국산 칼슘 벤토나이트를 대상으로 온도가 팽윤압에 미치는 영향을 관찰하였다. 벤토나이트를 건조밀도 1.6 g/$cm^3$으로 압축하고, 0.69 MPa의 일정한 수압으로 증류수를 공급하여 팽윤압을 측정하였다. 온도 영향 실험은 $25^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$, $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$, $70^{\circ}C$, respectively. The Ca-bentonite showed a sufficiently high swelling pressure of 5.3 MPa에서 승온조건과 감온조건으로 수행하였다. 압축 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 팽윤압은 온도가 높을수록 감소하는 것으로 나타났다. 승온조건과 감온조건에서의 온도에 따른 팽윤압 거동에 차이를 보이며, 승온조건에서 온도에 따른 변화가 심하게 나타났다. 향후 온도 조건 외에 벤토나이트의 압축밀도 변화, 지하수 조성에 따라 팽윤압 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 평가한다면, 앞으로 국내 고준위 폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 본다.
국산 칼슘 벤토나이트를 대상으로 온도가 팽윤압에 미치는 영향을 관찰하였다. 벤토나이트를 건조밀도 1.6 g/$cm^3$으로 압축하고, 0.69 MPa의 일정한 수압으로 증류수를 공급하여 팽윤압을 측정하였다. 온도 영향 실험은 $25^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$, $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$, $70^{\circ}C$, respectively. The Ca-bentonite showed a sufficiently high swelling pressure of 5.3 MPa에서 승온조건과 감온조건으로 수행하였다. 압축 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 팽윤압은 온도가 높을수록 감소하는 것으로 나타났다. 승온조건과 감온조건에서의 온도에 따른 팽윤압 거동에 차이를 보이며, 승온조건에서 온도에 따른 변화가 심하게 나타났다. 향후 온도 조건 외에 벤토나이트의 압축밀도 변화, 지하수 조성에 따라 팽윤압 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 평가한다면, 앞으로 국내 고준위 폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 본다.
The effect of temperature on swelling pressure was observed with a Korean domestic Ca-bentonite which has been considered as a potential buffer material in the engineering barrier of a high level radioactive waste (HLW) disposal system. The Ca-bentonite was compacted to a dry density of 1.6 g/$...
The effect of temperature on swelling pressure was observed with a Korean domestic Ca-bentonite which has been considered as a potential buffer material in the engineering barrier of a high level radioactive waste (HLW) disposal system. The Ca-bentonite was compacted to a dry density of 1.6 g/$cm^3$, and then de-ionized water was supplied into it with a constant pressure of 0.69 MPa. The equilibrium swelling pressures were measured with different temperatures of $25^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$, $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$, $70^{\circ}C$, respectively. The Ca-bentonite showed a sufficiently high swelling pressure of 5.3 MPa at room temperatures. Then it was clearly showed that the equilibrium swelling pressure was decreased with an increase of temperature. Interestingly, there were some differences in temperature effect on the equilibrium swelling pressure when the environmental temperature is increasing or decreasing. For further clarifying the swelling behaviour of a Korea domestic Ca-bentonite, the change of a compaction level, and the composition variation of a supplied water would be needed to use in conceptual design of HLW disposal system.
The effect of temperature on swelling pressure was observed with a Korean domestic Ca-bentonite which has been considered as a potential buffer material in the engineering barrier of a high level radioactive waste (HLW) disposal system. The Ca-bentonite was compacted to a dry density of 1.6 g/$cm^3$, and then de-ionized water was supplied into it with a constant pressure of 0.69 MPa. The equilibrium swelling pressures were measured with different temperatures of $25^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$, $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$, $70^{\circ}C$, respectively. The Ca-bentonite showed a sufficiently high swelling pressure of 5.3 MPa at room temperatures. Then it was clearly showed that the equilibrium swelling pressure was decreased with an increase of temperature. Interestingly, there were some differences in temperature effect on the equilibrium swelling pressure when the environmental temperature is increasing or decreasing. For further clarifying the swelling behaviour of a Korea domestic Ca-bentonite, the change of a compaction level, and the composition variation of a supplied water would be needed to use in conceptual design of HLW disposal system.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 국산 압축벤토나이트의 팽윤압에 온도가 미치는 영향을 연구하였다. 경주산 국내 칼슘 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.
