[논문]온도 변화를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 평가

윤석; 고규현; 이재완; 김건영

doi:10.7843/kgs.2019.35.11.7

온도 변화를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 평가
Evaluation of Water Suction for the Compacted Bentonite Buffer Considering Temperature Variation 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.11, 2019년, pp.7 - 14

윤석 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 고규현 (금오공과대학교 토목공학과) , 이재완 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 김건영 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부)

초록
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압축 벤토나이트는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적방벽 시스템에서 중요한 구성요소 중 하나인 완충재의 후보물질로 가장 적합한 것으로 고려되고 있다. 완충재는 처분공 내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 근계 암반 사이에 채워지는 방벽재로서 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분 초기에는 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량으로 인해 완충재의 포화도는 감소하지만, 그 후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가한다. 이렇듯 완충재는 처분 운영 조건에 따라 불포화에서 포화 상태로 도달하게 되기에 완충재의 불포화-포화 거동 특성은 공학적방벽의 전체 안전성을 좌우할 수 있는 중요한 입력자료이다. 따라서 본 연구에서는 국내 압축 벤토나이트 완충재에 대한 수분보유특성을 규명하고자 하였다. 처분 초기 온도 증가에 따라 완충재의 포화도가 감소하는 상황을 고려하여 상온에서부터 125도까지 압축 벤토나이트의 온도 증가에 따른 체적 함수비와 수분흡입력을 측정하였다. 또한 이를 상온에서 동일한 함수비에서의 수분보유능과 비교하였으며 상온에서의 수분흡입력은 1~15% 정도 크게 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The compacted bentonite buffer is one of the major components of an engineered barrier system (EBS) for the disposal of high-level radioactive waste (HLW), and it is considered the best candidate for the buffer material. The buffer is located between disposal canisters and near-field rock mass, and it interrupts the release of radionuclide from disposal canisters and protect them from the penetration of groundwater. At initial disposal condition, degree of saturation of the compacted bentonite buffer decreases because of high thermal quantities released from the disposal canisters. However, the degree of saturation of the compacted bentonite buffer gradually increases caused by inflow of groundwater. The saturated and unsaturated behavior of the buffer is a very important input data since it can determine the safety performance of EBS. Therefore, this paper investigated water retention capacity (WRC) for the Korean compacted bentonite buffer. The WRC of the compacted bentonite buffer was derived by measuring volumetric water content and water suction when temperature variation was between 24℃~125℃ considering decrease of degree of saturation with respect to temperature increase. The WRC was also derived with the same volumetric water content under the room temperature condition, and it showed 1~15% larger water suction than high temperature condition.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Concept of engineered barrier system (Yoon at al., 2019)
표 Table 1. Functional criteria for the buffer (Lee at al., 2014)
그림 Fig. 2. Principle of floating die press (Kim et al., 2018)
표 Table 2. Quantitative XRD analysis for the Korean bentonite powder (Yoon et al., 2018)
그림 Fig. 3. Unsaturation/saturation process in compacted bentonite
그림 Fig. 4. Experimental apparatus for the VE method
그림 Fig. 5. Relative humidity variation under the constant temperature
그림 Fig. 6. Relative humidity and volume change with respect to temperature increase
그림 Fig. 7. Water capacity between Case 1 and Case 2
표 Table 4. Experimental results for Case 1 and Case 2
표 Table 3. Experimental case for measuring water retention capacity

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내 처분장에서 완충재의 유력한 후보 물질인 경주 벤토나이트 완충재에 대한 온도 변화에 따른 수분보유특성을 규명하고자 하였다. 처분 초기 운영 조건을 고려하여 초기 불포화 상태에서 온도 증가에 따른 체적함수비와 수분흡입력을 측정한 후 상온에서 동일한 함수비에서의 수분흡입력과 비교 분석 하였다.
공학적방벽의 구성요소 중 하나인 완충재는 주변 암반으로부터 유입 되는 지하수가 처분용기에 접촉되는 것을 막고, 처분용 기로부터 발생되는 고온의 열량을 빠르게 소산시키는 역할을 하기에 완충재의 포화 및 불포화 거동은 전체 공학적방벽의 안전성을 평가하는데 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 본 논문에서는 처분 운영 초기 처분용기 로부터 발생되는 고온의 열량이 완충재의 포화도와 수분흡입력에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였으며다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 ㈜클라리언트코리아에서 생산한 경주 Ca형 벤토나이트를 사용하여 수분보유능 시험을 실시 하였다. 국내 Ca형 벤토나이트는 신생대 제3기층군 지역인 한반도 동남쪽의 경주, 울산, 포항 일대에 분포하고 있다.

