• Technical Note

    포화 압축 벤토나이트 내 기체 이동 현상 관측을 위한 기체 주입 시험

    Gas Injection Experiment to Investigate Gas Migration in Saturated Compacted Bentonite

    김정태, 이창수, 이민형, 김진섭, 강신항

    Jung-Tae Kim, Changsoo Lee, Minhyeong Lee, Jin-Seop Kim, Sinhang Kang

    처분 환경에서는 혐기성 부식, 방사선 분해, 미생물 분해와 같은 다양한 원인으로 처분용기와 완충재의 경계면에서 기체가 발생할 수 있다. 기체의 발생 속도가 완충재 …

    In the disposal environment, gases can be generated at the interface between canister and buffer due to various factors such as anaerobic …

    + READ MORE
    처분 환경에서는 혐기성 부식, 방사선 분해, 미생물 분해와 같은 다양한 원인으로 처분용기와 완충재의 경계면에서 기체가 발생할 수 있다. 기체의 발생 속도가 완충재 내부에서의 확산 속도보다 빠를 경우, 완충재 내부에 기체가 압축되어 공극 압력이 증가함으로써 완충재의 물리적 손상을 유발할 수 있다. 특히 이때 발생한 균열을 통해 기체돌파현상이라 불리는 급격한 기체 이동 현상과 함께 방사성 핵종이 누출될 가능성이 있다. 따라서 처분 시스템의 안전성 평가를 위해서는 이러한 기체 발생 및 이동 현상에 대한 이해가 필수적이다. 이 연구에는 완충재 내 기체 이동 현상 규명을 위한 시험 장치를 문헌 연구를 통해 구축하고, 이를 활용하여 한국형 처분 시스템의 완충재 후보 물질 중 하나인 Bentonile WRK (Clariant Ltd.) 분말로 제작한 압축 시료에 대한 기체 주입 시험을 수행하였다. 시험 결과, 완충재 내 기체돌파현상 발생 지점에서 일반적으로 관측되는 특성인 응력 및 압력의 급격한 상승 경향이 뚜렷하게 관찰되었다. 또한 완충재 팽윤으로 기인한 응력의 범위는 4.7~9.1 MPa이었으며, 기체 유입 압력으로 간주할 수 있는 기체돌파현상 발생 시의 압력은 약 7.8 MPa로 확인되었다. 구축된 장치는 향후 완충재의 초기 물성 및 기체 주입 실험 초기 조건에 대한 데이터베이스 구축을 위한 다양한 실험에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.


    In the disposal environment, gases can be generated at the interface between canister and buffer due to various factors such as anaerobic corrosion, radiolysis, and microbial degradation. If the gas generation rate exceeds the diffusion rate, the gas within the buffer may compress, resulting in physical damage to the buffer due to the increased pore pressure. In particular, the rapid movement of gases, known as gas breakthroughs, through the dilatancy pathway formed during this process may lead to releasing radionuclide. Therefore, understanding these gas generation and movement mechanism is essential for the safety assessment of the disposal systems. In this study, an experimental apparatus for investigating gas migration within buffer was constructed based on a literature review. Subsequently, a gas injection experiment was conducted on a compacted bentonite block made of Bentonile WRK (Clariant Ltd.) powder. The results clearly demonstrated a sharp increase in stress and pressure typically observed at the onset of gas breakthrough within the buffer. Additionally, the range of stresses induced by the swelling phenomenon of the buffer, was 4.7 to 9.1 MPa. The apparent gas entry pressure was determined to be approximately 7.8 MPa. The equipment established in this study is expected to be utilized for various experiments aimed at building a database on the initial properties of buffer and the conditions during gas injection, contributing to understanding the gas migration phenomena.

    - COLLAPSE
    30 April 2024
  • Technical Note

    국외 사례를 통한 사용후핵연료 심층처분시스템 완충재 및 뒤채움재의 현장시공 및 포화도 관리 기술 분석

    Review of In-situ Installation of Buffer and Backfill and Their Water Saturation Management for a Deep Geological Disposal System of Spent Nuclear Fuel

    윤주원, 조원진, 김형목

    Ju-Won Yun, Won-Jin Cho, Hyung-Mok Kim

    완충재 및 뒤채움재는 심지층처분시스템 공학적방벽 구성요소로 고준위방사성폐기물을 안전하게 격리하고 폐기물로부터 유출되는 방사성핵종의 누출을 지연시키는 데 필수적인 역할을 한다. 완충재 및 뒤채움재로는 팽윤특성을 …

