고준위폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소이다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 특성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 특히, 고온의 열량은 완충재의 열적 팽창을 야기하여 근계 암반에 열응력을 야기할 수 있기에 완충재의 열팽창 특성 규명은 반드시 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재(KJ-II)에 대한 열팽창 거동 특성을 실내 실험을 통해 분석하고 선형 열팽창계수에 대한 추정 모델을 제시하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 딜라토미터 장비를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 범위에 따라 측정되었으며 선형 열팽창계수 값은 대략 $4.0{\sim}6.0{\times}10^{-6}/^{\circ}C$ 로 측정되었다. 또한 실험 데이터를 토대로 비선형 회귀분석 방법을 이용하여 건조밀도에 따른 경주 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.
고준위폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소이다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 특성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 특히, 고온의 열량은 완충재의 열적 팽창을 야기하여 근계 암반에 열응력을 야기할 수 있기에 완충재의 열팽창 특성 규명은 반드시 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재(KJ-II)에 대한 열팽창 거동 특성을 실내 실험을 통해 분석하고 선형 열팽창계수에 대한 추정 모델을 제시하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 딜라토미터 장비를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 범위에 따라 측정되었으며 선형 열팽창계수 값은 대략 $4.0{\sim}6.0{\times}10^{-6}/^{\circ}C$ 로 측정되었다. 또한 실험 데이터를 토대로 비선형 회귀분석 방법을 이용하여 건조밀도에 따른 경주 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.
A geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is indispensable to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. Since the heat generated from spent nuclear fuel in a disposal canist...
A geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is indispensable to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. Since the heat generated from spent nuclear fuel in a disposal canister is released to the surrounding buffer materials, the thermal properties of the buffer material are very important in determining the entire disposal safety. Especially, since thermal expansion can cause thermal stress to the intact rock mass in the near-field, it is very important to evaluate thermal expansion characteristics of bentonite buffer materials. Therefore, this paper presents a thermal expansion coefficient prediction model of the Gyeongju bentonite buffer materials which is a Ca-bentonite produced in South Korea. The linear thermal expansion coefficient was measured considering heating rate, dry density and temperature variation using dilatometer equipment. Thermal expansion coefficient values of the Gyeongju bentonite buffer materials were $4.0{\sim}6.0{\times}10^{-6}/^{\circ}C$. Based on the experimental results, a non-linear regression model to predict the thermal expansion coefficient was suggested and fitted according to the dry density.
A geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is indispensable to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. Since the heat generated from spent nuclear fuel in a disposal canister is released to the surrounding buffer materials, the thermal properties of the buffer material are very important in determining the entire disposal safety. Especially, since thermal expansion can cause thermal stress to the intact rock mass in the near-field, it is very important to evaluate thermal expansion characteristics of bentonite buffer materials. Therefore, this paper presents a thermal expansion coefficient prediction model of the Gyeongju bentonite buffer materials which is a Ca-bentonite produced in South Korea. The linear thermal expansion coefficient was measured considering heating rate, dry density and temperature variation using dilatometer equipment. Thermal expansion coefficient values of the Gyeongju bentonite buffer materials were $4.0{\sim}6.0{\times}10^{-6}/^{\circ}C$. Based on the experimental results, a non-linear regression model to predict the thermal expansion coefficient was suggested and fitted according to the dry density.
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문제 정의
5와 같이 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 건조밀도에 따라 비선형 관계를 보였다. 따라서 본 연구에서는 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 종속변수로 정하고 건조밀도를 독립변수로 정하여 비선형 회귀분석을 통하여 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정할 수 있는 모델을 제안하고자 하였다.
독립변수와 종속변수가 모두 연속형의 데이터이기에 회귀분석을 채택하여 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정하고자 하였다. 총 12가지 데이터를 토대로 Fig.
완충재의 열적 물성인 열전도도와 비열에 관련된 연구는 많이 수행되어 왔으나, 역학적 물성 중 하나인 열팽창계수에 관한 연구는 거의 수행된 적이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내외적으로 연구된 적이 거의 없는 벤토나이트 완충재에 대한 열팽창 특성을 온도범위, 승온속도 및 건조밀도에 따라 규명하였다. 공학적방벽 시스템의 완충재에는 지하수 유입에 의한 팽창압 뿐만 아니라 처분용기에서 발생되는 고온의 열량으로 인한 열팽창응력이 작용된다.
따라서 본 연구에서는 국내외적으로 거의 연구된 적이 없는 벤토나이트 완충재에 대한 열팽창 특성을 규명하고자 하였다. 우선, 국내의 경주 Ca형 압축 벤토나이트를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 구간에 따라 선형 열팽창계수를 측정한 후 영향 인자별 열팽창 거동을 분석하였으며, 측정된 값을 근거로 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수 추정 모델을 제시하고자 하였다.