제안 방법

(2) 두 번째로 각 온도 구간에서의 시료를 상온으로 식힌 후 동일한 함수비에서 상대습도를 계측하여 수분흡입력을 도출하였다. 상온에서의 수분흡입력은 온도를 고려했을 때보다 1∼15% 크게 도출되었다.
따라서 본 연구에서도 VE 방법을 이용하여 벤토나이 트의 체적함수비에 따른 수분흡입력을 측정하였다. VE 방법은 시료 공극 내 공극수와 수증기의 수분포텐셜은평형에 있다고 가정하며 Kelvin의 식 (3)으로부터 압축 벤토나이트의 상대습도(RH)를 측정하여 수분흡입력(s)을 계산한다.
본 실험에서는 압축 벤토나이트의 온도에서의 체적 함수비에 따른 상대습도를 측정하여 수분흡입력을 도출하였다. 시험에 사용된 압축 벤토나이트의 초기 중량 함수비는 12%, 초기 체적 함수비는 21%, 초기 상대습도는 45%, 초기 온도는 24도였으며 식 (3)을 이용한 초기 수분흡입력은 107MPa로 계산되었다.
본 절에서는 각 온도 구간에서의 시료를 상온으로 식힌 후 동일한 함수비에서의 상대습도를 측정하였다. 3.
압축 벤토나이트의 수분흡입력은 VE 방법을 통하여 상대습도를 계측한 후 Kelvin 식으로부터 도출하였다. 우선 온도 증가에 따른 압축 벤토나이트의 수분흡입력 거동을 분석하기 위하여 상온, 45도, 75도, 99도, 125도에서 상대습도를 계측하였다. 각 온도 단계별 대략 30시간에서 75시간쯤에 상대습도가 일정하게 수렵하였다.
시험에 사용된 압축 벤토나이트의 초기 중량 함수비는 12%, 초기 체적 함수비는 21%, 초기 상대습도는 45%, 초기 온도는 24도였으며 식 (3)을 이용한 초기 수분흡입력은 107MPa로 계산되었다. 우선 초기 상태에서 온도를 증가시키며 45도, 75도, 99도, 125도에 따라 상대습도를 측정하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 국내 처분장에서 완충재의 유력한 후보 물질인 경주 벤토나이트 완충재에 대한 온도 변화에 따른 수분보유특성을 규명하고자 하였다. 처분 초기 운영 조건을 고려하여 초기 불포화 상태에서 온도 증가에 따른 체적함수비와 수분흡입력을 측정한 후 상온에서 동일한 함수비에서의 수분흡입력과 비교 분석 하였다.

대상 데이터

, 2018). 본 시험에서 시료는 초기 상태의 벤토나이트 분말을 플로팅 다이(floating die) 방식의 하중을 재하하여 압축 블록 형태로 제작하였다. 플로팅 다이 방식의 하중 재하는 상･하부의 몰드가 동시에 시료에 압력을 가하는 방식으로써, 시료 상부에서 가압을 하되 중간의 플로팅 방식의 성형 몰드가 하부 몰드를 눌러 상·하부가 동시에 시료에 압을 가하여 균질한 밀도의 시료를 성형할 수 있다(Kim et al.
시료 성형에 사용된 금형 사이즈는 415mm × 405mm × 75mm 였으며 2000톤 용량의 프레스를 이용하여 500kg/cm2 압력을 적용하여 벤토나이트 분말을 압축하였다(Fig. 2)
4). 압축 벤토나이트시료는 직경 50mm, 높이 70mm의 원기둥 형태로 성형되었으며 상대습도 센서의 크기는 직경 12mm 높이 30mm였다. 온도 조절은 대류식 오븐을 이용하였으며 상온으로 벤토나이트를 식히는 과정에서 기밀성을 확보하기 위해 스테인레스 스틸 재질의 셀을 이용하였다.
완충재의 성능을 충족시키기 위한 건조밀도는 1.6g/cm³ 이상이기에(Cho, 2019; Yoo et al., 2016) 본 시험에 사용된 압축 벤토나이트의 건조밀도는 여유 있게 1.74g/cm³ 값으로 제작되었다.

이론/모형

74g/cm³ 의 압축 벤토나이트 시료를 성형하였다. 압축 벤토나이트의 수분흡입력은 VE 방법을 통하여 상대습도를 계측한 후 Kelvin 식으로부터 도출하였다. 우선 온도 증가에 따른 압축 벤토나이트의 수분흡입력 거동을 분석하기 위하여 상온, 45도, 75도, 99도, 125도에서 상대습도를 계측하였다.

