[국내논문]고준위방사성폐기물 처분시스템의 압축 벤토나이트 완충재의 포화 수리전도도 추정 A Prediction of Saturated Hydraulic Conductivity for Compacted Bentonite Buffer in a High-level Radioactive Waste Disposal System원문보기
고준위방사성폐기물의 처분은 고심도 암반내에 처분시스템을 구축하는 심층 처분방법이 고려된다. 심층 처분은 처분용기, 완충재, 뒷채움재, 근계암반의 설계 요소인 공학적방벽과 천연 방벽으로 구성된다. 공학적방벽 중에서 벤토나이트 완충재는 암반으로부터 유입되는 지하수 흐름을 최소화하고 핵종 유출을 저지하는 기능을 한다. 지하수 유입으로 인한 완충재의 수리전도도 특성 규명은 처분장 공학적방벽의 안정성 및 건전성에 대한 성능 평가에 있어 중요한 사안이다. 본 연구에서는 경주 벤토나이트를 이용하여 다양한 건조밀도와 온도 조건에 따라 포화 수리전도도 실험을 수행하였으며, 120개의 실험 결과를 다중 회귀 분석을 통해 수리전도도 추정 모델을 제시하였다. 실험 결과에서는 건조밀도가 커질수록 수리전도도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 온도가 증가할수록 수리전도도가 증가하였다. 이러한 실험 결과들을 종합한 다중 회귀 분석 결과에서는 수리전도도 추정식의 결정계수(R2)가 0.93으로 높게 나타났다. 본 연구에서 제시된 수리전도도 추정식은 벤토나이트 완충재의 성능과 연관된 건조밀도와 온도의 영향을 고려하여 처분시스템의 공학적방벽 설계에 활용 될 것으로 판단된다.
고준위방사성폐기물의 처분은 고심도 암반내에 처분시스템을 구축하는 심층 처분방법이 고려된다. 심층 처분은 처분용기, 완충재, 뒷채움재, 근계암반의 설계 요소인 공학적방벽과 천연 방벽으로 구성된다. 공학적방벽 중에서 벤토나이트 완충재는 암반으로부터 유입되는 지하수 흐름을 최소화하고 핵종 유출을 저지하는 기능을 한다. 지하수 유입으로 인한 완충재의 수리전도도 특성 규명은 처분장 공학적방벽의 안정성 및 건전성에 대한 성능 평가에 있어 중요한 사안이다. 본 연구에서는 경주 벤토나이트를 이용하여 다양한 건조밀도와 온도 조건에 따라 포화 수리전도도 실험을 수행하였으며, 120개의 실험 결과를 다중 회귀 분석을 통해 수리전도도 추정 모델을 제시하였다. 실험 결과에서는 건조밀도가 커질수록 수리전도도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 온도가 증가할수록 수리전도도가 증가하였다. 이러한 실험 결과들을 종합한 다중 회귀 분석 결과에서는 수리전도도 추정식의 결정계수(R2)가 0.93으로 높게 나타났다. 본 연구에서 제시된 수리전도도 추정식은 벤토나이트 완충재의 성능과 연관된 건조밀도와 온도의 영향을 고려하여 처분시스템의 공학적방벽 설계에 활용 될 것으로 판단된다.
A geological repository comprises a natural barrier and an engineered barrier system. Its design components consist of canisters, buffers, backfill, and near-field rock. Among the engineered barrier system components, bentonite buffers minimize the groundwater flow from near-field rock and prevent t...
A geological repository comprises a natural barrier and an engineered barrier system. Its design components consist of canisters, buffers, backfill, and near-field rock. Among the engineered barrier system components, bentonite buffers minimize the groundwater flow from near-field rock and prevent the release of nuclide. Investigation of the hydraulic conductivity of the buffer to groundwater flow is an important factor in the performance evaluation of the stability and integrity of the engineered barrier of the repository. In this study, saturated hydraulic conductivity tests were performed using Gyeongju bentonite at various dry densities and temperatures, and a hydraulic conductivity prediction model was developed through multiple regression analysis using the 120 result sets of hydraulic conductivity. The test results showed that the hydraulic conductivity tends to decrease as the dry density increases. In addition, the hydraulic conductivity increased with increasing temperature. The multiple regression analysis results showed that the coefficient of determination (R2) of the hydraulic conductivity prediction equation was as high as 0.93. The hydraulic conductivity prediction equation presented in this study could be used for the design of engineered barrier systems.
A geological repository comprises a natural barrier and an engineered barrier system. Its design components consist of canisters, buffers, backfill, and near-field rock. Among the engineered barrier system components, bentonite buffers minimize the groundwater flow from near-field rock and prevent the release of nuclide. Investigation of the hydraulic conductivity of the buffer to groundwater flow is an important factor in the performance evaluation of the stability and integrity of the engineered barrier of the repository. In this study, saturated hydraulic conductivity tests were performed using Gyeongju bentonite at various dry densities and temperatures, and a hydraulic conductivity prediction model was developed through multiple regression analysis using the 120 result sets of hydraulic conductivity. The test results showed that the hydraulic conductivity tends to decrease as the dry density increases. In addition, the hydraulic conductivity increased with increasing temperature. The multiple regression analysis results showed that the coefficient of determination (R2) of the hydraulic conductivity prediction equation was as high as 0.93. The hydraulic conductivity prediction equation presented in this study could be used for the design of engineered barrier systems.