    Buffer and backfill play an essential role in isolating high-level radioactive waste and retard the migration of leaked radionuclides in deep geological …

    + READ MORE
    완충재 및 뒤채움재는 심지층처분시스템 공학적방벽 구성요소로 고준위방사성폐기물을 안전하게 격리하고 폐기물로부터 유출되는 방사성핵종의 누출을 지연시키는 데 필수적인 역할을 한다. 완충재 및 뒤채움재로는 팽윤특성을 보이는 벤토나이트 혼합물의 사용이 고려되고 있으며 주변 암반으로부터 과도한 지하수의 유입은 이러한 공학적방벽의 안정성과 효율성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 심층처분장의 안전성 확보를 위해서는 완충재 및 뒤채움재의 엄격한 품질기준 및 현장관리 방안수립과 유입 지하수를 처리할 수 있는 기술이 요구된다. 본 고에서는 다양한 실험실 시험뿐만 아니라 스웨덴 Äspö Hard Rock Laboratory에서 수행된 처분터널 1/2 규모의 Steel Tunnel Test 사례를 심층 분석하여 완충재 및 뒤재움재의 설계 요구사항을 파악하고 현장실험 사례를 통해 파악된 품질관리 요소 및 방안을 소개하였다. 또한, 완충재 및 뒤채움재의 현장시공 안정성과 효율성을 확보하기 위한 처분갱도에서의 유입 지하수 처리방법에 대해 소개하고 벤토나이트 펠렛 채움 내의 지하수 저장능력과 토목섬유(geotextile) 사용 효과에 대한 검증 결과를 소개하였다.


    Buffer and backfill play an essential role in isolating high-level radioactive waste and retard the migration of leaked radionuclides in deep geological disposal system. A bentonite mixture, which exhibits a swelling property, is considered for buffer and backfill materials, and excessive groundwater inflow from surrounding rock mass may affect stability and efficiency of their role as an engineered barrier. Therefore, stringent quality control as well as in-situ installation management and inflow water constrol for buffer and backfill are required to ensure the safety of deep disposal facilities. In this study, we analyzed the design requirements of buffer and backfill by examining various laboratory tests and a field study of the Steel Tunnel Test at the Äspö Hard Rock Laboratory in Sweden. We introduced how to control the quality of buffer and backfill construction in-field, and also presented how to handle excessive groundwater inflow into disposal caverns, validating the groundwater retention capacity of bentonite pellets and the effectiveness of geotexile use.

    - COLLAPSE
    30 April 2024
  • Original Article

    TOUGH-FLAC 기법을 이용한 점열원 주변지반의 복합거동에 대한 벤치마크 수치모사

    Benchmark Numerical Simulation on the Coupled Behavior of the Ground around a Point Heat Source Using the TOUGH-FLAC Approach

    박도현

    Dohyun Park

    수치해석 기법의 강건성은 다양한 모델링 조건에서 계산 성능이 유지되는 것을 의미하며, 새로운 해석기법 또는 수치코드는 벤치마크 테스트를 통해 강건성이 평가될 필요가 있다. …

    The robustness of a numerical method means that its computational performance is maintained under various modeling conditions. New numerical methods or codes …

    + READ MORE
    수치해석 기법의 강건성은 다양한 모델링 조건에서 계산 성능이 유지되는 것을 의미하며, 새로운 해석기법 또는 수치코드는 벤치마크 테스트를 통해 강건성이 평가될 필요가 있다. TOUGH-FLAC 모델링 기법은 국내외적으로 이산화탄소 지중저장, 사용후핵연료 지층처분, 지열 개발 등 다양한 분야에 적용되었으며, 실험 계측자료, 다른 수치코드들과의 결과 비교를 통해 모델링 유효성이 분석되었다. 본 연구에서는 해석해를 갖는 열-수리-역학적 복합거동 문제를 토대로 TOUGH-FLAC 기법의 벤치마크 테스트를 수행하였다. 적용된 해석해는 완전히 포화된 지반에 점열원 작용 시 주변매질의 온도, 간극수압, 역학적 거동과 관계되며, 해석해와 수치모사 결과를 비교하여 TOUGH-FLAC 기법의 강건성이 평가되었다. 또한, 열-수리-역학 해석의 연계항, 유체 상변화, 시간증분이 복합거동 계산에 미치는 영향을 조사하였다.


