The seven-year research project entitled “Development of workflow for integrated 3D geological site descriptive modeling” is being carried out from 2023. This research is funded by Ministry of Trade, Industry, and Energy (MOTIE). Progress of the research is discussed here. The integrated 3D geological SDM (site descriptive model; GSDM hereafter) consists of three part; 1) three dimensional representation of geologic elements, 2) database for material properties and modeling results from SDMs of other disciplines (e.g., rock mechanics), and 3) a visualization tool for geology, material properties and modeling results. The GSDM is comparable to the GDSMs of SKB and POSIVA in its representation of geology by volume of geologic elements. However, our GSDM is different in that extra information of material properties and an extra tool for visualization is included in the GDSM. The rationale for incorporating material properties and a visualization tool into the GSDM is to expedite the development of the GSDM and SDMs of other disciplines by allowing single institution to integrate database and visualization with the GSDM. SKUA-GOCAD is used for representation of geologic surfaces for ductile and brittle shear zones, and also for surfaces for delineation of volumes of rock units. We have adopted SKUAGOCAD because the program offers powerful functions of interpolation including borehole data and geophysical prospecting. So far, we have tested the program for five different geologies, including sedimentary, high-grade metamorphic, and intrusive igneous geology. The test results are promising. Incorporation of data and modeling results for the SDMs of other disciplines is at conceptual stage. The working conceptual model involves the following steps, 1) to provide the modeler of other disciplines with surface information representing geologic elements, 2) the modeler returns not only material properties but the results of numerical analysis, and 3) incorporation of material properties and modeling results into database. Since the numerical codes in other disciplines adopt different types of formats for 3D geology, we plan to adopt the widely used FEM format prepared by Gmsh. The visualization tool will also adopt Gmsh for graphical representation of 3D geology as well as database for material properties and modeling results. When the working model of GSDM becomes available, rapid and significant progress is expected in the SDMs of other disciplines and related areas, for example, geotechnical investigation for deep geological repository.

For the performance analysis of deep geological repository systems, numerical simulation with multi-physics is required, which specifically covers Thermal (T), Hydraulic (H), and Mechanical (M) behaviors in the disposal environment. Numerous simulation models have been developed so far, each of which varies in the approach and methodology for solving THM problems. Fully-coupled THM simulation codes such as ROCMAS, THAMES, and CODE_BRIGHT were mainly developed in the initial stage of DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments (DECOVALEX), with the advantage of thorough calculations consisting of correlated several variables on different physics. Due to the difficulty of solving the complex Jacobian Matrix and the following burden for the computational calculation, weakly-coupled THM models have been suggested in recent researches: TOUGH2-MP with FLAC3D, TOUGH2 with UDEC and OpenGeoSys with FLAC3D. This methodology of loose coupling allows the practical use of computational code optimized for each physics, thereby increasing the efficiency in simulation. However, these suggested models require two different numerical codes to calculate THM behaviors, which leads to several inherent issues: compatibility during maintenance, updating and dependency between two codes. In this study, therefore, the authors build a unified code for simulating THM behaviors in the deep geological repository. The concept involves the iterative sequential coupling between TH and M for calculation efficiency. As having developed the simulation code, High-level rAdiowaste Disposal Evaluation System (HADES), to describe TH behavior based on Multi-physics Object-Oriented Simulation Environment (MOOSE) software, the authors make a milestone to develop and couple the MOOSE-based new code for M behavior as Sub-app, with the previous HADES set to be Main-app. New model for M behavior will be verified with the benchmark case of DECOVALEX-THMC Task D, comparing the mechanical simulation results: stress evolution over time, profiles of stress and vertical displacement. The existing simulation results from HADES will also be updated with the coupled calculations, with regard to temperature and saturation. Additionally, the effective stress evolution can be assessed in terms of repository’s stability with Spalling Strength and Mohr-Coulomb failure criterion. This concept for new simulation model has its meaning in that it aims to demonstrate the specific methodology of loosely coupling multi-physics in unified simulation code and analyze THM complex interactions with considering mutual influence on various physics. It is expected that HADES can be renewed as an integral simulation model for deep geological repository systems by possessing the capacity for analyzing and assessing mechanical behavior.

