1. 서 론

고준위방사성폐기물처분장은 크게 공학적방벽(engineered barrier)와 천연방벽(natural barrier)으로 구성된 다중 방벽 시스템을 통해 그 안정성을 보장한다. 이중, 공학적방벽은 처분용기, 완충재, 뒤채움재, 콘크리트 플러깅 등을 포함하며, 방사성 핵종이 인간 생활권을 향해 유출되는 것을 일차적으로 저지한다. 완충재는 처분용기와 암반 사이에 위치하며, 현재 지층처분을 수행/고려하고 있는 대부분의 국가에서 벤토나이트를 그 주재료로 사용하고 있다. 벤토나이트 완충재는 지하수에 의해 팽윤(swelling)하여 처분용기와 암반 사이 공간을 메우며, 모암에서 처분용기 방향으로 유입되는 지하수를 차단한다. 동시에 처분용기에서 발생하는 사용후핵연료의 붕괴열을 주변 암반으로 분산하는 등 공학적방벽의 전반적인 안전성에 매우 큰 영향을 미친다.

처분공 주변 암반에 절리가 존재하거나 혹은 처분공 굴착으로 인해 굴착손상영역(EDZ, excavation damaged zone)이 생성된 경우, 이를 통해 처분공 방향으로 지하수가 유입될 수 있다. 벤토나이트는 지하수에 의해 포화/팽창하여 완충재로서 기능하지만, 수압 조건에 따라 침식(erosion) 혹은 파이핑(piping) 현상이 발생할 수 있다. 수압이 벤토나이트 팽윤압 보다 큰 경우, 지하수가 벤토나이트 내부로 유동할 수 있는 파이프 유동로가 생성되며, 반대의 경우 절리 간극을 통해 벤토나이트가 유실될 수 있다. 이러한 침식, 파이핑 현상은 완충재를 포함한 공학적방벽의 전반적인 건전성에 영향을 미친다(Hong et al., 2022).

한국원자력연구원은 벤토나이트 완충재의 침식 및 파이핑 현상을 연구하기 위해 다양한 실내실험을 수행하였다. 예를 들면, 국내 경주산 Ca-벤토나이트를 이용해 침식 현상을 실험적으로 연구했으며(KAERI, 2005), 인공 절리를 대상으로 한 침식/파이핑 실험을 수행 중이다(KAERI, 2021). 이러한 실험실 규모의 연구를 통해 유용한 기반자료를 생산하였으나, 시험편의 크기 및 실험 조건 면에서 한계가 있었기 때문에 공학적 규모로의 확장 및 현장 조건에서의 실증실험이 요구된다. 따라서 원내에 위치한 KURT (KAERI Underground Research Tunnel)를 활용하여 현장 조건에서의 실증실험인 BEPT (Bentonite Erosion and Piping Test)를 계획 중이다. 현재 다양한 지반조사를 통해 KURT 내부에 BEPT 실험부지를 확정하고 지반정보를 특성화했으며, 벤토나이트 시험편 조합체, 센서, 관측 장비 등의 설계를 완료하였다.

상세 설계에 앞서, 근계암반-완충재 상호작용 규명을 위한 다양한 국내외 실증실험 사례를 조사하였고, 특히 벤토나이트의 침식과 파이핑 현상에 대한 선행 연구사례를 수집하여 분석하였다. 분석 결과는 실증실험에 적합한 부지 조건 및 특성화 자료 생산, 시험편과 각종 관측 장비 설계 등 전체적인 BEPT 실험 설계에 반영되었다. 본 기술보고는 이러한 조사 결과를 종합하여 그 특징 및 주안점을 정리하고 동시에 상술한 BEPT 실험과 그 현황을 소개하기 위해 작성되었다.

2. 선행 실증실험 사례

2.1 LIT (Long term In-situ Test)

스위스 방사성폐기물관리공동조합(Nagra, National cooperative for the disposal of radioactive waste) 주도로 수행 중인 국제공동연구 CFM (Colloid Formation and Migration)은 2004년부터 시작되어 현재까지 여러 단계의 연구가 진행 중이며(GTS, 2024), 한국원자력연구원을 비롯하여 10개국의 연구 기관이 참여 중이다(Lee at al., 2022). CFM은 콜로이드 형성 및 이동, 콜로이드에 의한 핵종 이동, 벤토나이트 침식 현상 규명 등을 주요 연구 목적으로 하며, 다양한 실내/현장 실험과 모델링을 포함한 연구가 진행 중이다. LIT는 CFM 과제의 일환으로 수행된 실증실험으로, 압축 벤토나이트에서의 콜로이드 생성과 이동을 규명하고자 GTS (Grimsel Test Site)에서 수행되었다. GTS의 전반적인 실증실험 배치도는 Fig. 1(a)와 같다.

Fig. 1.

