으로 예상된다. 또한 선진국에 비해 부족한 기술 축적 현황과 심부시추공 처분장 건설 에서 적합한 부지확보의 어려움은 극복해야 할 과제로 남아있다.

암반 내 불연속면의 장기 전단 거동 평가를 위한 고찰

임주휘,권새하,최승범,김태현,민기복 한국암반공학회 2023 터널과지하공간 Vol.33 No.1

Long-term shear behavior of the rock discontinuities should be analyzed and its stability should be evaluated to ensure the long-term stability of a high-level radioactive waste disposal repo- sitory. The long-term shear behavior of the discontinuities can be modeled with creep and RSF models. The shear creep test, velocity step test, and slide-hold-slide test can be performed to determine their model parameters or analyze the shear behavior by experiments under various conditions. Testing apparatuses for direct shear, triaxial compression, and biaxial shear were mainly used and improved to reproduce the thermo-hydro-mechanical conditions of local bedrock, and it was confirmed that the shear behavior could vary. In order to design a high-level radioactive waste disposal site in Korea, the long-term behavior of rock discon- tinuities should be investigated in consideration of rock types, thermo-hydro-mechanical conditions, metamorphism, and restoration of shear resistance. 고준위방사성폐기물 처분장의 장기 안정성을 확보하기 위해서 암반 불연속면의 장기적인 전단 거동을분석하고 그 안정성을 평가해야 한다. 암반 불연속면의 장기 전단 거동은 크리프 모델, RSF 모델로 모사될 수 있고, 전단 크리프 시험, 속도 단계 시험, 슬라이드-홀드-슬라이드 시험을 통해 모델에 필요한 파라미터를 결정하거나 여러 조건에서 전단 거동을 분석하는 실험을 수행할 수 있다. 기존 연구에 따르면 전단 실험을 위하여 직접전단시험기, 삼축압축시험기, 이축전단시험기가 주로 이용되었으며 현지 암반의열-수리-역학적인 조건을 재현하기 위해 다양하게 개선된 장비가 이용되었고 그에 따라 다양한 양상의전단 거동이 관찰되었다. 그러므로 국내 고준위방사성폐기물 처분장을 설계하기 위해서 처분장 부지의암종, 열-수리-역학적 조건, 광물의 변성, 그리고 전단 저항의 회복 등을 고려하여 암반 불연속면의 장기거동을 검토해야 한다.

K-COIN 시험부지 특성화를 위한 암석역학 실내실험 기초 연구

최승범,김태현,권새하,김진섭 한국암반공학회 2023 터널과지하공간 Vol.33 No.3

Disposal repository for high-level radioactive waste secures its safety by means of engineered and natural barriers. The performance of these barriers should be tested and verified through various aspects in terms of short and/or long-term. KAERI has been conducting various in-situ demonstrations in KURT (KAERI Underground Research Tunnel). After completing previous experiment, a conceptual design of an improved in-situ experiment, i.e. K-COIN (KURT experi- ment of THMC COupled and INteraction), was established and detailed planning for the experiment is underway. Preliminary characterizations were conducted in KURT for siting a K-COIN test site. 15 boreholes with a depth of about 20 m were drilled in three research galleries in KURT and intact rock specimens were prepared for laboratory tests. Using the specimens, physical measurements, uniaxial compression, indirect tension, and triaxial com- pression tests were conducted. As a result, specific gravity, porosity, elastic wave velocities, uniaxial compressive strength, Young’s modulus, Poisson’s ratio, Brazilian tensile strength, cohesion, and internal friction angle were estimated. Statistical analyses revealed that there did not exist meaningful differences in intact rock properties according to the drilled sites and the depth. Judging from the uniaxial compressive strength, which is one of the most important properties, all the specimens were classified as very strong rock so that mechanical safety was secured in all the regions. 고준위방사성폐기물처분장은 공학적/천연 방벽 등을 통해 처분장의 안전성을 확보한다. 이러한 안전 수단은 다양한 방법을 통해 장/단기적 성능을 평가하고 검증되어야 한다. 한국원자력연구원은 원내에 위치한 지하연구시설인 KURT를 이용해 다양한 현장 실증실험을 수행해왔다. 선행 시험 종료 후, 개선된형태의 실증실험인 K-COIN을 수행하기 위해 개념 설계안을 도출하고 상세 실험계획을 수립 중이다. KURT 내부에 K-COIN 실험부지 선정을 위한 예비 부지조사를 수행하였다. 연구 모듈(research gallery, RG) 세 구역에 약 20 m 심도의 시추공 총 15개를 시추하여 시추코어를 확보하고 암석 실내시험에 적합한 구간을 선정하여 무결암 시험편을 준비하였다. 준비된 시험편을 사용하여 물리적 특성 측정, 단축압축시험, 간접인장시험, 삼축압축시험을 수행했으며 이를 통해 무결암의 비중, 공극률, 탄성파 속도, 단축압축강도, 탄성계수, 포아송비, 간접인장강도, 점착력, 내부 마찰각을 측정하였다. 간단한 통계 처리를수행한 결과, 시추 구역과 심도(상부 0~10 m, 하부 10~20 m)에 따른 무결암 물성의 차이는 크지 않은것으로 확인되었다. 가장 대표적인 암석 물성인 단축압축강도를 바탕으로 판단하면, 모든 시추 구역과심도에서 매우 강한 암석으로 분류되어 모든 후보 지역에서 역학적인 안전성을 확보한 것으로 판단된다.