The deep geologic repository (DGR) concept is widely accepted as the most feasible option for the final disposal of spent nuclear fuels. In this concept, a series of engineered and natural barrier systems are combined to safely store spent nuclear fuel and to isolate it from the biosphere for a practically indefinite period of time. Due to the extremely long lifetime of the DGR, the performance of the DGR replies especially on the natural geologic barriers. Assessing the safety of the DGR is thus required to evaluate the impacts of a wide range of geological, hydrogeological, and physicochemical processes including rare geological events as well as present water cycles and deep groundwater flow systems. Due to the time scale and the complexity of the physicochemical processes and geologic media involved, the numerical models used for safety evaluation need to be comprehensive, robust, and efficient. This study describes the development of an accessible, transparent, and extensible integrated hydrologic models (IHM) which can be approved with confidence by the regulators as well as scientific community and thus suitable for current and future safety assessment of the DGR systems. The IHM under development can currently simulate overland flow, groundwater flow, near surface evapotranspiration in a modular manner. The IHM can also be considered as a framework as it can easily accommodate additional processes and requirements for the future as it is necessary. The IHM is capable of handling the atmospheric, land surface, and subsurface processes for simultaneously analyzing the regional groundwater driving force and deep subsurface flow, and repository scale safety features, providing an ultimate basis for seamless safety assessment in the DGR program. The applicability of the IHM to the DGR safety assessment is demonstrated using illustrative examples.

본 연구의 목적은 야외지질답사 장소를 개발하고 과학적 모델의 사회적 구성을 야외지질학습에 적용하는 것이다. Orion(1993)의 가상의 공간(Novelty Space)과 2015 개정 교육과정 성취기준을 고려하고 답사 장소를 개발하였다. G 영재 교육원 과학과 8명 학생을 대상으로 ‘관악산 형성과정’이라는 것을 주제로 하여 총 5차시 분량의 과학적 모델의 사회적 구성을 활용한 야외지질학습을 실시하였다. 야외지질학습 전후로 1차시 분량의 설문 검사를 통해 학생들의 개념 이해 정도를 파악하고, 심층 면담에서는 개념 확인과 야외지질학습의 정의적인 면을 다루었다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫 번째, 야외 답사 장소는 계곡 하류와 상류로 각각 명명하였고 변성암, 화강암, 절리, 포획암, 광물 입자를 관찰하도록 구성하였다. 두 번째, 사전 조사에서 관악산은 화산으로 만들어졌다고 응답한 학생이 7명이었다. 반면, 야외지질학습이 종료된 이후에는 7명 학생이 화강암의 형성과정을 설명하고 변성암을 예시로 지질시대를 이야기 하는 것으로 시간적인 스케일을 이해했음을 보여주었다. 더욱이 심층면담에서 지질학에 대한 낮은 성취를 보여주는 학생이 야외지질학습에 대해 긍정적인 답변을 주었다. 즉, 학습의 정의적인 면을 고려하였을 때 야외지질학습에 과학적 모델의 사회적 구성 활용이 효과적일 수 있다는 것을 보여준다. 이번 연구는 지질교육에 모델을 적용한 사례이고 동시에 교사에게 야외답사 장소를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 야외지질학습에 과학적 모델의 사회적 구성을 적용한 사례로서 의의가 있다.

본 연구의 목적은 과학적 모델의 사회적 구성 수업을 적용한 야외지질학습에서 학생들이 만드는 조별 모델 구 성 과정에 대해 제약조건을 중심으로 이해하는 것이다. S 영재원 지구과학분과 3조, 12명의 학생들을 대상으로 진행하 였다. ‘관악산은 어떻게 형성되었을까?’를 주제로 야외지질답사 2차시, 과학적 모델의 사회적 구성 수업 3차시로 진행하 였다. 조별 모델 구성과정에 관해서는 Nersessian (2008)이 제시한 제약조건을 이론적 근거로 하여 반-구조화된 인터뷰, 야외지질답사, ‘과학적 모델의 사회적 구성 수업’의 모든 담화, 활동지를 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫 번째 야외지질학습에 적용한 과학적 모델의 사회적 구성 수업에 나타난 제약조건의 출처는 과학 이론, 야외지질답사에서 관 찰한 내용, 과학적 모델의 사회적 구성 수업에서 추가로 제공된 것이 있었다. 두 번째 조별 모델링에 영향을 미치는 3 가지 종류의 제약조건이 있다. 조별 모델에는 조별 구성원 모두가 동일하게 가지고 있던 것으로 ‘공통적인 제약조건’,조별 구성원 일부가 가지고 있던 것 중 조별 모델에 반영된 ‘채택된 제약조건’, 마지막으로 초기 모델에는 없었으나 조 별 모델 구성과정에서 새롭게 나타난 ‘생성된 제약조건’이 있었다. 이번 연구는 학교 과학에서 제약조건을 기반으로 조 별 모델이 만들어지는 과정을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 야외지질학습이라는 수업 사례를 보여줌으로서 실제 적용하 는데 이바지 하고자 하였다는 점에서 의의가 있다.

