고준위폐기물처분장에서 완충재는 공학적방벽의 주요 구성요소 중 하나이다. 본 연구에서는 국 내외의 완충재 요구사항과 성능기준을 분석하고, 우리나라 고준위폐기물처분장에 적합한 완충재 개념 도출을 위한 접근방안을 제시하였다. 완충재의 주요 성능기준 인자항목으로, 수리전도도, 핵종 저지능, 팽윤압, 열전도도, 역학적 특성치(mechanical properties), 유기물함량(organic carbon content), 일라이트화 속도(illitization rate) 등을 고려하였다. 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 물질로서 국산 벤토나이트(Ca-벤토나이트)와 대안재로 MX-80 벤토나이트(Na-벤토나이트)를 제안하였다. 완충재의 기술사양은 Ca-벤토나이트 경우엔 우리나라의 성능기준을, Na-벤토나이트의 경우는 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다. 완충재의 두께는 전단거동, 핵종 유출, 열전도의 측면에서 평가하여 결정하였으며, 평가결과 완충재의 두께는 0.25 ~ 0.5 m 사이가 적절하였다. 그러나 최종적인 완충재의 두께는 향후 보다 심도 있는 열-수리-역학적 평가와 경제적, 공학적 측면을 고려하여 결정하여야 할 것이다.
고준위폐기물처분장에서 완충재는 공학적방벽의 주요 구성요소 중 하나이다. 본 연구에서는 국 내외의 완충재 요구사항과 성능기준을 분석하고, 우리나라 고준위폐기물처분장에 적합한 완충재 개념 도출을 위한 접근방안을 제시하였다. 완충재의 주요 성능기준 인자항목으로, 수리전도도, 핵종 저지능, 팽윤압, 열전도도, 역학적 특성치(mechanical properties), 유기물함량(organic carbon content), 일라이트화 속도(illitization rate) 등을 고려하였다. 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 물질로서 국산 벤토나이트(Ca-벤토나이트)와 대안재로 MX-80 벤토나이트(Na-벤토나이트)를 제안하였다. 완충재의 기술사양은 Ca-벤토나이트 경우엔 우리나라의 성능기준을, Na-벤토나이트의 경우는 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다. 완충재의 두께는 전단거동, 핵종 유출, 열전도의 측면에서 평가하여 결정하였으며, 평가결과 완충재의 두께는 0.25 ~ 0.5 m 사이가 적절하였다. 그러나 최종적인 완충재의 두께는 향후 보다 심도 있는 열-수리-역학적 평가와 경제적, 공학적 측면을 고려하여 결정하여야 할 것이다.
The buffer is a key component of the engineered barrier system in a high-level radioactive waste (HLW) repository. The present study reviewed the requirements and functional criteria of the buffer reported in literature, and also based on the results, proposed an approach to establish a buffer conce...
The buffer is a key component of the engineered barrier system in a high-level radioactive waste (HLW) repository. The present study reviewed the requirements and functional criteria of the buffer reported in literature, and also based on the results, proposed an approach to establish a buffer concept which is applicable to an HLW repository in Korea. The hydraulic conductivity, radionuclide-retarding capacity (equilibrium distribution coefficient and diffusion coefficient), swelling pressure, thermal conductivity, mechanical properties, organic carbon content, and illitization rate were considered as major technical parameters for the functional criteria of the buffer. Domestic bentonite (Ca-bentonite) and, as an alternative, MX-80 (Na-bentonite) were proposed for the buffer of an HLW repository in Korea. The technical specifications for those proposed bentonites were set to parameter values that conservatively satisfy Korea's functional criteria for the Ca-bentonite and Swedish criteria for the Na-bentonite. The thickness of the buffer was determined by evaluating the means of shear behavior, radionuclide release, and heat conduction, which resulted in the proper buffer thickness of 0.25 to 0.5 m. However, the final thickness of the buffer should be determined by considering coupled thermal-hydraulic-mechanical evaluation and economics and engineering aspects as well.
The buffer is a key component of the engineered barrier system in a high-level radioactive waste (HLW) repository. The present study reviewed the requirements and functional criteria of the buffer reported in literature, and also based on the results, proposed an approach to establish a buffer concept which is applicable to an HLW repository in Korea. The hydraulic conductivity, radionuclide-retarding capacity (equilibrium distribution coefficient and diffusion coefficient), swelling pressure, thermal conductivity, mechanical properties, organic carbon content, and illitization rate were considered as major technical parameters for the functional criteria of the buffer. Domestic bentonite (Ca-bentonite) and, as an alternative, MX-80 (Na-bentonite) were proposed for the buffer of an HLW repository in Korea. The technical specifications for those proposed bentonites were set to parameter values that conservatively satisfy Korea's functional criteria for the Ca-bentonite and Swedish criteria for the Na-bentonite. The thickness of the buffer was determined by evaluating the means of shear behavior, radionuclide release, and heat conduction, which resulted in the proper buffer thickness of 0.25 to 0.5 m. However, the final thickness of the buffer should be determined by considering coupled thermal-hydraulic-mechanical evaluation and economics and engineering aspects as well.
본 연구에서는 국·내외의 완충재 요구사항(requirements)과 성능기준(functional criteria)을 분석하고, 우리나라 고준위폐기물처분장에 적합한 완충재 개념 도출을 위한 접근방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 완충재의 기능, 요구사항 및 성능기준을 분석하고, 완충재 개념 도출을 위한 주요 성능기준 인자항목으로 수리전도도, 핵종 저지능, 팽윤압, 열전도도, 역학적 특성치(mechanical properties), 유기물함량(organic carbon content), 일라이트화 속도(illitization rate) 등을 제시하였다. 우리나라 고준위폐기물처분장 기준 완충재 물질로서, 국산 벤토나이트 (Ca-벤토나이트)와 대안재로 MX-80 벤토나이트 (Na-벤토나이트)를 제안하였다.
