1. 서 론
2. 파이핑 및 침식에 관한 선행 연구
2.1 파이핑 및 침식의 발생 조건
2.2 압축 블록의 파이핑 유동 정지 조건에 관한 연구(Börgesson et al., 2005)
2.3 블록 및 펠릿의 파이핑 발생 조건에 관한 연구(Suzuki et al., 2013)
2.4 완충재의 침식률에 관한 연구(Sane et al., 2013)
2.5 펠릿 충전층의 파이핑 및 저유량 조건에 관한 연구(Börgesson et al., 2015)
2.6 국내 연구 현황
2.7 선행 연구의 정리
3. 과립형 벤토나이트의 파이핑 및 침식 거동 시험
3.1 시험 조건
3.2 시험장치
4. 결과 및 고찰
4.1 Test A : GraFi 0.0001 L/min
4.2 Test B : GraFi 0.001 L/min
4.3 Test C : GBM 0.0001 L/min
4.4 Test D : GBM 0.001 L/min
4.5 시험 결과 요약
5. 결 론
1. 서 론
고준위 방사성폐기물 심층처분시설의 장기 안전성은 처분시스템을 구성하는 각 방벽에 요구되는 안전 기능(safety function)을 장기간 유지할 수 있는지에 달려 있다. KBS-3V 처분개념에서 뒤채움(backfill)은 처분용기(canister) 및 완충재(buffer)와 함께 공학적방벽시스템(EBS, engineered barrier system)을 구성하며, 처분터널의 빈 공간을 채워 완충재를 제 위치에 유지시키고 처분용기의 융기를 억제하는 역할을 한다. 또한 처분터널 주변 암반의 역학적 안정성 확보에 기여하고, 처분용기의 건전성이 상실되는 경우에는 방사성 핵종의 이동을 지연시키는 기능을 수행한다(Autio et al., 2013). 벤토나이트는 침투한 지하수를 흡수·팽윤하여 높은 팽윤압과 낮은 수리전도도를 발현하므로 이러한 안전 기능을 장기간 유지하기에 적합한 재료이며, 심층처분을 추진하는 처분 선도국들은 공통적으로 벤토나이트를 뒤채움의 주재료로 채택하고 있다(Autio et al., 2013; Ku et al., 2023).
그러나 이러한 기능은 뒤채움이 충분히 포화·팽윤한 이후에 발휘된다. 처분 직후 뒤채움 재료인 벤토나이트가 불포화 상태에 있고 처분터널 내에 공기로 채워진 공극이 남아있는 단계에서, 암반 균열로부터 유입되는 지하수의 압력이 벤토나이트의 저항을 초과하면 지하수가 벤토나이트를 관통하여 흐르는 파이핑(piping)이 형성된다(Börgesson and Sandén, 2006). 파이핑이 형성되면 파이핑 유로를 따라 벤토나이트 입자가 지속적으로 유실되는 기계적 침식(mechanical erosion)이 뒤따른다(Sane et al., 2013). 이때 발생하는 국부적 질량손실은 뒤채움의 설치 건조밀도를 안전 기능 유지에 요구되는 수준 이하로 떨어뜨려 완충재 지지, 처분용기 융기 억제, 지하수 유동 저지 및 핵종 이동 지연 등 성능 전반의 저하로 이어질 수 있다(Hong et al., 2022). 따라서 파이핑 발생을 억제할 수 있는 지하수의 임계 유입유량을 밝히는 일은 뒤채움 설계의 핵심 요건 중 하나이다.
한편 뒤채움의 설치 방식은 최근 과립형(granular)으로 전환되고 있다. Posiva는 2012년 건설허가 신청 당시 적용한 블록 및 펠릿 방식이 블록 이음새의 침식 방지 불가, 밀도 균질화 미발생, 낮은 시공성 및 경제성 등의 문제를 갖는 것으로 확인됨에 따라 2019년 과립형으로 설계를 변경하고 2021년 운영허가 신청에 반영하였다(Martikainen et al., 2019; Ku et al., 2023). 그러나 임계 유입유량과 관련하여 수행된 선행 연구는 주로 압축 블록 및 펠릿을 대상으로 한 것이며, 국내에서 과립형 재료를 포함하여 수행된 연구(Lee et al., 2024, Kim et al., 2026)도 처분공 갭 충전재로서의 과립을 대상으로 하였다. 롤 압축 후 분쇄·혼합을 거쳐 제조된 과립형 벤토나이트는 과립 내부의 미세공극(micropore)과 그보다 수 자릿수 큰 과립 간 대공극(macropore)으로 이루어진 이중공극구조를 가지며, 습윤 초기에는 대공극을 통한 유동이 지배한다(Hoffmann et al., 2007). 파이핑은 포화 이전 단계에서 발생하는 현상이므로, 입도분포와 설치 건조밀도가 블록 및 펠릿과 구별되는 과립형 재료에 대해서는 기존에 제시된 임계 유입유량을 그대로 적용하기에 한계가 있다.
본 기술보고의 주된 기여는 처분터널 뒤채움재로 채택된 과립형 벤토나이트인 GraFi와 GBM을 대상으로, 설계 요건에 근거한 설치 건조밀도(1.38 g/cm3)와 저유량(0.001 및 0.0001 L/min) 조건에서 수행한 파이핑 및 침식 시험 결과를 제시하는 데 있으며, 선행 연구 검토는 시험 조건을 설정하고 결과를 비교하기 위한 근거로 활용하였다. 이를 위해 2장에서는 처분 선도국 및 국내에서 수행한 파이핑 및 침식 관련 선행 연구를 시험 조건 중심으로 정리하였다. 3장에서는 과립형 뒤채움의 파이핑 및 침식 거동 시험의 조건을 설명하고, 4장에서 시험 결과를 소개한다. 5장에서는 시험 결과를 선행 연구와 비교하여 결론을 제시한다.
2. 파이핑 및 침식에 관한 선행 연구
2.1 파이핑 및 침식의 발생 조건
Börgesson and Sandén(2006)은 파이핑 유로가 형성되고 열린 상태로 유지되기 위한 조건을 다음 세 가지로 정리하였다.
① 균열 내 수압이 벤토나이트가 저항하는 총 압력과 전단저항의 합보다 클 것
② 벤토나이트의 수리전도도가 충분히 낮아 유입수가 벤토나이트 내부로 흡수되지 않고 수압과 높은 동수경사가 유지될 것
③ 침식된 재료가 배출될 수 있는 하류 공간이 존재할 것
침식은 유동에 의한 항력이 입자와 벤토나이트 구조 사이의 마찰력과 인력의 합을 초과할 때 발생하며, 유로의 크기는 벤토나이트의 팽윤에 의한 축소와 침식에 의한 확대가 경쟁하는 과정으로 결정된다. 유입이 적고 수압 상승이 느린 경우에는 수압 평형에 도달하기 전에 유로가 폐색될 수 있다.
그리고 파이핑에 영향을 미치는 인자로 벤토나이트의 팽윤압과 팽윤 특성, 수분함량, 전단강도, 수리전도도, 압축성, 포화도와 같은 재료 특성, 저밀도 간극의 폭 및 유입수가 모일 수 있는 자유 공간과 같은 기하학적 조건, 그리고 지하수 유입유량, 수압 상승률, 최대 수압, 수질과 같은 수리 조건을 함께 제시하였다. 또한 팽윤압이 균열 내 수압에 저항할 수 있는 수준까지 발현되기까지는 오랜 시간이 소요되므로, 설치 직후 단계에서 팽윤압에 의한 파이핑 억제는 기대하기 어렵다고 기술하였다.
