[논문]고준위폐기물 처분시설 완충재의 온도변화에 따른 열물성

윤석; 김건영; 박태진; 이재광

doi:10.7843/kgs.2017.33.10.25

고준위폐기물 처분시설 완충재의 온도변화에 따른 열물성
Thermal Properties of Buffer Material for a High-Level Waste Repository Considering Temperature Variation 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.33 no.10, 2017년, pp.25 - 31

윤석 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 김건영 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 박태진 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 이재광 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부)

초록
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완충재는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적방벽 시스템에서 중요한 구성요소 중 하나이다. 완충재는 처분공내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 암반사이에 채워지는 물질로써 고준위폐기물의 안전한 처분을 위해 필수적인 요소라고 할 수 있다. 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열물성은 처분시스템의 안전성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히, 완충재의 설정온도는 고준위폐기물 처분시설의 설계에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 온도변화에 따른 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재에 대한 열물성을 규명하고자 하였다. 열선법과 이중 탐침법을 이용하여 온도변화에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도와 비열을 측정하였다. $22^{\circ}C$와 $110^{\circ}C$ 구간에서는 온도 증가에 따라 포화도가 변화되기에 열전도도와 비열은 급격하게 감소하는 경향을 보였으나 $110^{\circ}C$와 $150^{\circ}C$ 사이의 고온 구간에서는 열전도도와 비열의 추가 변화가 거의 발생하지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The buffer is one of the major components of an engineered barrier system (EBS) for the disposal of high-level radioactive waste (HLW). As the buffer is located between a disposal canister and host rock, it is indispensable 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. Since high quantity of heat from a disposal canister is released to the surrounding buffer, thermal properties of the buffer are very important parameters for the analysis of the entire disposal safety. Especially, temperature criteria of the compacted bentonite buffer can affect the design of HLW repository facility. Therefore, this paper investigated thermal properties for the Kyungju compacted bentonite buffer which is the only bentonite produced in South Korea. Hot wire method and dual probe method were used to measure thermal conductivity and specific heat capacity of the compacted bentonite buffer according to the temperature variation. Thermal conductivity and specific heat capacity were decreased dramatically when temperature variation was between $22^{\circ}C{\sim}110^{\circ}C$ as degree of saturation decreased according to the temperature variation. However, there was little variation under the high temperature condition at $110^{\circ}C{\sim}150^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공학적방벽의 구성요소 중 하나인 완충재는 사용후핵연료를 담고 있는 처분 용기에서 발생되는 고온의 열량을 주변 암반으로 전파하는데 중요한 역할을 하기에 완충재의 열물성은 전체 공학적방벽 설계에 있어서 가장 중요한 인자 중 하나라고 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 원자력발전소에서 발생하는 고준위폐기물을 처분하기 위한 심층 처분시스템에서의 압축 벤토나이트 완충재의 온도변화에 따른 열전도도와 비열 값의 변화를 실험적으로 규명하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 100°C 이상의 고온에서의 국내 경주산 Ca형 압축 벤토나이트 완충재에 대한 온도변화에 따른 열전도도와 비열을 실험적으로 규명하고자 하였다.
압축 벤토나이트의 완충재는 온도 증가에 따라 포화도가 감소하기에 열전도도와 비열 또한 감소하는 경향을 보였다. 본 단원에서는 포화도가 일정한 상태에서의 온도에 따른 열전도도와 비열 값을 계측하고자 하였다. 포화도를 일정하게 통제하기가 어렵기에 완전 건조시켜 포화도가 0일 때 열전도도와 비열을 측정하였다.