이에 본 연구에서는 우리나라 고준위폐기물 처분장에 사용될 완충재로서 고려되고 있는 국산 칼슘 벤토나이트를 대상으로 팽윤압을 측정하고, 온도에 따라서 팽윤압이 어떻게 변화되고 있는지 살펴보고자 하였으며, 그 결과는 완충재의 열-구조 연계 해석에 있어 중요한 입력인자로 활용될 것이다.
제안 방법
먼저 실험에 사용된 벤토나이트의 함습율을 알아보기 위하여 110℃ 조건에서 항온 건조 오븐에서 3일간 건조시켜 무게감손량을 통하여 수분함량을 측정하였다. 그 결과 시험에 사용된 벤토나이트의 함습율은 약 12.
벤토나이트의 팽윤압은 Fig. 3과 Fig. 4에 보인 장치를 이용하여 측정하였다. 이 장치는 크게 팽윤장치, 수공급 펌프, 팽윤압 출력장치 등 3 부분으로 구성되며, 온도 조건의 변화에 따른 팽윤압 변화를 관찰하기 위해 팽윤 장치를 온도 조절이 가능한 항온 챔버 내에 설치하였다.
일단 정압조건이 형성되면, 원하는 온도로 변화시켜서 그 온도에서 팽윤압이 평형값에 도달할 때까지 수십일을 기다린 후, 해당 온도에서의 평형값을 얻었으며, 이후에는 다음 온도로 변화시켰다. 온도 영향 실험은 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃로 단계적으로 증가시키거나 반대로 감소시키면서 수행하였다.
온도에 따른 압축 벤토나이트의 팽윤압은 온도를 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃로 단계적으로 증가시키거나 반대로 감소시키면서 측정해 보았다. 승온 시 온도에 따른 압축 벤토나이트의 팽윤압 변이는 Fig.
로드셀에서 감지된 압력은 팽윤압 출력장치를 통해 수동으로 읽었다. 일단 정압조건이 형성되면, 원하는 온도로 변화시켜서 그 온도에서 팽윤압이 평형값에 도달할 때까지 수십일을 기다린 후, 해당 온도에서의 평형값을 얻었으며, 이후에는 다음 온도로 변화시켰다. 온도 영향 실험은 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃로 단계적으로 증가시키거나 반대로 감소시키면서 수행하였다.
얻어진 함습율을 근거로 하여 건조처리 되지 않은 벤토나이트를 압축했을 경우, 고형분만의 건조밀도를 구할 수 있었다. 팽윤압 측정용기 내적에 대한 벤토나이트 고형분 만의 건조밀도를 1.6 g/cm3로 정하고, 건조처리 되지 않은 벤토나이트 분말을 프레스로 압축하였다. 제작된 압축시편은 직경 30 ㎜, 높이 10 ㎜ 압축 블록 2개로서 이때 블록 부피를 기준으로 환산된 수분을 포함한 압축 블록의 겉보기 밀도는 약 1.
대상 데이터
벤토나이트의 팽윤압 측정을 위해 실험에 사용된 물은 증류수(distilled and deionized water)를 사용하였다.
본 실험에 사용된 벤토나이트는 경북 경주시 양남면 소재제 29 호 진명광산에서 채취한 것이다. 벤토나이트의 화학조성은 Table 1과 같다[11].
6 g/cm3로 정하고, 건조처리 되지 않은 벤토나이트 분말을 프레스로 압축하였다. 제작된 압축시편은 직경 30 ㎜, 높이 10 ㎜ 압축 블록 2개로서 이때 블록 부피를 기준으로 환산된 수분을 포함한 압축 블록의 겉보기 밀도는 약 1.95 g/cm3 정도이며, 블록 자체의 건조밀도로는 약 1.7 g/cm3 정도였다. 압축 블록 하나는 구리 시편을 가진 압축 벤토나이트이며, 이 경우 분말의 압축 과정은 동일하고 압축 몰드 내부 바닥면 중앙에 먼저 사용할 구리시편을 놓은 후 벤토나이트 분말을 쌓아 압축한다.