이러한 조건은 파이핑이 재료의 특성뿐만 아니라 지하수의 유입 조건 및 경계면의 기하학적 조건 등 다양한 요소가 결합되어 결정됨을 의미한다. 이하 2.2절부터 2.6절까지는 이와 관련하여 수행된 주요 연구를 문헌별로 소개하였다.
2.2 압축 블록의 파이핑 유동 정지 조건에 관한 연구(Börgesson et al., 2005)
Börgesson et al.(2005)은 KBS-3H 개념 연구의 일환으로 완충재의 습윤 과정에서 나타나는 파이핑 및 침식 거동을 시험으로 평가하였다. 대상 재료는 SKB의 기준 완충재인 MX-80 압축 블록이다.
시험은 두 가지 설계를 순차적으로 적용하였다. 1차 설계는 직경 49 mm 시편을 직경 50 mm 셀에 설치하여 0.5 mm의 간극을 둔 것으로, 시편에 별도의 유로를 형성하지 않고 셀 하부로 물을 주입하여 상부의 슬롯으로 배출시켰다. 이 설계는 실제 완충재 설치 형상을 모사하지만, 유로가 형성되는 위치를 통제할 수 없어 시험의 재현성이 확보되지 않았다는 이유로 시편 중심에 직경 2 mm 또는 4 mm의 유로를 가공하고 그 직경을 변수로 설정한 2차 설계로 변경되었다. 시편의 높이는 두 설계 모두 120 mm이며, 2차 설계에서는 높이 20 mm 조건이 추가로 적용되었다.
시편의 부피밀도(bulk density, 물을 포함하는 단위체적당 질량)는 약 2.0 g/cm3, 수분함량은 17.5 wt%로, 이는 건조밀도 약 1.70 g/cm3 수준에 해당한다. 유체는 탈이온수, 수도수(tap water) 및 1.1 % 염수를 사용하였다. 시험은 유량을 일정하게 유지하는 유량제어 방식과 수압을 일정하게 유지하는 압력제어 방식으로 구분하였으며, 각각 유량 또는 수압을 단계적으로 낮추어 유동이 정지하는 조건을 탐색하였다.
1차 설계에서는 1.25×10-3 L/min에서 파이핑이 형성되고 유체의 유동이 유지되었다. 그리고 6.25×10-4 L/min 이하에서는 유체의 유동이 정지하였다. 2차 설계에서는 6.25×10-4 L/min에서도 유동이 유지되었고 3.06×10-4 L/min 이하에서 정지하여, 인위적으로 가공된 유로가 자연적인 간극보다 폐색되기 어려운 것으로 나타났다. 두 설계의 결과를 종합하여 유량제어 조건에서 약 0.001 L/min 미만, 압력제어 조건에서 2~4 kPa 미만을 파이핑으로 흐르는 유체의 유동이 정지하는 조건으로 제시하였다. 다만 이 값들이 높은 수압 또는 높은 유량과 결합된 조건에서 얻어진 것이므로 보수적일 수 있다고 함께 기술하였다.
2.3 블록 및 펠릿의 파이핑 발생 조건에 관한 연구(Suzuki et al., 2013)
Suzuki et al.(2013)은 일본의 기준 완충재 설계를 대상으로, 파이핑이 발생하는 유입유량 조건과 그때의 침식량 및 퇴적 거동을 평가하였다. 대상 재료는 Kunigel V1 70 wt%와 규사 30 wt%로 구성된 압축 블록, 동일 배합을 셀 내에서 직접 다짐한 시편, 그리고 Kunigel V1 100 wt% 펠릿(대형 펠릿 및 대·소형 혼합)이다.
시험은 두가지 스케일로 수행되었다. 소형 시험은 내경 110 mm, 높이 50 mm의 아크릴 셀에 하부 다공판을 통해 물을 공급하고 상부 덮개의 배수구로 배출시키는 방식이며, 대형 시험은 외경 300 mm, 높이 1,000 mm의 아크릴 셀 내부에 직경 50 mm의 공간을 형성한 방식이다. 시편의 간극 조건은 시편의 타입 등에 따라 다양하게 결정되었다. 블록 시험에서는 시편과 셀 사이의 간극 조건과 시편 내·외부에 인공 핀홀을 배치한 조건을 적용하였다. 펠릿 시험에서는 별도의 간극 없이 펠릿을 셀에 충전하였으며, 이때 충전층의 공극은 체적비 10~40 %이다. 또한 셀 내에서 벤토나이트를 5 mm 층으로 직접 다져 간극이 없는 조건에서도 시험을 수행하였다. 건조밀도는 소형 시험의 펠릿 혼합물이 1.47~1.60 g/cm3, 대형 시험의 대형 펠릿 조건은 1.1 g/cm3이다. 유체는 증류수와 0.5 M NaCl 염수를 사용하였고, 유입유량은 0.1, 0.01, 0.005, 0.001, 0.0001 L/min 범위에서 적용하였다.
이 연구의 특징은 다양한 간극 및 유입유량 조건에서 파이핑의 발생 여부를 관찰하였다는 점이다. 소형 시험에서 펠릿 혼합물은 0.005 L/min 이상에서 파이핑이 발생하였고, 0.001 L/min(건조밀도 1.49 g/cm3) 조건에서는 파이핑이 관찰되지 않고 주입압력이 3 MPa까지 상승하였다. 간극 없이 셀 내에서 직접 다짐한 시편(다짐 직후 건조밀도 1.94 g/cm3)에서도 0.001~0.05 L/min 범위에서 뚜렷한 파이핑이 관찰되지 않았다. 반면 대형 시험에서 간극을 둔 블록 및 대형 펠릿에 대해 유입유량을 0.1 → 0.01 → 0.001 → 0.0001 L/min으로 단계적으로 감소시킨 결과, 0.001 L/min까지는 파이핑이 유지되었고 0.0001 L/min 조건에서 유로가 폐색되는 현상(self-curing)이 관찰되었다.
파이핑이 형성된 위치는 모든 경우 시편과 아크릴 셀의 경계면이었으며, 초기에 다수의 미세 유로가 형성된 뒤 수 시간 내에 하나의 유로로 수렴하는 양상을 보였다. 파이핑 진행 중의 주입압력은 블록에서 최대 100 kPa, 펠릿에서 최대 40 kPa 수준으로, 완전포화 시 블록의 팽윤압(약 700 kPa)의 10분의 1 수준에 해당하였다. 침식량은 염수를 주입한 블록 시험(Case 1)에서 초기 건조질량 758.1 g 대비 36.94 g(4.87%), 탈이온수를 주입한 펠릿 혼합물 시험(Case 2)에서 746.0 g 대비 42.91 g(5.75%)이 계측되었다.
결론에서 파이핑을 방지하는 조건으로 유입유량이 0.001 L/min 미만이거나, 간극이 다짐 또는 스프레이 방법에 의해 벤토나이트로 충전된 경우로 제시하였다. 아울러 이 결과가 소형 시험에서 도출된 것으로 실증시험을 대표하지 않는다고 명시하였다.
2.4 완충재의 침식률에 관한 연구(Sane et al., 2013)
Sane et al.(2013)은 Posiva의 완충재를 대상으로 기계적 침식 연구의 현황을 정리하고, 파이핑이 형성된 조건에서의 침식률을 정량화한 핀홀(pinhole) 시험 결과를 제시하였다. 대상 재료는 완충재용 MX-80과 뒤채움 블록용 Friedland clay이다.
시편은 내경 100 mm, 길이 100 mm 및 400 mm의 셀에 다짐하여 제작하였으며, 직경 6 mm 또는 12 mm의 핀홀을 다짐 과정에서 성형하여 유로의 형상을 시험마다 균일하게 유지하였다. MX-80 시편의 부피밀도는 2.03 ± 0.03 g/cm3, 수분함량은 17 ± 0.3 wt%로 건조밀도 약 1.74 g/cm3에 해당하며, Friedland clay는 부피밀도 약 2.0 g/cm3, 수분함량 9 ± 0.3 wt%로 건조밀도 약 1.84 g/cm3에 해당한다. 유체는 수도수와 CaCl2·NaCl 혼합 염수(10, 35, 70 g/L)를 사용하여 처분장의 시기별 지하수 염도를 모사하였다.