FEM 수치해석을 위한 사면체격자 생성을 위해서는 물체의 볼륨정보를 표현할 수 있는 Boundary Representation (B-Rep) 모델이 필요하다. 공학분야에서는 파라메트릭 솔리드 모델링(Parametric Solid Modeling) 방법을 사용하여 BRep 모델을 정의한다. 반면 지질모델링은 메쉬 기반의 불연속(discrete) 모델링 방법을 사용하는데 이를 지질솔리드모델 (Sealed Geological Model)이라 부르며 지층, 단층, 관입암, 모델 경계면과 같은 지질학적 인터페이스들을 이용해 지질 도메인을 정의한다. 공학분야의 파라메트릭 모델링과 불연속 모델링 방식의 자료구조의 차이로 인해 불연속 B-Rep 모 델은 공학분야에서 사용하는 다양한 오픈소스, 상용 메쉬제작 소프트웨어와 쉽게 호환되지 않는다. 이 논문에서는 공학 용 메쉬 제작 소프트웨어와의 호환성을 가지도록 지질솔리드모델을 대표적인 오픈소스인 Gmsh와 상용 FEM 해석 소 프트웨어인 COMSOL로 변환하는 프로그램을 제작하였다. 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작한 복잡한 지질구조모델 을 사용자 편의성을 갖춘 다수의 상용 소프트웨어서 쉽게 활용할 수 있어 지열, 암석역학 등 다양한 지구과학 시뮬레 이션 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.

방사성폐기물처분을 위한 부지특성평가 기술 개발을 위해 지질특성조사와 수리지질특성조사가 1997년부터 지표기반 조사, 시추공 조사, 터널조사를 포함하여 수행되었다. 특히, 2006년에는 지하처분연구시설 (KURT, KAERI Underground Research Tunnel)을 건설하여 지하 환경에서 심부지질환경에 대한 연구 뿐 만 아니라 용 질이동특성, 미생물특성, 공학적 방벽 시스템 연구 등 방사성폐기물처분을 위한 다양한 수행하고 있다. 본 연 구는 한국원자력연구원내 건설된 지하처분연구시설 주변 지역을 연구지역으로 부지특성모델 구축의 일환으로 수행되었다. 연구지역의 지질모델구축을 위해 선형구조분석, 시추공/터널 조사, 지구물리탐사를 포함한 다양 한 연구를 수행하여, 암질모델과 지질구조모델을 구축하였으며, 현장수리시험의 결과를 이용하여 암질모델과 지질구조모델을 포함한 지질모델에 입력된 요소에 대한 수리지질특성이 평가되었다.

의성소분지 화산칼데라 지역에서 3차원 복합 지구물리탐사를 수행하였다. 2차원적인 해석이 주를 이루었던 선행 연구의 제한점을 극복하기 위하여 간격이 조밀한 자기지전류탐사와 중력탐사를 수행하였다. 자기지전류탐사와 중력탐사 자료로부터 각기 해석된 역산 결과들에 대해 역산 자료간의 상관관계 및 새로 제안된 구조해석 방법을 이용하여 복합 해석하였으며, 이를 각 구조별로 3차원 지질구조로 영상화하였다. 이 연구에서 제안하는 구조화 지수(Structure Index; SI) 기법은 물성간의 공간적 상관관계와 물성 값의 이상 정도를 이용하여 계산되는 구조화 각도(Type Angle; TA) 및 구조화 강도(Type Intensity; TI) 값의 분포를 이용하는데, 이 기법을 통한 3차원 구조 해석을 수행하였다. 제안 기법을 화산칼데라에 적용한 결과 1) 화산칼데라 중앙부에서 심도 1 km 부근까지 연장되는 낮은 밀도와 전기비저항을 갖는 화산쇄설성 퇴적암류, 2) 높은 밀도와 전기비저항을 갖는 ring fault 주변의 관입 화성암류, 3) 3-5 km 심도의 상대적으로 낮은 전기비저항과 높은 밀도를 갖는 기반암을 3차원으로 영상화할 수 있었다.

