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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 현장실험을 위해 사용될 공학규모의 균질 완충재 블록을 생산하기 위한 새로운 방법론을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 공학규모의 균질 완충재 블록을 생산하기 위한 새로운 제작 방법론을 분석하였다. 이를 위하여 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 최초로 적용하였으며, 시험제작을 통한 비교 및 통계량 분석·검정을 통해 공학적규모 이상의 균질 완충재 블록의 성형이 가능함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 공학적규모 이상의 벤토나이트 완충재 제작과 관련된 성형특성 분석에 초점을 맞추었다. 공학규모 완충재 블록의 일축압축강도와 탄성계수 등을 포함한 다양한 열적, 수리적, 역학적 특성에 대한 세부정보는 기존의 문헌을 통해 확인할 수 있다[6-10].
- 앞서 언급하였듯이 SKB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)와 POSIVA (Finnish Company for Nuclear Waste Management)는 공동으로 단축 압축성형(uniaxial compressing) 방식과 등압 압축성형(isostatic pressing) 방식으로 제작된 블록의 차이점을 면밀히 분석하고, 이를 통해 최적의 성형방법을 도출함으로써 실제 생산라인과 연계하기 위한 연구를 2014년부터 착수하였다[5].
제안 방법
- 프레스 재하하중에 따른 성형블럭의 밀도를 측정하였다. 각 현장실험 마다 성형되는 완충재 블록의 크기가 다르기 때문에 단위면적당 하중 즉, 압력을 이용하여 그 성형특성을 측정하였다. Fig.
- 결과적으로 In-DEBS 현장실험을 위해서는 400 kg·cm-2의 플롯팅 다이 프레스와 50 MPa의 CIP 압력을 이용하여 최종적으로 블럭을 제작하였다.
- 블록제작과 관련하여 세라믹 소재 전문생산업체인 ㈜맥테크의 협조를 얻었다. 관련 실험을 통해 프레스압과 CIP 압력에 따른 완충재 성형밀도와의 관계를 규명하였다. 세부 실험방법은 다음과 같다.
- 따라서 동일한 벤토나이트와 동일한 다짐 에너지를 이용할 때, 완충재 내함수비의 영향을 보기 위하여 최적 함수비 측정실험(OMC; Optimized Moisture Content)을 하였다.
- 특히 성형되는 시료가 클수록 그리고 재하 압력이 커질수록 이같은 현상은 두드러진다. 따라서 본 연구에서는 2일간 건조하였다.
- 따라서 본 연구에서는 상·하부의 몰드가 동시에 시료에 압을 가하는 방식을 사용하였다.
- 전자는 현장에서 롤러다짐의 효과를 판정하기 위해서 실내에서 봉다짐으로 추정하는 방식이기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 토목분야의 흙 다짐시험방법(KS F 2306)과 원리는 동일하되, 처분분야의 공학적방벽재 생산방식에 초점을 맞추어 프레스 가압방식으로 실험을 진행하였다. 사전 예비실험을 통해 현재(실험실 상대습도 30~40%, 온도 20~22℃) 벤토나이트 원광 보관상태의 함수비는 11.
- 또한 400 kg·cm-2 프레스 및 50 MPa의 CIP로 성형된 완충재 블록에 대해 각 공간 분포 별 그리고 깊이 별로 밀도를 측정하였다.
- 이를 위하여 선진핵주기 고준위폐기물 처분시스템(AKRS)의 설계요건(design criteria)을 적용하였으며[10], 완충재 블록 생산을 위해 플롯팅 다이(floating die)방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 국내 최초로 적용하였다. 또한 그 제작방법과 관련하여 소요 밀도의 완충재 블록을 생산하기 위한 최적의 제작조건을 도출하였고 이의 현장적용성을 분석하였다.
- 우선적으로 Kyung Joo(KJ)-II 벤토나이트의 최적 함수비(OMC; Optimum Moisture Content)를 결정하였으며, 이를 바탕으로 플롯팅 다이 방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP) 기법을 적용하여 완충재 블록을 제작하였다.
