불포화 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 공학적방벽의 수리-역학적 성능평가 및 설계에 있어 매우 중요한 입력인자이다. 본 연구에서는 문헌에 보고된 불포화 다공성매질의 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 분석하고, 고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재에 적합한 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 제안하였다. 문헌 분석결과, 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 일반토질보다 훨씬 높은 값을 가지며, 매트릭수분흡입력과 삼투흡입력을 포함하는 총수분흡입력을 측정하여 사용하였다. 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정에는 상대습도센서를 이용한 측정방법(RH-Cell, RH-Cell/Sensor)이 적합하였으며, 핵종 붕괴열에 의한 온도변화와 측정 소요시간을 고려했을 때에는 RH-Cell/Sensor 방법이 더 선호되었다. 벤토나이트 완충재의 수분보유모델은 실험을 통해 여러 가지 모델이 제안되었지만, 불포화 완충재의 수리-역학적 성능평가 구성모델로는 대부분 van Genuchten모델이 사용되었다. 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태와 이력과정에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 수분보유모델의 선정 및 모델인자 결정에는 신뢰도 향상을 위해 이러한 인자들의 영향이 고려되어야 한다.
불포화 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 공학적방벽의 수리-역학적 성능평가 및 설계에 있어 매우 중요한 입력인자이다. 본 연구에서는 문헌에 보고된 불포화 다공성매질의 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 분석하고, 고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재에 적합한 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 제안하였다. 문헌 분석결과, 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 일반토질보다 훨씬 높은 값을 가지며, 매트릭수분흡입력과 삼투흡입력을 포함하는 총수분흡입력을 측정하여 사용하였다. 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정에는 상대습도센서를 이용한 측정방법(RH-Cell, RH-Cell/Sensor)이 적합하였으며, 핵종 붕괴열에 의한 온도변화와 측정 소요시간을 고려했을 때에는 RH-Cell/Sensor 방법이 더 선호되었다. 벤토나이트 완충재의 수분보유모델은 실험을 통해 여러 가지 모델이 제안되었지만, 불포화 완충재의 수리-역학적 성능평가 구성모델로는 대부분 van Genuchten모델이 사용되었다. 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태와 이력과정에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 수분보유모델의 선정 및 모델인자 결정에는 신뢰도 향상을 위해 이러한 인자들의 영향이 고려되어야 한다.
Suction of unsaturated bentonite buffers is a very important input parameter for hydro-mechanical performance assessment and design of an engineered barrier system. This study analyzed suction measurement techniques and constitutive models of unsaturated porous media reported in the literature, and ...
Suction of unsaturated bentonite buffers is a very important input parameter for hydro-mechanical performance assessment and design of an engineered barrier system. This study analyzed suction measurement techniques and constitutive models of unsaturated porous media reported in the literature, and suggested suction measurement techniques and constitutive models suitable for bentonite buffer in an HLW repository. The literature review showed the suction of bentonite buffer to be much higher than that of soil, as measured by total suction including matric suction and osmotic suction. The measurement methods (RH-Cell, RH-Cell/Sensor) using a relative humidity sensor were suitable for suction measurement of the bentonite buffer; the RH-Cell /Sensor method was more preferred in consideration of the temperature change due to radioactive decay heat and measurement time. Various water retention models of bentonite buffers have been proposed through experiments, but the van Genuchten model is mainly used as a constitutive model of hydro-mechanical performance assessment of unsaturated buffers. The water characteristic curve of bentonite buffers showed different tendencies according to bentonite type, dry density, temperature, salinity, sample state and hysteresis. Selection of water retention models and determination of model input parameters should consider the effects of these controlling factors so as to improve overall reliability.