한국원자력연구원의 연구지역에서 고준위방사성폐기물처분을 위한 부지특성평가 기술 구축을 위해 지질특성조사가 1997년부터 지표기반 조사, 시추공 조사를 포함하여 수행되었다. 2006년에는 지하처분연구터널(KURT, KAERI Underground Research Tunnel)을 준공하여 연구지역에 대한 심부지질환경 규명을 위해 노력하고 있다. 본 연구는 한국원자력연구원내 건설된 지하처분연구시설 주변 지역을 연구대상지역으로 하여 지질모델에 대한 수리지질모델의 통합 구축을 목적으로 한다. 본 연구를 위해 연구지역에서 굴착된 9개의 시추공에 대한 현장 수리시험 자료를 이용하였으며, 지질모델에서 도출한 풍화대, 상부저경사단열대, 심부 영역에 존재하는 결정론적 단열대에 대한 수리지질특성을 분석하였다. 본 연구 결과제시된 수리지질모델은 향후 지하수 유동모델링에 이용될 것이다.

고준위방사성폐기물처분을 위한 부지특성평가 기술을 구축하고, 이를 활용하여 심부지질환경을 이해하기 위해 1997년부터 지금까지 한국원자력연구원 주변 지역을 고준위폐기물처분을 위한 연구지역으로 선정하여 다양한 지질 관련 연구를 수행해왔다. 특히, 2002년에는 고준위폐기물의 처분 대상 심도의 시추공 (지하 500m)을 굴착하였으며, 2006년에는 지하처분연구시설 (KURT, KAERI Underground Research Tunnel)을 준공하여 연구지역에 대한 심부지질환경 규명을 위해 노력하고 있다. 현재, 지하처분연구터널의 좌측 연구용 모듈 내에 500 m 길이의 장심도 시추공 및 지하처분연구시설에서 남쪽으로 약 200 m 이격된 위치에서 1,000m의 장심도 시추공에서 다양한 부지특성평가 연구를 수행 중에 있다. 본 연구는 고준위폐기물의 심지층 처분을 위한 요소기술인 심부영역의 부지특성평가기술을 구축하기 위해 수행되었으며, 수리지질학적인 관점에서 부지특성평가의 기본 모델이 되는 3차원 지질모델을 구축한 내용이다. 연구지역에서 수행된 지표 지질조사와 시추공 자료를 이용하여 종합 분석한 결과, 수리지질학적 관점에서 중요한 풍화대, 상부 저경사단열대, 심부 영역에 존재하는 결정론적 단열대를 규명하여 3차원으로 모형화하였으며, 향후 본 연구를 통해 도출된 지질요소의 수리지질특성을 평가하여 고준위방사성폐기물처분 분야에 중요한 기술인 심부 영역의 수리지질환경을 이해하는데 활용될 예정이다.

이 연구에서는 기존의 야외 지질 학습 사례를 분석 종합하여 통합 문제 제시 단계 -답사 개괄 단계 -현장 집중지도 단계 -탐색 단계 -1차 결론 발표 단계 -재탐색 단계 -조별 토론 단계 -정리 단계 -답사 요약 단계의 새로운 야외 지질 답사 수업 모형을 제안하였다. 그리고 이 수업 모형을 적용한 후 학생들의 반응을 질적 분석하여 야외 지질 학습을 실시하려는 지구과학 교사들을 위한 구체적인 지도 방안을 찾아보았다. 학생들은 통합 문제와 답사 개괄을 통해 지질 답사의 방향과 전체적인 주제를 미리 알고 야외 지질 답사에 참여하게 된 것을 매우 높이 평가하였다. 또한, 지질학적 지식이 부족하고, 야외 지질 답사의 경험이 적은 까닭에 현장 집중 지도 내용이 답사 활동에 많은 도움이 되었다. 그리고 관찰 내용 요약 후 그 내용을 근거로 1차 결론을 발표하는 과정을 참신하게 생각하였으며 ,조별 토론을 통해 서로 다른 의견을 나누며 최종 결론을 도출하는 과정을 긍정적으로 평가하였다. 지도 교사는 조별 모임을 통해 통합 문제 제시와 답사 개괄을 충분히 실시하여 서로 친숙한 분위기를 형성할 수 있도록 도와주어야 한다. 또한 충분한 현장 집중 지도 내용과 전달 방식을 준비하고, 사전 연구 과정에서 통합 문제를 해결하려는 관점에서 상세한 노두별 지도 지침을 마련해 두어야 한다. 그리고 결론 도출 과정을 세밀히 파악하여 추측에 의한 결론이 나오지 않게 지도해야 하며, 토론을 올바른 방향으로 이끌어 갈 수 있도록 지질 현상에 대한 학생들의 오개념을 사전에 숙지하고있어야 한다.