- 이를 바탕으로 최적함수비 측정실험을 위하여 시료의 이론적인 함수비가 10%, 12%, 14%, 16%, 18%, 20%, 30%이 각각 되도록 계량된 양만큼의 물을 주입하였으며, 전용 교반기를 이용해 충분한 혼합이 이루어지도록 시료를 준비하였다.
- 제작된 완충재 블록의 다짐특성을 분석하기 위하여 블록 내부 높이를 상·중·하로 나누어 밀도분포 변화를 분석하였다.
- 4). 즉 완충재 블록성형을 위해 플롯팅 다이프레스 가압방식에 의해 1차 성형을 한 후, 성형된 완충재 블록을 2차적으로 CIP 기법을 적용하여 재차 성형을 하였다.
- 최적함수비를 측정하기 위하여 각 함수비 별 3개의 시료를 측정하였으며, 프레스 방식에 의해서만 제작된 완충재 블록을 실험하기 위해서는 재하 압력을 200, 400, 600, 800 kg·cm-2으로 가압하고 각각의 시료 3개씩을 실험에 이용하였다.
- 프레스 재하하중에 따른 성형블럭의 밀도를 측정하였다. 각 현장실험 마다 성형되는 완충재 블록의 크기가 다르기 때문에 단위면적당 하중 즉, 압력을 이용하여 그 성형특성을 측정하였다.
- 프레스에 의해 1차 성형된 완충재 블록을 대상으로 CIP기법을 추가적으로 적용하였다. Fig.
- 한편 프레스 방식과 CIP 방식에 의해 제작된 완충재 블록실험을 위해서는 앞에서와 같이 프레스 재하 압력을 200, 400, 600, 800 kg·cm-2으로 가압하고, 각각의 프레스 재하압력에 추가적으로 CIP 정수압을 40, 60, 80 MPa로 가한 상태에서 제작된 시료 3개씩을 실험에 이용하였다.
- 함수비의 변화에 대해서도 CIP 적용 전·후의 경우 대해 분석하였다.
대상 데이터
- 4개의 1/4 조각이 하나의 블록층을 구성하므로 In-DEBS 실험에 최종적으로 사용된 완충재 블록은 132개로 33개층으로 설치되었다(Fig. 1).
- 본 연구를 위해 KJ-II 벤토나이트(클라리언트케미칼㈜)를 사용하였다. 사용된 벤토나이트의 화학적, 광물학적 특성에 대해서는 관련 문헌을 통해 확인할 수 있다[11].
- 6 kg·cm-3 이상이 되어 본 압력을 사용하였다. 시험용 블록제작을 위하여 300톤 (SPH-300, 송우 ENG) 프레스를 사용하였으며, 각 시료는 350 g 씩 계량하여 동일 하중을 가하였다.
- 완충재 블록의 두께는 7 cm이기 때문에 시료샘플 상·중·하단의 두께는 바닥으로부터 각각 5.25 cm (N-3), 3.5 cm (N-2), 1.75 cm (N-1)의 위치에 해당되며, 8개의 지점에서 상·중·하단 총 24개의 샘플을 채취하였다.
데이터처리
- 실험결과의 신뢰도를 향상시키기 위하여 3개의 시료를 실험하여 평균한 값을 이용하였다.
- Table 2은 CIP 성형 전과 후의 벤토나이트 완충재 블록의 기초 통계량을 보여준다. 이를 바탕으로 완충재 성능 조건과의 비교를 위해 통계검증을 실시하였다. 우선 CIP 적용을 통해 성형된 완충재 블록의 평균 밀도는 CIP 적용전 블록에 비해 약 5.
- 이를 위하여 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 최초로 적용하였으며, 시험제작을 통한 비교 및 통계량 분석·검정을 통해 공학적규모 이상의 균질 완충재 블록의 성형이 가능함을 확인하였다.
