[논문]다양한 함수비를 가진 화강암의 열전도도 추정을 위한 실험적 모델

조원진; 권상기; 이재완

다양한 함수비를 가진 화강암의 열전도도 추정을 위한 실험적 모델
Empirical model to estimate the thermal conductivity of granite with various water contents 원문보기

방사성폐기물학회지 = Journal of the Korean Radioactive Waste Society, v.8 no.2, 2010년, pp.135 - 142

조원진 (한국원자력연구원) , 권상기 (한국원자력연구원) , 이재완 (한국원자력연구원)

초록
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고준위폐기물처분장의 설계 및 장기 성능평가를 위한 입력 자료를 확보하기 위해, 한국원자력연구원 지하처분연구시설 부지에서 실시된 경사시추에서 얻은 암석 코어를 이용하여 화강암의 열전도도를 측정하였다. 열전도도에 미치는 함수비의 영향을 조사하기 위해 여러 가지 함수비에서 화강암의 열전도도를 측정하였다. 화강암의 광물 조성, 결정구조 및 이방성의 영향을 고려하지 않고, 비교적 측정이 용이한 유효공극률과 함수비를 이용하여 화강암의 열전도도를 예측할 수 있는 간단한 실험적 관계식이 제안되었다. 이 관계식은 지하처분연구시설 부지에서 채취한 유효공극률 2.7% 이하인 화강암의 열전도도를 10% 오차 이내로 예측할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

To obtain the input data for the design and long-term performance assessment of a high-level waste repository, the thermal conductivities of several granite rocks which were taken from the rock cores from the declined borehole were measured. The thermal conductivities of granite were measured under the different conditions of water content to investigate the effects of the water content on the thermal conductivity. A simple empirical correlation was proposed to predict the thermal conductivity of granite as a function of effective porosity and water content which can be measured with relative ease while neglecting the possible effects of mineralogy, structure and anisotropy. The correlation could predict the thermal conductivity of granite with the effective porosity below 2.7% from the KURT site with an estimated error below 10%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 최근에 Davis 등[22]은 화강암은 열전도 측면에서 등방성이라고 보고하였다. 그러므로 이 논문에서는 복잡한 광물 조성이나, 이방성의 영향은 고려 하지 않고, 비교적 쉽게 측정할 수 있는 유효공극률과 함수비로부터 화강암의 열전도도를 추정할 수 있는 간단한 실험적 모델을 제안하려고 시도하였다.
이 연구에서는 한국원자력연구원의 지하처분연구시설 (KURT)의 부지의 다양한 지표면으로부터의 심도에서 채취된 화강암의 열전도도를 유효공극률과 함수비와 같이 측정이 상대적으로 용이한 파라미터를 사용하여, 예측할 수 있는 간단한 실험 관계식을 제안하고자 하였다.

제안 방법

포화 조건에서의 열전도도 측정을 위해 화강암 블록을 증류수에 48시간 담근 후, 꺼내어 표면을 종이 타월로 닦아 물기를 제거한 직후 측정하였다. 그 후 화강암 블록을 공기 중에서 건조시키면서 시간에 따른 화강암 블록의 수분함량과 열전도도의 변화를 측정하였다. 모든 측정은 25℃에서 행하여졌다.
화강암의 열전도도는 함수비가 일정할 때, 유효공극률이 감소함에 따라 증가하였으며, 유효공극률이 같은 경우에는 함수비가 증가함에 따라, 열전도도가 증가하였다. 암석의 광물 조성, 결정구조 및 이방성을 고려하지 않고, 화강암의 열전도도를 예측할 수 있는 간단한 실험적 관계식이 제안되었다. 이 관계식은 지하처분연구시설에서 채취한 유효공극률 2.
열전도도를 측정하기 위해, 경사 시추에서 얻은 원통형 암석 코어 시료를 150×40×20 mm 크기의 직육면체형 시편으로 가공하였다.
건조조건에서 측정하기 위해 화강암 블록을 대류오븐 내에서 110℃로 48 시간 동안 건조시킨 다음, 데시케이터에서 측정온도까지 냉각시켜 사용하였다. 포화 조건에서의 열전도도 측정을 위해 화강암 블록을 증류수에 48시간 담근 후, 꺼내어 표면을 종이 타월로 닦아 물기를 제거한 직후 측정하였다. 그 후 화강암 블록을 공기 중에서 건조시키면서 시간에 따른 화강암 블록의 수분함량과 열전도도의 변화를 측정하였다.
한국원자력연구원 지하처분연구시설 부지의 다양한 지표면으로부터의 심도에서 채취한 화강암의 열전도도를 건조 조건과 습윤 조건에서 측정하였다. 건조 조건에서 열전도도 값은 2.
열전도도를 측정하기 위해, 경사 시추에서 얻은 원통형 암석 코어 시료를 150×40×20 mm 크기의 직육면체형 시편으로 가공하였다. 화강암의 열전도도는 건조 조건과 습윤 조건에서 측정하였다. 건조조건에서 측정하기 위해 화강암 블록을 대류오븐 내에서 110℃로 48 시간 동안 건조시킨 다음, 데시케이터에서 측정온도까지 냉각시켜 사용하였다.

대상 데이터

화강암의 열전도도 측정을 위한 시료는 경사시추공에서 얻은 암석 코어로 부터 채취하였다. 경사 시추공에서 얻은 여러 지표면으로부터의 심도의 화강암 암석 코어 14개로부터 각 1개의 시료를 채취하여, 총 14개의 시료에 대해 유효공극률(effective porosity)과 밀도를 ASTM C 97-02 [18] 방법으로 측정하였다.