Schematic map of GTS; (a) GTS overview map, (b) test layout of I-BET, and (c) illustration of LIT (After Schlickenrieder et al., 2017)

먼저 LIT 실험 목적에 적합한 부지를 선정하고자 다양한 지반조사를 수행하였다. 콜로이드 형성과 핵종 이동이 발생할 수 있도록 적당한 지하수 유동이 필수적이며, 따라서 투수성이 존재하며 원위치 유동장(flow field)에 대한 정보가 풍부한 부지가 선호되었다. 조사 결과, GTS 남쪽에 위치한 MI (migration) shear zone이 적합 실험 부지로 선정되었다(Fig. 1(a)의 파란색 원 지역). MI shear zone은 두께 약 1.5~2.0 m 수준의 연성 전단대이며, 최대 10 mm 정도 너비의 간극을 갖는 지하수 유입지점이 여러 개 확인되었다. MI shear zone의 지하수 유입량은 시간과 연구 활동에 따라 변하지만 대략 0.2~0.6 l/min 수준이며, 유효 투수량계수는 10^-6 m²/s 수준으로 측정되었다. 제어 가능한 수두 경사 및 유속 조건을 구현하기 위해 Fig. 1(c)와 같은 mega-packer system을 설치했으며, 이는 철제 튜브와 O-ring 패커로 구성되어 직경 3.51 m의 터널을 내부에서 구속하였다. LIT 실험을 위한 벤토나이트 시험편은 Fig. 2와 같이 제작되었다.

Fig. 2.

Detailed view of LIT specimen assembly (After Schlickenrieder et al., 2017)

더블패커 사이 400 mm 구간에 총 16개의 압축 벤토나이트 링이 설치되었다. 벤토나이트는 몬모릴로나이트 함량이 높은 FEBEX 벤토나이트이며(Lloret and Villar, 2007), 건조밀도와 함수비는 각각 1.65 g/cm³, 13.9 %로 제작되었다. 중앙 4개의 벤토나이트 층에는 ⁴⁵Ca, ⁷⁵Se, ⁹⁹Tc, ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am, ²³³U, ²⁴²Pu, ²³⁷Np가 담긴 유리병(vial)이 삽입되어 있으며, 이는 지하수에 의해 벤토나이트가 팽윤하면 깨지도록 설계되었다. 유리병이 깨지면 핵종이 유출되며, 이를 이용한 추적자 실험을 계획하였다. 그 밖에 축방향 전응력과 공극수압을 측정하기 위한 센서가 설치되어 있으며, 센서 라인(pressure line)과 지하수 채수 라인(flow line)은 중앙 mandrel을 통해 외부로 연결되었다.

위와 같이 구성된 시험체는 Fig. 3의 중앙 시추공 CFM 06.002에 설치되었다. CFM 06.002(설치공)는 직경 86 mm, 심도 8.85 m, 상향 약 19°의 경사 시추공이며, 6.7~6.8 m 지점에서 MI shear zone을 통과한다. 따라서 Fig. 2의 벤토나이트 부분이 시추공 6.5~7.0 m 구간에 위치하도록 시험편을 이송한 후, 패커를 팽창시켜 시험체를 고정하였다. 설치공을 중심으로 약 110 mm의 이격거리와 120° 간격으로 관측공 CFM 11.001~003을 시추하였다. 관측공은 직경 56 mm, 심도 약 7 m 수준이며 설치공과 평행하게 위치하였다. 이는 콜로이드와 핵종 이동을 근거리에서 확인하기 위한 목적으로 시추되었다.

이 밖에 외부에 cabinet과 glovebox를 설치하여 각종 지화학, 핵종 분석을 수행하였고, 유리병 파괴를 감지하기 위한 AE 센서도 일부 설치하였다. 추적자 실험을 통해 다양한 결과를 얻었으나, 결론적으로 콜로이드 및 핵종 농도는 예상보다 작게 측정되었다. 이는 실험 기간이 상대적으로 짧았으며, 벤토나이트 시험편의 팽윤압이 예상보다 낮아 유리병이 완전히 깨지지 않았고 따라서 핵종 유출량이 충분하지 않았기 때문으로 판단되었다(Lanyon et al., 2018). 2018년 모니터링이 종료되었으며, 레진 주입 및 오버코어링을 통해 벤토나이트 시험편을 회수하고 사후 분석(post-mortem)을 수행 중이다.

Fig. 3.

Borehole layout for LIT (After Schlickenrieder et al., 2017)

2.2 I-BET (In-rock Bentonite Erosion Test)

I-BET 실험은 LIT의 보완사항을 반영한 후속 실험으로 계획되었으며, 핵종 이동 부분을 제외하고 벤토나이트 침식 현상 규명을 중심으로 수행되었다. LIT 수행 시, 벤토나이트 시험편은 직경 86 mm의 시추공에 설치되었으며, 대부분의 수리 유동은 단일 절리를 통해 발생하도록 설정하였다. 벤토나이트 팽윤압은 예상보다 낮은 0.6~1.5 MPa로 측정되었는데, 이는 포화가 충분하지 못했기 때문이며 따라서 침식도 충분히 발생하지 못한 것으로 판단되었다. 따라서 I-BET을 통해 추가적인 실험을 수행하여 자연적인 유동장에서 침식에 의한 벤토나이트 손실을 정량화하고자 하였다(Lanyon et al., 2018).