Suction of unsaturated bentonite buffers is a very important input parameter for hydro-mechanical performance assessment and design of an engineered barrier system. This study analyzed suction measurement techniques and constitutive models of unsaturated porous media reported in the literature, and suggested suction measurement techniques and constitutive models suitable for bentonite buffer in an HLW repository. The literature review showed the suction of bentonite buffer to be much higher than that of soil, as measured by total suction including matric suction and osmotic suction. The measurement methods (RH-Cell, RH-Cell/Sensor) using a relative humidity sensor were suitable for suction measurement of the bentonite buffer; the RH-Cell /Sensor method was more preferred in consideration of the temperature change due to radioactive decay heat and measurement time. Various water retention models of bentonite buffers have been proposed through experiments, but the van Genuchten model is mainly used as a constitutive model of hydro-mechanical performance assessment of unsaturated buffers. The water characteristic curve of bentonite buffers showed different tendencies according to bentonite type, dry density, temperature, salinity, sample state and hysteresis. Selection of water retention models and determination of model input parameters should consider the effects of these controlling factors so as to improve overall reliability.
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문제 정의
본 논문에서는 불포화 다공매질의 수분흡입력 측정기술 및 구성모델을 분석하고, 그 결과를 토대로 고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재에 적합한 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 조사하였다. 문헌 분석결과, 수분흡입력은 일반토질에서는 매트릭수분흡입력 측정으로 가능하나, 벤토나이트 완충재의 경우는 매트릭수분흡입력과 삼투흡입력을 포함하는 총수분흡입력(total suction)을 측정하여 사용하였다.
이와 관련하여, 본 논문에서는 불포화 다공성매질의 수분흡입력 개념을 소개하고, 문헌에 보고된 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 분석하여, 향후 우리나라에서 건설될 고준위폐기물처분장 불포화 벤토나이트 완충재의 수리-역학적 성능평가를 위한 수분흡입력 측정 및 구성모델 선정 기술을 제시하고자 한다.
가설 설정
시료 공극(pore) 내 공극수와 수증기의 경계면(interface)에서는 수증기만 통과하고, 공극수 내 이온은 통과하지 못한다고 가정한다. 또 시료 공극 내 공극수와 수증기의 포텐셜은 평형(vapor equilibrium)에 있다고 가정한다. 이 경우, 수증기 포텐션의 음수값, 즉, 총수분흡입력(s)과 수증기의 상대습도(RH) 사이의 열역학적 관계는 Kelvin의 식을 따른다.
매트릭수분흡입력(matric suction)의 최대값을 103 MPa 로 가정하고, 포화상태, 즉, 체적수분함량=1 일 때 수분흡입력은 0, 완전 건조상태(체적수분함량=0)일 때는 무한대를 나타내는 수분특성곡선을 토대로 제안한 모델이다[14, 15].
RH 측정방법은 AT 측정방법의 한계를 개선한 것으로, 매트릭흡입력 뿐만 아니라 삼투흡입력, 압력흡입력, 중력흡입력을 포함하는 총수분흡입력(total suction)을 측정할 수 있다. 시료 공극(pore) 내 공극수와 수증기의 경계면(interface)에서는 수증기만 통과하고, 공극수 내 이온은 통과하지 못한다고 가정한다. 또 시료 공극 내 공극수와 수증기의 포텐셜은 평형(vapor equilibrium)에 있다고 가정한다.
제안 방법
본 논문에서는 불포화 다공매질의 수분흡입력 측정기술 및 구성모델을 분석하고, 그 결과를 토대로 고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재에 적합한 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 조사하였다. 문헌 분석결과, 수분흡입력은 일반토질에서는 매트릭수분흡입력 측정으로 가능하나, 벤토나이트 완충재의 경우는 매트릭수분흡입력과 삼투흡입력을 포함하는 총수분흡입력(total suction)을 측정하여 사용하였다. 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정은 장치가 복잡하고 측정방법도 아직 표준화 되어 있지 않아, 신뢰성 있는 실험데이터의 확보를 위해서는 전문지식과 많은 경험이 요구되었다.
