심부시추공 처분에서 정치기구와 처분용기 사이를 연결하는'J-slot joint'를 대체할 수 있는 새로운 접속장치를 개발하고자 하였다. 새로운 접속장치는 처분용기 쪽의 쐐기와 이를 체결할 수 있는 정치기구 쪽의 쐐기집으로 구성되었다. 새로운 접속 장치는 부품교체 없이도 체결과 분리가 자유롭고, Drill pipe 외에도 Wire-line이나 Coiled tubing 등의 정치기구와도 연결이 가능한 장점을 갖추었다. 새로운 접속장치의 실증을 위해, 1/3 크기로 새로운 접속장치(${\Phi}110mm$, H 148 mm), 처분용기 2단 행렬(${\Phi}140mm$, H 1,105 mm), 그리고 모의 시험공(${\Phi}150mm$, H 1,500 mm)을 설계 및 제작하였다. 새로운 접속장치의 실증시험용 머드로는 Na형 벤토나이트(MX-80)와 Ca형 벤토나이트(GJ-II)를 고형분 함량 7wt% 및 29wt%로 각각 제조하여 사용하였다. 실증시험 결과, 새로운 접속장치는 벤토나이트 머드와 순수 조건에 대해 $10m{\cdot}min^{-1}$ 속도에서 무리없이 작동하였다. 결론적으로, 심부시추공 처분을 위한 새로운 처분용기 접속장치는 정치와 회수를 위한 접속장치로 향후 유용하게 활용될 수 있다고 보았다.
심부시추공 처분에서 정치기구와 처분용기 사이를 연결하는'J-slot joint'를 대체할 수 있는 새로운 접속장치를 개발하고자 하였다. 새로운 접속장치는 처분용기 쪽의 쐐기와 이를 체결할 수 있는 정치기구 쪽의 쐐기집으로 구성되었다. 새로운 접속 장치는 부품교체 없이도 체결과 분리가 자유롭고, Drill pipe 외에도 Wire-line이나 Coiled tubing 등의 정치기구와도 연결이 가능한 장점을 갖추었다. 새로운 접속장치의 실증을 위해, 1/3 크기로 새로운 접속장치(${\Phi}110mm$, H 148 mm), 처분용기 2단 행렬(${\Phi}140mm$, H 1,105 mm), 그리고 모의 시험공(${\Phi}150mm$, H 1,500 mm)을 설계 및 제작하였다. 새로운 접속장치의 실증시험용 머드로는 Na형 벤토나이트(MX-80)와 Ca형 벤토나이트(GJ-II)를 고형분 함량 7wt% 및 29wt%로 각각 제조하여 사용하였다. 실증시험 결과, 새로운 접속장치는 벤토나이트 머드와 순수 조건에 대해 $10m{\cdot}min^{-1}$ 속도에서 무리없이 작동하였다. 결론적으로, 심부시추공 처분을 위한 새로운 처분용기 접속장치는 정치와 회수를 위한 접속장치로 향후 유용하게 활용될 수 있다고 보았다.
In this study, to replace the 'J-slot joint', a joint device between a disposal canister and an emplacement jig in Deep Borehole Disposal process, a novel joint device was designed and tested. The novel joint device was composed of a wedge on top of a disposal canister and a hook box at the end of a...
In this study, to replace the 'J-slot joint', a joint device between a disposal canister and an emplacement jig in Deep Borehole Disposal process, a novel joint device was designed and tested. The novel joint device was composed of a wedge on top of a disposal canister and a hook box at the end of a winch system. The designed joint device had merits in that it can recombine an emplaced canister freely without the replacement of the joint component. Moreover, it can be applied to various emplacement jigs such as drill pipes, wire-lines, and coiled tubing. To demonstrate the designed joint device, the joint device (${\Phi}110mm$, H 148 mm), a twin canister string (${\Phi}140mm$, H 1,105 mm), and a water tube (${\Phi}150mm$, H 1,500 mm) as a borehole model were manufactured at 1/3 scale. As deployment muds, Na-type bentonite (MX-80) and Ca-type (GJ II) bentonite muds were prepared at solid contents of 7wt% and 28wt%, respectively. The manufactured joint device showed good performance in pure water and viscous muds, with an operation speed of $10m{\cdot}min^{-1}$. It was concluded that the newly developed joint device can be used for the emplacement and retrieval of a deep disposal canister, below 3~5 km, in the future.
