심층처분시스템 근계암반의 열-수리-역학적 연계거동 평가를 위한 입자 체적계수 영향 분석
Influence of grain bulk modulus on thermal-hydraulic-mechanical (THM) coupled behavior of rock in deep geologicalrepositories
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초록
본 연구에서는 심층처분시스템 근계암반의 열-수리-역학(thermal-hydraulic-mechanical, THM) 연계거동에 대한 입자체적계수의 영향을 평가하였다. 황등화강암 시편을 대상으로 무자켓 실험을 수행하여 구속압 증가에 따른 체적변형률을 측정하고, 이를 통해 실험 기반 입자 체적계수를 산정하였다. 또한 X-선 회절분석을 통해 산출된 광물 체적분율을 활용하여 체적분율 가중평균 기법으로 이론값을 계산하였으며, 기존 문헌의 탄성계수를 적용하여 추가적인 이론값을 도출하였다. 세 가지 경우에서 산정된 입자 체적계수를 수치해석에 반영하여 KBS-3 방식 심층처분시스템의 근계암반을 모사하고, 시간에 따른 온도, 간극수압, 최대 주응력, 체적변형률, 수리응력 및 열응력의 거동을 평가하였다. 해석 결과, 입자 체적계수 변화는 온도와 간극수압 거동에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었으나, 최대 주응력과 체적변형률은 명확한 차이를 보이는 것으로 파악되었다. 특히 이론값 기반 해석은 응력-변형 반응을 과대평가하는 경향을 보여, 장기 안정성 평가의 신뢰성을 저하시킬 수 있는 가능성이 확인되었다. 이러한 결과에서 실험 기반 입자 체적계수의 확보와 이를 활용한 THM 연계해석이 중요하게 고려되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 향후 심층처분시스템의 안정성 평가를 위하여 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Abstract
This study examines the effect of grain bulk modulus on the thermal-hydraulic-mechanical (THM) behavior of rock in deep geological repositories. The grain bulk modulus was obtained from unjacketed tests on Hwangdeung granite, where volumetric strain was measured under increasing confining pressure. Mineralogical compositions from X-ray diffraction analysis were also used to calculate theoretical values through a volume-fraction-weighted average, and elastic parameters were employed to derive additional estimates. Three cases were analyzed: (i) experimental values, (ii) elastic parameter-based estimates, and (iii) mineral fraction-based theoretical values. These parameters were applied in a numerical model to simulate the THM response of nearfield crystalline rock around a KBS-3 type repository. Results showed that changes in grain bulk modulus had insignificant effects on temperature and pore pressure distributions. In contrast, clear differences appeared in mechanical responses, especially in maximum principal stress and volumetric strain. Theoretical estimates overpredicted stress-strain responses compared with experimental data. Therefore, using experimentally derived parameters is essential to improve the reliability of THM simulations and to ensure accurate long-term stability assessments of deep geological repositories. The findings of this study provide a scientific basis for applying experimentally measured parameters in future THM coupling analyses of underground rock.