벤토나이트의 화학조성은 Table 1과 같다[11]. 채취한 벤토나이트 시료는 105℃에서 24시간 동안 건조시킨 후, 200 메쉬(mesh) 체를 90% 이상 통과하도록 분쇄한 분말이며, 이렇게 공장에서 조제된 벤토나이트 분말을 본 실험을 위하여 40kg 포장단위로 입수하였다.
성능/효과
7에 각각 나타내었다. 각 온도에서 팽윤압이 정상상태에 도달할 때까지 기다렸다가 단계적으로 온도를 10℃씩 변화시켰는데, 실험 결과 팽윤압이 처음 약 30일, 그 후 각 온도에서 약 15일 정도 경과했을 때 정상상태에 충분히 도달하였다.
이 같은 결과는 일본의 공학적 방벽(Na형 압축벤토나이트 70% + 모래 30%)의 1 MPa 팽윤압에 비해서 상당히 높은 값이며[19], 스웨덴 SKB에서 측정한 Ca형 압축벤토나이트의 10 MPa에 비해서는 다소 낮은 값에 해당된다[21]. 결과적으로 경주산 국내 칼슘 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 국산 압축벤토나이트의 팽윤압에 온도가 미치는 영향을 연구하였다. 경주산 국내 칼슘 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험으로 확인할 수 있었다. 또한 온도가 높아짐에 따라 압축 벤토나이트의 팽윤압이 감소하는 것을 승온조건과 감온조건으로 확인하였다.
먼저 실험에 사용된 벤토나이트의 함습율을 알아보기 위하여 110℃ 조건에서 항온 건조 오븐에서 3일간 건조시켜 무게감손량을 통하여 수분함량을 측정하였다. 그 결과 시험에 사용된 벤토나이트의 함습율은 약 12.6%였다. 얻어진 함습율을 근거로 하여 건조처리 되지 않은 벤토나이트를 압축했을 경우, 고형분만의 건조밀도를 구할 수 있었다.
3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험으로 확인할 수 있었다. 또한 온도가 높아짐에 따라 압축 벤토나이트의 팽윤압이 감소하는 것을 승온조건과 감온조건으로 확인하였다. 하지만 승온조건과 감온조건에서 온도별로 팽윤압이 일치하지 않는 현상이 나타났으며, 시간적으로 오래된 경우에는 낮은 팽윤압을 나타내었다.
압축 벤토나이트의 팽윤압은 온도가 높아질수록 팽윤압이 감소하는 것을 실험상으로 뚜렷이 확인할 수 있었다(Fig. 6). 온도에 따른 벤토나이트의 팽윤압 거동은 스웨덴과 일본에서 많이 연구된 바 있다.
후속연구
따라서 온도 변화가 벤토나이트의 팽창력에 영향을 주는 것으로 보인다. 따라서 보다 확실한 해석을 위해서는 수개월 이상의 장기 팽윤거동을 통해서 시간이 지남에 따라서 형성된 팽윤압이 감소되는지 확인해 볼 필요가 있다고 본다.
앞으로 본 실험을 계속하면서 벤토나이트의 압축밀도 변화, 지하수 조성의 변화에 따라 팽윤압 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 평가한다면, 앞으로 국내 고준위폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
하지만 승온조건과 감온조건에서 온도별로 팽윤압이 일치하지 않는 현상이 나타났으며, 시간적으로 오래된 경우에는 낮은 팽윤압을 나타내었다. 좀 더 오랜시간 팽윤압을 관측하는 것이 필요한 것으로 판단되며, 증류수 이외에도 이온수에 대한 팽윤압도 조사하면 실험적 해석이 뚜렷해 질 것으로 판단된다.