이론/모형

화강암의 열전도도 측정을 위한 시료는 경사시추공에서 얻은 암석 코어로 부터 채취하였다. 경사 시추공에서 얻은 여러 지표면으로부터의 심도의 화강암 암석 코어 14개로부터 각 1개의 시료를 채취하여, 총 14개의 시료에 대해 유효공극률(effective porosity)과 밀도를 ASTM C 97-02 [18] 방법으로 측정하였다.
화강암의 열전도도 측정에는 순간열전도측정계(Kyoto Electronics, QTM-500)가 사용되었다. 이 기기는 비정상세선가열법(transient line source method)을 이용하여 열전도도를 측정한다.
모든 측정은 25℃에서 행하여졌다. 화강암의 열전도도 측정에는 순간열전도측정계(Kyoto Electronics, QTM-500)가 사용되었다. 이 기기는 비정상세선가열법(transient line source method)을 이용하여 열전도도를 측정한다.

성능/효과

건조 조건에서 열전도도 값은 2.12 W/mK∼3.12 W/mK 사이의 범위에 있었으며, 포화 조건의 경우에는 화강암의 열전도도는 2.99 W/mK ∼3.62W/mK 사이에 있었다.
경사 시추공을 따른 암반 상태의 변화는 그림 2와 같이 RMR(Rock Mass Rating)의 변화로 나타낼 수 있다. 경사 시추공을 따른 암반의 분류는 RMR이 41보다 큰 영역은 전체 범위의 85%이었으며, RMR이 81보다 큰 영역은 전체 범위의 약 24%였다. RMR을 기준으로 한 암반의 분류에 따르면 RMR이 61에서 80인 경우는 "good rock"으로, 81 이상인 경우는 "very good rock"으로 구분된다 [16].
전체적인 연구 지역 화강암의 SiO2의 함량은 66.4∼75.0%로 산성암에 해당되며, 지화학적으로 칼크-알칼린 계열 및 I-type에 속하면서 과알루미나 성질을 나타내고, 0.96∼1.21 범위의 알루미나 포화지수를 갖는다 [17].
110∼125 m 구간은 절리가 많으며, 이후 180 m까지 양질의 경암 구간이 계속되다가 180∼190 m에서 파쇄대가 나타나며, 그 이후에는 252 m까지 양호한 암반이 나타났다. 지표로 부터 70 m 및 75m 인 두 지점에서 폭 0.8 m 및 2 m인 단층이 확인되었으며, 1차 및 2차 파쇄대는 각각 NW 및 NE 방향이었다. 세 개의 단층과 파쇄대 (F-3, F-4, F-5) 가 경사 시추공을 교차하였다 (그림 1).
62W/mK 사이에 있었다. 화강암의 열전도도는 함수비가 일정할 때, 유효공극률이 감소함에 따라 증가하였으며, 유효공극률이 같은 경우에는 함수비가 증가함에 따라, 열전도도가 증가하였다. 암석의 광물 조성, 결정구조 및 이방성을 고려하지 않고, 화강암의 열전도도를 예측할 수 있는 간단한 실험적 관계식이 제안되었다.

후속연구

7% 이하인 화강암의 열전도도를 10% 오차 이내로 예측할 수 있다. 이 결과는 고준위폐기물처분장 설계 및 열 해석, 열-수리-역학적 복합거동 해석을 위한 입력변수로 사용될 수 있을 것이다.
이 결과들로부터 식 (4)가 화강암의 열전도도를 기술하는 데 유용하다고 할 수 있다. 제안된 관계식은 유효공극률이 0.5%에서 2.7% 사이에 있는 화강암의 열전도도를 예측하는데 유용하며, 이 범위를 벗어난 유효공극률을 가진 화강암에 대한 적용 가능성은 추가 검토가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고준위폐기물처분장은 어떻게 구성되는가?	고준위폐기물처분장은 지하 수백 미터 깊이에 있는 심부지층에 건설된 여러 개의 처분동굴들과 이를 연결하는 터널로 구성된다. 현재 제안되고 있는 고준위폐기물처분장의 설계개념 [1,2]에 따르면, 이들 처분동굴 바닥에 수직으로 처분공을 굴착하고, 그 속에 방사성폐기물을 밀봉한 처분용기를 넣은 후 처분용기와 처분공의 암반 벽 사이의 공간은 완충재로 충전시킨다.
	암반의 열전도도가 고준위폐기물 처분장의 처분장의 설계 및 장기 성능 평가를 위한 중요 인자로 고려되는 이유는?	이 열-수리-역학적 복합거동(coupled thermal, hydraulic and mechanical behavior)은 고준위폐기물처분장의 설계 및 장기 성능평가에 중요한 영향을 미치므로 이를 규명하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다 [3]. 근계영역 암반의 열전도도는 열-수리-역학적 복합거동을 좌우하는 중요 인자로서, 고준위폐기물로부터 발생되는 붕괴열을 주위 암반으로 발산시키는 것을 좌우하여, 처분장 내 및 주위 암반의 온도 분포를 결정하는 역할을 한다. 따라서 암반의 열전도도는 고준위폐기물 처분장의 설계 및 장기 성능 평가를 위한 중요 인자 중의 하나로 고려되고 있다.
	고준위폐기물 처분장 폐쇄 이후 완충재 및 근계영역 암반 내에서 발생하는 현상은?	고준위폐기물 처분장이 폐쇄된 후, 완충재 및 근계영역 암반 내에서는 폐기물로부터 붕괴열의 방출, 주위 암반으로부터 지하수의 침투, 지하수의 침투에 따른 완충재의 팽윤과 이로 인한 응력변화가 동시에 일어난다. 이 열-수리-역학적 복합거동(coupled thermal, hydraulic and mechanical behavior)은 고준위폐기물처분장의 설계 및 장기 성능평가에 중요한 영향을 미치므로 이를 규명하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다 [3].

참고문헌 (23)

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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