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국내 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선 평가
Evaluation of Soil-Water Characteristic Curve for Domestic Bentonite Buffer 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.17 no.1, 2019년, pp.29 - 36  

윤석 (한국원자력연구원) ,  전준서 (한국과학기술원) ,  이창수 (한국원자력연구원) ,  조원진 (한국원자력연구원) ,  이승래 (한국과학기술원) ,  김건영 (한국원자력연구원)

초록
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원자력발전소를 운영하게 되면 사용후핵연료와 같은 고준위방사성폐기물이 필연적으로 발생한다. 이러한 고준위방사성폐기물을 처분하기 위해 심층처분방식이 가장 적합한 대안으로 알려져 있으며 고준위방사성폐기물은 공학적방벽천연방벽에 둘러 쌓여 지하 500~1,000 m 깊이의 심지층에 처분된다. 이 중 압축 벤토나이트 완충재는 공학적방벽의 가장 중요한 구성요소이다. 완충재는 처분용기와 자연 암반 사이에 위치해 있기에 주변 지하수 흐름으로부터 처분용기를 보호하고 처분 용기로부터 핵종이 유출되는 것을 저지하는 역할을 한다. 주변 지하수 흐름으로 인한 완충재의 불포화 함수특성 규명은 전체 공학적방벽의 성능을 평가하는데 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실내 시험을 수행하여 국내 압축 벤토나이트 완충재의 건조밀도, 구속조건 여부, 그리고 건조 및 포화 이력에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선을 도출하여 분석하였다. 구속 조건하에서 건조밀도에 따른 함수특성곡선은 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 비구속 조건이 구속 조건에 비해 보다 큰 수분흡입력을 나타냈으며, 아울러 포화 과정보다 건조 과정에서 보다 큰 수분흡인력이 측정되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

High-level radioactive waste (HLW) such as spent fuel is inevitably produced when nuclear power plants are operated. A geological repository has been considered as one of the most adequate options for the disposal of HLW, and it will be constructed in host rock at a depth of 500~1,000 meters below g...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 미국 및 유럽에서 생산되는 압축 벤토나이트에 대한 함수특성곡선에 관한 연구는 많이 진행되고 있는 반면에 국내 경주에서 생산되는 벤토나이트의 함수특성곡선에 관한 연구는 매우 부족한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 국내 경주 벤토나이트를 사용하여 실제 고준위폐기물 심층처분장에서 발생될 수 있는 환경을 고려하여 건조밀도, 구속조건 여부, 그리고 건조 및 포화 이력에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선을 측정하였다.
  • 본 연구에서는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적 방벽의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 압축벤토나이트 완충재의 함수특성곡선을 평가하였다. 처분용기로부터 발생되는 고온의 열량과 주변 암반으로부터 유입되는 지하수에 의해 벤토나이트 완충재는 건조 및 포화 과정을 겪게 되기에 건조 과정 및 포화 과정에서의 함수특성곡선에 대한 규명은 매우 중요하다고 할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
벤토나이트의 특징은? 이 중 완충재는 몬모릴로나이트로 구성된 벤토나이트 점토 광물이 완충재가 지녀야 할 주요 요구 사항을 충족 시키기에 완충재로써 최적의 후보재료로 고려되고 있다[2]. 벤토나이트는 실리카 4면체 2개층과 8면체 알루미늄수산기 1개 층이 2:1의 판상구조를 이루고 있으며, 이러한 판과 판사이에 존재하는 교환성 양이온의 종류에 따라 Na형 벤토 나이트와 Ca형 벤토나이트로 구분되며, 우리나라의 경우 경주 광산에서 Ca형 벤토나이트가 생산되고 있다.
처분장 폐쇄 후 나타나는 벤토나이트 완충재의 특징은? 심층처분장이 폐쇄되면, 주변 암반으로부터 지하수가 벤토나이트 완충재로 침투할 것이다. 처분장 폐쇄 후, 초기 에는 처분용기로부터 발생하는 붕괴열로 인해 벤토나이트 완충재가 불포화 상태에 있으며 그 후 지하수가 스며들면서 완충재는 포화상태에 도달하게 된다[3]. 이러한 완충재의 불포화 및 포화 과정은 함수특성곡선(soil-water characteristic curve)에 의해 설명될 수 있으며 이는 수분함량에 따른 불포화 완충재의 수분흡수력의 척도이다[3, 4].
완충재의 함수특성곡선이 중요한 이유는? 실제 처분장의 공학적방벽 구성요소의 열-수리-역학 거동은 매우 복잡하게 발생할것이다. 특히 처분용기로부터 발생하는 붕괴열과 주변 암반에서 유입되는 지하수는 벤토나이트 완충재에 직접적으로 영향을 끼치게 되기에 압축 벤토나이트 완충재의 건조및 포과 과정에 따른 불포화 수분 특성은 전체 공학적방벽의 성능과 안전성 평가에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 그러므로 실제 처분장에서 발생될 수 있는 다양한 처분 환경에 대비하기 위해서는 완충재의 건조 및 포화 이력, 구속 조건 여부, 건조밀도 등과 같은 다양한 요인들에 대한 완충 재의 함수특성곡선에 관한 연구가 필요하다.
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참고문헌 (21)