In this study, to replace the 'J-slot joint', a joint device between a disposal canister and an emplacement jig in Deep Borehole Disposal process, a novel joint device was designed and tested. The novel joint device was composed of a wedge on top of a disposal canister and a hook box at the end of a winch system. The designed joint device had merits in that it can recombine an emplaced canister freely without the replacement of the joint component. Moreover, it can be applied to various emplacement jigs such as drill pipes, wire-lines, and coiled tubing. To demonstrate the designed joint device, the joint device (${\Phi}110mm$, H 148 mm), a twin canister string (${\Phi}140mm$, H 1,105 mm), and a water tube (${\Phi}150mm$, H 1,500 mm) as a borehole model were manufactured at 1/3 scale. As deployment muds, Na-type bentonite (MX-80) and Ca-type (GJ II) bentonite muds were prepared at solid contents of 7wt% and 28wt%, respectively. The manufactured joint device showed good performance in pure water and viscous muds, with an operation speed of $10m{\cdot}min^{-1}$. It was concluded that the newly developed joint device can be used for the emplacement and retrieval of a deep disposal canister, below 3~5 km, in the future.
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문제 정의
본 연구에서는 새로운 접속장치의 성능시험을 위하여,실제 심부시추공 처분환경과 유사하게 소규모 목업 환경을 조성하였다. 이를 위하여 접속장치 외에도 시추공을 모사한 원통 수조와 소형 시추공 처분용기를 함께 제작하였다.
이에 J-slot joint 접속장치의 단점을 극복할 수 있는, 심부시추공 처분에 적합한 새로운 접속장치의 개발이 필요하였다. 본 연구에서는 처분공정 효율과 안전성을 높이기 위하여 처분용기를 심부시추공에 정치한 후, 지상에서 장비를 교체하지 않고도 바로 처분용기를 다시 체결할 수 있는, 심부시추공 처분에 적합한 접속장치를 개발하고자 하였다. 또한 개발한 접속장치는 Drill pipe 외에도 Wire-line이나 Coiled tubing 등의 다양한 정치기구와도 연결이 가능하도록 하였다.
그리고 시추공에 들어가는 정치용 머드로는 Na형 와이오밍(MX80) 벤토나이트와 Ca형 경주(GJ) 벤토나이트 2가지로 제조하여 접속장치의 성능시험에 적용하였다. 본문에서는 새로운 접속장치의 설계와 제작, 그리고 성능시험과 그 결과에 대해 기술하였다.
심부 시추공처분에서 처분용기를 정치시키는 기존 접속 장치로 고려되는 J-slot joint는 Drill Pipe 외에 Wireline이나 Coiled tubing과 같은 다른 정치기구에는 사용하기 힘들며,분리 후에는 다시 체결할 수 없는 단발성 작동 밖에 할 수 없는 단점이 있었다. 이러한 단점을 극복하기 위해 심부시추공 처분에 어울리는 새로운 정치용 접속장치를 본 연구에서 개발하였다. 새로운 접속장치는 처분용기 상단에 부착된 쐐기와 이를 결속하는 정치기구 말단의 쐐기집 구조로 구성하였다.
정치기구와 처분용기를 연결하는 새로운 접속장치를 설계하고자 하였다. 신규 접속장치의 설계에서 고려한 사항은1)해제와 접속 용이성, 2)기계적 작동, 그리고 3)다양한 정치기구와의 연결성이었다.
