Effect of excavation and thermal stress on slip zone and permeability change around deposition hole and tunnel in fractured rock

Abstract

The permanent disposal of spent fuel generated from nuclear power is an important social and technical issue. Among several options available, the most prominent option is geological disposal. The stress conditions redistributed by excavation, groundwater flow, and thermal stress due to disposed spent fuel are important factors in the safety of the repository. Therefore, there is a need for study considering thermo-hydro-mechanical coupled behavior. In particular, the comprehensive analysis considering rock fracture properties and geometry is scarce. In this study, the two-dimensional distinct element method simulator (UDEC) was used to numerically analyze the effects of slip zone and permeability on the disposal tunnels and holes. The change of permeability was analyzed through aperture change. The disposal tunnel and the hole model were used in this study, and the analysis including the uniformly distributed joint set and the discrete fracture network was performed in each model. In the uniform joint model, the maximum radius of slip area and aperture change area with respect to joint angle, friction angle, and stress ratio was analyzed, and the effects of friction angle, stress ratio were analyzed with DFN models with different Fishers constant and number of fractures. The slip area and the aperture change ratio were quantitatively compared as multiples of the underground opening radius. In the analysis considering the thermal stress, the disposal hole model was used, and the analysis point was taken as the time at which the maximum temperature reaches so that thermal stress reaches maximum value. In the uniform joint set model, the slip zone and aperture change area were wider as the friction angle gets smaller, the stress ratio and the joint angle were larger as a result of stress modeling after excavation. In particular, as the friction angle decreased, the effect of shear dilation increased dramatically. The area where the permeability change was about 3.4 times of the initial permeability varied from 2.8 times to 4.8 times of the opening radius depending on the joint angle, 4.3 times to 10.7 times depending on the friction angle, and 2.6 times to 4.2 times depending on the stress ratio. Similar results were obtained in the discrete fracture network model, and the slip zone occurred in the region of not more than three times of the opening radius in all models at the friction angle of 30°. As a result of thermomechanical modeling in the disposal hole model, the aperture was closed in all models, and most of the slip zone disappeared which had been caused by the excavation. In order to take into account the permanent joint aperture change due to shear dilation, it is necessary to study the case in which the thermal stress is reduced by long-term behavior, as well as considering the exact physical properties of the study. This study can be used as basic data in the site selection guidelines for spent fuel disposal repository, and can be used for performance evaluation of spent fuel disposal sites.

원자력발전으로 발생되는 사용후핵연료의 영구처분은 최근 중요한 문제로 대두되고 있다. 여러 방안이 제시되고 있는데, 그 중 가장 유력한 방법으로 지층처분 방법이 있다. 굴착으로 인해 재분배 된 응력조건, 지하수 유동, 처분된 사용후핵연료로 인한 열응력 등이 처분장의 안전성에 주요한 요인으로 작용하므로, 처분시스템의 안전성을 확보하기 위해서는 시스템 내에서의 열-수리-역학적인 복합거동을 고려한 연구가 필요하다. 특히 암반의 물성 및 절리의 기하학적 구조에 따른 일반적인 분석은 미흡하다. 본 연구에서는 2차원 개별요소법 시뮬레이터 (UDEC)을 이용하여 균일이 존재하는 암반에 굴착된 처분터널 및 처분공 주변에서의 인자에 따른 미끄러짐 영역 및 투수율에 대한 영향을 수치해석적으로 정량적 분석을 하였다. 투수율 변화에 대한 분석은 간극변화에 대한 분석으로 진행되었다. 본 연구에는 처분터널 모델과 처분공 모델이 이용되었으며, 균일절리군과 암반균열망을 포함한 분석이 수행되었다. 균일절리군 모델에서는 절리각, 마찰각, 응력비에 따른 미끄러짐 영역 및 간극변화영역 최대반경을 분석하였으며, 암반균열망 모델에서는 피셔상수와 균열개수에 따른 모델을 만들어 각각의 모델에서 마찰각과 응력비에 대한 분석을 수행하였다. 미끄러짐 영역과 간극변화비율을 공동 반경의 배수로서 정량적으로 비교하였다. 열응력을 고려한 분석에서는 처분공 모델이 사용되었으며, 열응력이 최대가 되는 최고 온도 도달 시점을 분석 대상으로 하였다. 굴착 이후 응력 모델링의 결과, 균일절리군 모델에서는 마찰각이 작을수록, 응력비가 커질수록, 절리각이 커질수록 미끄러짐 발생 영역 및 간극변화영역이 넓어졌다. 특히 마찰각이 작아질수록 전체 영향 중 전단팽창에 의한 영향이 급격히 증가하였다. 투수율 변화량이 초기투수율의 약 3.4배가 되는 영역은 절리각에 따라서는 공동 반경의 2.8배에서 4.8배, 마찰각에 따라서는 4.3배에서 10.7배, 응력비에 따라서는 2.6배에서 4.2배까지 변하였다. 암반균열망 모델에서도 유사한 결과를 얻었으며, 미끄러짐 영역은 마찰각이 30도인 경우, 모든 모델에서 공동 반경의 3배를 넘지 않는 영역에서 발생하였다. 열응력을 고려한 처분공 모델에서의 모델링 결과, 열응력 적용 이후 모든 모델에서 간극이 닫히고, 굴착으로 인해 발생했던 미끄러짐 영역이 대부분 소멸되었다. 추후 전단팽창에 의한 영구적 절리 간극을 고려할 수 있도록 장기적인 거동으로 열응력이 감소하는 경우에 대한 연구가 필요할 것으로 보이며, 실제와 유사한 조건에서의 연구를 하기 위해 3차원 모델의 복합거동 해석 및 처분시스템 구조의 정확한 물성을 고려한 연구 등이 요구된다. 본 연구는 사용후 핵연료의 부지 선정 가이드라인에 기초 자료로 활용될 수 있으며, 사용후핵연료 처분장의 성능평가에 활용될 수 있을 것으로 전망한다.