이론/모형
벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정방법으로는 relative humidity sensor를 이용한 측정방법(RH-Cell, RH-Cell/Sensor)이 적합하였으며, 방사성핵종의 붕괴열에 의한 온도변화 및 측정 소요시간을 고려했을 때는 RH-Cell/Sensor 측정방법이 더 선호되었다. 처분장 벤토나이트 완충재의 수리 및 역학적 성능평가 구성모델로서, 실험을 통해 제안된 수분 보유모델은 다양하게 제안되고 있지만, 실제 수리 및 역학적 성능평가에는 대부분 van Genuchten 모델이 사용되었다. 그러나 불포화 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태(구속, 비구속)와 이력과정(습윤과정, 건조과정)에 따라 서로 다른 경향을 보이기 때문에 완충재의 수리 및 역학적 거동 해석 및 성능평가에 대한 신뢰도 향상을 위해서는 이러한 인자들의 영향을 고려한 구성모델 개발과 모델입력인자의 측정도 병행되어야 할 것으로 판단된다.
성능/효과
문헌 분석결과에 의하면, 일반 토목 환경분야에 사용되는 토질의 수분흡입력은 매트릭수분흡입력 측정만으로 가능하나, 벤토나이트 완충재 물질의 경우는 높은 삼투수분흡입력도 함께 고려해야 하기 때문에 총수분흡입력을 측정하여사용한 것으로 확인하였다.
벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정은 장치가 복잡하고 측정방법도 아직 표준화 되어 있지 않아, 신뢰성 있는 실험데이터의 확보를 위해서는 전문지식과 많은 경험이 요구되었다. 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정방법으로는 relative humidity sensor를 이용한 측정방법(RH-Cell, RH-Cell/Sensor)이 적합하였으며, 방사성핵종의 붕괴열에 의한 온도변화 및 측정 소요시간을 고려했을 때는 RH-Cell/Sensor 측정방법이 더 선호되었다. 처분장 벤토나이트 완충재의 수리 및 역학적 성능평가 구성모델로서, 실험을 통해 제안된 수분 보유모델은 다양하게 제안되고 있지만, 실제 수리 및 역학적 성능평가에는 대부분 van Genuchten 모델이 사용되었다.
선행연구[5, 11, 19-30]에 의하면, 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태와이력과정에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 벤토나이트의 종류에 따라 큰 차이를 보였고, 건조밀도에 대해서는 상대적으로 적은 차이를 보여주었다(Fig. 9). 온도의 영향은 벤토나이트의 종류에 따라 서로 상반된 경향을 보였는데, MX-80, Kunigel 벤토나이트는 높은 온도에서 더 큰 수분흡입력을 보인 반면, FEBEX, FoCa, Kyeonju 벤토나이트는 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
9). 온도의 영향은 벤토나이트의 종류에 따라 서로 상반된 경향을 보였는데, MX-80, Kunigel 벤토나이트는 높은 온도에서 더 큰 수분흡입력을 보인 반면, FEBEX, FoCa, Kyeonju 벤토나이트는 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 수분특성곡선에 대한 염도의 영향은 크지 않았지만, 증류수에 비해 약간 높은 수분흡입력을 보였다.
후속연구
처분장 벤토나이트 완충재의 수리 및 역학적 성능평가 구성모델로서, 실험을 통해 제안된 수분 보유모델은 다양하게 제안되고 있지만, 실제 수리 및 역학적 성능평가에는 대부분 van Genuchten 모델이 사용되었다. 그러나 불포화 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태(구속, 비구속)와 이력과정(습윤과정, 건조과정)에 따라 서로 다른 경향을 보이기 때문에 완충재의 수리 및 역학적 거동 해석 및 성능평가에 대한 신뢰도 향상을 위해서는 이러한 인자들의 영향을 고려한 구성모델 개발과 모델입력인자의 측정도 병행되어야 할 것으로 판단된다. 본 논문의 완충재 수분 흡입력 측정기술 및 구성모델에 대한 고찰 결과는 향후 우리나라에서 건설될 고준위폐기물처분장의 완충재 성능평가 및 설계를 위한 수분흡입력 측정시험과 수리-역학적 거동 모델링 연구에 기초자료로 유용하게 사용될 것이다.
