선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 바 있다. 본 논문에서는 이 실증실험계획의 1단계로 2003년부터 수행되어 온 엔지니어링규모의 실증실험 “KENTEX”를 소개하고 이 실험을 통해 얻은 운전 경험과 공학적방벽에서의 열-수리-역학적 거동에 대한 실험 결과를 고찰하였다.
제안 방법
- (2) 수화시스템 배관 연결 : 가압 지하수 공급을 위해서 압력용기 실린더와 수화탱크 사이를 1/4" SUS 튜브로 연결하고, 끝부분에는 배수와 공기 배출을 위한 밸브를 설치하였다.
- (5) 벤토나이트블록 설치 : 먼저 블록의 위치 취급 및 설치 방법 등을 점검하기 위해서 모형을 이용해 예비 설치 테스트를 하였다. 테스트 결과, 블록은 설계대로 잘 제작되었음을 확인할 수 있었다.
- 2일 간의 초기수화과정을 거친 후 KENTEX 장치는 정온가열-정압수화 단계에서의 운전을 시작하였다. 이 과정에서는 히터와 벤토나이트 블록 사이의 온도가 90℃로 일정하게 유지되고, 실린더에 유입되는 지하수는 5 기압의 압력으로 공급되었다.
- KENTEX 실험은 초기조건 및 경계조건과 장치 내 불균일성(heterogeneity)을 최소화하기 위해 초기가열 (initial heating), 초기수호einitial hydration) 및 정온가열-정압수화(constant temperature -constant pressure hydration) 의 3 단계과정으로 진행 되었다.
- KENTEX 장치의 시운전에서는 히터가 정상적으로 작동되는지, 수화시스템에서 지하수의 누출이 없는지, 설치된 센서의 작동이 정상적인지, 그리고 PRODASH -EN 운전 프로그램을 통해 히터 제어와 센서로부터 데이터의 수집 및 저장이 정상적으로 이루어지고 있는지를 점검하였다. 그 밖에 센서 출력신호에 대한 전기적 노이즈 문제 및 작업자의 안전과 관련된 접지 문제 등도 점검하였다.
- 청소 하였다. 각 노즐에는 벤토나이트가 팽윤에 의해 밖으로 유실되는 것을 방지하기 위해서 2 종류 (직경 0.95 mm x 두께 0.32 mm x 공극 크기 40 mm와 직경 0.95 mm x 두께 0.32 mm x 공극크기 100 mm의 다공성 SUS 메탈 필터를 설치하고, 나머지 빈공간은 압력실린더 내부의 라이너 (liner)로 사용하는 것과 동일한 부직포 (geotextile)로 마감했다.
- 데이터가 필요하다. 그러나 고장 난 습도 센서의 수리나 교체가 불가능하기 때문에, 부족한 데이터는 코어-드릴링 징치(core-drilling device)를 제작하여 직접 수분함량을 측정하는 방법으로 확보하였다. 그림 12는 높이 0.
- CC는 각 높이의 단면에서 반경방향의 거리를 나타내며 Rl, R2, R3, R4, R5 등 5단계로 분류하였다. 그리고 DD는 각 단면에서 기준위치로부터 90도 (degree)의 간격으로 4등분을 하고 Tl, T2, T3, T4 등으로 나누었다. 압축 벤토나이트 블록 내에 설치된 모든 온도 습압력 센서의 위치는 그림 4에 표시하였다.
- 각 처분터널의 길이는 250 m이다. 그리고 처분용기와 벤토나이트 완충재의방벽기능이 상실되지 않도록 하기 위해서, CANDU 및 PWR 처분터널 내 처분공 간의 거리는 각각 3 m, 6 m 로 하였다. 그림 1(b)는 처분터널의 단면도이다.
- 68 이인 카본재질의 히터용기(outer steel cylinder), 케이블용 파이프(cable-guiding pipe) 등으로 구성하였다. 벤토나이트블록(그림 2 참조)은 제작성, 기술성 및 경제성을 최적화 할 수 있도록 3가지 형태의 몰더를 만들어 제작하였다. 수화시스템은 지하수 저장/공급탱크, 압력게이지, 안전밸브 파이프 등을 사용하여 압력실린더로 유입되는 지하수가 실제 처분장에서와 같이 일정한 수압을 유지하며 공급될 수 있도록 제작하였다.