제안 방법

(1) 국내 경주산 벤토나이트인 KJ-II 분말을 이용하여 건조밀도 1.6∼1.8t/m3 범위의 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도를 측정하였다.
715t/m³ 일 때 온도에 따른 포화도 및 열전도도 변화를 보여주고 있다. 각 단계별 온도의 지속시간은 48시간으로 설정하였으며 QTM-500의 probe를 건조로에 설치하여 열전도도를 측정하였다. 초기 포화도가 60∼80%인 경우 온도 상승에 따른 포화도의 감소가 크기에 이는 열전도도의 뚜렷한 감소를 나타내었다.
건조밀도와 함수비는 ASTM D2216 및 KS 2306에 따라 110±5°C의 건조로에서 노건조한 후 질량변화를 토대로 측정하였다.
국내 경주산 Ca형 압축벤토나이트 완충재의 건조밀도는 1.6t/m3 이상의 값을 가져야 하기에(Yoo et al., 2016) 본 연구에서는 1.6∼1.8t/m3의 건조밀도 값을 갖는 시료를 조성하였다.
(2016)은 본 실험에 사용된 Ca형 벤토나이트에 대한 광물학적, 화학적 특성 등에 대해 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 벤토나이트 분말을 다이플로팅(die floating) 방식의 하중을 재하하여 압축 벤토나이트 완충재를 제작하였으며 시료의 균질성을 확보하기 위하여 Fig. 3과 같이 정수압 기법(cold isostatic press)을 적용하여 시료를 성형하였다. 국내 경주산 Ca형 압축벤토나이트 완충재의 건조밀도는 1.
특히 온도의 경우, 온도가 증가하면 점토광물을 구성하고 있는 수분이 증발되기에 이는 함수비의 감소를 초래한다. 본 연구에서는 세 가지 건조밀도 값에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수비와 열전도도 값을 측정하였다. 건조밀도와 함수비는 ASTM D2216 및 KS 2306에 따라 110±5°C의 건조로에서 노건조한 후 질량변화를 토대로 측정하였다.
하지만 처분시설의 공학적방벽 설계에 있어서 비열 또한 중요한 열적 인자이기에 본 연구에서는 열전도도와 동일한 조건에서 온도 변화에 따라 비열을 측정하였다. 역시, 세 가지 건조밀도 값에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수비와 비열 값을 측정하였다. Table 2는 22°C에서 150°C까지 함수비 및 포화도, 그리고 비열 값을 보여주고 있으며 각 단계별 온도의 지속시간은 48시간으로 설정하였다.
Table 2는 22°C에서 150°C까지 함수비 및 포화도, 그리고 비열 값을 보여주고 있으며 각 단계별 온도의 지속시간은 48시간으로 설정하였다. 열전도도 측정과 같이 이중 탐침을 건조로 내에 설치하여 비열 값을 측정하였다. 열전도도와 마찬가지로 비열 또한 건조밀도와 포화도 값에 비례하는 경향을 보였다.
QTM-500에 사용된 압축 벤토나이트 완충재 시료의 사이즈는 100mm × 50mm × 20mm 크기의 직육면체 형태였으며, 이중 탐침법에 사용된 시료의 사이즈는 직경 30mm, 높이 40mm 크기의 원기둥 형태였다. 이중 탐침법의 경우 탐침 삽입 전 탐침이 시료에 잘 들어갈 수 있도록 사전 천공 후 탐침과 시료와의 원활한 열전달을 위해 열전달 윤활제인 써멀 구리스를 도포하여 실험이 수행되었다.
처분 면적의 감소를 위해 벤토나이트완충재의 설계 온도에 대한 연구가 필요하며 본 연구에서는 최고 150°C까지의 범위 내에서 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도와 비열을 측정하였다.
본 단원에서는 포화도가 일정한 상태에서의 온도에 따른 열전도도와 비열 값을 계측하고자 하였다. 포화도를 일정하게 통제하기가 어렵기에 완전 건조시켜 포화도가 0일 때 열전도도와 비열을 측정하였다. Table3과 Fig.
압축 벤토나이트의 열전도도 특성에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있는 반면에 비열에 대한 연구는 상대적으로 미미한 실정이다. 하지만 처분시설의 공학적방벽 설계에 있어서 비열 또한 중요한 열적 인자이기에 본 연구에서는 열전도도와 동일한 조건에서 온도 변화에 따라 비열을 측정하였다. 역시, 세 가지 건조밀도 값에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수비와 비열 값을 측정하였다.

대상 데이터

QTM-500에 사용된 압축 벤토나이트 완충재 시료의 사이즈는 100mm × 50mm × 20mm 크기의 직육면체 형태였으며, 이중 탐침법에 사용된 시료의 사이즈는 직경 30mm, 높이 40mm 크기의 원기둥 형태였다.
본 실험에 사용된 경주산 Ca형 벤토나이트는 신생대제 3기층군 지역인 경주, 울산, 포항 일대에 주로 분포하고 있다(Lee et al., 2011). Fig.

