고준위폐기물 처분시설의 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도 추정 A Prediction of Thermal Conductivity for Compacted Bentonite Buffer in the High-level Radioactive Waste Repository원문보기
심층 처분방식은 고준위폐기물을 처분하기 위한 가장 적합한 대안으로 고려되어지고 있다. 심층 처분시설은 지하 500~1,000m 깊이의 암반층에 설치되며 심층 처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량이 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 성능은 처분시스템의 안정성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재에 대한 열전도도 추정 모델을 개발하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도는 비정상 열선법을 이용하여 다양한 함수비와 건조밀도에 따라 측정하였으며, 총 39개의 실험 데이터를 토대로 회귀분석을 이용하여 경주 압축 벤토나이트의 열전도도 추정 모델을 제시하였다.
심층 처분방식은 고준위폐기물을 처분하기 위한 가장 적합한 대안으로 고려되어지고 있다. 심층 처분시설은 지하 500~1,000m 깊이의 암반층에 설치되며 심층 처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량이 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 성능은 처분시스템의 안정성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재에 대한 열전도도 추정 모델을 개발하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도는 비정상 열선법을 이용하여 다양한 함수비와 건조밀도에 따라 측정하였으며, 총 39개의 실험 데이터를 토대로 회귀분석을 이용하여 경주 압축 벤토나이트의 열전도도 추정 모델을 제시하였다.
A geological repository has been considered one of the most adequate options for the disposal of high-level radioactive waste. A geological repository will be constructed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface. The geological repository system consists of a disposal c...
A geological repository has been considered one of the most adequate options for the disposal of high-level radioactive waste. A geological repository will be constructed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface. The geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is very important to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. It can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of groundwater. High temperature in a disposal canister is released into the surrounding buffer material, and thus the thermal transfer behavior of the buffer material is very important to analyze the entire disposal safety. Therefore, this paper presents a thermal conductivity prediction model for the Kyungju compacted bentonite buffer material which is the only bentonite produced in Korea. Thermal conductivity of Kyungju bentonite was measured using a hot wire method according to various water contents and dry densities. With 39 data obtained by the hot wire method, a regression model to predict the thermal conductivity of Kyungju bentonite was suggested.
A geological repository has been considered one of the most adequate options for the disposal of high-level radioactive waste. A geological repository will be constructed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface. The geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is very important to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. It can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of groundwater. High temperature in a disposal canister is released into the surrounding buffer material, and thus the thermal transfer behavior of the buffer material is very important to analyze the entire disposal safety. Therefore, this paper presents a thermal conductivity prediction model for the Kyungju compacted bentonite buffer material which is the only bentonite produced in Korea. Thermal conductivity of Kyungju bentonite was measured using a hot wire method according to various water contents and dry densities. With 39 data obtained by the hot wire method, a regression model to predict the thermal conductivity of Kyungju bentonite was suggested.
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문제 정의
본 연구에서는 벤토나이트 블록의 열전도도를 종속변수로 칭하였으며 열전도도에 미치는 인자들을 독립변수로 칭하였다. 독립변수와 종속변수가 모두 연속형의 데이터인 경우 다중회귀분석을 채택하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 추정할 수 있는 모델을 제안하고자 하였다.
, 2016), 이는 실내 실험 데이터를 근거로 간단한 추정식만 제시되었고 다양한 변수를 고려한 추정 모델에 대한 통계적 유의성 검증에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 KJ-II 완충재 블록을 제작하여 다양한 건조밀도 및 함수비에 따라 열전도도를 측정하였으며, 측정된 값을 근거로 건조밀도 및 함수비, 포화도, 공기 백분율에 따른 다양한 변수 조합에 따른 열전도도 추정 모델을 제시하고자 하였다.
압축 벤토나이트 완충재는 처분 용기에서 발생되는 고온의 열량을 주변 암반으로 전파하는데 있어 중요한 역할을 하기에 완충재의 열적 성능은 처분시스템의 안정성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 완충재의 열적 성능 중 하나인 열전도도를 측정하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(2008)은 공기부피 백분율을 이용하여 열전도도를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다. 따라서 본연구에서도 공기부피 백분율을 독립변수로 사용하여 KJ-II 벤토나이트 블록의 열전도도를 추정하고자 하였다. 역시 3.