본 논문에서는 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료를 처분하기 위한 심층처분시스템의 공학적방벽인 압축 벤토나이트 완충재의 열팽창특성을 실험적 방법을 통해 평가하였으며, 측정된 데이터를 이용하여 선형 열팽창계수를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.
제안 방법
처분용기와 완충재가 접한 곳의 초기 온도 상승도 최대 0.1~0.3℃·min-1 인 것으로 파악되며 이를 고려하여 온도 상승에 따른 벤토나이트 완충재의 열팽창 거동을 조사하였다.
승온속도 0.5~1℃·min-1 구간에서 건조밀도에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 측정하였다.
본 Dilatometer 장비의 최소 승온 속도는 0.5℃·min-1 이기에 승온 속도가 0.5℃·min-1 일 때 두 가지 건조 밀도에서의 압축 벤토나이트 완충재의 열에 의한 길이 변형값을 측정하였다.
3℃·min-1 인 것으로 파악되며 이를 고려하여 온도 상승에 따른 벤토나이트 완충재의 열팽창 거동을 조사하였다. 실험의 용이성을 위해 압축 벤토나이트를 110℃ 에서 48시간 동안 건조한 후 건조 상태에서의 선형 열팽창계수를 측정하였다.
또한 승온속도에 따라 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 측정하였다. 실제 심층처분환경을 고려한다면 완충재에 전달되는 온도 상승은 0.
이는 Na 계열의 벤토나이트 보다 Ca 계열의 경주 벤토나이트의 경우 팽윤지수 값과 팽창성이 우수한 Na 성분이 상대적으로 낮았기 때문인 것으로 판단된 다. 아울러 건조밀도에 따른 선형 열팽창계수 실험값을 토대로 비선형 회귀분석을 실시하여 선형 열팽창계수 추정식을 개발하였다.
따라서 본 연구에서는 국내외적으로 거의 연구된 적이 없는 벤토나이트 완충재에 대한 열팽창 특성을 규명하고자 하였다. 우선, 국내의 경주 Ca형 압축 벤토나이트를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 구간에 따라 선형 열팽창계수를 측정한 후 영향 인자별 열팽창 거동을 분석하였으며, 측정된 값을 근거로 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수 추정 모델을 제시하고자 하였다.
대상 데이터
우선 국내 경주산 벤토나이트인 KJ-II를 가지고 110℃ 의 건조로에서 건조 후 상온에서 110℃ 까지 선형 열팽창계수를 측정하였다. 승온속도가 증가할수록 선형 열팽창계수 값은 감소하였으나 1℃·min-1 미만에서는 큰 차이를 보이지는 않았다.
본 실험에 사용된 Ca형 국내 벤토나이트는 신생대 제3기층군 지역인 한반도 동남쪽의 경주, 울산, 포항 일대에 분포하고 있다[15]. 한국원자력연구원에서는 경주 벤토나이트 시료를 2015년을 기준으로 이전까지는 KJ-I, 이후 시점에는 KJ-II로 명명하여 연구를 수행중에 있으며[5], 본 연구에서는 ㈜클라리언트코리아에서 생산한 Ca형 경주 벤토나이트인 KJ-II를 이용하여 실험을 수행하였다.
본 실험에 사용된 Ca형 국내 벤토나이트는 신생대 제3기층군 지역인 한반도 동남쪽의 경주, 울산, 포항 일대에 분포하고 있다[15]. 한국원자력연구원에서는 경주 벤토나이트 시료를 2015년을 기준으로 이전까지는 KJ-I, 이후 시점에는 KJ-II로 명명하여 연구를 수행중에 있으며[5], 본 연구에서는 ㈜클라리언트코리아에서 생산한 Ca형 경주 벤토나이트인 KJ-II를 이용하여 실험을 수행하였다. KJ-II 벤토나이트 분말의 통일분류 결과 고소성 점토인 CH로 분류되었으며 비중은 2.
또한 KJ-II 벤토나이트는 Table 1과 같이 대부분 SiO2와 Al2O3가 차지하였고, CaO는 NaO보다 약 5~6배 높은 구성비율을 나타냈다. 열팽창계수 실험을 위하여 KJ-II 벤토나이트 분말을 압축하여 블록으로 성형하였으며 시료는 직경 약 10 mm, 높이 약 20 mm의 원기둥 형태로 제작되었다.
데이터처리
따라서 비선형 회귀분석에 있어서 이에 대한 유의성 검증은 의미가 없으며 잔차의 등분산성 및 정규성 검증 같은 잔차 분석도 필요하지 않다[22]. 따라서 계수에 대한 유의성과 ANVOA 분석을 실시하여 회귀식에 대한 유의성을 검증하였다[23]. Table 4는 비선형 회귀분석 결과에 대한 모형 요약표를 나타낸다.
성능/효과
전체적으로 본 실험에 사용된 KJ-II 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 4.0~6.0×10-6/℃ 값을 나타냈으며 이는 Na 계열의 MX-80의 압축 벤토나이트의 열팽창계수보다 약 35~80배 정도 작은 값을 나타냈다.