I-BET 실험을 위한 부지는 Fig. 1(a)와 같고(Fig. 1(a)의 붉은색 원 지역), 전반적인 시추공 배치도는 Fig. 1(b)와 같다. 이 지역은 JGP(JAEA Grouting Project) 실험을 수행했던 지역으로, 부지 특성화 자료가 충분하여 I-BET 실험을 위한 부지로 선택되었다. I-BET 실험을 위한 시추공 배치를 좀 더 자세히 도시하면 Fig. 4과 같다. 벤토나이트 설치공에 해당하는 중앙의 JGP 11.003 시추공은 JPG 실험 당시 silica-sol grout 주입공으로 사용되었으며, I-BET 실험을 위해 심도 11.5 m까지 직경 220 mm로 확공하였다. 물리검층 결과, JGP 11.003에는 간극이 최대 5 mm 수준인 절리가 여러 개 확인되었으며, 단층 가우지가 부분적으로 존재하였다. 당초 해당 부지에는 JGP 시추공들만 존재했으며(Fig. 4), JGP 시추공 간 수리적 연결성을 확인하기 위해 수리 시험과 추적자 시험 등을 수행하였다. 그러나 수리적 연결성이 불량하거나 혹은 벤토나이트 시험편의 설치 심도를 결정하기에 불충분한 결과가 도출되면서 세 개의 관측공 CFM 18.001~003을 추가 시추하였다. 신규 시추공들은 설치공에서 250 mm 이격을 두고 설치되었으며, 가까운 거리에서 벤토나이트 침식 현상을 관찰하기 위해 배치되었다. 동시에 침식을 위한 유량이 부족할 경우, CFM 18.001을 주입공을 활용하여 근계 영역에서의 모니터링 및 유동을 제어하고자 하였다.

Fig. 4.

Borehole layout for I-BET (After Lanyon et al., 2018)

추가 시추 후, 설치공과 신규 근접 관측공 사이의 수리적 연결성을 확인하였다. 시추 중 유량 모니터링, 공내 촬영 등을 수행하였고, 그 결과 심도 3.8~4.0 m 부근에 수리적 연결성이 높은 열린 절리가 위치함을 확인하였다. 따라서 I-BET의 시험 구간은 JGP 11.003 시추공의 3.30~4.35 m 심도로 최종 결정되었다. I-BET 실험을 위한 벤토나이트 시험편은 Fig. 5와 같이 제작되었다. 벤토나이트는 MX-80을 사용한 압축 블록으로, 건조밀도 1.70 g/cm³, 초기 함수비 16.9 %로 제작되었다. 벤토나이트 링의 외경은 210 mm, 내경 114 mm이며, 내부 mandrel을 통해 각종 센서 라인이 연결되었다. 각 링의 축방향 길이는 15 cm이며 총 7개의 링으로 구성되어 전체 벤토나이트 시험편의 길이는 105 cm, 무게는 48 kg이었다. 전반적인 현장 조건을 고려할 때, 시험편 포화까지 100~200 일 정도가 예상되었으며, 포화 시 팽윤압은 3.7~4.6 MPa로 예상되었다.

Fig. 5.

Detailed view of I-BET specimen assembly (After Lanyon et al., 2018)

벤토나이트의 포화, 침식으로 인한 질량 손실, 공극수압 등을 측정하기 위해 다양한 종류의 센서를 설치하였으며, 센서 종류는 FR (force radial), FA (force axial), RH (relative humidity), TP (total pressure), PP (pore pressure)로 구성되었다. 모든 센서는 벤토나이트 링-링, 링-패커 경계에 설치되었으며 총 40개의 센서가 설치되었다.

2.3 BRIE (Bentonite Rock Interaction Experiment)

BRIE 실험은 2010년에서 2014년까지 스웨덴의 Äspö hard rock laboratory (HRL)에서 수행된 실증실험이다. BRIE 실험은 완충재의 침식, 파이핑 현상 보다 현장 조건에서의 완충재 포화 과정 규명을 주요 연구 목적으로 하지만, 전체적인 실험 구성이 앞선 사례와 유사한 점이 많아 본 기술보고에 추가하였다. BRIE 실험의 목적을 자세히 기재하면 다음과 같다. 먼저 벤토나이트와 근계암반 경계면을 따른 수리적 상호작용 파악하고 현장 조건에서 벤토나이트의 포화 과정을 파악하고자 하였다. 또한 이를 반영하여 실제 처분공 선정 기준을 수립하고 그 특성화 방안을 수립하고자 하였다. 동시에 이 실증실험 결과는 SKB Task force on EBS and GWFTS (GroundWater Flow and Transport of Solutes) Task 8 국제공동과제의 모델링 자료로 활용되었다.