이론/모형

압축 벤토나이트 완충재의 열적 물성은 크게 열전도도와 비열로 나뉠 수 있다. 열전도도는 비정상 열선법을 이용한 QTM-500(Kyto Electronics, Japan) 장비를 이용하였으며 비열은 KD2-pro(Decagon Device, USA)의 이중 탐침법을 사용하였다. 비정상 열선법은 온도와 저항간의 관계가 잘 알려진 백금선에 일정한 열량을 가하여 가열 시간과 열선의 온도 상승과의 관계를 이용하는 방법이다(ASTM C1113/C1113M-09).

성능/효과

(2) 또한, 건조밀도 1.6∼1.8t/m3 사이의 값을 갖는 압축벤토나이트 완충재의 비열도 측정하였으며, 열전도도와 마찬가지로 비열 또한 건조밀도와 포화도 값에 비례하는 경향을 보였다.
(3) 공학적방벽 시스템에서 완충재의 온도는 100°C 이하로 규정하고 있으며 이는 처분공 사이의 간격을 결정짓기에 처분시설의 설계에 결정적인 영향을 끼칠 수 있다.
이는 110°C 이후는 벤토나이트의 자유수가 제거된 이후 점토 입자 내 의 흡착수가 제거될 것인데 이의 제거량이 크지 않은 것으로 판단된다. 또한 압축 벤토나이트의 열전도도는 건조밀도와 포화도에 비례함을 알 수 있었다.
2는 벤토나이트 분말의 체가름 실험을 통한 입도 분포곡선을 나타내고 있으며 통일분류 결과 고소성 점토인 CH로 분류되었다. 벤토나이트 분말의 비중은 2.71, 액성한계와 소성한계는 가각 146.7%, 28.4%였으며 소성지수는 118.3%였다. 또한 Yoo et al.
압축 벤토나이트의 완충재는 온도 증가에 따라 포화도가 감소하기에 열전도도와 비열 또한 감소하는 경향을 보였다. 본 단원에서는 포화도가 일정한 상태에서의 온도에 따른 열전도도와 비열 값을 계측하고자 하였다.
우선, 압축 벤토나이트 완충재의 설계 온도인 100°C 이하 구간과 최고 150°C 까지 온도 변화에 따라 열전도도를 측정하였으며, 측정 결과 상온에서 50°C 정도 까지는 온도변화에 따른 포화도의 감소폭이 크기에 열전도도 값도 이에 비례하여 급격하게 감소하는 경향을 보였다.
즉, 상온에서 50°C 정도 까지는 온도변화에 따른 포화도가 크게 감소되었기에 열전도도 값이 급격하게 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

1에서의 실제 처분시설의 공학적방벽 구조에서 처분용기와 접해있는 부분은 고온에 따라 완전 건조된 이후 열물성 값은 일정한 값을 나타낼 것으로 생각된다. 또한 자연 암반과 접해있는 벤토나이트 완충재의 경우 암반으로부터의 지하수 유입과 처분 용기로부터 전파되는 열량에 의해 열물성 거동은 복합적으로 변화될 것이기에 이에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
물론 처분시설에서 완충재는 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 보이기에 단순히 열적 거동 특성뿐만 아니라 150°C에서의 흡착수의 변화, 장기 변질 특성, 그리고 지화하적인 특성 규명 등에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
열물성 측면에서 고려해봤을 때, 압축 벤토나이트 완충재의 열물성은 상온에서 110°C 까지의 범위와 달리, 110°C～150°C 범위에서는 상대적으로 큰 차이를 보이지는 않았으며 이는 열물성 측면을 고려하였을 때 요구되는 처분면적을 획기적으로 감소시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	완충재의 역할은?	완충재는 처분공내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 암반사이에 채워지는 물질로써 고준위폐기물의 안전한 처분을 위해 필수적인 요소라고 할 수 있다. 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열물성은 처분시스템의 안전성 평가에 매우 중요하다고 할 수 있다.
	완충재란?	완충재는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적방벽 시스템에서 중요한 구성요소 중 하나이다. 완충재는 처분공내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 암반사이에 채워지는 물질로써 고준위폐기물의 안전한 처분을 위해 필수적인 요소라고 할 수 있다. 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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