Fig. 4에서 알 수 있듯이 승온속도가 증가할수록 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 감소하는 경향을 보였으나 승온속도가 1℃·min-1 미만에서는 거의 일정한 값을 나타내었다.
전반적으로 본 실험에 사용된 KJ-II 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 4.0~6.0×10-6/℃ 값을 나타냈으며 이는 Na 계열의 MX-80의 압축 벤토나이트의 열팽창계수보다 약 35~80배 가량 작은 값을 나타냈다.
5~1℃·min-1 로 설정하여도 무방할 것으로 판단된다. 또한 다양한 건조밀도에 따라 압축 벤토나이트의 선형 열팽창계수를 측정하였으며 건조밀도가 증가할수록 선형 열팽창계수는 감소하였다. 전반적으로 본 실험에 사용된 KJ-II 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 4.
승온속도가 증가할수록 선형 열팽창계수 값은 감소하였으나 1℃·min-1 미만에서는 큰 차이를 보이지는 않았다.
후속연구
공학적방벽 시스템의 완충재에는 지하수 유입에 의한 팽창압 뿐만 아니라 처분용기에서 발생되는 고온의 열량으로 인한 열팽창응력이 작용된다. 이에 따라 본 연구에서 제시한 완충재의 열팽창 특성 및 회귀 모델은 전체 처분시스템의 열-수리-역학 복합해석 및 전체 안전성 평가에 있어서 중요한 입력자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 건조 상태에서의 압축 벤토나이트 완충재의 열팽창 특성을 고려하였지만, 실제 처분시스템에서는 초기 함수비가 존재하는 벤토나이트 완충재가 사용될 것이다. 따라서 처분용기에서 발생되는 고온의 열량과 주변 암반에서의 지하수 유입으로 인해 벤토나이트 완충재는 팽창 및 수축 등의 복합 현상을 보일 것으로 예상되기에 추후에는 이를 고려할 수 있는 벤토나이트 완충재의 열팽창 규명에 관한 연구도 반드시 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 건조 상태에서의 압축 벤토나이트 완충재의 열팽창 특성을 고려하였지만, 실제 처분시스템에서는 초기 함수비가 존재하는 벤토나이트 완충재가 사용될 것이다. 따라서 처분용기에서 발생되는 고온의 열량과 주변 암반에서의 지하수 유입으로 인해 벤토나이트 완충재는 팽창 및 수축 등의 복합 현상을 보일 것으로 예상되기에 추후에는 이를 고려할 수 있는 벤토나이트 완충재의 열팽창 규명에 관한 연구도 반드시 필요할 것으로 판단된다. 또한 벤토나이트 완충재의 열팽창으로 인한 주변 암반 및 처분용기에 가해지는 열응력에 관한 정량적인 한계값 및 기준 등에 관한 연구도 필요 할 것으로 생각된다.
따라서 처분용기에서 발생되는 고온의 열량과 주변 암반에서의 지하수 유입으로 인해 벤토나이트 완충재는 팽창 및 수축 등의 복합 현상을 보일 것으로 예상되기에 추후에는 이를 고려할 수 있는 벤토나이트 완충재의 열팽창 규명에 관한 연구도 반드시 필요할 것으로 판단된다. 또한 벤토나이트 완충재의 열팽창으로 인한 주변 암반 및 처분용기에 가해지는 열응력에 관한 정량적인 한계값 및 기준 등에 관한 연구도 필요 할 것으로 생각된다.
따라서 식 (2)를 통해 국내 경주 압축 벤토나이트 완충재의 경우 건조밀도 값만 안다면 선형 열팽창계수를 합리적이고 쉽게 추정할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 본 연구에서는 12개의 작은 실험 데이터를 토대로 회귀모델을 제시하였기에 추후 실험을 추가하여 회귀모델의 수정 및 보완이 필요할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고준위폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 구성 요소는 무엇인가?
고준위폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소이다.
완충재의 열적 특성이 처분시스템 안전성 평가에서 중요한 이유는 무엇인가?
이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소이다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 특성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 특히, 고온의 열량은 완충재의 열적 팽창을 야기하여 근계 암반에 열응력을 야기할 수 있기에 완충재의 열팽창 특성 규명은 반드시 필요하다고 할 수 있다.
벤토나이트 완충재에 대한 열팽창 특성은 어떠한 방식으로 연구되었는가?
따라서 본 연구에서는 국내외적으로 거의 연구된 적이 없는 벤토나이트 완충재에 대한 열팽창 특성을 규명하고자 하였다. 우선, 국내의 경주 Ca형 압축 벤토나이트를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 구간에 따라 선형 열팽창계수를 측정한 후 영향 인자별 열팽창 거동을 분석하였으며, 측정된 값을 근거로 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수 추정 모델을 제시하고자 하였다.
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