- 벤토나이트블록(그림 2 참조)은 제작성, 기술성 및 경제성을 최적화 할 수 있도록 3가지 형태의 몰더를 만들어 제작하였다. 수화시스템은 지하수 저장/공급탱크, 압력게이지, 안전밸브 파이프 등을 사용하여 압력실린더로 유입되는 지하수가 실제 처분장에서와 같이 일정한 수압을 유지하며 공급될 수 있도록 제작하였다. 온도, 습도(수분함량), 압력 측정용 센서/기기는 실험기간동안 정확성, 내구성, 편의성 및 안정성이 충분히 확보 될 수 있도록 선정기준을 설정하여 그 기준을 만족하는 것들(표 1 참조)을 사용하였다.
- 이때 가압을 위해 헬륨기체가 든 봄베를 사용하였으며, 위에서 아래 방향으로 공급하여 지하수 중에 공기가 유입되는 것을 차단하였다. 압력 용기 실린더의 외부 벽으로부터 벤토나이트 블록으로의 공급되는 지하수는 수화시스템에 달린 밸브를 이용하여 수화과정의 시작과 동시에 한꺼번에 이루어지도록 하였다. 그러나 압력용기 실린더의 위와 아래 방향으로부터의 지하수 공급은 없었다.
- 제작된 엔지니어링 규모의 실증실험 장치이다. 압력실린더(confining cylinder), 가열시스템(heating system), 벤토나이트블록(bentonite blocks), 수화시스템 (hydration system), 센서/기기(sensors & instruments), 히 터 제어 시 스템(heat-controlling system)/데 이 터 수집 시스템(data acquisition system), 프레임구조물(overall frame-structure) 등의 하드웨어와 실험장치를 모니터링 및 제어하고 또한 센서로부터 나오는 신호를 계측하며 수집.분석하는 운영프로그램 "PRODASH-EN"으로 구성된다.
- 그 밖에 센서 출력신호에 대한 전기적 노이즈 문제 및 작업자의 안전과 관련된 접지 문제 등도 점검하였다. 약 1개월간의 시운전을 통해 KENTEX 실증실험에 필요한 최적 실험조건을 도출하고 운전매뉴얼을 작성하였다.
- 엔지니어링 규모의 실험을 통해 시스템의 장치특성과 동적 특성을 파악하고, 그 결과를 현장시험(in-situ test)에 적용하여 실험상의 시행착오를 최소화하는 방법으로 수행되었다. 주요 엔지니어링규모의 실증실험으로는 캐나다의 Thermal Performance Test, 일본의 BIG-BEN과 COUPLE, 스페인의 Mock-up Test, 스웨덴의 Buffer Mass Test, 벨기에의 Bacchus Backfill Test, 그리고 현장시험으로는 캐나다의 Whiteshell Buffer/Container Experiment, 일본의 Kamaishi Mine THM Experiment, 스페인의 GTS FEBEX, 스웨덴의 Long-term Buffer Test, 미국의 YMP Tuff Water Migration/Heater Experiment 등이 있다(NEA, 1983, Pusch & Borgesson, 1985, Neerda et al.
- 수화시스템은 지하수 저장/공급탱크, 압력게이지, 안전밸브 파이프 등을 사용하여 압력실린더로 유입되는 지하수가 실제 처분장에서와 같이 일정한 수압을 유지하며 공급될 수 있도록 제작하였다. 온도, 습도(수분함량), 압력 측정용 센서/기기는 실험기간동안 정확성, 내구성, 편의성 및 안정성이 충분히 확보 될 수 있도록 선정기준을 설정하여 그 기준을 만족하는 것들(표 1 참조)을 사용하였다. 히터제어시스템/더 이 터 수집시스템은 히터 제어를 통해 설정된 실험조건이 잘 유지될 수 있도록 하고, 센서로부터 보내지는 온도, 습도(수분함량), 압력 데이터를 수집하여 컴퓨터에 저장토록 하며, 사고발생 시 긴급연락 및 적절한 조치들을 취할 수 있도록 하였다.