BRIE 실험이 수행된 Äspö HRL의 조감도 및 조사를 위한 시추공 배치도는 Fig. 6과 같다. 실험부지 선정 및 암반 특성화를 위해 Äspö HRL 심도 420 m에 위치한 TASO 터널(Fig. 6(b))에 대한 지반조사를 수행하였으며, 이때 심도 3 m 수준의 1차 시추공 5개(Fig. 6(c)의 붉은색 시추공)와 심도 3.0~3.5 m 수준의 추가 시추공 14개를 활용하였다. 지반조사는 크게 불연속면 특성화, 유량 측정, 수리시험 등으로 구성되었다. 조사 결과, KO00017, KO00018 2개의 시추공(Fig. 6(c)의 파란색 원)을 시험공으로 선정하였다. 이중, KO00017은 자연적인 지하수 유동이 비교적 좋은 경우(flow rate 약 0.1~0.25 ml/min)이며, 반대로 KO00018은 지하수 유출이 상대적으로 적은(flow rate 약 0.01~0.02 ml/min) 경우에 해당하였다. 두 시험공은 기존 직경 76 mm에서 300 mm로 확공되어 실험에 활용되었다.

Fig. 6.

Location and borehole layout for BRIE (After Fransson et al., 2017)

BRIE 실험을 위한 압축 벤토나이트 시험편은 MX-80으로 제작되었으며, 건조 밀도 1.56 g/cm³, 초기 함수비 10%로 제작되었다. 시험편은 여러 층으로 구성되며 각 층의 직경은 298 mm, 두께 100 mm이다. 시험편 중앙 직경 40 mm의 통로를 통해 맨드렐이 관통하며, 이는 전체 조합체의 지지 및 각종 센서의 이동 통로 역할을 한다. 시험공의 심도에 따른 지하수 유출량을 비교하여 각 시험편의 wet/dry 구역을 설정하였다. 각각의 구역은 심도 약 2.3~2.6 m 수준에 위치하며, 이 구역에 계측 센서를 집중 배치하였다. RH (relative humidity), TP (total pressure), PP (pore pressure) 센서를 설치했으며, 특히 공극수압 센서는 벤토나이트-암반 경계부에 가깝게 배치하였다. 벤토나이트 시험편 및 센서 배치는 Fig. 7(a)와 같다.

Fig. 7.

Photos of BRIE experiment; (a) specimen installation, and (b) retrieval After Fransson et al., 2017)

두 시험공에 벤토나이트 시험편을 거치한 후(Fig. 7(b)), 시험편과 시추공 외벽 사이 이격에 지하수를 주입하고 관측을 시작하였다. 약 400일 이상 관측을 수행한 후, Fig. 7(c)와 같이 시험편을 회수하였고, 회수된 시험편은 사후분석을 위해 해체되었다. 방위, 반경 방향, 축 방향으로 구분하여 총 2,590개의 샘플을 취득했으며(Fig. 8(a)), 각 샘플의 함수비(water content)와 밀도를 측정하고 그 분포를 도시하였다(Fig. 8(b)).

Fig. 8.

Examples of postmortum analyese; (a) sampling procedure, and (b) water content distribution (After Fransson et al., 2017)

2.4 Horonobe URL bentonite erosion test

Horonobe URL bentonite erosion test는 현장 조건에서 침식과 파이핑으로 인한 완충재의 기능 저하 현상을 파악하고 이에 대한 대응책을 마련하기 위해 2015년부터 수행된 실증실험이다(Hanamuro, 2016). Horonobe URL에서는 완충재를 포함한 공학적방벽의 전반적인 건정성을 평가하고자 다양한 연구를 수행하였다. 특히 실험실 규모에서의 완충재 침식/파이핑 연구 결과와 비교 평가 및 실증을 위해 Horonobe URL 심도 350 m에 위치한 Niche No.5에서 현장 실험을 수행하였다(Fig. 9(a)).

Fig. 9.

Horonobe URL bentonite test; (a) schematic map of the test site, and (b) test setup (After Jo et al., 2019)

Horonobe URL은 앞선 사례들과는 다르게 퇴적층 암반에 위치하고 있으며, 실험이 수행된 350 m 심도는 Wakkanai 지층의 규질 이암이 주요 암석이다. 해당 암석은 건조 밀도 1.42 g/cm³, 유효 공극률 41.6%, 단축압축강도 15.4 MPa, 간접인장강도 1.83 MPa로 측정되어(Aoyagi and Ishii, 2019) 스웨덴, 스위스 그리고 국내 URL의 암반 조건과는 상당한 차이를 보인다.