- 이를 토대로 CIP 성형 후에 대해 단일표본 t 검증(1 sample t-test)를 통하여 기준치와 비교하였다(Table 4). CIP 성형 후 도출된 건조단위중량의 표본값을 근거로 모평균을 추정하여도 기준치인 1.
이론/모형
- 하나의 블록을 제작하는데 많은 시간과 예산이 소요되고 매우 노동집약적임을 감안하면 개선의 필요성이 크다. 본 연구에서는 In-DEBS 실험용 완충재 블록을 위해 CNC(Computer Numerical Control) 기법을 이용하여 블록 내 센서위치를 정교하게 성형하였다(Fig. 17). 특히 센서 케이블을 위한 완충재 내 카빙이 쉽지 않음을 고려하면 향후 공학적 규모의 실증연구를 위해서는 CNC 기법의 사용이 필수적일 것으로 판단된다.
- 본 연구에서도 공학규모 이상의 균질한 완충재 블록을 성형하기 위하여 CIP 기법을 벤토나이트에 적용하여 블록을 성형하였다(Fig. 4).
- 이를 위하여 선진핵주기 고준위폐기물 처분시스템(AKRS)의 설계요건(design criteria)을 적용하였으며[10], 완충재 블록 생산을 위해 플롯팅 다이(floating die)방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 국내 최초로 적용하였다.
- 이를 위하여 토목분야에서 일반적으로 사용되는 표준 다짐시험방법(Korea Standard(KS) F 2306)을 준용하였다.
성능/효과
- •플롯팅 다이 방식으로의 프레스 구조변경은 완충재 블록의 비균질 및 방향성을 저감하는데 효과적이며, 완충재 내 각종 센서류의 설치를 위해 CNC 기법의 적용은 현장 적용성 향상 측면에서 필수적일 것으로 판단된다.
- •플롯팅 다이 프레스 및 CIP 기법 적용을 통해 공학규모의 완충재 블록 내 밀도분포 편차가 본 실험조건에서 0.032에서 0.016으로 현저히 감소하였으며, 이와 동시에 소폭의 밀도상승 및 크기감소 효과가 수반되었다.
- CIP 성형 후 도출된 건조단위중량의 표본값을 근거로 모평균을 추정하여도 기준치인 1.6 g·cm-3 값보다 크게 도출되었으며 신뢰도 95% 범위에서 유의확률이 모두 0에 가까울 정도로 나타났다.
- 결과적으로 본 실험을 위해서는 프레를 가압하는 데 10초, 탈형을 위한 방출시간은 1초, 그리고 압력을 빼고 자중만 가한 상태에서의 유지시간을 10초로 설정하여 모든 시료에 대해 동일 조건을 부여하였다(Fig. 5).
- 6 g·cm-3 값보다 크게 도출되었으며 신뢰도 95% 범위에서 유의확률이 모두 0에 가까울 정도로 나타났다. 결론적으로 CIP 성형 후의 건조단위중량은 기본 물리적 성질을 충분히 충족시켰음을 알 수 있으며, 본 연구에서 제시된 방법론을 통한 공학적규모 이상의 완충재 블록의 성형밀도가 매우 균질함을 알 수 있다.
- 함수비의 변화에 대해서도 CIP 적용 전·후의 경우 대해 분석하였다. 두 경우 모두 첨도(Skewness), 왜도(Kurtosis)의 절대값이 2 보다 작아 정규성에서는 큰 변화는 발견되지 않았고, 함수비 분포의 편차는 CIP 적용을 통해 소폭 균질해지기는 하였지만 큰 변화는 발견되지 않았다(Table 5). 하지만 CIP 적용을 통해 블록 내 평균 함수비가 감소되는 현상이 발견되었다.
- 따라서 AKRS의 기준에 부합하는 공학규모의 완충재 블록을 생산하기 위해서는 플롯팅 다이 프레스 단독으로 사용할 경우 400 kg·cm-2 이상의 압력이 필요하고, 플롯팅 다이 프레스와 CIP 조합의 경우 프레스 압력이 200 kg·cm-2 이상이고 CIP 압력이 최소 40 MPa 이상이어야 함을 알 수 있다.