- 우리나라 고준위폐기 물 기준처분시스템의 공학적 방벽에 대한 열-수리-역학적 거동 실증연구를 위해서, 엔지니어링 규모의 실험장치(KENTEX)를 설치하고, 공학적방벽에서의 열-수리-역학적 거동 규명을 위한 실증실험을 수행하였다. KENTEX 실험은 2005년 5월 31 일에 시작되어 현재 성공적으로 진행 중에 있으며, 지금까지 얻어진 실험결과로부터 공학적방벽에서의 열-수리 -역학적 거동에 대한 중간결론을 얻을 수 있었다.
- 초기가열단계는 물의 공급 없이 히터만으로 Programmable logic circuit를 채택하여 열을 점진적으로 공급하면서 히터와 벤토나이트 블록 경계면에서의 온도가 90℃에 도달하도록 하였다. 이것은 과부하로 인한 히터 열원 요소의 파손을 방지하기 위함이다.
- 초기수화단계는 블록과 블록 사이 또는 블록과 실린더 사이에 들어있는 공기 제거, 블록 설치 후 생기는 불연속면의 최소화, 수화 시 물이 실린더 벽에서 히터 쪽으로 서서히 이동하게 하기 위해 다음과 같은 방법으로 하였다.
- 히터제어시스템/더 이 터 수집시스템은 히터 제어를 통해 설정된 실험조건이 잘 유지될 수 있도록 하고, 센서로부터 보내지는 온도, 습도(수분함량), 압력 데이터를 수집하여 컴퓨터에 저장토록 하며, 사고발생 시 긴급연락 및 적절한 조치들을 취할 수 있도록 하였다. 프레 임구조물은위에서 언급한 주요 구성요소 뿐만 아니라 실험에 필요한 그 밖의 헬륨가스탱크, 제어기기, 전원설비, 항온항습기를 설치할 수 있는 충분한 공간을 갖도록 하였으며, 또한 실험장치의 전체 하중을 견딜 수 있는 철제바닥판, 체인블록 철제 방어벽, 비닐차양 등을 구성요소로 하여본 실증실험의 편의성과 안전성이 보장될 수 있도록 제작하였다.
- 36 m인 스테인레스강 실린더, 상. 하부 뚜껑, 지하수 주입부 센서 관통부 등으로 구성되며, 히터 주위에 벤토나이트블록을 설치하고 외부로부터는 지하수의 유동을 모사할 수 있도록 하였다. 가열시스템은 폐기물로부터 발생되는 붕괴열과 처분용기를 모사한 것2로 열원요소(heating element), 산화마그네슘 충전재, 외경 0.
- 온도, 습도(수분함량), 압력 측정용 센서/기기는 실험기간동안 정확성, 내구성, 편의성 및 안정성이 충분히 확보 될 수 있도록 선정기준을 설정하여 그 기준을 만족하는 것들(표 1 참조)을 사용하였다. 히터제어시스템/더 이 터 수집시스템은 히터 제어를 통해 설정된 실험조건이 잘 유지될 수 있도록 하고, 센서로부터 보내지는 온도, 습도(수분함량), 압력 데이터를 수집하여 컴퓨터에 저장토록 하며, 사고발생 시 긴급연락 및 적절한 조치들을 취할 수 있도록 하였다. 프레 임구조물은위에서 언급한 주요 구성요소 뿐만 아니라 실험에 필요한 그 밖의 헬륨가스탱크, 제어기기, 전원설비, 항온항습기를 설치할 수 있는 충분한 공간을 갖도록 하였으며, 또한 실험장치의 전체 하중을 견딜 수 있는 철제바닥판, 체인블록 철제 방어벽, 비닐차양 등을 구성요소로 하여본 실증실험의 편의성과 안전성이 보장될 수 있도록 제작하였다.
대상 데이터
- 2005년 5월 31일부터 시작된 KENTEX 실험은 현재까지 3차례의 보수 및 정전을 제외하고는 정상으로 가동되었다. 2005년 6월 12일 9시간의 정전(UPS 용랑」 30분)으로 시스템이 정지되었고, 2005년 9월 22일과 2006년 4월 15일에 히터제어시스템/데이터수집시스템의 고장 및 수리 때문에 6시간 동안 시스템이 정지되었다.