벤토나이트 시험편 및 실험 세팅은 Fig. 9(b)와 같다. 먼저 벤토나이트 블록은 벤토나이트(Kunigel VI) 70%, 모래 30%를 혼합하여 압축 성형하였다. 외경은 약 540 mm, 두께 100 mm의 층을 총 6개로 구성했으며, 각 층은 8개의 segment로 조립하였다. 시험편 중앙에는 직경 210 mm의 통로를 성형했으며, 이를 통해 맨드렐이 통과하여 전체 시험편을 지지하고 센서의 라인을 외부로 연결하였다. 시험편 상/하부에 플랜지를 설치하여 축 방향 팽윤을 구속했으며, 그 위로 지하수 유출 제어 및 샘플링을 위한 sealing lid를 설치하였다.

시험공 직경이 약 580 mm이기 때문에 시험편과 공벽 사이에는 양쪽으로 각각 20 mm의 이격이 존재한다. 이 이격에는 시험 조건에 따라 벤토나이트 펠렛(pellet)을 채워 그 성능을 확인하였다. 또한 지하수 조건을 제어하기 위해 별도의 주입공을 설치하였다. 직경 66 mm의 주입공이 벤토나이트 시험편 하단부와 연결되어 투수성 절리와 같은 역할을 하였고, 이를 통해 주입 유량을 제어하였다. 주입 유량과 수압, 그리고 벤토나이트의 팽윤압을 측정했으며, 주입을 통해 시험편 하단부에서 상부까지 이동한 지하수를 샘플링하여 침식된 벤토나이트의 농도를 측정하였다.

연구 목적에 따라 총 4개의 실험 case를 설정하였다. Case 1은 현장 조건에서 벤토나이트의 침식과 파이핑 현상이 발생할 수 있는지 여부를 확인하고, 이에 미치는 지하수 유량의 영향을 파악하기 위해 수행되었다. 이를 위해 자연적인 지하수 유량에서 최대 1.1 l/min까지 주입량을 조절하였다. Case 2에서는 일정한 주입량 조건에서 벤토나이트를 통한 유동로(flow path)의 변화를 시간에 따라 관찰하였다. 이를 위해 염료를 섞은 지하수를 주입하고 약 3700 시간에 걸쳐 관찰을 수행하였다. Case 3에서는 일정 주입량 조건에서 침식과 파이핑된 벤토나이트의 부피를 측정하였다. 이를 위해 샘플링된 지하수에서 벤토나이트의 농도를 측정하였다. 마지막 Case 4에서는 갭 채움재(gap filling)로서 벤토나이트 펠렛의 성능을 실증하였다. 앞선 실험 조건에서는 벤토나이트 시험편과 공벽 사이의 이격을 그대로 둔 채 시험이 수행되었으나, Case 4는 벤토나이트 100%로 제작된 펠렛을 사용하여 이격을 메우고 실험이 수행되었다.

각 case에서의 주요 실험 결과를 간략히 정리하면 다음과 같다(Jo et al., 2019). 먼저, 자연적인 상태 혹은 극히 적은 유량(0.05 l/min)에서는 침식 및 파이핑 현상이 발생하지 않았다. 그러나 적은 유량이라도 좁은 지역에 집중되는 조건이면 침식 발생 가능성이 있음을 확인하였다. 또한 약 0.3 l/min 정도의 유량 조건에서는 침식-파이핑-힐링(healing) 현상이 반복되었다.

일정한 주입량 조건이 유지되면, 지하수 유동로는 시간에 따라 지속적으로 변하며 주입점(injection point) 위치와 관련을 보이지 않았다(Fig. 10(a)). 샘플링된 지하수의 벤토나이트 농도를 바탕으로 침식량을 계산한 결과, 주입량과의 상당한 상관관계를 보였으며, 실내실험 결과와도 유사한 수준임을 확인하였다(Fig. 10(b)). 마지막으로 갭 채움재를 사용하면 시험편 안쪽으로의 지하수 침투(seepage)가 약화되며, 따라서 시험편 내부에 건조 상태인 부분이 증가하여 파이핑 현상을 억제할 수 있는 것으로 확인되었다(Fig. 10(c)).

Fig. 10.

Brief summary of test results of Horonobe URL bentonite test; (a) flow path change, (b) amount of bentonite erosion, and (c) effect of pellet filling (After Jo et al., 2019)

3. BEPT (Bentonite Erosion and Piping Test) 실험 소개

상술한 것처럼 국내에서 수행된 벤토나이트 침식, 파이핑 관련 연구는 대부분 실험실 규모에서 수행되었다(KAERI, 2005, iKSNF, 2022, iKSNF, 2023). 예를 들어, 한국원자력연구원에서는 국내 경주산 Ca-벤토나이트를 이용하여 지하수 침식에 의한 벤토나이트 입자 발생 가능성과 발생된 벤토나이트 입자들의 영향을 실험적으로 평가하였다. 그 결과, 지하수 흐름에 의한 벤토나이트 표면 침식은 암반 절리로의 벤토나이트 겔 침투과정과 함께 벤토나이트 유동의 주요 과정임을 확인하였다. 그러나 대상 시험편의 크기(직경 100 mm의 화강암 코어와 그 내부에 설치된 직경 54 mm의 벤토나이트)와 수리 지화학적 실험 조건에서 한계가 있었다. 최근 수행된 인공절리 침식 실험에서는 완충재 형태, 용액 내 Na 양이온 농도 및 절리 간극 등에 따른 완충재 침식 특성을 평가하였고(Fig. 11(a)), 파이핑 실험에서는 완충재 형태와 유입 유량을 실험 조건으로 유입 시간에 따른 파이핑 발생 양상 특성에 대해 분석하였다 (Fig. 11(b)). 이를 기반으로 실험실 규모보다 큰 공학규모 완충재의 침식 및 파이핑 기작을 평가하기 위한 실험 장비를 구축하여 예비 실험을 수행 중이다(Fig. 11(c)). 그러나 이러한 실험실 및 공학규모 실험 결과가 실제 처분 환경에서의 완충재 침식 및 파이핑 거동을 정확히 모사한다고 보기 힘들고 실험 규모에 따른 비교검증이 필요하다.

