[논문]우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트완충재의 열-수리-역학적 특성치

이재완; 조원진; 권상기

doi:10.7474/tus.2011.21.4.264

우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트완충재의 열-수리-역학적 특성치
Thermal-hydro-mechanical Properties of Reference Bentonite Buffer for a Korean HLW Repository 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.21 no.4 = no.93, 2011년, pp.264 - 273

이재완 (한국원자력연구원 방사성폐기물 기술개발부) , 조원진 (한국원자력연구원 방사성폐기물 기술개발부) , 권상기 (인하대학교 에너지자원공학과)

초록
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고준위폐기물처분장에서 벤토나이트완충재는 공학적방벽의 중요한 구성요소 중 하나이다. 벤토나이트완충재는 방사성폐기물로부터의 붕괴열, 주위 암반으로부터의 지하수 유입, 고밀도로 압축된 벤토나이트 자체의 높은 팽윤압에 의해 큰 영향을 받는다. 그러므로 벤토나이트완충재의 열-수리-역학적 특성 이해와 평가모델의 입력데이터 확보는 고준위폐기물처분장의 성능 및 안전성 평가를 위해서 선행되어야 할 중요한 과제이다. 본 논문에서는 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 후보물질을 대상으로 지금까지 수행된 열-수리-역학적 특성을 분석하고, 기준벤토나이트완충재 조건을 설정하여, 이 조건에 부합되는 벤토나이트완충재의 열-수리-역학적 특성치를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bentonite buffer is one of the major components of an engineered barrier for an HLW (High-Level Waste) repository. The bentonite buffer is significantly exposed to the decay heat from radioactive wastes, the inflow of groundwater from the surrounding rock of the repository, and the high swelling pressure of densely-compacted bentonite that comes in contact with the groundwater. Therefore, it is essential to understand the THM (Thermal-Hydro-Mechanical) behavior of the bentonite buffer and to acquire the input data of its related constitutive models for the performance and safety assessment of an HLW repository. This paper analyzed the THM properties which have been obtained by conducting laboratory tests with a candidate buffer material for a Korean HLW repository. Moreover the formulation recipe of the reference bentonite buffer was defined on the basis of functional criteria, thus suggesting the THM properties which correspond to the formulation recipe of the reference bentonite buffer.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 후보물질을 대상으로 수행된 열-수리-역학적 특성을 분석하고, 보수적인 완충재 성능기준을 만족하는 기준벤토나이트완충재의 열-수리-역학적 특성치를 제시하였다. 지금까지의 실험데이터와 문헌의 데이터를 분석한결과, 기준벤토나이트 완충재 조건에서의 열전도도는 0.
이와 관련하여, 본 논문에서는 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 후보물질을 대상으로 지금까지 수행된 열-수리-역학적 특성을 분석하고, 처분장 성능기준을 만족하는 기준벤토나이트 완충재조건을 설정하여 이 조건에 부합되는 열-수리-역학적 특성치를 제시함으로써, 향후 수행될 우리나라 고준위폐기물처분장의 성능 및 안전성 평가에 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.

제안 방법

, 1999), 이를 바탕으로 Table 5의 성능기준을 보수적으로 만족하는 기준완충재조건을 설정하였다. 본 논문에서는 앞 장에서 기술한 현재까지의 실험결과를 토대로 기준벤토나이트완충재의 열-수리역학적 특성치를 제시하였으며, 아직까지 실험이 수행되지 않은 특성치(비열, 열팽창계수)에 대해서는 문헌데이터 분석과 전문가 판단(expert judgment)을 통하여 추정, 제시하였다.
완충재의 역학적 특성은 외부의 충격이나 하중으로부터 폐기물을 보호하고 공학적방벽의 역학적 건전성을 보장한다. 실내실험을 통하여, 경주 벤토나이트블록의 다짐특성, 일축압축강도, 탄성계수, 포아송비, 전단강도 및 압밀특성 등을 조사하였다(강철형 등, 1999). 벤토나이트 블록의 다짐정도는 건조밀도로 표시된다.
일축압축시험에서는 시료를 축방향으로만 압축하고 그 때의 응력(stress), 축방향 변형률(axial strain), 측면 방향 변형률(lateral strain)을 측정하여 일축압축강도, 탄성계수 및 포아송비를 결정하였다. Table 2는 경주 벤토나이트블록에 대한 일축압축시험 결과이다.

이론/모형

, 2011). 벤토나이트 블록의 수확산계수는 확산모델을 이용, 실험에서 얻어진 수분분포로부터 결정하였다(Lee et al., 1999). 건조 밀도가 1.
벤토나이트 블록의 전단강도는 비압밀-비배수 조건에서의 삼축압축시험법으로 측정하였다. 삼축압축시험에서 전단강도(shear strength, τ)는 다음과 같이 점착력(cohesion, c)과 내부마찰각(internal friction angle, φ) 및 파괴가 일어나는 응력작용면에서 수직응력(vertical stress, σ)의 관계식으로 표시된다.