- KENTEX 실험에서 지하수는 유성지역 심부 지하수를 사용하였다. 이 지하수는 알칼리성으로 pH는 약 10 을 나타내었으며, 전형적인 Na-HCCh 형을 보였다(배대석 외, 2007).
- KENTEX 장치에서 얻어지는 실험데이터는 각종 센서로부터 수집된 온도 습도, 압력 및 히터에 공급된 전력(electric power) 등이다. 이 데이터는 PRODASH-EN 프로그램을 통해 해당 센서로부터 수집되어 컴퓨터에 저장되며, 벤토나이트 블록에서의 열-수리-역학적 거동특성을 분석 하는데 사용된다.
- 하부 뚜껑, 지하수 주입부 센서 관통부 등으로 구성되며, 히터 주위에 벤토나이트블록을 설치하고 외부로부터는 지하수의 유동을 모사할 수 있도록 하였다. 가열시스템은 폐기물로부터 발생되는 붕괴열과 처분용기를 모사한 것2로 열원요소(heating element), 산화마그네슘 충전재, 외경 0.406 m, 길이 0.68 이인 카본재질의 히터용기(outer steel cylinder), 케이블용 파이프(cable-guiding pipe) 등으로 구성하였다. 벤토나이트블록(그림 2 참조)은 제작성, 기술성 및 경제성을 최적화 할 수 있도록 3가지 형태의 몰더를 만들어 제작하였다.
- 1개의 패널 (panel)로 된 CANDU 처분구역에는 40 m 간격으로 54 개의 처분터널이, 7개 패널의 PWR 처분구역에는 378 개의 처분터널이 만들어진다. 각 처분터널의 길이는 250 m이다. 그리고 처분용기와 벤토나이트 완충재의방벽기능이 상실되지 않도록 하기 위해서, CANDU 및 PWR 처분터널 내 처분공 간의 거리는 각각 3 m, 6 m 로 하였다.
- 테스트 결과, 블록은 설계대로 잘 제작되었음을 확인할 수 있었다. 압력 용기 실린더에 설치된 벤토나이트 블록은 총 176 개가 사용되었으며, 설치 시 블록과 블록 사이의 틈새는 블록 제작에 사용된 벤토나이트 분말을 채워 넣고 나무 봉으로 다져서 가능한 한 공극을 최소화 할 수 있도록 했다.
- 지하수는 저장조로부터 수화시스템을 통해 5기압의 압력으로 일정하게 공급되었다. 총 166개가 사용된 측정센서는 기계적으로 고장이 난 1개의 온도센서와 6개의 습도센서를 제외하고서는 정상적으로 작동되었다. 고장 난 온도센서 T-G-R4-T1은 2005 년 7월 8일부터 오르내림(fluctuation) 이 심하게 나타났는데, 점검 결과 센서 고장으로 추정되었다.
성능/효과
- (4) 부직포 라이닝 설치 : 압력용기 실린더 안쪽 면에는 2 겹의 두께 1.8 mm 인 부직포 (200 g/rM)를라이닝으로 설치하여, 지하수 공급을 위한 분배기 역할과 벤토나이트의 유출을 방지할 수 있도록 했다. 라이닝된 부직포는 오염을 최소화 하기 위해 비닐커버를 씌워 벤토나이트 블록을 설치하고 작업이 끝난 후에는 비닐커버를 제거하였다.
- (8) 마무리 및 설치 완료 : 벤토나이트블록과 센서 설치를 모두 마친 뒤에는 각종 케이블들을 정리하고 또 블록과 블록, 블록과 실린더, 센서와 블록 사이에 생긴 틈새에는 벤토나이트 분말을 넣고 다져서 공극률을 최소화 하였다. 그리고 마지막으로 실린더 뚜껑을 덮고 나사를 단단히 조여 실험 도중에 지하수나 수화된 벤토나이트가 밖으로 새어 나오지 않도록 밀봉하였다.