Fig. 11.

Laboratory testing of bentonite erosion and piping; (a) artificial fracture erosion test, (b) piping erosion test, and (c) engineering-scale bentonite erosion test (After iKSNF, 2023)

따라서 선행 연구 결과를 검증하고 현장 조건에서의 적용성을 평가할 필요가 있으며, BEPT 실험은 이러한 목적을 위해 계획되었다. 현장 조건에서 벤토나이트의 침식 및 파이핑 현상을 원활히 관찰하기 위해서는 일정한 수준의 지하수 유동이 가능한 암반 절리가 요구된다. 이는 실제 처분 환경에서는 그 수준에 따라 배제 조건에 해당하지만, 실증실험 목적 달성을 위해서는 선호된다. 예를 들어, LIT 실험에서의 예상보다 낮은 벤토나이트 팽윤압은 지하수 유량이 적어 벤토나이트 포화가 충분히 이루어지지 않았을 가능성이 있다. 이러한 선행 연구결과 및 KURT 내부 상황을 고려하여 BEPT 실험을 위한 적합 부지 조건을 설정하였다. 구체적으로 ¹⁾수리 유동이 충분한 절리 혹은 절리대의 존재, ²⁾실험 구간 내 수평 방향으로 양호한 수리 연결성, ³⁾BEPT 시험편 및 모니터링 장치 설치를 고려하여 가능한 저심도(< 10 m) 조건을 적합 조건으로 설정하고 이에 부합하는 부지를 선정하고자 다양한 지반조사를 수행하였다. 지반조사 결과를 간략히 정리하면 아래와 같다(KAERI, 2024).

KURT가 위치한 지역은 경기변성암 복합체 내에 위치하며 주로 선캠브리아기의 편마암류와 중생대의 심성암과 관입맥암류로 구성되어 있다. 선캠브리아기의 변성암류는 흑운모 편마암 및 편암으로 구분되며, 이들은 KURT 북서부에 주로 분포한다. 심성암류는 크게 시대 미상의 편상화강암과 복운모화강암으로 나뉘며, 복운모화강암이 편상화강암을 관입하고 있는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 1980, Park et al., 1977).

KURT는 지표에서부터 90~150 m 심도에 위치하며, 단면은 6 m × 6 m의 마제형 터널이다. 터널 입구에서 10° 하향 경사의 직선형 진입 터널(1단계)과 종단부에 165 m의 환형 터널(2단계)로 구성되었다. 진입 터널과 환형 터널에는 총 6개의 연구 모듈(research gallery, RG)이 구축되어 있으며, 각 연구 모듈에는 각종 실험을 위한 다수의 시추공이 시추되었다(Fig. 12). 특히 RG-2 구역은 향후 수행할 공학적방벽재 실증실험인 K-COIN (KURT experiment of THMC COupled and INteraction) 부지로 선정되어 다양한 지반조사가 이루어졌다. 참조할 수 있는 기존 자료가 풍부하기 때문에 RG-2 외측 구역을 BEPT 실험을 위한 1차 후보부지로 선정하고 조사를 수행하였다. 이 구역에는 HM-9, HM-10, HM-11 세 시추공이 위치하고 있다(Fig. 12).

Fig. 12.

Schematic view of KURT (After Lee et al., 2019)

지반조사는 크게 시추공 물리검층, slug 시험, cross-hole 주입시험으로 구성되었다. 먼저 OBI (optical borehole image), 음파 검층 등을 수행하여 절리 분포, 방향, 암반의 탄성파 속도 등 기반 자료를 획득했으며, 이를 후속 조사의 참조자료로 활용하였다. 상술한 것처럼 BEPT 실험 부지가 만족해야 할 주요 특성 중 하나는 충분한 투수성이기 때문에, 단일공 검층 규모에서 이를 확인하기 적합한 전류집중 전기비저항 검층을 수행하였다. 비저항 감쇠 경향과 탄성파 반응을 종합한 결과, HM-10 시추공의 6.7~7.9 m와 11.5~12.7 m 두 구간이 높은 적합성을 보이는 것으로 판단했다.