따라서 본 연구에서는 다양한 함수비와 건조밀도에 따라 총 39개의 KJ-II 벤토나이트 블록을 제작하였으며 QTM-500 장비를 이용하여 열전도도를 측정하였다. 또한 함수비와 건조밀도 값을 알면 포화도와 공기부피 백분율로 환산이 가능하기에 다양한 독립변수에 따른 열전도도 추정모델을 제시하고자 하였다. Table 2는 사용된 변수들에 대한 기본 통계량을 나타내며 Fig.
본 논문에서는 원자력발전소에서 발생하는 고준위폐기물을 처분하기 위한 심층 처분시스템에서의 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도 추정 모델을 제시하였다. 압축 벤토나이트 완충재는 처분 용기에서 발생되는 고온의 열량을 주변 암반으로 전파하는데 있어 중요한 역할을 하기에 완충재의 열적 성능은 처분시스템의 안정성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 새롭게 생산된 KJ-II 완충재의 열-수리-역학 거동 중 열전도도에 대한 추정 모델을 새롭게 제시하고자 하였다. 기존의 KJ-I에 대한 열전도도 측정 실험 및 거동 모델에 연구가 진행되었으나(Lee et al.
, 2015). 즉 압축 벤토나이트 완충재의 포화도에 따른 열전도도 변화가 안정성 평가에 중요한 요소로 작용하기에 압축 벤토나이트 완충재의 포화도 및 건조밀도에 따라 열전도도 추정 모델을 제시하고자 하였다. 3.
제안 방법
(1) 국내 경주산 벤토나이트인 KJ-II를 가지고 다양한함수비와 건조밀도에 따라 39개의 시료를 제작하였으며 비정상 열선법의 원리를 적용한 QTM-500 장비를 이용하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. 장비의 적합성 검증을 위해 무한선형열원 이론을 적용한 KD2-pro의 single probe 방법과 거의동일한 상태의 건조밀도와 함수비를 가지는 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다.
(2) 건조밀도와 함수비, 건조밀도와 포화도 그리고 공기 백분율을 독립변수로 채택하여 각각 3가지 경우에 대해 선형 회귀분석을 수행하여 열전도도 추정 모델을 제시하였다. 3가지 모두 R2가 0.
실험 결과 QTM 500과 KD2-pro의 single probe 방법과의 결과 차이는 1∼6% 정도로 발생하였다. Single probe의 경우 실험 전 pre-drilling 작업을 수행하여야 하며 건조밀도가 큰 경우 일직선으로 10cm 정도 drilling 작업 과정에서 시료가 절단되는 어려움이 있었기에 실험의 편리성을 위해 QTM-500 장비를 이용하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다.
(2008)은 공기부피 백분율에 따른 열전도도 추정 모델을 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 다양한 함수비와 건조밀도에 따라 총 39개의 KJ-II 벤토나이트 블록을 제작하였으며 QTM-500 장비를 이용하여 열전도도를 측정하였다. 또한 함수비와 건조밀도 값을 알면 포화도와 공기부피 백분율로 환산이 가능하기에 다양한 독립변수에 따른 열전도도 추정모델을 제시하고자 하였다.
벤토나이트 블록의 샘플은 100mm × 50mm × 20mm 크기의 직육면체 형태였다. 또한 QTM-500 장비와의 결과 검증을 위해 비정상 탐침 장비인 KD2-pro의 Single probe를 이용하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. Single probe 방법은 무한 선형 열원 이론에 기반하여 매우 가는 금속선에 전류를 가하면서 시간에 따른 금속선의 온도 상승 경향으로부터 열전도도를 측정하는 방법이다(Park, 2011; Yoon et al.
, 2010). 본 연구에서는 벤토나이트 블록의 열전도도를 종속변수로 칭하였으며 열전도도에 미치는 인자들을 독립변수로 칭하였다. 독립변수와 종속변수가 모두 연속형의 데이터인 경우 다중회귀분석을 채택하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 추정할 수 있는 모델을 제안하고자 하였다.
압축 벤토나이트 완충재의 열전도도를 측정하기 위하여 QTM-500(Kyoto Electronics, Japan)과 KD2-pro(Decagon Device, USA)를 사용하였다(Fig. 3). QTM-500은 비정상 열선법의 원리를 이용함으로써, 조작이 용이하며 신속하고 정확하게 열전도도를 도출하는 것으로 알려져 있다(Lee et al.