성능/효과

경주 벤토나이트블록의 수리전도도는 온도가 증가 할수록 증가하였다. 20℃에서의 수리전도도 값에 비해 80℃에서는 수리전도도가 약 3～4배 정도로 증가하였고, 150℃에서 수리전도도 값은 건조밀도가 1.8 Mg/m³인 경우 약 1 승수(order) 정도 증가하였으나, 그보다 낮은 밀도에서는 증가폭이 다소 작았다. 수리전도도에 대한 염도(salinity)의 영향은 건조밀도가 상대적으로 낮은 블록에서 현저히 나타났다.
건조 밀도가 1.4∼1.8 Mg/m3일 때 경주 벤토나이트블록의 수확산계수는 4.3x10-10∼1.93x10-10 m2/s 범위의 값을 보였으며, 건조밀도가 증가할수록 감소하였다.
%가 될 때 까지는 감소하였지만, 그 이상의 초기수분함량에서는 거의 변화가 없었다. 벤토나이트의 블록의 팽윤압은 투과수의 이온강도가 증가할수록 감소하였다. 이러한 감소 추세는 이온강도가 높을수록, 또 건조밀도가 증가할수록 둔화되었다.
6에서 보는 바와 같이 건조밀도와 수분함량의 변화에 민감하였다(조원진 등, 2008). 수분 함량이 일정할 때, 벤토나이트블록의 열전도도는 건조밀도가 증가할수록 증가하였으며, 건조밀도가 일정한 경우에는 수분 함량이 증가할수록 증가하였다. 각건조밀도에서 수분함량의 증가에 따른 열전도도 변화는 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있었다.
14는 각각 압밀시험에서 얻어진 ｅ- log σ'곡선과 C_v - log σ'곡선을 나타내며, Table 4는 압축지수(compression index, C_c), 압밀계수(coefficient of consolidation, C_v), 체적변형계수(coefficient of volume compressibility, m_v) 등을 정리한 것이다. 시험결과, 경주 벤토나이트블록은 C_c = 0.14, C_v = 0.18 m²/yr, m_v = 0.0214 m²/MN의 값을 보였다.
경주 벤토나이트블록에 대한 측정결과는 Table 3과 같다. 이 표에서 보는 바와 같이 점착력과 내부마찰각은 건조밀도가 증가할수록 증가하였고, 그 결과 전단강도가 증가함을 예상할 수 있다.
벤토나이트의 블록의 팽윤압은 투과수의 이온강도가 증가할수록 감소하였다. 이러한 감소 추세는 이온강도가 높을수록, 또 건조밀도가 증가할수록 둔화되었다. 경주벤토나이트 블록의 팽윤압은 80℃까지의 온도 증가에 대해서는 거의 변화가 없었다.
지금까지의 실험데이터와 문헌의 데이터를 분석한결과, 기준벤토나이트 완충재 조건에서의 열전도도는 0.8 W/m K, 비열 1.0 kJ/kg K, 열팽창계수 2.5 x 10-4 1/K, 수리전도도 3 x 10-13 m/s, 흡인력 50 MPa, 팽윤압 3.0 MPa, 일축압축강도 5.0 MPa, 탄성계수 5.9 x 102 MPa, 포아송비 0.19, 점착력 1000 kPa, 내부마찰각 37°, 압축지수 0.14, 압밀계수 0.018 m2/yr, 체적변형계수 0.021 m2/MN이었다.