시추공 검층을 통해 추정한 적합성을 검증하기 위해 두 후보 구간에 대해 slug 시험을 수행하였다. 그 결과, 두 구간 모두 10^-7 m/s 이상의 수리전도도가 측정되어 양호한 투수성을 확인하였다. Slug 시험은 인위적인 수두 차를 가한 후, 시간에 따라 회복되는 수두를 측정하므로, 이를 통해 시험 구간 내로 유입되는 지하수의 양을 추정할 수 있다. 추정된 단위 수두 당 평균 유입량은 25 ml/min 수준으로, 조사 당시 시추공의 직경(76 mm)과 FEBEX(7.5~8.5 ml/min), LIT(최소 3 ml/min) 등의 해외 사례와 비교하면(Martinez-Landa and Carrera, 2005, Schlickenrieder et al., 2017) 충분한 양의 지하수가 유동하는 것으로 판단했다.

BEPT 시험을 위한 시추공들은 모두 수직공이기 때문에 벤토나이트 시험편이 설치될 시험공과 관측공 사이에는 수평 방향으로 수리 연결성이 존재해야 한다. 이를 확인하기 위해 HM-10 시추공 주변으로 50~60 cm 이격을 두고 추가 시추를 수행했으며, 공 사이 수리 연결성은 cross-hole 주입 시험을 통해 확인하였다. 주입공의 시험 심도와 대응되는 관측공의 심도 모두 더블 패커로 격리하고 주입에 따른 유향-유속과 압력 반응을 관찰하였다. 그 결과, 후보 시험공의 상/하부 두 구간 모두 양호한 수리 연결성을 보였다. 두 구간 모두 BEPT 실험을 위해 적합한 조건을 지닌 것으로 확인되었으므로, 시험편과 관측 장비 설치 등의 작업 편의성을 고려하여 심도가 낮은 HM-10 시험공의 6.7~7.9 m 구간을 BEPT 실험을 위한 실험부지로 최종 선정하였다. 부지 확정 후, 벤토나이트 시험편이 설치될 설치공의 직경을 200 mm로 확공하였으며, 주변에 2공의 관측공을 추가 시추하여 실증실험을 위한 제반 환경을 조성하였다. 상술한 조사 과정과 결과 예시를 간략히 정리하면 Fig. 13과 같고, 부지 조사를 통해 측정된 실험 구간의 각종 물성을 정리하면 Table 1과 같다. Table 1에 기재된 평균값 중, cross-hole test를 제외하면 모두 HM-10의 6.7~7.9 m 구간에서 측정된 값이며, cross-hole 시험은 같은 심도에서 HM-10 시추공을 포함한 실험 부지의 전반적인 평균값으로 볼 수 있다. 또한 slug test에 의해 측정된 수리 전도도에 비해 cross-hole 주입 시험에 의한 수리 전도도가 더 큰 값을 보이는데, 이는 slug test의 영향거리가 상대적으로 짧으며, cross-hole 시험을 위해 추가 시추를 수행하여 유동성이 높아졌을 가능성이 있다.

Fig. 13.

Site investigation results; (a) flowchart of investigation, and (b) some results (After KAERI, 2024)

선정된 실험 부지 조건과 상술한 국외 선행연구 결과를 참조하여 BEPT 실험 상세 설계안을 도출하였다. 전체 시스템은 KURT 내부의 온도, 습도 등 현장 조건을 감안하여 설계하였으며, 특히 공벽 밀폐 및 주입 조건 유지를 위한 패커, 가압펌프, 연결 모듈, 모니터링 장비의 안정적인 작동/유지를 중요하게 고려하였다. BEPT 실험을 위한 시추공 배치 및 실험 시스템 모식도는 Fig. 14과 같다.

Fig. 14.

Experimental design for BEPT; (a) borehole arrangement, and (b) overall system

BEPT 실험을 위한 벤토나이트 시험편은 Fig. 14(a) 중앙에 위치한 BEPT 설치공에 설치될 예정이다. 이는 직경 200 mm, 심도 9 m로 시추되었으며, 설치공을 제외한 나머지 시추공은 모두 NX 크기이다. 설치공을 중심으로 북서쪽으로 약 500 mm 떨어진 지점에 주입공 IB (injection borehole)가 위치하며, 반대 방향으로 관측공 MB-C (central monitoring borehole)가 시추되었다. 두 시험공의 심도는 20 m이며, 지반조사 시 수행한 cross-hole 주입시험은 [IB] - [BEPT] - [MB-C] 사이에서 수행되었다. 실험 부지 확정 후, 심도 10 m 수준의 관측공 2공(MB-L, MB-R)을 추가 시추했으며(Fig. 14(a)), [IB]-[MB-C] 축을 기준으로 60°를 이루는 방사형 형태로 배치하였다.