    The robustness of a numerical method means that its computational performance is maintained under various modeling conditions. New numerical methods or codes need to be assessed for robustness through benchmark testing. The TOUGH-FLAC modeling approach has been applied to various fields such as subsurface carbon dioxide storage, geological disposal of spent nuclear fuel, and geothermal development both domestically and internationally, and the modeling validity has been examined by comparing the results with experimental measurements and other numerical codes. In the present study, a benchmark test of the TOUGH-FLAC approach was performed based on a coupled thermal-hydro-mechanical behavior problem with an analytical solution. The analytical solution is related to the temperature, pore water pressure, and mechanical behavior of a fully saturated porous medium that is subjected to a point heat source. The robustness of the TOUGH-FLAC approach was evaluated by comparing the analytical solution with the results of numerical simulation. Additionally, the effects of thermal-hydro-mechanical coupling terms, fluid phase change, and timestep on the computation of coupled behavior were investigated.

    - COLLAPSE
    30 April 2024
  • Original Article

    지반 조건과 TBM 운영 파라미터를 고려한 디스크 커터 마모 예측

    Prediction of Disk Cutter Wear Considering Ground Conditions and TBM Operation Parameters

    강윤성, 고태영

    Yunseong Kang, Tae Young Ko

    TBM 공법은 발파 공법에 비해 굴착 중 소음과 진동 수준이 낮고, 안정성이 높은 터널 굴착 공법이며, 전 세계적으로 터널 프로젝트에 TBM 공법을 …

    Tunnel Boring Machine (TBM) method is a tunnel excavation method that produces lower levels of noise and vibration during excavation compared to …

    + READ MORE
    TBM 공법은 발파 공법에 비해 굴착 중 소음과 진동 수준이 낮고, 안정성이 높은 터널 굴착 공법이며, 전 세계적으로 터널 프로젝트에 TBM 공법을 적용하는 사례가 증가하는 추세이다. 디스크 커터는 TBM의 커터헤드에 장착되는 굴착 도구로 지속적으로 막장면 지반과 상호작용하며, 이때 필연적으로 마모가 발생한다. 본 연구에서는 지질 조건과 TBM 운영파라미터, 머신러닝 알고리즘들을 이용하여 디스크 커터 마모를 정량적으로 예측하였다. 디스크커터 마모 예측의 입력변수 중 UCS 데이터의 수가 다른 기계 데이터 및 마모 데이터에 비해 매우 부족하기 때문에, 먼저 TBM 기계 데이터를 이용하여 전체 구간에 대한 UCS 추정을 진행하고, 완성된 전체 데이터로 마모율 계수 예측을 수행하였다. 마모율 계수 예측 모델의 성능을 비교해 본 결과 XGBoost 모델의 성능이 가장 높게 나타났으며, 복잡한 예측 모델의 해석을 위해 SHapley Additive exPlanation (SHAP) 분석을 진행하였다.


    Tunnel Boring Machine (TBM) method is a tunnel excavation method that produces lower levels of noise and vibration during excavation compared to drilling and blasting methods, and it offers higher stability. It is increasingly being applied to tunnel projects worldwide. The disc cutter is an excavation tool mounted on the cutterhead of a TBM, which constantly interacts with the ground at the tunnel face, inevitably leading to wear. In this study quantitatively predicted disc cutter wear using geological conditions, TBM operational parameters, and machine learning algorithms. Among the input variables for predicting disc cutter wear, the Uniaxial Compressive Strength (UCS) is considerably limited compared to machine and wear data, so the UCS estimation for the entire section was first conducted using TBM machine data, and then the prediction of the Coefficient of Wearing rate(CW) was performed with the completed data. Comparing the performance of CW prediction models, the XGBoost model showed the highest performance, and SHapley Additive exPlanation (SHAP) analysis was conducted to interpret the complex prediction model.