유입유량은 처분공 1개소에 허용되는 최대 유입유량인 0.1 L/min으로 고정하였다. 유량의 영향이 향후 검토 대상임을 언급하면서도, 본 시험의 목적이 극한 조건에서의 신뢰성 있는 침식률 확보에 있다고 기술하였다. 대부분의 시험에서 수압은 0.5 bar 미만이었다.
결과적으로 침식률은 시험 초기에 높았다가 유출수량이 누적됨에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 염도와 시편 길이에 따라 차이를 나타냈다. 다만 유출수 시료로부터 적분하여 산정한 누적 침식량과 시험 해체 후 계량한 실제 질량손실 사이에 최대 100% 수준의 차이가 발생하여, 누적 침식량 자료는 제시하지 않았다고 기술하였다.
2.5 펠릿 충전층의 파이핑 및 저유량 조건에 관한 연구(Börgesson et al., 2015)
Börgesson et al.(2015)은 EVA 프로젝트를 통해 처분공 유입수에 의한 초기 거동을 침식, 파이핑, 펠릿 충전 간극 내 유동, 파이핑 정지 능력, 벤토나이트 블록의 수분 흡수 등으로 구분하여 다루었다. 대상 재료는 MX-80이며, 압축 pillow 펠릿(18×18×8 mm), 압출 rod 펠릿(직경 6 mm), 압축 시편의 세 형태가 사용되었다.
압축 시편은 직경 50 mm, 높이 50 mm이며, 강철 셀(축방향 유동)과 아크릴 셀(직경방향 유동) 두 가지 장치에 설치하였다. 펠릿의 설치 건조밀도는 pillow 펠릿 0.92 g/cm3(수분함량 13 wt%), rod 펠릿 0.89 g/cm3(수분함량 16 wt%)이고, 압축 시편은 1.70 g/cm3(수분함량 17.5 wt%)이다. 유체는 탈이온수를 사용하였으며, 실제 수행된 시험 매트릭스에는 인공 유로를 형성한 조건이 포함되지 않았다. 시편은 펠릿을 셀에 충전한 것이며, 대부분의 시험에서 10~40 kPa의 수압으로 장치를 물로 채운 뒤 유량 또는 수압 제어를 개시하였다.
1차 시험군에서는 0.0001~0.0004 L/min의 낮은 유량에서도 파이핑이 관찰되었으며, 유동을 일시적으로 중단해야만 추가적인 파이핑이 억제되었다. 유동을 중단하여 파이핑이 억제되면 수압이 700~800 kPa까지 상승한 뒤 파괴가 발생하였는데, 이는 통상적인 파이핑이 아니라 벤토나이트가 배출구로 압출되는 형태였다. 3차 시험군에서는 수압 또는 유량을 단계적으로 낮추어 유로가 닫히는 조건을 탐색한 결과, 0.025 mL/min 및 10 kPa 수준까지 낮추어야 유로가 폐색되었다.
결과적으로 ① 유동이 10~15분 이상 정지하거나, ② 유량이 0.0001 L/min 미만이거나, ③ 수압이 10 kPa 미만이 아닌 경우에는 파이핑 유로가 열린 상태로 유지된다고 결론지었다. 아울러 펠릿 충전층의 낮은 밀도로 인해 500~1,000 kPa를 초과하는 수압에는 저항하지 못하고 파이핑의 재개, 젤 압출 또는 수분 포켓 형성과 같은 현상이 발생한다고 기술하였다.
침식 시험은 처분공 간극을 모사한 원형 슬롯 장치에서 펠릿 충전 건조밀도 0.90~1.01 g/cm3, 유입유량 0.1 및 0.01 L/min, 염도 1 %(NaCl·CaCl2, ratio 50/50) 조건으로 수행되었다.
끝으로 완충재의 수분 흡수에 대한 수치해석을 통해, 완충재가 유입수를 모두 흡수할 수 있는 평균 유입유량이 약 3.1×10-4 L/min이며, 유입수가 암반 기질을 통해 유입되고 0.0001 L/min 미만이면 파이핑이 발생하지 않을 수 있다고 제시하였다. 이를 바탕으로, 파이핑 위험이 소멸하는 유입유량은 1.0×10-5 L/min과 0.0001 L/min 사이에 존재한다고 결론지었다.
2.6 국내 연구 현황
국내에서는 한국원자력연구원을 중심으로 관련 연구가 진행되고 있다. Hong et al.(2022)은 완충재-근계암반 상호작용을 고려한 침식 및 파이핑 연구를 종합 검토하여 주요 영향인자로 지하수의 압력 및 유량, 지하수의 조성 및 농도, 완충재의 조성, 초기 건조밀도, 초기 수분함량을 도출하였으며, 이 중 지하수의 유량이 파이핑 발생에 특히 큰 영향을 미치는 것으로 보고하였다. 아울러 향후 연구계획으로 펠릿 및 과립 등 갭 채움재의 존재에 따른 침식·파이핑 실험의 필요성을 제시하였다.
Choi et al.(2024)은 스위스 LIT 및 I-BET, 스웨덴 BRIE, 일본 Horonobe URL 등 해외 현장 실증 실험 사례를 분석하고, KURT 내에 계획된 BEPT(Bentonite Erosion and Piping Test)의 설계 및 부지 선정을 소개하였다. 다만 분석된 해외 현장 실증 실험과 BEPT의 시험편은 모두 압축 블록형이며, 과립형 재료 자체의 파이핑 거동을 다룬 현장 실증 사례는 확인되지 않았다.
Lee et al.(2024)은 국내 완충재 후보인 Ca형 벤토나이트(Bentonil WRK)를 분말, 과립 및 압축 블록 형태로 제작하여 정유량 조건의 파이핑 시험을 수행하였다. 과립은 펠릿을 분쇄·체가름한 입경 2.4~3.2 mm의 재료로, 처분공 갭 충전재를 모사하여 등가 건조밀도 1.0 g/cm3로 설치하였으며 0.01 L/min을 적용하였다. 과립 시편에서는 셀 경계면이 아닌 과립 간 공극을 통한 침투가 우선하였고, 과립의 팽윤에 의해 공극이 폐색되면서 주입압력의 상승과 급락이 반복되었다. 경계면을 따른 집중 파이핑 유로는 형성되지 않았으나, 주입구에서 유출구까지 국부적인 전단파괴면이 형성되면서 큰 내부 침식이 발생하였다. 압축 블록(1.60 g/cm3)에서는 0.01 및 0.001 L/min 조건 모두에서 경계면을 따른 파이핑이 발생하였고, 유로의 폐색과 재개방이 반복되었다.
Kim et al.(2026)은 인공 균열 장치를 이용하여 동일한 Ca형 벤토나이트로 제작한 압축 완충재, 모래 혼합 뒤채움재 및 갭 충전용 과립의 균열 내 침입 및 침식 거동을 Na형 벤토나이트(Wyoming)와 비교하였다. Ca형 벤토나이트는 Na형 대비 1~2 자릿수 낮은 침식률을 보였으며, 갭 충전용 과립은 초기 팽윤이 과립 간 대공극 내에서 수용되어 균열 내 침입이 감소하는 것으로 보고되었다.
이처럼 국내에서는 과립형 재료의 거동이 처분공 갭 충전재 조건에서 검토되었으나, 처분터널 뒤채움재로 채택된 과립형 재료를 설계 요건에 근거한 설치밀도와 저유량 조건에서 평가한 사례는 확인되지 않았다.
