Far-field analysis of ground heaving and fault reactivation for the reference and the alternative disposal systems of high-level radioactive waste

Abstract

The decay heat and change in the corresponding thermal stress of high-level radioactive waste (HLW) disposal systems affect the local stress condition and this can induce fault reactivation around the system. Although studies on the effect of earthquake on disposal systems have been performed with a focus on the canister integrity, the possibility of inducing fault reactivation due to geological repository has not received enough attention. In this study, numerical models were developed for the coupled thermo–hydro–mechanical (THM) processes of the rock mass around a reference disposal system and alternative disposal systems, including double-canister, double-layered, and triple-layered disposal systems. The analysis of the coupled THM behavior revealed that compressive stress inside the disposal system and tensile stress at the ground surface were generated in all the disposal systems. In addition, the maximum ground heaving in the multi-layered disposal systems was larger than that of the reference disposal system by approximately 10 cm. Not only the maximum value, but also the heaving angle and velocity were found to be large in the double-layered alternative disposal system. Based on the numerical results, the fault reactivation around the disposal systems was firstly investigated by evaluating the change in the Coulomb failure stress (CFS) at a given fault orientation (90/30). An increase in the CFS was mainly observed in three regions: in the middle of the disposal system, at the ground surface above the disposal system, and in the vicinity of the boundary. In addition, compared to other models, the triple-layered disposal system exhibited the most significant increase in the CFS at 700 m disposal depth. The change in the CFS at all the dip and dip direction of faults was also analyzed using stereonet. The change in the CFS was significantly affected by the dip of faults in the middle of the disposal system, and the dip and dip direction of faults in the vicinity of the disposal system depending on the direction of the principal thermal stress changes. In the case of the alternative disposal systems, even at a distance of approximately 3 km from the boundary, the CFS could increase in several direction of the faults at the disposal depth after a very long time.

고준위방사성폐기물에서 방출되는 붕괴열은 열응력을 발생시키고 이는 처분장 주변의 응력 상태를 교란시킴으로써 단층 재활성화를 유발할 수 있다. 현재, 지진의 발생이 처분시스템에 미치는 영향에 대해서는 근계 영역에 대하여 처분용기의 안전성 중심으로 연구가 진행되어 왔으나, 심지층 처분장 주변의 단층 재활성화 가능성에 대해서는 아직 주목받지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 한국형 기준 처분시스템 뿐 아니라 처분 면적을 감소하기 위해 대안 처분시스템으로 제안되었던 다층 처분시스템 및 다적층 처분시스템 주위 암반에서의 열-수리-역학적 복합거동을 분석하기 위한 3차원 원계 수치 모델을 구축하였다. 열-수리-역학적 복합거동의 결과로 처분시스템의 중심부에서는 수평 압축 응력이 발생하고, 처분시스템의 직상부에서는 수평 인장 응력이 크게 발생하였다. 고준위 방사성폐기물로 인한 암반의 열팽창은 지표면 융기를 야기하는데, 다층 처분시스템에서의 최대 지표면 융기가 기준 처분시스템보다 10 cm 크게 발생하였으며, 지표면 융기의 각도와 연간 융기 속도 역시 복층 처분시스템에서 가장 크게 발생하는 것으로 확인되었다. 수치해석 결과를 바탕으로 90/30 방향의 단층에서의 쿨롱파괴응력 변화량을 평가하여 처분시스템 주변에서의 단층 재활성화를 분석하였다. 그 결과 쿨롱파괴응력은 처분시스템의 중심부, 처분시스템의 직상부, 그리고 처분시스템의 경계 근처에서 크게 증가하였다. 또한, 다른 모델에 비해 삼층 처분시스템의 중간 처분 깊이인 700 m 경계 부근에서 가장 큰 쿨롱파괴응력 증가량이 관측되었다. 뿐만 아니라 모든 단층의 경사 및 경사방향을 고려하여 단층 재활성화 위험도를 평가하고 이를 평사도법으로 도시한 결과, 처분시스템의 중심에서는 단층의 경사에 따라 쿨롱파괴응력 변화량이 결정되었다. 이와 달리 처분시스템의 경계 부근에서는 주된 열응력 발생 방향에 따라서 단층의 경사와 경사방향에 의해 쿨롱파괴응력 변화량이 결정되었으며, 상대적으로 완만한 경사에서 단층 재활성화 위험도가 증가한다. 약 10,000 년 정도로 오랜 시간이 지나더라도 처분 깊이에서는 처분시스템 경계에서 약 3 km 떨어진 지점까지 쿨롱파괴응력 증가할 수 있음이 확인되었다. 결론적으로, 대안 처분시스템의 경우, 처분 단면적 자체는 기준 처분시스템에 비해 상당히 감소시킬 수 있으나 단층 재활성화 위험도의 가능성과 그 범위 그리고 지표면 융기는 더 증가한다. 이러한 단층 재활성화 위험도는 단층의 초기 응력 상태와 마찰 계수 등의 성질에 따라 상이하므로, 대안 처분시스템을 적용하기 위해서는 이에 대한 정확한 정보와 안정성을 확보하는 것이 중요하다.