    - COLLAPSE
    30 April 2024
  • Original Article

    TBM 디스크 커터 실시간 마모계측 시스템 개발 및 성능검증

    Development and Performance Evaluation of Real-Time Wear Measurement System of TBM Disc Cutter

    주민석, 박민성, 김정주, 송승우, 도승철, 정호영

    Min-Seok Ju, Min-Sung Park, Jung-Joo Kim, Seung Woo Song, Seung Chul Do, Hoyoung Jeong

    TBM 디스크 커터는 굴착 과정에서 마모되고 손상되므로 적절한 시기에 교체되어야 한다. 현재 디스크 커터의 교체 여부는 작업자가 커터헤드 챔버의 내부로 들어가 마모량과 …

    The Tunnel Boring Machine (TBM) disc cutter is subjected to wear and damage during the rock excavation process, and the worn disc …

    + READ MORE
    TBM 디스크 커터는 굴착 과정에서 마모되고 손상되므로 적절한 시기에 교체되어야 한다. 현재 디스크 커터의 교체 여부는 작업자가 커터헤드 챔버의 내부로 들어가 마모량과 상태를 직접 확인하여 결정하는 것이 일반적이다. 이러한 경우 작업자는 항상 위험한 환경에 노출될 뿐만 아니라 인력에 의한 계측 오류가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 디스크 커터의 마모량을 실시간으로 계측하는 기술을 개발하고자 하였다. 일련의 시험을 통해 자기센서를 마모 측정 센서로 결정하였으며, 무선통신모듈, 전원, 데이터 처리 보드 등을 종합한 실시간 디스크 커터 계측시스템을 개발하였다. 또한 개발된 계측시스템을 실제 TBM 굴착환경에 적용하여 계측 정확도와 안정성을 검증하였다.


    The Tunnel Boring Machine (TBM) disc cutter is subjected to wear and damage during the rock excavation process, and the worn disc cutter should be replaced on time. The manual inspection by workers is generally required to determine the disc cutter replacement. In this case, the workers are exposed to dangerous environments, and the measurements are sometimes inaccurate. In this study, we developed a technology that measures the disc cutter wear in real time. From a series of laboratory tests, a magnetic sensor was selected as the wear sensor, and the real-time disc cutter measurement system was developed integrating wireless communication modules, power supply and data processing board. In addition, the measurement system was verified in actual TBM excavation circumstances. As a result, it was confirmed that the accuracy and stability of the system.

    - COLLAPSE
    30 April 2024
  • Original Article

    이축압축실험을 통한 지하공동 손상시 음향방출 및 미소변형 특성 연구

    A Study on Acoustic Emission and Micro Deformation Characteristics During Biaxial Compression Experiments of Underground Opening Damage

    김민준, 최준형, 나태유, 박찬, 채병곤, 박의섭

    Min-Jun Kim, Junhyung Choi, Taeyoo Na, Chan Park, Byung-Gon Chae, Eui-Seob Park

    본 연구에서는 심부 지하공간의 안정성을 평가하고자 심부 응력조건을 반영한 암석블록의 이축압축실험을 통하여 지하공동에서 손상 발생시 발생하는 음향방출 및 미소변형의 특성을 분석하였다. 음향방출 …

    This study investigates acoustic emission (AE) and micro-deformation characteristics of circular openings through biaxial compression experiments. The experimental results showed a significant …

    + READ MORE
    본 연구에서는 심부 지하공간의 안정성을 평가하고자 심부 응력조건을 반영한 암석블록의 이축압축실험을 통하여 지하공동에서 손상 발생시 발생하는 음향방출 및 미소변형의 특성을 분석하였다. 음향방출 특성 분석 결과 지하공동에서 손상 발생 직전에 음향방출 신호의 주파수, 카운트, 에너지, 진폭 특성이 급격히 증가하였다. 특히 주파수와 카운트는 손상 전후에서 특성 차이가 크게 나타나 원형 공동의 손상 특성 분석에 적합한 음향방출 인자인 것으로 나타났다. 이미지상관기법 적용결과 실험 중 공동 주변에 변형이 집중되었음을 변형률의 공간적 분포를 통해 알 수 있었으며, 실험 종료 지점에서는 스폴링 현상이 발생하였음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 원형 공동 손상시 음향방출 및 미소변형 특성은 심지층 활용을 위한 지하공동 안정성 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.


    This study investigates acoustic emission (AE) and micro-deformation characteristics of circular openings through biaxial compression experiments. The experimental results showed a significant increase in the frequency, count, energy, and amplitude of AE signals immediately before damage occurred in the circular opening. The differences in frequency and count between before and after damage initiation were significantly pronounced, indicating suitable factors for identifying damage occurrence in circular openings. The results for digital image correlation (DIC) technique revealed that micro-deformation was concentrated around the openings, as evidenced by the spatial distribution of strain. In addition, spalling was observed at the end of the experiments. The AE and micro-deformation characteristics presented in this study are expected to serve as fundamental data for evaluating the stability of underground openings and boreholes for deep subsurface projects.

    - COLLAPSE
    30 April 2024