- 그러나 이를 공학적인 측면에서만 보면, 최적함수비(OMC)보다 약간 건조측에서 최대 전단 강도가 나오고, 최적 함수비 보다 약간 습윤측에서 최소 투수계수가 나온다[14]. 따라서 지진 등의 동적하중에 대한 완충재 저항성을 높이기 위해서는 건조 측으로, 그리고 지하수의 유입 및 핵종유출 방지라는 처분의 관점에서는 최적함수비(OMC) 보다 약간 습윤 측으로 다지는 것이 유리할 것으로 판단된다. 하지만이 또한 과량의 균열발생을 고려해야 한다.
- 따라서 현재 자연보관 상태의 함수비가 약 11.6%임을 감안할 때, 프레스 단독으로 소요 기준을 충족하는 완충재 블록을 생산하기 위해서는 최소 300 kg·cm-2 이상, 그리고 공학적방벽 현장설치시 각종 간극들의 존재 및 안전율을 고려하면 최소 400 kg·cm-2 이상의 프레스 압력이 필요함을 알 수 있다.
- 6%의 밀도상승 효과를 나타내었다(Table 2). 또한 CIP 적용 전 측정된 완충재 블록의 밀도 표준편차는 0.032이었으며 CIP 적용 후 측정된 표준편차는 0.016 이내의 값을 도출하여, CIP 적용으로 인해 블록 내 밀도편차가 현저히 감소함을 알 수 있다(Table 2). 아래의 Fig.
- 프레스의 재하압력 이상의 CIP 압력이 추가적으로 가해질 경우에 최종적으로 성형되는 블럭의 밀도는 소폭 증가되지만, CIP 압력이 프레스 압력과 유사하거나 그 이하일 경우에는 밀도증가 현상이 두드러지게 나타나지 않았다. 또한 CIP를 적용함으로써 재하 압력에 따라 그 값은 변하게 되지만 평균적으로 블록 크기가 약 5% 정도 감소되었다. 따라서 AKRS의 기준에 부합하는 공학규모의 완충재 블록을 생산하기 위해서는 플롯팅 다이 프레스 단독으로 사용할 경우 400 kg·cm-2 이상의 압력이 필요하고, 플롯팅 다이 프레스와 CIP 조합의 경우 프레스 압력이 200 kg·cm-2 이상이고 CIP 압력이 최소 40 MPa 이상이어야 함을 알 수 있다.
- 016으로 현저히 감소하였으며, 이와 동시에 소폭의 밀도상승 및 크기감소 효과가 수반되었다. 반면 함수비 분포편차에는 큰 영향을 미치지 못하였으며, 블록내 평균 함수비는 소폭 감소하는 경향을 나타내었다.
- 또한 완충재 블록은 각 공정 후 바로 진공포장을 하여 보관을 하여야 한다. 본 연구에서는 1차 가압 이후와 CNC 가공 후 2차례에의 진공포장 과정을 거쳤으며, 일단 제작된 블록은 가능하면 빠른 시일 내에 실험에 사용을 하는 것이 바람직하다. 이는 벤토나이트 재료 자체가 주변 수분환경에 민감한 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 시간 경과에 따라 완충재 표면에 응력이완(stress release) 현상이 발생하여 균열이 발생하기 때문이다.
- 사전 예비실험을 통해 현재(실험실 상대습도 30~40%, 온도 20~22℃) 벤토나이트 원광 보관상태의 함수비는 11.6%의 결과를 얻었으며 계절적인 요인에 의해 최대 ±1.6%의 편차를 보이는 것으로 분석되었다.
- 실험결과 벤토나이트(KJ-II) 블럭의 최적함수비는 15.7%이고 그 때의 최대 건조밀도가 1.662 g·cm-3로 분석되었다.