2.7 선행 연구의 정리
2.2절부터 2.6절까지 검토한 선행 연구 중 실내 시험을 대상 재료와 시험 조건 기준으로 정리하면 Table 1과 같다.
Table 1.
Previous studies on piping and erosion of bentonite
| Study |
Bentonite (material) | Specimen form |
Dry density (g/cm3) |
Water content (wt%) | Fluid |
Inflow rate (L/min) |
Main reported condition |
| Börgesson et al. (2005) | MX-80 | Compacted block | ≈1.70 |
16.4 ~ 19.0 |
DI water, tap water, 1.1% salt |
2.0×10-4 ~ 2.0×10-2 |
Flow stops below ≈0.001 L/min |
| Suzuki et al. (2013) |
Kunigel V1 70% + silica sand 30%, Kunigel V1 100% |
Block, in-cell compacted, pellet |
Pellet Mixture 1.47 ~ 1.60 (small scale) Large pellet ≈ 1.10 (large scale) |
10 (block) |
DI water, 0.5 M NaCl |
1×10-4 ~ 0.1 |
No piping below 0.001 L/min |
| Sane et al. (2013) | MX-80 | Compacted block | ≈1.74 | 17 |
Tap water, saline 10, 35, 70 g/L | 0.1 (fixed) |
Erosion rate only (piping initiation not addressed) |
| Friedland clay | ≈1.84 | 9 | |||||
| Börgesson et al. (2015) | MX-80 |
Pellet filling (pillow, rod), compacted block |
Pellet filling 0.89 ~ 0.92, compacted specimen 1.70 | 13 ~ 17.5 |
DI water, 1% salt (NaCl : CaCl2 = 50:50) |
2.5×10-5 ~ 0.1 |
Channel stays open unless 0.0001 L/min |
| Lee et al. (2024) |
Bentonil WRK (Ca-type) |
Powder, granule (gap-fill), compacted block |
Powder 1.1 granule 1.0 block 1.60 |
14 ~ 15 | DI water |
0.001 (only block) and 0.01 (all) |
Interfacial piping (block), internal erosion (granule) |
첫째, 대상 재료가 주로 압축 블록 또는 펠릿이다. 사용된 벤토나이트는 MX-80(Wyoming), Kunigel V1, Friedland clay, Bentonil WRK 등이며, 과립을 포함한 Lee et al.(2024)도 좁은 입경 범위(2.4~3.2 mm)의 과립을 처분공 갭 충전재로 사용하였다. 처분터널 뒤채움재로 채택되어 롤 압축 후 분쇄·혼합으로 제조된 과립형 혼합물을 대상으로 파이핑 및 침식을 평가한 사례는 확인되지 않았다.
둘째, 설치 건조밀도를 결정하는 근거가 다르다. 선행 연구의 시편 밀도는 압축 블록의 다짐 조건, 펠릿의 충전 조건 또는 갭 충전 조건에 의해 정해진 값이며, 각 시험의 건조밀도는 Table 1에 정리하였다. 반면 과립형 뒤채움의 설치 건조밀도는 처분시설의 설계 요건으로부터 도출된다. 선행 연구 중 설계 요건에 근거한 건조밀도를 조건으로 파이핑 및 침식을 평가한 사례는 확인되지 않았다.
셋째, 시편과 주변 경계 사이의 간극 조건이 과립형 벤토나이트 조건과 다르다. 압축 블록 또는 다짐 시편을 대상으로 한 시험은 대체로 시험셀과 블록 사이의 간극 또는 가공된 유로를 전제하였다. Börgesson et al.(2005)의 두 설계는 각각 시험셀과 시편 사이에 0.5 mm의 간극과 직경 2~4 mm의 가공 유로를 포함하고, Sane et al.(2013)은 직경 6~12 mm의 핀홀을 성형하였으며, Suzuki et al.(2013)은 블록 시험에서 시험셀과의 간극 또는 인공 핀홀을 적용하였다. 이는 블록 방식이 블록 이음새와 암반 사이의 간극을 설계상 전제하고 있기 때문이다. 반면 Suzuki et al.(2013)과 Börgesson et al.(2015)의 펠릿 시험은 별도의 간극이나 가공 유로 없이 수행되었다. 이는 펠릿 방식의 설치가 펠릿-암반 사이의 간극과 펠릿-펠릿 사이의 공극을 특정할 수 없기 때문으로 생각된다. 결과적으로 시편의 형태에 따른 간극 조건은 파이핑 및 침식 거동에 중요한 요인이며, 특히 입자의 크기와 형태가 불규칙한 과립형 벤토나이트는 시험 재료에 따라 파이핑 및 침식 거동이 다르게 나타날 것으로 예상된다.
한편 유입유량은 검토한 모든 연구가 공통적으로 다룬 변수이며, 앞의 세 가지와 달리 과립형 뒤채움과 조건을 달리하는 항목이 아니라 시험 조건을 설정하는 데 참고할 수 있는 항목이다. 다만 유량을 다룬 방식은 연구마다 다르다. Börgesson et al.(2005)과 Börgesson et al.(2015)은 유량을 단계적으로 낮추어 유동이 정지하는 지점을 탐색하였고, Suzuki et al.(2013)은 유량을 단계적으로 낮추는 시험과 함께, 일부 시험에서는 시험 개시부터 정유량을 유지하였다. Sane et al.(2013)은 유량을 0.1 L/min으로 고정하였다. 그리고 Lee et al.(2024)은 시험 개시부터 0.01 및 0.001 L/min의 정유량을 적용하였다. 이처럼 시험 방식과 대상 재료가 서로 달라 특정 유입유량에 대한 결과를 동일한 조건에서 비교하기는 어렵다. 다만 여러 연구에서 파이핑의 발생 또는 유로의 유지 여부를 결정하는 기준으로 0.001 L/min과 0.0001 L/min의 두 값이 반복적으로 제시되어 왔다.
3. 과립형 벤토나이트의 파이핑 및 침식 거동 시험
2장에서 검토한 선행 연구의 결과를 바탕으로 본 기술보고의 시험 조건을 설정하였다. 대상 재료, 설치 건조밀도, 시편 설치 조건은 과립형 뒤채움과 선행 연구의 조건이 구별되는 항목이므로 과립형 뒤채움의 실제 설치 조건을 기준으로 설정하였고, 유입유량은 선행 연구에서 반복적으로 기준으로 제시되어 온 두 값을 참고하여 채택하였다.
3.1 시험 조건
3.1.1 재료
본 시험에서는 핀란드 Posiva와 스위스 Nagra가 각각 과립형 뒤채움재로 채택한 GraFi 및 GBM 2종을 대상으로 하였다. GraFi는 조지아(Georgia) 원광을 가공한 재료로 Posiva의 TRFD(Trial Run of Final Disposal)에 적용되었으며, GBM(National® WP1000 GBM)은 와이오밍(Wyoming) 원광을 가공한 재료로 Nagra의 LUCOEX(Large Underground Concept Experiments) 프로젝트의 Full-Scale Experiment와 HotBENT(High Temperature Effects on Bentonite Buffers)에 적용되었다. GraFi의 수분함량은 13.53 wt%, GBM의 수분함량은 6.47 wt%로 측정되었다.
두 재료의 입도분포는 체가름 시험으로 측정하였으며 Fig. 1과 같다. GraFi는 D50=1.52 mm, 균등계수 21.3, 0.063 mm 미만 세립분 4.3 %이며, 시험에 사용한 최대 체(11.2 mm)에 2.3 %가 잔류하여 최대 입경 Dmax는 11.2 mm를 초과한다. GBM은 D50=2.10 mm, 균등계수 16.2, 세립분 0.4 %이며, 모든 입자가 6.3 mm 체를 통과하여 최대 입경 Dmax는 6.3 mm이다. 따라서 GraFi가 GBM에 비해 상대적으로 넓은 입도분포를 갖는다.