우선 QTM 장비와 KD2-pro의 single probe 방법과의 비교 검증을 위해 거의 동일한 상태의 건조밀도와 함수비를 가지는 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. 비교 검증에 사용된 벤토나이트 블록 시료의 건조밀도는 1.
우선, 건조밀도와 함수비를 독립변수로 사용하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 추정하고자 하였다. Yoon et al.
(1) 국내 경주산 벤토나이트인 KJ-II를 가지고 다양한함수비와 건조밀도에 따라 39개의 시료를 제작하였으며 비정상 열선법의 원리를 적용한 QTM-500 장비를 이용하여 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. 장비의 적합성 검증을 위해 무한선형열원 이론을 적용한 KD2-pro의 single probe 방법과 거의동일한 상태의 건조밀도와 함수비를 가지는 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. 측정 결과 두 장비를 사용한 오차는 1∼6% 정도였으며 single probe의 경우 실험 전 pre-drilling 작업을 수행해야 하는 어려움이 있었기에 실험의 편리성 측면에서 QTM-500장비를 이용하여 열전도도를 측정하였다.
측정 결과 두 장비를 사용한 오차는 1∼6% 정도였으며 single probe의 경우 실험 전 pre-drilling 작업을 수행해야 하는 어려움이 있었기에 실험의 편리성 측면에서 QTM-500장비를 이용하여 열전도도를 측정하였다.
대상 데이터
벤토나이트 블록의 샘플은 100mm × 50mm × 20mm 크기의 직육면체 형태였다.
비교 검증에 사용된 벤토나이트 블록 시료의 건조밀도는 1.733∼1.735t/m3 였으며 함수비는 자연 상태인 11∼12% 일 때와 48시간 건조시킨 후 0% 일 때 각각 실험이 수행되었다(Table 1).
, 2016; ASTM D5334-14). 샘플은 직경 30mm, 높이 100mm의 원기둥 형태였으며 탐침 삽입 전 프리 드릴링 후 써멀 그리스를 탐침 주변에 도포하여 실험이 진행되었다(Fig. 4).
데이터처리
즉 압축 벤토나이트 완충재의 포화도에 따른 열전도도 변화가 안정성 평가에 중요한 요소로 작용하기에 압축 벤토나이트 완충재의 포화도 및 건조밀도에 따라 열전도도 추정 모델을 제시하고자 하였다. 3.2절의 독립변수의 함수비를 포화도로만 변화시켰으며 동일한 방법으로 SPSS Statistics 24의 Regression 모듈을 이용하여 선형 회귀분석을 실시하였으며 분석 결과 표준화 잔차 3이 넘어가는 2개 데이터를 제외 후 식 (2)와 같은 회귀식을 제시하였다.
SPSS Statistiscs 24의 Regression 모듈을 이용하여 선형 회귀분석을 실시하였다. 분석 결과 표준화 잔차 3이 넘어가면 회귀식이 유의하지 않기에(Lee, 2014; Yoon etal.
성능/효과
05보다 작게 나왔으나 실험 데이터 개수가 50 미만인 경우 Shapiro-Wilk 검증만 유의해도 충분한 것으로 알려져 있다(Lee, 2014). 따라서 공기부피 백분율을 이용한 열전도도 추정 모델도 유의하게 적용될 수 있음을 알 수 있다.
, 2015). 또한 SPSS Statistics 24의 P-P Plot 모듈을 이용하여 종속변수인 열전도도(TC: thermal conductivity)의 정규성을 검증하였으며 Fig. 6과 같이 데이터들이 직선 주위에 모여 있기에 정규성을 만족함을 알 수 있다(Data solution consulting team, 2013).
또한 VIF(variace inflation factor) 값도 10보다 작기에 독립변수 간 다중공선성이 발생하지 않으며 결정계수(R²) 및 조절 결정계수 (adjR²)값도 0.9 이상으로 높은 정확도를 보였다.
실험 결과 QTM 500과 KD2-pro의 single probe 방법과의 결과 차이는 1∼6% 정도로 발생하였다.
후속연구
2 W/(m・K)이 넘어가는 데이터의 경우 오차가 조금 발생하였는데 이는 회귀분석시 이상치로 제외하였기 때문인것으로 판단된다. 또한, 회귀분석에 따른 통계적 유의성도 충족하였기에 본 연구에서 제시한 회귀모델은 벤토나이트 완충재 블록의 열전도도를 추정하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 즉, 본 연구에서 제시된 열전도도 회귀 모델은 실제 열전도도를 측정하지 않더라도 함수비, 포화도, 공기 부피 백분율과 같은 기본 물성만 측정하면 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도를 손쉽게 추정할 수 있을 것으로 기대되며 그 중 R2 값이 가장 높은 건조밀도와 함수비를 이용한 회귀식을 이용하는 것이 정확할 것으로 사료된다.