전체적인 실험 시스템은 크게 ¹⁾벤토나이트 시험편 조합체, ²⁾가압부, ³⁾DAQ 부분으로 구성되며(Fig. 14(b)), 각 부분의 사양을 간략히 설명하면 아래와 같다. 벤토나이트 조합체는 벤토나이트, 센서, 맨드렐, 상/하부 패커로 구성된다. 벤토나이트는 벤토닐 WRK (bentonile WRK)가 주성분이며 외경 190 mm, 높이 120 mm의 ring segment 형태로 설계하였다. 총 8개 층을 적치했으므로, 시험구간의 총 길이는 960 mm이다. 시험편 내부에는 완충재의 THM 거동 측정을 위한 각종 센서와 온도 조건 구현을 위한 히터가 설치될 예정이다. 완충재에는 4개의 온도 센서, 4개의 상대습도 센서, 팽윤압을 측정할 4개의 압력 센서가 설치되었으며, 히터에는 2개의 온도 센서가 배치되었다. Ring 형태의 벤토나이트 시험편 내부로 직경 76.3 mm의 맨드렐이 통과한다. 이는 시험편 지지, 상/하부 패커 연결, 각종 센서에 부착된 케이블을 외부까지 연결하는 통로 역할을 한다. 마지막으로 시험 구간의 수리적 격리를 위해 고무 재질의 패커가 설치되었다. 상/하부 패커의 길이는 각 1 m, 적용 압력은 약 50 bar 이내로 설정하였다. 벤토나이트 시험편 조합체의 대표 도면 및 센서 배치도는 Fig. 15와 같다.

Fig. 15.

Detailed drawings for BEPT specimen assembly; (a) whole assembly, (b) pressure sensor (M), and (c) temperature (T) and relative humidity sensors (RH)

가압부는 크게 패커 가압 시스템, 유체 주입 시스템, 관측공에서의 채수를 목적으로 한 석션 시스템으로 구성된다. 가압 시스템은 압력을 가하기 위해 펌프와 각 패커로의 주입을 제어하는 주입/체크/벤틸레이션 밸브가 배치된다. 동시에 주입압을 측정하기 위한 압력계가 부착되며 압력은 DAQ를 통해 기록된다. 유체 주입 시스템 역시 펌프, 밸브 등이 부착되며 동시에 압력, 유량계를 설치하여 측정되는 수리 정보를 DAQ로 전송한다. 석션 시스템은 주입공-설치공을 통해 관측공까지 도달한 지하수를 채수할 목적으로 설치되며, 일정 수위에 도달하면 지상의 펌프를 이용해 채수할 수 있도록 설계하였다. 주입공과 관측공에는 암반 온도를 관찰할 목적으로 온도 센서가 1개씩 설치될 예정이다.

모든 자료는 DAQ 시스템으로 전송되어 저장된다. 관측 항목은 히터의 온도, 완충재 온도, 상대습도, 팽윤압, 주입공 주입 압력/유량, 패커 주입압, 관측공 수위/유량 등 총 31개 항목이며 데이터 저장과 함께 펌프 제어가 가능하도록 설계하였다. 상술한 BEPT 실험 시스템의 주요 설계요소 및 제원을 간략히 정리하면 Table 2와 같다.

4. 결 론

벤토나이트 완충재의 침식, 파이핑 현상은 공학적방벽의 전반적인 건전성에 큰 영향을 미침에도 불구하고, 현재까지 국내에서 수행된 관련 연구는 모두 실험실 규모에서 수행되었다. 선행 연구들은 모두 유용한 기반 자료를 생성했으나 시험편 크기 및 실험 조건 면에서 한계가 있었기 때문에 공학적 규모로의 확장과 현장 조건에서의 실증이 요구된다. 따라서 한국원자력연구원은 원내에 위치한 KURT를 활용하여 현장 조건에서의 실증실험인 BEPT 실험을 계획 중이다. 전체적인 실험 설계에 앞서, 근계영역에서 완충재의 침식, 파이핑 현상을 규명하기 위해 수행된 해외 실증실험 현황을 조사하여 정리하였다. 처분 관련 기술 선도국에 해당하는 스위스, 스웨덴, 일본에서 수행된 사례들을 분석하여 실증실험이 수행된 부지의 특성, 벤토나이트 완충재를 포함한 전반적인 실험 시스템 설계, 주요 계측 결과 등을 파악하였다.

본 기술보고는 해외 선행 연구 결과를 정리하고 동시에 BEPT 실험을 소개하기 위해 작성되었다. 선행 연구 사례를 분석하여 실험 수행이 원활한 것으로 판단되는 적합 부지를 선정했으며, 그 과정을 간략히 정리하였다. 또한 선정된 부지의 특성을 반영하여 벤토나이트 시험편 조합체를 포함한 전체 실험 시스템의 상세 설계를 수행하였다. 현재 실험 수행 상의 편의성을 위해 부지 정비 작업이 진행 중이며, 실험 장치를 부분적으로 제작 중이다. 2024년말 현장 설치를 시작할 계획이며, 향후 설치 과정과 모니터링 결과 등을 정리하여 지속적으로 보고할 계획이다.