3.1.2 설치 건조밀도
시험편의 설치 건조밀도는 1.38 g/cm3로 설정하였다. Posiva는 과립형 뒤채움에 대해 완전포화 시 수리전도도 1×10-10 m/s 이하(L3-BAC-22), 팽윤압 1 MPa 이상(L4-BAC-37), 구조강성 8.2 MPa 이상(L4-BAC-40)을 요구하는 한편, 처분터널 플러그에 작용하는 계산 팽윤압을 3 MPa 이하로 제한하고 있다(L3-BAC-29). 이 중 구조강성은 불포화 상태의 뒤채움이 완충재의 팽윤에 저항하여 완충재를 제 위치에 유지하기 위해 요구되는 초기 상태의 변형 저항이다. 구조강성은 평판재하시험 또는 이와 유사한 방법으로 측정하도록 규정되어 있으며(L5-BAC-56), 재하 압력과 침하량의 관계로부터 산정되므로 응력 단위(MPa)로 표시된다. Posiva의 예시 뒤채움재에서 팽윤압 요건에 대응하는 건조밀도는 1.35 g/cm3이고 구조강성 요건에 대응하는 건조밀도는 1.38 g/cm3이므로, 최저 설치 건조밀도는 구조강성 요건에 의해 1.38 g/cm3로 결정된다(Posiva Oy, 2021).
본 기술보고는 KBS-3V 수직처분 개념의 처분터널 뒤채움을 대상으로 하므로, 해당 처분개념에서 과립형 뒤채움의 설계 요건을 제시한 Posiva의 최저 설치 건조밀도를 시험 조건으로 채택하였다. 반면 GBM은 수평처분 개념을 적용하는 Nagra의 처분시설을 위해 개발된 재료로, 뒤채움이라는 용어와 기능은 같더라도 처분시설의 설계가 달라 1.38 g/cm3에 해당하는 설계 하한이 제시되어 있지 않다. 또한 Posiva의 요건값은 예시 뒤채움재에 대한 것으로, 실제 값은 재료 배치별로 결정된다. 따라서 1.38 g/cm3는 GraFi에 대해서는 설계 요건상의 최저 설치 건조밀도이고, GBM에 대해서는 설계 하한이 아닌 두 재료의 거동을 동일한 조건에서 비교하기 위한 공통 시험 조건이다.
3.1.3 시편 설치 조건
시편은 시험셀을 수직으로 세운 상태에서 설치하였다. 각 재료의 측정 수분함량을 반영하여 시험셀 체적(509 cm3) 내 건조밀도가 1.38 g/cm3가 되는 질량(건조 질량 702.4 g)을 계량한 후, 깔때기를 이용하여 시료를 나누어 부어 충전하였다. GBM은 충전만으로 시험셀 체적 내에 설치되어 별도의 압축 없이 시험하였으며, GraFi는 충전 후 핸드프레스로 압축하여 시험셀 체적 내에 설치하였다. 설치 건조밀도는 설치 질량과 시험셀 체적으로 관리하였으며, 압축 하중은 별도로 측정하지 않았다. 벤토나이트 설치 후 시험셀은 수평으로 배치하였다. 시편과 시험셀 사이에 별도의 간극을 두지 않았고, 시편 내부에 인공 유로를 가공하지 않았다.
2장에서 검토한 블록 대상 시험은 블록 이음새와 암반 사이의 간극을 모사하기 위해 시험셀과 시편 사이에 간극을 두거나 시편에 유로를 가공하였다. 본 시험은 과립형 재료를 대상으로 하므로 이러한 간극을 모사하지 않고, 시험셀에 직접 충전한 조건을 적용하였다.
3.1.4 유입유량
파이핑에 영향을 미치는 인자는 다수이며, 그중에서도 지하수의 유입유량이 파이핑 발생에 특히 큰 영향을 미치는 것으로 보고되어 왔다(Hong et al., 2022). 이에 본 시험에서는 두 재료에 대해 설치 건조밀도, 시험셀, 유체 및 주입 방식을 동일하게 적용하고 유입유량을 시험 변수로 설정하였다. 다만 초기 수분함량과 입도분포 등 재료 고유의 특성은 두 재료 간에 서로 다르다.
2장에서 검토한 바와 같이 선행 연구는 대상 재료와 시험 방식이 서로 달라 특정 유입유량에 대한 결과를 동일한 조건에서 비교하기는 어렵다. 다만 파이핑의 발생 또는 유로의 유지 여부를 결정하는 기준으로 0.001 L/min과 0.0001 L/min의 두 값이 반복적으로 제시되어 왔으므로, 본 시험에서는 이 두 값을 참고하여 시험 유량으로 채택하였다. 두 값은 국내 연구인 Lee et al.(2024)이 과립 시편에 적용한 0.01 L/min보다 낮은 유량이다.
0.001 L/min은 Börgesson et al.(2005)이 압축 블록 시험에서 파이핑으로 흐르는 유체의 유동이 정지하는 조건으로 제시한 값이며, Suzuki et al.(2013)이 파이핑 억제를 위한 유입유량 기준으로 제시한 값이기도 하다. 국내 검토 문헌에서도 이 값이 기존 기준으로 정리되어 있다(Hong et al., 2022).
0.0001 L/min은 Börgesson et al.(2015)이 펠릿 충전층에서 파이핑 유로가 유지되지 않는 조건으로 제시한 값이고, Suzuki et al.(2013)의 대형 시험에서 파이핑 유로 폐색이 관찰된 유량이며, 과립형 뒤채움으로 설계가 변경된 이후의 안전성평가에서 파이핑이 형성되지 않는 것으로 전제하고 있는 유량이다(Posiva Oy, 2021).
본 시험에서는 두 유량을 시험 개시 시점부터 주입하여 종료까지 일정하게 유지하였다. 다만 선행 연구에서 두 값은 주로 유량을 단계적으로 낮추는 과정에서 이미 형성된 파이핑 유로의 유동 정지 또는 폐색이 확인된 조건인 반면, 본 시험은 시험 개시부터 정유량을 주입하여 파이핑의 발생 여부를 관찰한 것이므로, 두 결과는 시험 방식의 차이를 고려하여 비교할 필요가 있다.
3.1.5 시험 매트릭스
앞서 선정한 시험 조건을 바탕으로 한 시험 매트릭스를 Table 2에 제시하였으며, 각 시험 조건은 1회씩 수행하였다.
Table 2.
Test matrix and measurement
습윤 영역은 벤토나이트가 탈이온수를 흡수하여 나타나는 색 변화로 육안 식별하였으며, 파이핑은 습윤 영역 내부에 탈이온수가 흐르는 물길이 형성되는 것이 육안으로 확인되는 경우로 판정하였다. 파이핑 중 유출이 지속적으로 발생하고 주입압력이 낮은 수준으로 유지되는 상태는 관통 파이핑으로 구분하였다. 유출측이 대기에 개방되어 있으므로, 유로가 유출구와 연결된 상태로 유지되면 유입수가 큰 저항 없이 배출되어 주입압력이 낮게 유지되기 때문이다. 반면 유출이 짧은 시간 발생한 뒤 정지하고 주입압력이 다시 상승하는 경우는 일시적인 유로 연결로 구분하였다. 이 구분은 시험 종료 시점까지 관찰된 상태에 대한 것으로, 시험 종료 이후의 파이핑 진행 양상을 의미하지는 않는다. 유출구는 단면 중앙에 위치하여 유출구 인근의 유로는 시험셀 외부에서 관찰할 수 없고 카메라의 촬영 범위에도 포함되지 않았으므로, 유출 여부는 시험 중 시험자의 주기적인 육안 점검으로 확인하였다.