제안 방법
Na형 및 Ca형 머드에 대해 Brookfield viscometer (Brookfield DV-III Ultra V6.1 LV, Spindle SC4-21)로 25℃에서 Shearrate을 20 rpm까지 증가시키며 Kinetic viscosity를 측정하였다. 2종의 머드에 대해 측정된 Shear rate (rpm)에 따른 점도변화(cP)를 Fig.
Na형 벤토나이트머드 시험 후, 순수로 수조 내부와 처분 행렬 외면을 깨끗이세척하였다. 그리고 수조에 Ca형 벤토나이트 머드 약 5.0 L를 채워 넣고, 동일한 방법으로 접속장치의 작동을 시험하였다. 그 결과, 접속장치는 Ca형 벤토나이트 머드에서도 무리 없이 작동하였다(Fig.
이를 위하여 접속장치 외에도 시추공을 모사한 원통 수조와 소형 시추공 처분용기를 함께 제작하였다. 그리고 시추공에 들어가는 정치용 머드로는 Na형 와이오밍(MX80) 벤토나이트와 Ca형 경주(GJ) 벤토나이트 2가지로 제조하여 접속장치의 성능시험에 적용하였다. 본문에서는 새로운 접속장치의 설계와 제작, 그리고 성능시험과 그 결과에 대해 기술하였다.
본 연구에서는 처분공정 효율과 안전성을 높이기 위하여 처분용기를 심부시추공에 정치한 후, 지상에서 장비를 교체하지 않고도 바로 처분용기를 다시 체결할 수 있는, 심부시추공 처분에 적합한 접속장치를 개발하고자 하였다. 또한 개발한 접속장치는 Drill pipe 외에도 Wire-line이나 Coiled tubing 등의 다양한 정치기구와도 연결이 가능하도록 하였다.
먼저 순수로 채워진 모의 시험공을 대상으로 신규 접속장치의 실증 시험을 실시하였다. 소형 크레인 하부에 모의 시험공을 설치하고, 처분용기 2단 행렬을 삽입하였다.
벤토나이트 팽윤물의 고형비를 기준으로, Na형과 Ca형 정치용 머드를 다음과 같이 순수와 섞어 제조하였다. Na형 벤토나이트는 450 g을 증류수와 혼합하여 약 5,000 ml의 정치용 머드를 만들었으며, Ca형 경주 벤토나이트는 3,300 g을 증류수와 혼합하여 약 5,000 ml의 정치용 머드를 만들었다.
시추공 처분이 실시된 사례가 없어, 팽윤지수 측정에서 얻어지는 벤토나이트 팽윤물의 함수비로부터 정치용 머드의 함수비를 결정하였다. 상온 25℃에서 순수 약 35 ml를 넣은 시험관에 Ca 경주 벤토나이트 6.83 g, 그리고 Na 벤토나이트(MX-80)의 경우에는 2.04 g을 0.1 g 단위로 천천히 뿌려서, 자연 가라앉기를 반복하며, 장시간에 걸쳐 투여하였다. 하루가 지난 후가라앉은 벤토나이트의 팽윤부피를 측정한 결과, Na형 벤토나이트의 팽윤지수는 27.
이 세가지를 충족시킬 수 있도록 새로운 작동방식의 접속장치를 고안하였다. 새로운 접속 장치는 시추공 바닥에 도착하면 Shear pin이 깨지는 J-slot joint 개방방식과 달리, 처분용기를 잡고 있는 쐐기걸이가 벌어지도록 하여 연결이 해제되는 방식을 적용하였다. Fig.
이러한 단점을 극복하기 위해 심부시추공 처분에 어울리는 새로운 정치용 접속장치를 본 연구에서 개발하였다. 새로운 접속장치는 처분용기 상단에 부착된 쐐기와 이를 결속하는 정치기구 말단의 쐐기집 구조로 구성하였다. 제안된 접속장치는 Drill pipe, Wireline, 그리고 Cable tubing 등의 정치기구에 모두 사용할 수 있으면서, 전기/전자적 구동이 아닌 단순한 기계동작으로 처분용기 분리와 연결이 자유롭게 설계되었다.