성능/효과

(1) 국내 경주산 벤토나이트 분말을 플로팅 다이 방식의 하중 재하를 통하여 직경 50mm, 높이 70mm의건조밀도 1.74g/cm³ 의 압축 벤토나이트 시료를 성형하였다. 압축 벤토나이트의 수분흡입력은 VE 방법을 통하여 상대습도를 계측한 후 Kelvin 식으로부터 도출하였다.
(3) 처분 운영 초기 온도 증가에 따른 포화도 감소를 고려한 압축 벤토나이트의 수분흡입력 거동은 상온에 서의 수분흡입력과는 큰 차이를 나타내지는 않았기에 처분 초기 완충재의 건조 과정에 따른 함수특성 곡선은 상온에서의 실험 결과를 적용해도 무방할 것으로 사료된다. 하지만 그 이후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가할 것이며 처분용기로부터는 계속해서 붕괴열이 발생되기에 온도에 따른 완충재의 포화도가 일정한 조건에서의 수분흡입력 규명 및 함수특성곡선에 관한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
5와 같이 상온 24도를 제외하면 승온 후 대략 30시간에서 75시간 사이 상대습도가 일정하게 수렴하는 것으로 나타났으며 이때의 상대습도 값을 식 (2)에 대입하여 수분흡입력으로 환산하였다. 온도가 증가할수록 벤토나이트의 수분이 증발되기에 함수비는 감소하였으며, 이에 따라 수분흡입력은 증가하였다. 특히 99도에서는 체적함수 비가 0.
각 온도 단계별 대략 30시간에서 75시간쯤에 상대습도가 일정하게 수렵하였다. 온도가 증가할수록 압축 벤토나이트의 최적함수비와 상대밀도는 감소 하였으며 이에 따라 수분흡입력은 증가하였다. 초기 상태에서 125도까지의 압축 벤토나이트의 상대습도는 45%에서 0.

후속연구

하지만 그 이후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가할 것이며 처분용기로부터는 계속해서 붕괴열이 발생되기에 온도에 따른 완충재의 포화도가 일정한 조건에서의 수분흡입력 규명 및 함수특성곡선에 관한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 아울러 다양한 시료의 크기, 밀도 등을 추가로 고려해야 할 것이며 동일한 시험 조건에서 해외에서 생산 되는 Na형 벤토나이트와의 비교 분석을 통한 고찰도 필요할 것으로 생각된다.
(3) 처분 운영 초기 온도 증가에 따른 포화도 감소를 고려한 압축 벤토나이트의 수분흡입력 거동은 상온에 서의 수분흡입력과는 큰 차이를 나타내지는 않았기에 처분 초기 완충재의 건조 과정에 따른 함수특성 곡선은 상온에서의 실험 결과를 적용해도 무방할 것으로 사료된다. 하지만 그 이후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가할 것이며 처분용기로부터는 계속해서 붕괴열이 발생되기에 온도에 따른 완충재의 포화도가 일정한 조건에서의 수분흡입력 규명 및 함수특성곡선에 관한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 아울러 다양한 시료의 크기, 밀도 등을 추가로 고려해야 할 것이며 동일한 시험 조건에서 해외에서 생산 되는 Na형 벤토나이트와의 비교 분석을 통한 고찰도 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	완충재란 무엇인가?	압축 벤토나이트는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적방벽 시스템에서 중요한 구성요소 중 하나인 완충재의 후보물질로 가장 적합한 것으로 고려되고 있다. 완충재는 처분공 내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 근계 암반 사이에 채워지는 방벽재로서 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분 초기에는 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량으로 인해 완충재의 포화도는 감소하지만, 그 후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가한다.
	완충제 설치시 완충재의 포화 및 불포화 과정은 어떻게 이루어지는가?	완충재는 설치 후 초기에는 처분용기로부터 발생하는 붕괴열로 인해 포화도가 감소하지만 시간이 경과하면 주위 암반으로부터 지하수가 침투하여 포화상태에 도달하게 된다(Lee et al., 2017; Lee et al.
	완충재의 역할은?	1). 이 중 완충재는 처분용기와 근계 암반 사이에 채워지는 물질로서 지하수가 처분장 내로 침투하여 처분용기와 접촉하는 것을 막고, 처분용기가 부식 등으로 기능이 상실되어 방사성핵종이 침출될 경우, 방사성핵종들이 주변 암반으로 유출되는 것을 저지 하는 역할을 한다(Cho, 2017; JNC, 2000; Villar et al., 2006).

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저자의 다른 논문 :

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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