- 수행하였다. KENTEX 실험은 2005년 5월 31 일에 시작되어 현재 성공적으로 진행 중에 있으며, 지금까지 얻어진 실험결과로부터 공학적방벽에서의 열-수리 -역학적 거동에 대한 중간결론을 얻을 수 있었다. 벤토나이트 블록 내 온도는 실험 시작 후 수 주 만에 정상 상태에 도달하였고, 온도분포는 히터에 가까울수록 높고 멀어질수록 낮은 값을 보였다.
- 히터표면에서의 온도는 약 1년 동안 90℃로 잘 조절되었으며, 벤토나이트 블록이 재포화 되면서부터는 히터 내부온도에도 민감하게 반응하였다. 또한 2대의 항온항습기로 조절되는 실내온도는 25℃로 비교적 잘 조절되었으나 일교차가 심한 여름과 겨울에 약간 기복을 보였다. 지하수는 저장조로부터 수화시스템을 통해 5기압의 압력으로 일정하게 공급되었다.
- 이것은 다음과 같은 과정으로 인해 나타난 현상으로 보인다. 먼저 실험 시작과 동시에 지하수를 공급할 때 블록과 블록 사이 및 센서와 센서케이블 설치를 위해 만든 틈새로 공급지하수가 빠른 속도로 유입되면서 습도가 갑자기 증가하였기 때문이고, 둘째는 유입된 지하수가 온도 구배(thermal gradient) 에 의해 차가운 곳으로 빠져나가 건조되면서 습도가 감소하기 때문이며, 셋째는 실린더 외부로부터 지하수가 계속 유입되고 그 결과 벤토나이트블록이 포화되면서습도가 증가하기 때문으로 생각된다.
- 이 온도분포는 실험초기에 정상상태에 도달하기 때문에 반응시간에는 무관하였다. 반경방향의 거리에 따른 온도분포는 대체로 히터에 가까울수록 높고, 대신에 멀어질수록 낮은 값을 보였다. 그림 10은 축 방향의 높이가 1.
- KENTEX 실험은 2005년 5월 31 일에 시작되어 현재 성공적으로 진행 중에 있으며, 지금까지 얻어진 실험결과로부터 공학적방벽에서의 열-수리 -역학적 거동에 대한 중간결론을 얻을 수 있었다. 벤토나이트 블록 내 온도는 실험 시작 후 수 주 만에 정상 상태에 도달하였고, 온도분포는 히터에 가까울수록 높고 멀어질수록 낮은 값을 보였다. 수분함량은 히터 쪽보다는 지하수가 유입되는 실린더 벽면 부근에서 높은 값을 가졌고, 건조-습윤 과정에 의한 벤토나이트 블록의 수화메카니즘은 측정위치에 따라 달랐다.
- 벤토나이트블록 내 압력센서로부터 측정된 전체압력 (total pressure)은 열전대 온도센서처럼 비교적 안정적 (stable)이고 균일성(unifbnnity)을 보였다. 그림 13, 14 에서 보는 바와 같이, 측정된 압력분포는 벤토나이트 블록 내 측정 위치에 따라 그 형태가 달랐다 지하수가 유입되는 바깥부분에서는 실험 시작 후 얼마 지나지 않아 압력이 증가하였고, 반면에 실린더 벽면과 멀리 떨어져 있는 부분에서는 어느 정도 시간이 경과한 후로부터 압력이 증가하기 시작하였다.
- 벤토나이트 블록 내 온도는 실험 시작 후 수 주 만에 정상 상태에 도달하였고, 온도분포는 히터에 가까울수록 높고 멀어질수록 낮은 값을 보였다. 수분함량은 히터 쪽보다는 지하수가 유입되는 실린더 벽면 부근에서 높은 값을 가졌고, 건조-습윤 과정에 의한 벤토나이트 블록의 수화메카니즘은 측정위치에 따라 달랐다. 실험기간 동안 벤토나이트 블록에 작용하는 압력은 블록의 포화도(그 결과, 팽윤압)이 증가할수록 증가하였다.