시험용 정치용 머드 재료로 Na형 벤토나이트(MX-80)와 Ca형 경주 벤토나이트(GJ-II) 두 가지로 정하였다. 시추공 처분이 실시된 사례가 없어, 팽윤지수 측정에서 얻어지는 벤토나이트 팽윤물의 함수비로부터 정치용 머드의 함수비를 결정하였다. 상온 25℃에서 순수 약 35 ml를 넣은 시험관에 Ca 경주 벤토나이트 6.
시험공 정치를 위한 소형 처분용기를 STS304 스테인리스 상용압력관 (STS304 125A Sch.20)을 사용하여 2단 행렬로 제작하였다. 단일 시험용기의 크기는 외경 140 mm, 높이 538 mm이며, 무게는 약 10.
시험용 정치용 머드 재료로 Na형 벤토나이트(MX-80)와 Ca형 경주 벤토나이트(GJ-II) 두 가지로 정하였다. 시추공 처분이 실시된 사례가 없어, 팽윤지수 측정에서 얻어지는 벤토나이트 팽윤물의 함수비로부터 정치용 머드의 함수비를 결정하였다.
신규 접속장치의 설계에서 고려한 사항은1)해제와 접속 용이성, 2)기계적 작동, 그리고 3)다양한 정치기구와의 연결성이었다. 이 세가지를 충족시킬 수 있도록 새로운 작동방식의 접속장치를 고안하였다. 새로운 접속 장치는 시추공 바닥에 도착하면 Shear pin이 깨지는 J-slot joint 개방방식과 달리, 처분용기를 잡고 있는 쐐기걸이가 벌어지도록 하여 연결이 해제되는 방식을 적용하였다.
본 연구에서는 새로운 접속장치의 성능시험을 위하여,실제 심부시추공 처분환경과 유사하게 소규모 목업 환경을 조성하였다. 이를 위하여 접속장치 외에도 시추공을 모사한 원통 수조와 소형 시추공 처분용기를 함께 제작하였다. 그리고 시추공에 들어가는 정치용 머드로는 Na형 와이오밍(MX80) 벤토나이트와 Ca형 경주(GJ) 벤토나이트 2가지로 제조하여 접속장치의 성능시험에 적용하였다.
석유 및 지열 개발에서 가장 널리 사용되는 Drill pipe와 J-slot joint 조합은 심부 시추공 처분에서도 유력하게 거론되는 정치방안이다[4-6]. 일찍이 SKB에서 심지층 처분의 대안개념으로 장심도 시추공처분의 공학적 가능성을 조사하였으며, 이때 처분용기를 내리고, 회수하는 방안으로 J-slot joint 방식을 고려하였다[5]. SKB가 고려한 Drill pipe와 J-slot joint는 고하중의 처분행렬을 안정적으로 내릴 수 있는 장점과, 정치 속도가 느린 단점이 함께 거론되었다.
접속 장치의 성능평가는 순수로 채워진 시험공과 실제 처분환경과 유사하게 벤토나이트 머드로 채워진 시험공 2가지 환경에서 실시되었다.
신규 접속장치는 i-bolt를 이용하여 크레인 호이스트(극동 호이스트, 모델 KD-2, 최대용량 2 ton)에 연결하였다. 접속장치의 정치 성능시험은 다음의 5개 과정으로 호이스트의 상하운동만으로 진행하였다.