- 이를 바탕으로 완충재 성능 조건과의 비교를 위해 통계검증을 실시하였다. 우선 CIP 적용을 통해 성형된 완충재 블록의 평균 밀도는 CIP 적용전 블록에 비해 약 5.6%의 밀도상승 효과를 나타내었다(Table 2). 또한 CIP 적용 전 측정된 완충재 블록의 밀도 표준편차는 0.
- 12에 동일 CIP 압력 조건에서 프레스 압에 따른 성형블럭의 밀도변화를 각각 나타내었다. 프레스의 재하압력 이상의 CIP 압력이 추가적으로 가해질 경우에 최종적으로 성형되는 블럭의 밀도는 소폭 증가되지만, CIP 압력이 프레스 압력과 유사하거나 그 이하일 경우에는 밀도증가 현상이 두드러지게 나타나지 않았다. 또한 CIP를 적용함으로써 재하 압력에 따라 그 값은 변하게 되지만 평균적으로 블록 크기가 약 5% 정도 감소되었다.
- 05 보다 적게 도출되어 정규성을 만족하지 않았음을 알 수 있다. 하지만 CIP 성형 후의 건조밀도의 경우 왜도(skewness), 첨도의 절대값이 모두 2 보다 작았으며, Shapiro-Wilk의 유의확률 또한 0.05 보다 크기에 정규성을 만족함을 알 수 있다. 즉 CIP 기법적용을 통해 블록 내 밀도분포가 정규분포에 가까워지며, 좌우 쏠림현상이 없이 최빈수(mode)를 중심으로 평균(mean)과 중위수(median)가 서로 가깝게 위치함을 알 수 있다.
- 한편 CIP를 적용한 완충재 블록은 시간 경과에 따른 응력이완 현상이 적용하지 않은 블록에 비해 현저히 적다는 점을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 고준위폐기물은 반감기가 길고 방사능 준위가 높아 심층 처분을 안전하게 하기 위해서는 장기간의 기술개발과 폐쇄후 처분 안전성에 대한 국민의 신뢰를 확보하는 것이 필수적이다. 따라서 고준위폐기물 처분시스템의 장기안전성을 검증하기 위해서는 처분조건과 유사한 실제 현장조건에서 사전에 처분시스템의 구성요소에 대한 실증연구를 통해 그 기술적 타당성을 입증하여야 한다. 이와 관련하여 국내 규제기관에서는 부지 및 처분시스템 고유특성을 URL (Underground Research Laboratory)에서 수행한 실증연구를 바탕으로 평가해야 한다고 명문화하였다[1].
- 또한 실규모의 큰 완충재 블록을 한번에 제작할 경우 취급상에 상당히 불리할 수 있으며, 수직처분의 개념에서는 실제 처분공 내 설치시 파손의 위험이 매우 클 것이다. 따라서 본 연구를 통해 제시된 완충재 성형방식(1차 성형: primary pressing, 2차 성형: CIP pressing)을 이용하여 다수의 블록으로 제작한 후 조립하는 방식이 하나의 대안이 될 수 있을 것이다. 향후 CIP 단일적용을 통한 다수의 블록으로 분할제작 후 조립하는 방식도 검토할 필요가 있다.
- 본 연구결과는 In-DEBS에서 사용될 공학적규모 이상의 신뢰성 있는 균질 완충재 블록을 생산하는데 중요한 기초자료로 활용될 수 있으며, 나아가 현장실증 실험을 통한 THM복합거동 예측모델의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
- 이는 제작된 완충재 블록의 품질보증(QA; Quality Assurance)을 위해 활용될 수 있을 것이다.
- 17). 특히 센서 케이블을 위한 완충재 내 카빙이 쉽지 않음을 고려하면 향후 공학적 규모의 실증연구를 위해서는 CNC 기법의 사용이 필수적일 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구를 통해 제시된 완충재 성형방식(1차 성형: primary pressing, 2차 성형: CIP pressing)을 이용하여 다수의 블록으로 제작한 후 조립하는 방식이 하나의 대안이 될 수 있을 것이다. 향후 CIP 단일적용을 통한 다수의 블록으로 분할제작 후 조립하는 방식도 검토할 필요가 있다.
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