또한, 수분특성곡선은 측정 시 시료상태(구속과 비구속)와 이력현상(습윤과정과 건조과정)에 따라서도 서로 다른 경향을 보였다. 그러므로 불포화 벤토나이트 완충재의 수리 및 역학적 성능평가에 대한 신뢰도 향상을 위해서는 이러한 인자들의 영향을 고려한 다양한 수분특성곡선 측정 실험이 수행되어야 하며, 성능평가에 대한 입력자료는 이 실험 결과를 바탕으로 결정된 인자값들을 사용하여야 할 것이다.
온도 영향을 보기 위해 설정온도를 바꿀 때는, 상대습도가 충분히 안정화 된 후에 실시한다. 그리고 실험이 끝난 후에는 압축 벤토나이트를 셀에서 꺼집어내어 건조밀도와 수분함량의 변화가 있었는지 최종 확인을 해야 한다. RH-Cell/Sensor 측정방법도 RH-Cell 방법과 마찬가지로 약 500 MPa까지의 흡입력을 측정할 수 있다.
그러나 불포화 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태(구속, 비구속)와 이력과정(습윤과정, 건조과정)에 따라 서로 다른 경향을 보이기 때문에 완충재의 수리 및 역학적 거동 해석 및 성능평가에 대한 신뢰도 향상을 위해서는 이러한 인자들의 영향을 고려한 구성모델 개발과 모델입력인자의 측정도 병행되어야 할 것으로 판단된다. 본 논문의 완충재 수분 흡입력 측정기술 및 구성모델에 대한 고찰 결과는 향후 우리나라에서 건설될 고준위폐기물처분장의 완충재 성능평가 및 설계를 위한 수분흡입력 측정시험과 수리-역학적 거동 모델링 연구에 기초자료로 유용하게 사용될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정장치가 복잡한 이유는 무엇인가?
불포화 다공성매질의 수분흡입력(즉, 수분특성곡선) 측정과 구성모델 개발은 일반토질을 대상으로 하는 토목 및 환경 분야에서는 오래 전부터 많은 연구가 수행되어 기술이 보편화되었다. 그러나 고밀도 블록형태로 설치되는 처분장의 벤토나이트 완충재는 일반 토질과는 달리 팽윤능(swelling capacity)과 수분흡입력이 높고 방사성 붕괴열에 의한 온도변화를 고려해야 하기 때문에 측정장치가 복잡하다. 또한 표준화된 측정 방법이 확립되어 있지 않기 때문에 기술 진입장벽이 높은 연구 분야로서, 스웨덴, 스페인, 프랑스 등 일부 처분선도국을 중심으로 수행되고 있고[3,4], 우리나라에서는 Lee et al.
수분흡입력이란 무엇인가?
처분용기와 처분공 암벽 사이에 설치된 벤토나이트 완충재는 설치 후 얼마 동안 폐기물로부터 발생되는 붕괴열과 처분공 주위 암반에서 유입되는 지하수의 상호작용에 의해 초기에는 불포화 상태(unsaturated state)를 이루다가 시간이 경과하면서 포화상태에 도달하게 되는데, 불포화상태의 완충재 특성은 처분장의 운영기간과 폐쇄 후 수 백년 동안의 공학적방벽 성능을 좌우한다. 수분흡입력은 불포화 매질의 수분 흡입 척도로서, 수분함량에 따른 수분흡입력(수분특성곡선)과 구성모델은 완충재의 불포화특성 파악 및 수리-역학적(hydro-mechanical) 성능평가에 사용되는 중요한 모델 입력자료이다.
고준위방사성폐기물는 어떻게 처분되는가?
고준위방사성폐기물(High-Level radioactive Waste, HLW)의 처분방식으로는 심지층처분이 유력하다[1]. 현재의 처분개념[2, 31]에 의하면, 심지층처분장은 지하 수백 미터의 지반이 안정되고 균열이 적은 암반층(host rock)에 건설되며, 폐기물은 처분용기(disposal container)에 밀봉한 후 처분공(deposition borehole)에 정치하고, 처분용기와 처분공 암벽 사이 공간에는 완충재(buffer)로 충전한다. 그리고 처분공이 모두 폐기물로 채워지면 처분장 내 처분터널은 뒷채움재(backfill)로 채운 후 폐쇄하게 된다(Fig. 1).
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