새로운 접속장치는 처분용기 상단에 부착된 쐐기와 이를 결속하는 정치기구 말단의 쐐기집 구조로 구성하였다. 제안된 접속장치는 Drill pipe, Wireline, 그리고 Cable tubing 등의 정치기구에 모두 사용할 수 있으면서, 전기/전자적 구동이 아닌 단순한 기계동작으로 처분용기 분리와 연결이 자유롭게 설계되었다. 제안된 접속장치의 성능평가를 위해, 실제 심부시추공의 약 1/3 규모로 시험용 처분용기 2단 행렬(Φ 140 mm, H 1,105 mm), 접속 장치(Φ 110 mm, H 148mm), 그리고 시험용 원통 수조 (Φ 150 mm, H 1,500 mm)를제작하였다.
제안된 접속장치의 성능평가를 위해, 실제 심부시추공의 약 1/3 규모로 시험용 처분용기 2단 행렬(Φ 140 mm, H 1,105 mm), 접속 장치(Φ 110 mm, H 148mm), 그리고 시험용 원통 수조 (Φ 150 mm, H 1,500 mm)를제작하였다.
2(d)). 처분구역에 정치된 처분용기 행렬을 회수하는 경우에도 동일한 공정을 거쳐 회수가 가능하도록 개념을 설정하였다. 한편, 접속장치의 상승 시, 쐐기걸이 집이 열려 있는 시간은 누름봉이 쐐기걸이를 누르고 있는 시간에 비례하게 된다.
대상 데이터
20)을 사용하여 2단 행렬로 제작하였다. 단일 시험용기의 크기는 외경 140 mm, 높이 538 mm이며, 무게는 약 10.6 kg이었다. 2단 행렬의 전체 길이는 약 1,105 mm 이며, thread 방식으로 직렬 연결되었다.
접속장치의 시험을 위한 모의 시험공은 직경 170 mm(내경 150 mm)의 투명 아크릴 파이프로 제작하였다. 모의 시험공은 처분용기 2단 행렬 및 접속장치 전체가 충분히 잠길 수 있도록 높이 약 1.5 m의 원통형 수조로 제작되었다.
본 연구에서 개발된 접속장치의 성능을 평가하기 위하여, 실제 예상되는 심부시추공 규모의 약 1/3 크기로 신규 접속장치를 제작하였다. 신규 접속장치는 설계에 따라서 STS316 스테인리스강을 사용하여 실제 시추공에 적용되는 장치의 1/3 규모로 제작되었다.
본 연구에서 개발된 접속장치의 성능을 평가하기 위하여, 실제 예상되는 심부시추공 규모의 약 1/3 크기로 신규 접속장치를 제작하였다. 신규 접속장치는 설계에 따라서 STS316 스테인리스강을 사용하여 실제 시추공에 적용되는 장치의 1/3 규모로 제작되었다. 제작된 크기는 직경 110mm, 길이 약 148 mm 이었다(Fig.
접속장치의 시험을 위한 모의 시험공은 직경 170 mm(내경 150 mm)의 투명 아크릴 파이프로 제작하였다. 모의 시험공은 처분용기 2단 행렬 및 접속장치 전체가 충분히 잠길 수 있도록 높이 약 1.
신규 접속장치는 설계에 따라서 STS316 스테인리스강을 사용하여 실제 시추공에 적용되는 장치의 1/3 규모로 제작되었다. 제작된 크기는 직경 110mm, 길이 약 148 mm 이었다(Fig. 3). 제작된 접속장치의 순수 무게는 약 8.
성능/효과
배합된 머드 2종에 대해 측정한 비중과 고형분 함량을 Table 1에 나타내었다. Na형 벤토나이트는 증류수보다 5% 높은 비중을 보였으며, Ca형 벤토나이트는 약 20% 더 높은 비중을 나타내었으며, Ca형이 Na형 머드보다 4배가 높은 고형분 함량을 갖고 있었다.
0 L를 채워 넣고, 동일한 방법으로 접속장치의 작동을 시험하였다. 그 결과, 접속장치는 Ca형 벤토나이트 머드에서도 무리 없이 작동하였다(Fig. 7(d)-7(e)).
가라앉은 벤토나이트 고형분만 채취하여, 110℃에서 24시간 건조하였다. 이렇게 얻어진 Na형 벤토나이트의 고형물 함량은 약 7.0wt%이였으며, Ca형 경주 벤토나이트는 약 29.4wt%로 측정되었다.