굴착 및 열응력을 고려한 절리암반 내 처분공동 주변에서의 전단영역 및 균열간극 변화 분석

홍수연(Suyeon Hong),권새하(Saeha Kwon),민기복(Ki-Bok Min),지성훈(Sung-Hoon Ji) 한국암반공학회 2021 터널과지하공간 Vol.31 No.2

핀란드의 사용후핵연료 지층처분 현황 및 암반공학 관련 연구소개

홍수연(Suyeon Hong),권새하(Saeha Kwon),민기복(Ki-Bok Min),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2019 터널과지하공간 Vol.29 No.4

본 기술보고에서는 세계 최초로 사용후핵연료의 지층처분장 건설에 착수한 핀란드의 방사성폐기물 처분사업과 연구현황을 기술하였다. 핀란드는 1977년 원자력발전을 시작하였고, 현재 4기의 원자력발전소를 운영 중에 있다. 1993년부터 상세 부지조사가 진행되어 2001년에 올킬루오토(Olkiluoto)가 지층처분의 부지로 최종 확정되었으며, 2015년에 건설허가가 발급되었다. 2020년대에 정부에 의해 운영허가가 나면 세계 최초로 지층처분장을 운영하는 사례가 될 것이다. 올킬루오토 부지에 있는 부지특화 지하연구시설인 온칼로(ONKALO)에서는 처분장의 안전성 검증을 위한 다양한 연구들이 수행되었다. 핀란드의 사용후핵연료 처분 부지 암반은 결정암질로 KBS-3 처분개념을 사용하기에, 결정암질 암반이 주를 이루는 한국 또한 유사한 처분개념을 고려 중이다. 핀란드 내의 중저준위 폐기물 처분장 운영 현황과 현재까지 진행된 지층처분장 부지조사 및 선정단계를 포함한 전 과정을 소개하고, 현지 지하연구시설인 온칼로에서의 최신 암반역학 및 수리지질학적 실험 및 수치해석 등의 연구들을 정리하였다. 마지막으로 핀란드의 사례를 바탕으로 한국의 방사성폐기물 처분사업을 위한 방향을 제시한다. This technical note describes the current status of Finnish radioactive waste disposal project which started to construct the repository for spent nuclear waste for the first time in the world. Finland started operating nuclear power plant in 1977 and is currently operating four nuclear power plants. After detailed site surveys started in 1993, Olkiluoto was finally selected by the parliament of Finland as the site for geological disposal in 2001 followed by a construction license in 2015. If the operating license is approved by the government in the 2020s, it would be the world"s first case of geological disposal. In ONKALO, a site-specific underground research facility at the site of Olkiluoto, various studies were conducted to verify the safety of the repository. Finland uses the KBS-3 disposal concept, and Korea considers a similar disposal concept because of similar rock formations. The entire process in Finland including the operation status of intermediate and low-level waste disposal, site investigation and selection stages, and the latest rock mechanics and hydrogeological studies in ONKALO are presented. Suggestions for the radioactive waste disposal in Korea is given based on the Finnish case.

EGS 인공저류층 지열시스템 설계를 위한 통합 시뮬레이터 개발

박세혁(Sehyeok Park),김광일(Kwang-Il Kim),권새하(Saeha Kwon),시린마오(Linmao Xie),유화정(Hwajung Yoo),민기복(Ki-Bok Min),김광염(Kwang Yeom Kim) 한국신재생에너지학회 2016 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5