  1. S. Yoon, G.Y. Kim, and M.H. Baik, "A Prediction of Specific Heat Capacity for Compacted Bentonite Buffer", J. Nucl. Fuel Cycle Waste Technol., 15(3), 199-206 (2017). 

  2. J.O. Lee, W.J. Cho, and S. Kwon, "Thermo-hydro-mechanical Properties of Reference Bentonite Buffer for a Korean HLW Repository", Tunnel & Underground Space, 21(4), 264-273 (2011). 

  3. J.O. Lee, G.Y. Kim, and S. Yoon, System Planning for Measuring Coupled THM Properties of Buffer: SWRC Measurement of Unsaturated Compacted Bentonite, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-7009 (2017). 

  4. W.J. Cho, J.S. Kim, S. Yoon, and G.Y. Kim, Estimation of the Water Suction and Swelling Pressure of Compacted Bentonite at Elevated Temperature, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-7334 (2018). 

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  7. P. Delage, D. Marcial, Y.J. Cui, and X. Ruiz, "Ageing Effects in a Compacted Bentonite: a Microstructure Approach", Geotechnique, 56(5), 291-304 (2006). 

  8. M.V. Villar, Thermo-Hydro-Mechanical Characteristics and Processes in the Clay Barrier of a High Level Radioactive Waste Repository. State of the Art Report, Centro de Investigaciones Energeticas, Medioambientales y Tecnologicas Report, CIEMAT-1044 (2004). 

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  14. J.S. Kim, S. Yoon, W.J. Cho, Y.C. Choi, and G.Y. Kim, "A Study on the Manufacturing Characteristics and Field Applicability of Engineering-scale Bentonite Buffer in a High-level Nuclear Waste Repository", J. Nucl. Fuel Cycle Waste Technol., 16(1), 123-136 (2018). 

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  18. J.O. Lee, H.J. Choi, and M.S. Lee, Concept of Gapfilling in the Buffer and Backfill of an HLW Repository: In Vertical Disposal Method, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-6141 (2015). 

  19. W.J.Cho, J.S. Kim, S. Yoon, and G.Y. Kim, Estimation of the Water Suction and Swelling Pressure of Compacted Bentonite at Elevated Temperature, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/TR-7334 (2018). 

  20. J. Atkinson, The mechanics of soils and foundations, 2nd ed., CRC Press, Florida (2007). 

  21. W.J. Likos, N. Lu, and J.W. Godt, "Hysteresis and Uncertainty in Soil Water-Retention Curve Parameters", J. Geotech. Geoenviron. Eng., 140(4), 04013050, 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001071 (2014). 

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