아울러, 고준위방사성폐기물 처분시스템에서는 고준위방사성폐기물의 특성 중의 하나인 붕괴열로 인해 폐기물 주변 완충재에서 야기되는 건조 현상과 암반으로부터의 지하수 유입으로 인한 포화현상에 의한 완충재의 포화도 변화가 필연적으로 나타나게 된다. 이러한 현상을 반영한 처분시스템의 설계와 설계된 처분시스템의 성능을 평가하고 그 안전성을 평가하는데 있어서는 포화도와 건조밀도를 이용한 회귀 모델이 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 회귀분석에 따른 통계적 유의성도 충족하였기에 본 연구에서 제시한 회귀모델은 벤토나이트 완충재 블록의 열전도도를 추정하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 즉, 본 연구에서 제시된 열전도도 회귀 모델은 실제 열전도도를 측정하지 않더라도 함수비, 포화도, 공기 부피 백분율과 같은 기본 물성만 측정하면 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도를 손쉽게 추정할 수 있을 것으로 기대되며 그 중 R2 값이 가장 높은 건조밀도와 함수비를 이용한 회귀식을 이용하는 것이 정확할 것으로 사료된다. 아울러, 고준위방사성폐기물 처분시스템에서는 고준위방사성폐기물의 특성 중의 하나인 붕괴열로 인해 폐기물 주변 완충재에서 야기되는 건조 현상과 암반으로부터의 지하수 유입으로 인한 포화현상에 의한 완충재의 포화도 변화가 필연적으로 나타나게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원자력 에너지는 국내 전력 총 생산량의 얼마를 생산하는가?
국내 전력 총 생산량의 30%를 차지하고 있는 원자력 에너지는 그 사용량이 점점 증가하고 있는 추세이다. 국내에서는 원자력 에너지의 중요성을 인지하여 현재 총25기의 원자로가 가동 중이며, 추가적으로 2024년까지 34기의 원자로 운영계획을 가지고 있다.
국내 가동 원자로 수와 추가 가동 계획은?
국내 전력 총 생산량의 30%를 차지하고 있는 원자력 에너지는 그 사용량이 점점 증가하고 있는 추세이다. 국내에서는 원자력 에너지의 중요성을 인지하여 현재 총25기의 원자로가 가동 중이며, 추가적으로 2024년까지 34기의 원자로 운영계획을 가지고 있다. 한편, 원자력 발전소의 연료로 쓰고 난 사용후핵연료는 방사선준위가 높은 폐기물로써 강한 방사선과 높은 열을 방출하여 인체에 매우 위험하기 때문에 고준위 폐기물의 처분 문제가 꾸준히 제기되어 왔다.
사용후핵연료를 처분하는 심지층 처분장은 어떠해야 하고, 그 이유는?
사용후핵연료봉은 부식과 충격에 견뎌내는 강한 금속재로 만들어진 처분용기에 보관되고, 견고한 암반에 건설된 동굴 형태의 심지층 처분장에 넣은 후 완충재로 밀봉된다. 또한 동굴 형태의 처분장은 뒷채움재로 완전히 메워 겹겹이 둘러싸인 채로 생태계로부터 철저하게 격리되어야 한다(Fig. 1). 이 때 처분용기와 처분공 사이에 채워지는 완충재는 처분용기를 처분공에 고정시키는 역할뿐만 아니라, 암반의 전단거동과 같은 물리적 충격으로부터 처분용기를 보호하며, 지하수 유입을 최소화하여 지하수에 의해 용해된 핵종이 주변 암반으로 유출되는 것을 저지한다(Yoo et al., 2016; Choi et al., 2014). 또한 완충재의 열적 특성은 처분용기로부터 발생되는 붕괴열을 주위 암반으로 신속히 발산시켜, 완충재의 온도가 설정된 최고 온도를 넘지 않도록 하는데 중요한 역할을 한다(Lee et al., 2014). 이를 위해 완충재는 처분용기로부터 열을 발산하기 위한 높은 열전도도를 가져야 한다(Villar et al., 2006).
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