후속연구

본 논문에서 제시된 특성치 중 비열과 열팽창계수의 값은 문헌데이터 분석과 전문가판단에 근거하여 결정된 것이기 때문에 추후 실험을 통해 확인할 필요가 있으며, 또한 완충재의 열-수리-역학적 특성치는 처분시스템과 밀접한 관계가 있고, 일부 특성치는 처분시스템에 따라 상당히 달라질 수 있기 때문에 향후 처분시스템이 확정되면 시스템의 성능 및 안전성에 대한 상세 평가를 하기 위해 보다 광범위한 실측을 통해 보정을한 후 사용하여야 할 것이다.
우리나라는 고준위폐기물 처분시스템이나 처분부지가 아직 확정되지 않았기 때문에, 향후 고준위폐기물처분장의 완충재 개발 및 관련 처분기술의 효율적이고 체계적인 연구를 위해서는 기준벤토나이트완충재의 선정이 필요하다. 한국원자력연구원에서는 기준벤토나이트 완충재 선정을 위해서 고준위폐기물처분장 완충재 요구사항들을 분석하고, 우리나라 고준위폐기물처분장에 적합한 완충재 성능기준(Table 5 참조)을 설정한 바 있으며(Cho, W.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고준위폐기물처분장에서 완충재는 어떠한 역할을 하는가?	고준위폐기물처분장에서 완충재는 공학적방벽의 중요한 구성요소 중 하나로서, 주위 암반으로부터의 지하수 유입을 최소화하고, 지하수에 의해 용해된 핵종이 폐기물로부터 유출되는 것을 저지하며, 외부의 역학적 충격으로부터 폐기물과 처분용기를 보호하는 역할을 한다. 우리나라는 기준처분시스템의 완충재 물질로 국산 벤토나이트의 사용을 고려하고 있으며, 처분장에 설치할 완충재는 방벽성능과 제작/설치 시 작업성을 감안하여 블록형태의 압축벤토나이트를 사용할 예정이다.
	기준처분시스템의 완충재 물질로 우리나라는 무엇의 사용을 고려하고 있는가?	고준위폐기물처분장에서 완충재는 공학적방벽의 중요한 구성요소 중 하나로서, 주위 암반으로부터의 지하수 유입을 최소화하고, 지하수에 의해 용해된 핵종이 폐기물로부터 유출되는 것을 저지하며, 외부의 역학적 충격으로부터 폐기물과 처분용기를 보호하는 역할을 한다. 우리나라는 기준처분시스템의 완충재 물질로 국산 벤토나이트의 사용을 고려하고 있으며, 처분장에 설치할 완충재는 방벽성능과 제작/설치 시 작업성을 감안하여 블록형태의 압축벤토나이트를 사용할 예정이다.
	벤토나이트완충재에 대한 열-수리역학적 특성 이해와 평가모델의 입력데이터 확보가 고준위폐기물 처분장의 성능 및 안정성 평가를 위해서 선행되어야 할 중요한 과제로 인식되고 있는 이유는 무엇인가?	고준위폐기물처분장에서 벤토나이트완충재는 방사성폐기물로부터 발생되는 붕괴열, 주위 암반으로부터의 지하수 유입 및 완충재로 사용된 압축벤토나이트 자체로부터 발생되는 높은 팽윤압에 의해 크게 영향을 받는다. 이러한 이유로 벤토나이트완충재에 대한 열-수리역학적 특성 이해와 평가모델의 입력데이터 확보는 고준위폐기물처분장의 성능 및 안전성 평가를 위해서 선행되어야 할 중요한 과제로 인식되고 있다.

참고문헌 (12)

강철형, 구정의, 김성기, 김승수, 김진웅, 박정화, 이연명, 이재완, 전관식, 조원진, 최종원, 황용수, 권상기, 1999, 고준위폐기물처분기술개발: 심지층처분시스템개발. 한국 원자력연구원, KAERI/RR-2013/99, p. 519.
조원진, 이재완, 권상기, 2008, 압축벤토나이트 및 벤토나이트-모래 혼합물의 열전도도. 방사성폐기물학회지, Vol. 6(2), p. 101-109.

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조원진, 전관식, 이재완, 1999, 고준위폐기물처분장 완충 재용 국산 압축벤토나이트의 수리전도도에 미치는 건조밀도와 온도의 영향. 한국원자력연구원, KAERI/TR- 1223/99.
최희주, 이종열, 조동건, 김성기, 김승수, 김건영, 정종태, 이민수, 최종원, 이재완, 전관식, 김풍오, 2008, 한국형 고준위폐기물 처분시스템. 한국원자력연구원, KAERI/TR-3563/2008.
Borgesson, L., Hokmark, H., and Karnland, O., 1988, Rheological properties of sodium smectite clay. SKB Technical Report 88-30.
Cho, W.J., Lee, J.O., Chun, K.S., and Park, H.S., 1999, Analysis of Functional Criteria for Buffer Material in a High-level Radioactive Waste Repository. J. of the Korean Nucl. Soc., Vol. 31, No. 1, pp. 116-132.
Fredlund, D.G., Rahardjo, H., 1993, Soil mechanics for unsaturated soils. John Wiley & Sons Inc., NY, pp. 517.
JNC, 1999. H12 Project to establish technical basis for HLW disposal in Japan. Supporting Report 2, Japan Nuclear Cycle Development Institute, Japan.
Knutsson, S., 1983, On the thermal conductivity and thermal diffusivity of highly compacted bentonite. SKR Technical Report 83-72.
Lee, J.O., Goh, E.O., Cho, W.J., Hyun, J.H., Chun, K.S., 1999, Water diffusion and resaturation of compacted bentonite. J. of Korean Solid Wastes Engineering Soc., Vol. 4(1), pp. 51-56.
Lee, J.O. and Cho, W.J., 2005, Swelling pressures of an untreated and a Na-treated bentonite. 방사성폐기물학회, 춘계학술발표회.
Lee, J.O., Cho, W.J., Kwon, S., 2011, Suction and water uptake in unsaturated comapcted bentonite. Annals of Nuc. Energy, 38, pp. 520-526.

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