본 연구에서는, 기본 완충재 압축블록의 기술사양으로서, 국산 벤토나이트에 대해서는 한국원자력연구원이 제안한 성능기준을, MX-80 벤토나이트에 대해선 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다. 그 결과, 국산 벤토나이트의 경우 건조밀도 1.
대상 데이터
그러나 국내산 벤토나이트는 부존량이 많지 않고, 채굴에 있어 경제성이 높지 않기 때문에 향후 처분 시점을 고려하여 수입 Na-벤토나이트의 대체 사용과 그에 따른 경제성도 아울러 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 향후 공학적방벽의 시스템 설계와 성능평가에 사용할 목적으로 국산 벤토나이트와 스웨덴에서 사용하고 있는 MX-80을각각 Ca-벤토나이트와 Na-벤토나이트의 기본 완충재로 선정하였다. 이러한 선정 배경에는 공학적방벽의 성능평가를 위한 모델링 계산에서의 입력데이터 제공 여부도 중요한 선정요소가 되었다.
이론/모형
원통형 처분용기에서의 열전달은 푸리에(Fourier) 식(4)를 통해 계산할 수 있다. 보수적으로 원통 양단으로의 열전달은 무시하고 실린더 측면으로만 열이 외부로 확산된다고 가정하면, 실린더 층의 ri → ro로 이동하는 열전달 식은 최종적으로 식 (5)와 같이 정리된다.
성능/효과
0 MPa 이하, 핵종 확산계수는 양이온의 경우 1×10-11m2/s, 음이온의 경우 1×10-9 m2/s 이하가 적합하였다. 또, 완충재의 두께는 전단 거동, 핵종 유출, 열전도의 측면에서 평가하여 결정하였으며, 평가결과 완충재의 두께는 0.25 ~ 0.5 m 사이가 적절하였다.
기준 완충재의 기술사양은 Ca-벤토나이트 경우엔 우리나라의 성능기준을, Na-벤토나이트의 경우는 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다. 완충재의 수리전도도는 1×10-11 m/s 이하, 팽윤압은 hydrostatic pressure + 1.0 MPa 이하, 핵종 확산계수는 양이온의 경우 1×10-11m2/s, 음이온의 경우 1×10-9 m2/s 이하가 적합하였다. 또, 완충재의 두께는 전단 거동, 핵종 유출, 열전도의 측면에서 평가하여 결정하였으며, 평가결과 완충재의 두께는 0.
본 연구에서는 완충재의 기능, 요구사항 및 성능기준을 분석하고, 완충재 개념 도출을 위한 주요 성능기준 인자항목으로 수리전도도, 핵종 저지능, 팽윤압, 열전도도, 역학적 특성치(mechanical properties), 유기물함량(organic carbon content), 일라이트화 속도(illitization rate) 등을 제시하였다. 우리나라 고준위폐기물처분장 기준 완충재 물질로서, 국산 벤토나이트 (Ca-벤토나이트)와 대안재로 MX-80 벤토나이트 (Na-벤토나이트)를 제안하였다. 기준 완충재의 기술사양은 Ca-벤토나이트 경우엔 우리나라의 성능기준을, Na-벤토나이트의 경우는 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다.
후속연구
향후 상세 완충재 개념 설정을 위해서는 처분부지의 암반과 지하수의 지화학적 환경을 고려하여 설정되어야 한다. 그리고 완충재의 최종적인 두께는 향후 보다 심도 있는 열-수리-역학적 연구와 경제적, 공학적 측면을 고려하여 결정하여야 할 것으로 사료되었다.
우리나라는 아직 처분장 부지가 결정되지 않았다. 향후 상세 완충재 개념 설정을 위해서는 처분부지의 암반과 지하수의 지화학적 환경을 고려하여 설정되어야 한다. 그리고 완충재의 최종적인 두께는 향후 보다 심도 있는 열-수리-역학적 연구와 경제적, 공학적 측면을 고려하여 결정하여야 할 것으로 사료되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
완충재는 어떻게 설치되는가?
고준위폐기물처분장에서 완충재는 처분용기와 함께 공학적 방벽의 주요 구성요소이다. 완충재는 처분동굴 바닥에 처분공(deposition borehole)을 파고, 이곳에 폐기물을 포장해 넣은 처분용기를 정치한 후, 처분용기와 처분공 암반벽 사이 공간을 채우며 설치한다(Fig. 1) [2, 3].
고준위폐기물처분장은 어디에 건설될 예정인가?
고준위폐기물처분장은 대부분 심부 결정질 암반에 건설될 예정이다[1]. 이 경우 암반 균열을 통한 지하수의 유입과 이로 인한 처분용기의 부식 및 방사성핵종 유출을 저지하기 위해 완충재의 설치는 필수적이다.
공학적 방벽의 설계와 성능평가를 위해 완충재 개념 설정이 필수적인 이유는 무엇인가?
1) [2, 3]. 완충재의 주요 기능은 처분장으로의 지하수 유입을 억제하고, 방사성핵종의 유출을 저지하며, 외부 응력으로부터의 처분용기를 보호하고, 또한 폐기물로부터 발생되는 붕괴열(radioactive decay heat)을 밖으로 분산 시키는 역할을 한다. 그러므로 공학적 방벽(engineered barrier)의 시스템 설계와 성능평가를 위해서는 완충재 개념 설정이 필수적이다.
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