이상과 같이 2가지 머드 특성을 분석한 결과, Na형 머드보다는 Ca형 머드가 정치용 머드에 적합하다고 보았다. 왜냐하면 첫째, 비중이 15% 가량 더 높아서, 낙하하는 처분용기에 대하여 보다 높은 부력이 작용하여 충격을 줄이는 데 유리하며, 둘째, 정치 종료 후에는 빠르게 겔화가 진행되어 처분 용기를 고정시키는 능력이 좋다고 판단되었기 때문이다.
이상으로 본 연구에서 개발한 신규 접속장치를 심부시추공 처분 시, 처분용기 행렬을 정치하고 회수하는데 충분히 활용할 수 있다고 결론 내렸다. 또한 본 연구에서 제시된 정치용 머드의 특성치는 향후 정치용 머드 개발에 필요한 기초자료로 사용 될 수 있을 것으로 기대한다.
이상으로 순수와 머드에서의 접속장치 작동 실증시험을 통해 신규 접속장치는 처분용기를 심부시추공의 처분구역으로 내려서 분리하고, 다시 필요에 따라 회수를 위하여 접속하는데 전혀 문제가 없음을 축소규모 실증시험으로 확인하였다.
제작된 접속장치는 순수, 그리고 점성의 Na형 및 Ca형 벤토나이트 머드 환경에서 이완 속도 10 m·min-1 조건에서 무리 없이 처분 용기를 체결하고 분리하는 것을 실증 실험으로 확인하였다.
후속연구
이상으로 본 연구에서 개발한 신규 접속장치를 심부시추공 처분 시, 처분용기 행렬을 정치하고 회수하는데 충분히 활용할 수 있다고 결론 내렸다. 또한 본 연구에서 제시된 정치용 머드의 특성치는 향후 정치용 머드 개발에 필요한 기초자료로 사용 될 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심지층에 사용후핵연료를 처분하면 어떤 장점이 있는가?
이러한 사용후핵연료의 지상보관 위험성은 후쿠시마 사고나 체르노빌 사고의 예에서 잘 드러난다. 하지만 심지층에 사용후핵연료를 처분하면 예기치 않은 사고로 방사성 물질이 지하로 누출되더라도,지하 암반을 통과하여 지상에 도달하기 위해서는 오랜 기간이 걸리기 때문에, 인간 생활권에 미치는 위험을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 현재 사용후핵연료나 고준위폐기물을 심지층에 처분하려는 연구가 많은 나라에서 진행되고 있다.
국내 가압경수로와 가압중수로의 사용후핵연료는 어떻게 저장 보관되고 있는가?
현재 대부분의 국내 가압경수로(PWR) 사용후핵연료는 발전소 내 습식 저장조에 보관되고 있으며, 발열량이 낮은 가압중수로(CANDU) 사용후핵연료는 습식 저장 후에 건식저장을 하고 있다. 저장 중인 사용후핵연료는 관리 감독 하에서 보관되고 있으며, 누출사고의 위험을 최소화 하고 있다.
심부 시추공에 사용후핵연료를 처분하는 방법이 주목받는 이유는 무엇인가?
특히 최근에는 지하 500 m보다 더 깊은 3~5 km에 이르는 심부시추공에 사용후핵연료를 처분하려는 연구가 국내외적으로 진행되고 있으며, 국내에서는 한국원자력연구원을 중심으로 초보적인 기술검토가 진행 중에 있다[1-4]. 심부 시추공 처분에 주목하는 이유는, 처분 심도가 깊을수록 누출된 방사성 핵종이 지상으로 나오는 시간이 더욱 오래 걸리며, 인간에 미치는 영향이 감소될 가능성이 높기 때문이다.
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