침식은 파이핑 유로를 따라 흐르는 유체에 의해 입자가 이탈하는 현상이다(Börgesson and Sandén, 2006). 다만 시험셀 내부에서 진행되는 입자 이탈은 육안으로 확인하기 어렵고 이탈한 입자의 양은 정량할 수 없으므로, 본 시험에서는 유출구를 통해 벤토나이트가 배출되는 경우를 침식이 발생한 것으로 판정하였다. 배출된 벤토나이트의 건조 질량을 침식량으로 산정하였으며(3.2절), 이는 시험셀 내부에서 이탈하였으나 배출되지 않은 벤토나이트 양을 포함하지 않는다.
시험은 벤토나이트가 팽윤하여 시험장치가 파손되거나 시험장치가 공급할 수 있는 탈이온수를 모두 공급하면 종료하였다. 본 시험의 범위는 포화 이전 단계의 파이핑 발생과 침식 진행을 관찰하는 데 있으며, 포화 이후의 유로 치유는 별도의 시험법이 요구되는 영역이므로 포함하지 않았다.
3.2 시험장치
시험에 사용하기 위해 구축한 시험장치의 사진 및 모식도는 Fig. 2와 같다. 습윤 거동과 파이핑의 형성 과정을 육안으로 관찰할 수 있도록 투명 아크릴로 제작한 원통형 시험셀을 사용하였다. 시험셀은 내경 60 mm, 길이 180 mm의 원통형으로 체적은 509 cm3이다. 유체 포트는 1/4 in. 규격으로 양 단면의 중앙과 상부, 그리고 원통 몸체의 중앙 및 사이드에 배치하였으며, 모든 포트는 주입구와 유출구로 겸용할 수 있고 사용하지 않는 포트는 마개로 폐쇄하였다. 다양한 위치의 유체 포트는 향후 필요한 경우에 처분터널 내부로 지하수가 침투하는 위치에 따른 파이핑 및 침식 거동의 차이를 평가하기 위해 구성되었다. 본 시험에서는 단면의 중앙 포트를 주입구 및 유출구로 사용하였다.
시험셀은 수평으로 배치하였으며, 탈이온수는 한쪽 단면 중앙의 주입구로 주입되어 시편을 길이 방향으로 통과한 뒤 반대쪽 단면 중앙의 유출구로 배출되도록 구성하였다(Fig. 2(d)). 주입구와 유출구에는 필터나 다공판을 설치하지 않았으며, 벤토나이트는 포트와 직접 접촉하도록 하였다. 유출구에는 별도의 배관 없이 엘보우만을 연결하였고, 유출측은 배압 없이 대기에 개방하였다.
유체는 정유량 펌프(GDS Instruments, STPDPCv2)를 이용하여 공급하였다. 벤토나이트가 팽윤함에 따라 공극 구조가 변화하여 동일한 유입유량을 유지하는 데 필요한 주입압력이 상승하므로, 가변 압력 조건에서도 유입유량을 일정하게 제어할 수 있는 장비를 적용하였다. 펌프의 정격압력은 3 MPa이며 유량 및 압력 정확도는 각각 0.25 % 및 0.15 %이다. 단일 펌프의 공급 체적이 제한되어 있어 두 대의 펌프를 교대로 사용하였다. 펌프를 교체하는 동안에는 탈이온수의 공급이 일시적으로 중단된다. 주입압력은 펌프에 내장된 압력센서로 측정하였다. 펌프와 주입구는 길이 약 40 cm의 1/8 in. PTFE 튜브로 연결하였고 시험셀의 유체 포트는 1/4 in. 규격이기 때문에 리듀서를 사용하여 연결하였다.
유출물은 플라스틱 용기에 포집하였으며, 시험 종료 후 용기째 60°C에서 하루 이상 건조한 뒤 용기 질량을 제외한 잔류물의 질량을 정밀도 0.001 g의 전자저울로 측정하여 침식량으로 산정하였다(Fig. 6). 이 건조 온도는 일반적으로 알려진 벤토나이트의 오븐 건조 온도(105~110°C)보다 낮으므로, 침식량은 잔류 수분에 의해 다소 크게 산정되었을 수 있다. 유출구에 배관을 연결하지 않았으므로 배관 내 잔류 벤토나이트는 발생하지 않았다.
시험 중 파이핑 유로의 형성·폐색 등 거동 현상은 시험셀의 상·하·좌·우 4면에 배치한 카메라(UHD 4K, 30 fps)로 연속 촬영하여 주입압력 이력과 대조하였다.
4. 결과 및 고찰
4.1 Test A : GraFi 0.0001 L/min
주입 개시부터 약 15,900초까지는 주입압력이 상승과 하락을 반복하였다. 벤토나이트가 팽윤하면서 유동 저항이 커져 압력이 오르다가, 탈이온수가 입자 간 공극으로 침투하는 순간 압력이 하락하는 양상이다. 15,900초 이후에는 압력의 하락이 나타나지 않고 지속적으로 상승하는 구간으로 전환되었으며, 약 24,232초 경과 시점에 시험셀이 파손되어 시험을 종료하였다. 시간에 따른 주요 현상의 변화는 Table 3과 같으며, 시간에 따른 주입압력 변화 결과와 주요 현상의 지점은 Fig. 3에 표기하였다.
시험 종료 시점까지 파이핑과 벤토나이트의 유출은 관찰되지 않았다. 습윤은 주입구 인근에 국한되어 진행되었으며 벤토나이트의 대부분은 건조 상태로 남아 있었다. 습윤이 진행된 영역 내에서는 파이핑이나 특정한 습윤 패턴이 형성되지 않고 균질하게 팽윤이 진행되었다. 따라서 시험셀 파손으로 시험이 종료된 약 24,232초(누적 유입량 40.4 mL)까지의 관찰 범위에서 파이핑은 발생하지 않았으며, 유출구를 통한 벤토나이트의 배출이 없었으므로 침식도 확인되지 않은 것으로 판정하였다. Fig. 4는 시험 종료 후 습윤의 진행 결과 사진이다.
Table 3.
Sequence of observed events in Test A (GraFi, 0.0001 L/min)
4.2 Test B : GraFi 0.001 L/min
주입 개시 직후 주입압력이 급격히 상승한 뒤 하락하였고, 이후 시험 종료 시점까지 상승과 하락을 반복하였다. 이 과정에서 파이핑 유로의 형성·폐색이 반복되었으며, 약 7,258초 경과 시점에 시험셀이 파손되어 시험을 종료하였다. 시간에 따른 주요 현상은 Table 4와 같으며, 시간에 따른 주입압력 변화 결과와 주요 현상의 지점은 Fig. 5에 표기하였다. 그리고 파이핑 및 침식 거동의 주요 현상 사진은 Fig. 6 및 Fig. 7에서 확인할 수 있다.
시험 중 주기적인 육안 점검에서 유출구의 유출은 지점 ⑦을 전후한 점검 사이에 처음 확인되었고, 이후 점검에서는 추가적인 유출이 확인되지 않았다. 이 구간에서 주입압력이 급락한 시점은 지점 ⑦(549 kPa)이므로 이를 유출 발생 시점으로 판단하였다. 유출물에는 벤토나이트가 포함되어 있었으며, 이를 포집·건조하여 산정한 침식량은 0.428 g으로 설치 건조 질량 약 702.4 g의 0.06 %에 해당한다. 이후 주입압력은 시험셀이 파손될 때까지 상승과 하락을 반복하여 최대 2,287 kPa에 도달하였다.
Table 4.