- 수분함량은 히터 쪽보다는 지하수가 유입되는 실린더 벽면 부근에서 높은 값을 가졌고, 건조-습윤 과정에 의한 벤토나이트 블록의 수화메카니즘은 측정위치에 따라 달랐다. 실험기간 동안 벤토나이트 블록에 작용하는 압력은 블록의 포화도(그 결과, 팽윤압)이 증가할수록 증가하였다. 그러나 실험 초기 단계에 지하수와 접촉하지 않은 히터 부근에서의 압력은 팽윤압보다 열응력이나 증기압에 의해 좌우되었다.
- 그림 13, 14의 압력분포를 보면, 벤토나이트 블록 내 전체압력은 주로 지하수에 의한 벤토나이트의 포화도(그 결과, 팽윤압)에 의해 좌우됨을 알 수 있다. 즉, 바깥부분에 있는 벤토나이트블록은 실험 시작부터 지하수와 접촉하면서 생긴 팽윤압에 의해 빠른 압력 증가를 보이고, 반면에 안쪽부분은 어느 정도 시간이 경과한 후 블록이 포화되면서부터 팽윤압에 의해 압력이 증가되었다. 그러나 그림 13, 14의 초기단계 압력을 비교해 보면, 히터에 가까운 영역에 위치한 지점에서의 압력(그림 13의 R=0.
- 총 176개의 블록이 채워진 압력용기 실린더 내 벤토나이트의 충전 건조밀도는 1.5 Mg/m3, 초기 수분함량은 13%였다. 제작된 벤토나이트 블록 각각의 건조밀도는 1.
- 설치 테스트를 하였다. 테스트 결과, 블록은 설계대로 잘 제작되었음을 확인할 수 있었다. 압력 용기 실린더에 설치된 벤토나이트 블록은 총 176 개가 사용되었으며, 설치 시 블록과 블록 사이의 틈새는 블록 제작에 사용된 벤토나이트 분말을 채워 넣고 나무 봉으로 다져서 가능한 한 공극을 최소화 할 수 있도록 했다.
- 히터 표면의 온도가 90℃에 도달할 때까지는 전력 공급이 빠르게 이루어지고 도달 후에는 약 160±10 W의 값으로 공급됨을 알 수 있었다. 히터표면에서의 온도는 약 1년 동안 90℃로 잘 조절되었으며, 벤토나이트 블록이 재포화 되면서부터는 히터 내부온도에도 민감하게 반응하였다. 또한 2대의 항온항습기로 조절되는 실내온도는 25℃로 비교적 잘 조절되었으나 일교차가 심한 여름과 겨울에 약간 기복을 보였다.
후속연구
- 고압의 불포화 매질에서 복잡하게 연동(coupling) 되어 일어나기 때문에 현상 규명, 결과 해석 및 수학적 모델링에서 아직 해결되지 않은 문제들이 있다. 또 그 결과를 토대로 공학적방벽의 성능을 정확히 예측하고 평가하는 데에 한계가 있으며, 이와 같이 대규모로 수행되는 실증실험은 많은 시간과 예산이 소요되기 때문에 실험데이터가 제한되어 있을 뿐만 아니라 그 결과를 처분개념이 서로 다른 나라의 처분시스템 해석에 적용하는 데도 한계가 있다.
- 현재 진행 중인 KENTEX 실험은 2008년에 종료할 예정이며, 공학적방벽에서의 열-수리-역학적 거동에 대한 최종적인 결론은 이 결과를 바탕으로 한 수학적 모델링과 정확한 해석을 수행함으로써 얻어질 것이다. 본 연구결과는 한국형 고준위처분시스템의 신뢰도 향상과 공학적방벽의 성능 및 안전성 평가를 위한 기초자료로 활용될 것이다.
- 그러나 실험 초기 단계에 지하수와 접촉하지 않은 히터 부근에서의 압력은 팽윤압보다 열응력이나 증기압에 의해 좌우되었다. 현재 진행 중인 KENTEX 실험은 2008년에 종료할 예정이며, 공학적방벽에서의 열-수리-역학적 거동에 대한 최종적인 결론은 이 결과를 바탕으로 한 수학적 모델링과 정확한 해석을 수행함으로써 얻어질 것이다. 본 연구결과는 한국형 고준위처분시스템의 신뢰도 향상과 공학적방벽의 성능 및 안전성 평가를 위한 기초자료로 활용될 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.