참고문헌 (23)
이재완, 조원진, 전관식, 강철형, "완충재 대상물질의 팽윤특성 연구 : 팽윤압에 대한 이온강도 및 온도의 영향", KAERI/TR-1318/99, 한국원자력연구소 (1999).
이재완, 전관식, 조원진, 박현수, "완충재 대상물질의 팽윤특성 연구 : 팽윤압에 대한 건조밀도, 벤토나이트 함량 및 초기함수량의 영향,"KAERI/TR-954/98, 한국원자력연구소 (1998).
Hideo Komine, "Simplified evaluation for swelling characteristics of bentonites", Engineering Geology 70 (2004) 265-279 (2003).
Roland Pusch, "Swelling pressure of highly compacted bentonite", SKBF TEKNISK KBS RAPPORT 80-13, Division Soil Mechanics, University of Lulea
M. Victoria Villar, Antonio Lloret, "Influence of dry density and water content on the swelling of a compacted bentonite", Applied Clay Science 39(2008) 38-49 (2007).
Hideo Komine, "Simplified evaluation for swelling characteristics of bentonites", Engineering Geology 71(2004) 265-279 (2003).
Hideo Komine and Nobuhide Ogata, "Experimental study on swelling characteristics of sand-bentonite mixture for nuclear waste disposal", Soils and foundations Vol. 39, No. 2, 83-97 (1999).
Horst-Juergen Herbert, Joern Kasbohm, Heinz Sprenger, Ana Maria Fernandez, Christian Reichelt, "Swelling pressures of MX-80 bentonite in solutions of different ionic strength, Physics and Chemistry of the Earth 33 (2008) S327-S342 (2008).
"Bentonite swelling pressure in strong NaCl solutions", SKB Technical report 97-31, Ola Karnland, Clay Technology, Lund, Sweden.
Ola Karnland, Siv Olsson, Ulf Nisson, Patrik Sellin, "Experimentally determined swelling pressure and geochemical interactions of compacted Wyoming bentonite with highly alkaline solutions, Physics and Chemistry of the Earth 32 (2007) 275-286 (2006).
P. Wersin, L. H. Johnson, I. G. Mckinley, "Performance of the bentonite barrier at temperatures beyond $100{^{\circ}C}$ :A critical review", Physics and Chemistry of Earth 32 (2007) 780-788 (2006).
W.J. Cho, J.O. Lee, K.S. Chun, "The temperature effects on hydraulic conductivity of compacted bentonite, Applied Clay Science 14 (1999) 47-58 (1998)
Won-Jin Cho, Jae-Owan Lee, Chul-Hyung Kang, "Influence of temperature elevation on the sealing performance of a potential buffer material for a high-level radioactive waste repository, Annals of Nuclear Energy 27 (2000) 1271-1284 (1999).
이재완, 조원진, "습도계를 이용한 압축벤토나이트내 함수율 결정 및 적용", 방사성폐기물학회지, Vol.7 pp. 101-107 (2009).
J. W. Choi, H. J. Choi, J. Y. Lee and et. al. 2006. "HLW Disposal System Development", KAERI/RR-2765/2006. Korea Atomic Energy Research Institute.
Pusch. R, Karnland. O, Lajudie. A, Lechelle. J and Bouchet. A, "Hydrothermal Field Test with French Candidate Clay Embedding Steel Heater in the Stripa Mine", SKB Technical Report 93-02
Suzuki. H, and Fujita. T, "Swelling Characteristics of Buffer Material", JNC TN8400, 99-038.
Pusch. R, Karnland. O and Ho ¨kmark. H, "GMM-A General Microstructural Model for Qualitative and Quantitative Studies of Smectite Clay", SKB Technical Report 90-43.
Towhata, I., Kuntiwattanakul, P., Ohishi, K. and Takeuchi, , "Effect of Elevated Temperature on Mechanical Behavior of Clays", Journal of the Japanese Geotechnical Society, Vol.46, No.10, pp.27-30 (1998).
H12 report : Project to Establish the Scientific and Technical Basis for HLW Disposal in Japan, Chap. II, JNC (2000).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.