Sequence of observed events in Test B (GraFi, 0.001 L/min)
유출은 지속되지 않았고 이후 주입압력은 다시 상승과 하락을 반복하였으며, 유출 시점의 주입압력(549 kPa)도 관통 파이핑이 유지된 Test D의 유출 이후 주입압력(4 kPa 수준)에 비해 크게 높았다. 따라서 3.1.5절의 기준에 따라 이 유출은 관통 파이핑이 아닌 일시적인 유로 연결로 판정하였다. 이러한 거동은 유로의 형성과 폐색이 반복되는 과정에서 유출구 인근의 유로가 일시적으로 유출구와 연결되었다가 벤토나이트의 팽윤에 의해 다시 폐색된 결과로 추정된다. 또한 유출물에 벤토나이트가 포함되어 있었다는 점에서 유출구와 연결되기 이전에도 유로 내부에서 입자 이탈이 진행되고 있었던 것으로 추정되며, 산정된 0.428 g은 유출구를 통해 배출된 양에 한정된다.
결과적으로 주 파이핑 유로가 관찰되었고 유로를 통해 물이 이동하는 것을 확인하였기 때문에 파이핑은 발생한 것으로, 유출물에서 벤토나이트가 확인되었으므로 침식 또한 발생한 것으로 판정하였다.
4.3 Test C : GBM 0.0001 L/min
주입 개시부터 약 22,200초까지 주입압력의 상승과 하락이 반복되면서 벤토나이트의 입자 간 공극을 통해 습윤 거동이 진행되었다. 22,200초 이후에는 하락 없이 주입압력이 지속적으로 상승하였고 약 49,080초 경과 시점에 시험셀이 파손되어 시험을 종료하였다. 습윤은 Test A와 마찬가지로 주입구 인근에 국한되어 진행되었으며, 습윤 영역 내에서는 파이핑이나 특정한 습윤 패턴 없이 균질하게 팽윤이 진행되었다. 시험 종료 시점까지 파이핑과 벤토나이트의 유출은 관찰되지 않았다. 따라서 시험셀 파손으로 시험이 종료된 약 49,080초(누적 유입량 81.8 mL)까지의 관찰 범위에서 파이핑은 발생하지 않았으며, 침식도 확인되지 않은 것으로 판정하였다. 시간에 따른 주요 현상은 Table 5에 제시되어 있으며, 시간에 따른 주입압력의 변화와 주요 현상의 지점은 Fig. 8에서 확인할 수 있다. Fig. 9는 Test C의 시험 종료 습윤 결과 시험셀의 사진이다.
Table 5.
Sequence of observed events in Test C (GBM, 0.0001 L/min)
4.4 Test D : GBM 0.001 L/min
Test C에 비해 낮은 주입압력 수준에서 탈이온수가 공극을 따라 빠르게 확산되었다. 약 4,133초 시점에 주입압력이 87 kPa에서 4 kPa로 급락하면서 탈이온수와 벤토나이트의 유출이 시작되었으며, 이후 낮은 주입압력에서 유출이 지속적으로 발생하였으므로 이 시점에 관통 파이핑이 형성된 것으로 판정하였다. ⑤ 지점에서 처음 연결한 GDS 펌프의 탈이온수를 모두 주입하여 여분의 GDS 펌프로 1회 교체하였으며, 교체 과정에서 약 30초 동안 탈이온수의 공급이 중단되었다. 펌프 교체 이후 주입압력은 약 24 kPa/h로 지속적으로 상승하였으며, 이 구간에서도 탈이온수 및 벤토나이트의 유출은 시험 종료 시점까지 지속되었다.
유출된 탈이온수와 벤토나이트를 포집하여 건조한 결과, 벤토나이트 침식량은 1.014 g으로 총 벤토나이트 설치 건조 질량 702.4 g의 약 0.14 %에 해당한다. 관통 파이핑이 형성되어 유출이 시험 종료 시점까지 지속되었고 유출물에서 벤토나이트가 확인되었으므로, 파이핑과 침식이 모두 발생한 것으로 판정하였다. 시간에 따른 주요 현상은 Table 6과 같으며, 시간에 따른 주입압력의 변화와 주요 현상의 지점은 Fig. 10에서, 주요 현상에 대한 시험셀 결과 사진은 Fig. 11에서 확인할 수 있다.
Table 6.
Sequence of observed events in Test D (GBM, 0.001 L/min)
4.5 시험 결과 요약
Test A~D까지의 시험 결과를 Table 7에 정리하였다.
Table 7.
Summary of test results
| Test No. | Bentonite | Inflow rate | Installation dry density | Max. injection pressure (during the rise-and-fall stage) | Piping | Erosion | Note |
| Test A | GraFi | 0.0001 L/min | 1.38 g/cm3 | 1,594 kPa | × | × | - |
| Test B | 0.001 L/min | 2,287 kPa | ○ | 0.428 g | Piping in progress | ||
| Test C | GBM | 0.0001 L/min | 480 kPa | × | × | - | |
| Test D | 0.001 L/min | 124 kPa | ○ | 1.014 g | - |
0.0001 L/min 조건에서는 두 재료 모두 시험셀 파손으로 시험이 종료된 시점까지 파이핑이 관찰되지 않았고, 습윤과 팽윤은 주입구 인근에 국한되어 진행되었다. 그러나 두 재료의 습윤 거동은 서로 다름이 확인되었다. 압력의 상승과 하락이 반복되는 구간에서의 최대 주입압력은 Test A(GraFi)가 1,594 kPa, Test C(GBM)가 480 kPa로 GraFi에서 더 높게 측정되었다. 또한 주입압력의 지속 상승 구간에서 상승률은 Test A(GraFi)가 339 kPa/h, Test C(GBM)가 178 kPa/h로 차이를 보였다. 두 재료는 초기 수분함량(GraFi 13.53 wt%, GBM 6.47 wt%)과 입도분포(Fig. 1) 등이 서로 달라, 이러한 차이의 원인을 특정 인자로 구분하기는 어렵다.
반면 0.001 L/min 조건에서는 두 재료 모두 파이핑 및 침식이 발생하였으나 그 양상은 크게 달랐다. GBM(Test D)에서는 관통 파이핑이 형성된 이후 펌프 교체 전까지 4 kPa 수준의 낮은 주입압력이 유지되었고, 탈이온수와 벤토나이트의 유출이 시험 종료 시점까지 지속되었다. 다만 펌프 교체 이후 주입압력이 약 24 kPa/h로 상승하였으며, 이 구간에서도 유출은 지속되었다. 이 압력 상승은 공급이 중단된 동안 벤토나이트가 팽윤하여 유로 단면이 변화한 결과로 추정되나, 공급 중단 시간이 약 30초로 짧고 유로의 변화를 직접 확인하지 못하였으므로 펌프 교체와 압력 상승 사이의 인과관계는 확인되지 않는다.
GraFi(Test B)에서는 시험 종료 시점까지 파이핑 유로의 형성과 폐색이 반복되었으며, 관통 파이핑이 형성되지 않은 채 파이핑이 진행 중인 상태에서 시험셀 파손으로 시험이 종료되었다. 시험셀 파손 이후의 진행 양상, 즉 관통 파이핑으로 발전하였을지 또는 팽윤에 의해 유로가 폐색되었을지는 본 시험으로 확인할 수 없다. 시험 중 유출이 일시적으로 발생하였으나 지속되지 않아 일시적인 유로 연결로 판정하였으며(4.2절), 유출 시점의 주입압력은 549 kPa로 관통 파이핑이 유지된 Test D의 4 kPa 수준보다 크게 높았다.
두 시험 모두 파이핑 유로를 따라 침식이 진행되었으나, 침식된 재료가 배출될 수 있는 경로의 확보 여부에서 차이를 보였다(Börgesson and Sandén, 2006). Test D에서는 파이핑 유로가 유출구까지 연결되어 배출 경로가 확보되었고, 이후 낮은 주입압력에서 유동과 침식이 지속되었다. Test B에서는 배출 경로가 일시적으로만 확보되었을 뿐 유지되지 않은 상태에서 파이핑 유로의 형성과 폐색이 반복되었으며, 주입압력도 함께 상승과 하락을 반복하였다.
이상의 결과를 국내 과립형 재료의 시험 결과와 비교하면, 과립 간 공극으로의 침투와 팽윤에 의한 공극 폐색으로 주입압력의 상승과 하락이 반복되는 거동은 Lee et al.(2024)의 과립 시험에서도 관찰되었으며, Kim et al.(2026)도 과립 간 대공극 내에서 초기 팽윤이 수용됨을 보고하였다. 반면 Lee et al.(2024)의 과립 시험에서는 경계면을 따른 파이핑 유로 없이 내부 전단파괴에 의한 침식이 발생하였고 최대 주입압력도 약 130 kPa로, 본 시험과 유로의 형성 양상 및 주입압력 수준에서 차이를 보였다. 다만 두 시험은 재료의 입도, 설치 건조밀도(1.0 g/cm3과 1.38 g/cm3), 유입유량 및 시험셀 형상이 서로 달라 직접적인 비교에는 한계가 있다.
5. 결 론
본 기술보고에서는 처분 선도국 및 국내에서 수행한 파이핑 및 침식 관련 선행 연구를 소개하고, 과립형 뒤채움재인 GraFi와 GBM을 대상으로 설치 건조밀도 1.38 g/cm3 조건에서 0.001 및 0.0001 L/min의 정유량을 적용하여 관찰한 파이핑 및 침식 거동을 제시하였다. 선행 연구의 시험 조건과 본 시험의 결과는 Table 8에 제시되어 있으며 주요 내용은 아래와 같이 정리하였다.
Table 8.
Test conditions of previous studies and piping and erosion behavior observed in this study
| Study |
Bentonite (material) | Specimen form |
Dry density (g/cm3) |
Water content (wt%) | Fluid |
Inflow rate (L/min) |
Main reported condition |
| Börgesson et al.(2005) | MX-80 | Compacted block | ≈1.70 |
16.4 ~ 19.0 |
DI water, tap water, 1.1% salt |
2.0×10-4 ~ 2.0×10-2 |
Flow stops below ≈0.001 L/min |
| Suzuki et al.(2013) |
Kunigel V1 70% + silica sand 30%, Kunigel V1 100% |
Block, in-cell compacted, pellet |
Pellet Mixture 1.47 ~ 1.60 (small scale) Large pellet ≈1.10 (large scale) |
10 (block) |
DI water, 0.5 M NaCl |
1×10-4 ~ 0.1 |
No piping below 0.001 L/min |
| Sane et al.(2013) | MX-80 | Compacted block | ≈1.74 | 17 |
Tap water, saline 10, 35, 70 g/L |
0.1 (fixed) |
Erosion rate only (piping initiation not addressed) |
| Friedland clay | ≈1.84 | 9 | |||||
| Börgesson et al.(2015) | MX-80 |
Pellet filling (pillow, rod), compacted block |
Pellet filling 0.89 ~ 0.92, compacted specimen 1.70 | 13 ~ 17.5 |
DI water, 1% salt (NaCl : CaCl2 = 50:50) |
2.5×10-5 ~ 0.1 |
Channel stays open unless 0.0001 L/min |
| Lee et al.(2024) |
Bentonil WRK (Ca-type) |
Powder, granule (gap-fill), compacted block |
Powder 1.1 granule 1.0 block 1.60 | 14 ~ 15 | DI water |
0.001 (only block) and 0.01 (all) |
Interfacial piping (block), internal erosion (granule) |
|
This study (Test A, B) | GraFi | Granular | 1.38 | 13.53 | DI water | 0.0001 |
No piping, no erosion |
| 0.001 |
Piping (repeated formation and closure of channels); erosion with transient outflow | ||||||
|
This study (Test C, D) | GBM | Granular | 1.38 | 6.47 | DI water | 0.0001 |
No piping, no erosion |
| 0.001 |
Through-going piping; erosion continued |
⦁ 0.0001 L/min 조건에서는 두 재료 모두 시험셀 파손으로 시험이 종료된 시점까지 파이핑과 벤토나이트의 유출이 관찰되지 않았고, 습윤은 주입구 인근에 국한되어 균질하게 진행됨. 이는 해당 유량에서 파이핑이 형성되지 않는 것으로 전제한 안전성평가(Posiva Oy, 2021)와 상충하지 않는 결과이나, 선행 연구에서 0.0001 L/min은 주로 유량 감소 과정에서 기존 유로가 폐색되는 조건으로 제시된 값으로, 시험 개시부터 정유량을 주입한 본 시험과는 시험 방식이 다름.
⦁ 0.001 L/min 조건에서는 두 재료 모두 파이핑 및 침식이 관찰되었지만, 그 양상이 크게 다름.
⦁ GBM의 파이핑 거동은 관통 파이핑이 형성되어 침식이 발생하고 시험 종료 시점까지 지속적으로 유출물(탈이온수 및 벤토나이트)이 발생함.
⦁ GraFi의 파이핑 거동은 시험셀 파손 시점까지 관통 파이핑이 형성되지 않고 유로의 형성과 폐색이 반복되었음. 일시적인 유출을 통해 침식이 발생하였음을 확인함.
⦁ 선행 연구에서 0.001 L/min 유량에 대한 파이핑 및 침식 결과는 시편의 조건에 따라 나뉘었고, 본 시험에서는 과립형 뒤채움재의 파이핑 및 침식 거동이 제품(재료의 조건)에 따라 달라질 수 있음을 보여줌.
본 기술보고에서 적용한 설치 건조밀도 1.38 g/cm3는 Posiva가 과립형 뒤채움에 요구하는 최저 설치 건조밀도로, GraFi에 대해서는 설계 허용 범위 내에서 가장 낮은 밀도로 설치되는 경우에 해당하며, GBM에 대해서는 두 재료의 비교를 위한 공통 시험 조건에 해당한다. 이 조건에서 시험 종료 시점까지 확인한 유입유량별 파이핑 발생 여부와 재료에 따른 거동 차이는, 과립형 뒤채움을 적용할 때 지하수 유입유량의 관리 기준과 뒤채움재의 선정을 함께 검토할 필요가 있음을 보여준다. 국내에서는 과립형 재료의 파이핑 및 침식 거동이 처분공 갭 충전재 조건에서 검토되어 왔으므로(Lee et al., 2024; Kim et al., 2026), 처분터널 뒤채움재로 채택된 과립형 재료를 설계 요건 기반의 설치밀도와 저유량 조건에서 시험한 본 기술보고의 결과는 한국형 심층처분시설의 뒤채움재 선정 및 설계 기준 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
다만 본 시험은 시험셀의 파손 또는 펌프의 공급 한계에 의해 종료되었으며, 특히 0.0001 L/min 조건의 Test A와 C는 습윤이 주입구 인근에 국한된 상태에서 종료되었다. 따라서 본 시험의 결과는 각 시험의 종료 시점까지 관찰된 파이핑 및 침식 거동을 보여주는 것으로, 장기적인 파이핑 억제 여부나 과립형 뒤채움재의 임계 유입유량을 확정하는 근거로 보기에는 한계가 있다. 또한 각 시험 조건은 1회씩 수행되어 결과의 재현성은 확인되지 않았다. 이를 확인하기 위해서는 습윤이 시편 전체로 진행될 때까지 시험을 지속할 수 있는 시험장치를 이용한 추가 시험 및 반복 시험이 필요하다.