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문제 정의
본 연구에서는 KJ-Ⅱ 벤토나이트 완충재의 열-수리-역학적 물성 중 수리전도도에 대한 추정 모델을 제시하고자 하였 다. 기존의 KJ-Ⅰ에 대한 수리전도도 측정 및 추정 모델에 관한 연구는 수행된 바 있으나[15], 이들은 실내 시험에서 얻어진 자료를 활용하여 KJ-Ⅰ에서만 활용할 수 있는 단순 모델을 제시하였다.
기존의 KJ-Ⅰ에 대한 수리전도도 측정 및 추정 모델에 관한 연구는 수행된 바 있으나[15], 이들은 실내 시험에서 얻어진 자료를 활용하여 KJ-Ⅰ에서만 활용할 수 있는 단순 모델을 제시하였다. 본 연구에서는 건조밀도, 온도와 같은 다양한 변수를 고려하여 KJ-Ⅱ의 수리전도도 시험과 추정 모델에 대한 통계적 검증을 추가하였으며, KJ-Ⅰ과 KJ-Ⅱ의 수리전도도 자료를 통합하여 경주 벤토나이트의 수리전도도에 대한 종합적 추정 모델을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 고준위방사성폐기물 처분 개념에서 사용되는 공학적방벽 완충재 물질 중 하나인 경주 벤토나이트의 수리전도도 물성 평가 및 통계적 기법을 통한 추정 모델을 제시하였다. 벤토나이트 완충재는 처분 용기에 주변 암반으 로부터 유입되는 지하수 흐름을 최소화하는 차수재의 역할을 하기 때문에, 완충재의 수리적 성능은 공학적방벽의 처분 시스템에서 장기 안정성 및 건전성 측면에서 중요한 인자로볼 수 있다.
이는 XRD (X-ray diffraction)를 이용하여 분석된 벤토나이트 시료에서의 광물 비율 평균치를 의미한다(Table 1). 본 연구에서는 벤토나이트 분말을 이용하여 다양한 건조 밀도 블록을 제작하기 위해 하중 재하 방식의 시료 제작법인 플로팅 다이(Floating Die)법에 따라 시료를 만들었다. 플로팅 다이법은 상하부 하중에 따라 시료를 동시에 압축하여 몰드의 형태에 따라 원하는 시료의 성형이 가능하다[19].
4와 5에서처럼 압축 벤토나이트 완충재의 수리전도도는 건조밀도와 온도에 따라 선형 및 비선형관계를 갖는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 압축 벤토나 이트의 수리전도도를 종속변수로 결정하고 건조밀도와 온도를 독립변수로 정하여 다중 회귀분석을 통하여 압축 벤토 나이트의 수리전도도를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.
본 연구에서는 완충재 성능과 연관된 인자들을 고려하여 다양한 건조밀도와 온도를 이용하여 추정한 회귀 모델이 공학적방벽 처분시스템의 안정성 및 건전성 평가에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 완전한 처분 초기 환경이 아닌 지하수에 의한 완전 포화 환경을 고려한 벤토나이 트의 수리전도도 실험이다. 추후 연구에서는 초기 처분 환경 에서의 지하수 유입을 고려하여 완충재 벤토나이트가 완전 포화되기 전의 불포화 정도에 대한 수리전도도의 물성 평가 연구를 계획하고 있다.
가설 설정
Darcy의 법칙은 매질 입자가 구형이고 균일하며, 포화 다공성 매질에서 층류 (Laminar flow)가 흐를 때의 유체 흐름으로 기술된다. Darcy 의 법칙은 일반적으로 유량과 수리 구배 사이의 선형성이 존재한다는 것을 가정으로 한다. 이 선형적인 가정은 다공성 매질을 통과하는 유체의 양에서 발생되는 수리 구배가 정비 례하는 것을 의미한다.
제안 방법
(2) 포화 수리전도도 추정 모델은 경주 벤토나이트 실험 데이터를 바탕으로 제시하였다. 다중 회귀 분석을 이용한 추정 결과에서는 다양한 건조밀도와 온도에 따라 추정된 수리전도도 모델이 결정계수(R2)가 0.
벤토나이트 완충재는 처분 용기에 주변 암반으 로부터 유입되는 지하수 흐름을 최소화하는 차수재의 역할을 하기 때문에, 완충재의 수리적 성능은 공학적방벽의 처분 시스템에서 장기 안정성 및 건전성 측면에서 중요한 인자로볼 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 벤토나이트 완충재의 수리적 성능 중 하나인 수리전도도를 측정하였으며, 실험 및 통계 분석을 수행한 결론은 다음과 같다.
1~1 MPa의 압력으로 건조밀도에 따라 1~10일 동안 완전 포화되도록 유지하였다. 또한, 다양한 온도 조건에서의 수리전도도의 영향을 비교하기 위해서 Fig. 2와 같이 온도 유지 장치를 통해 시험이 수행되었다.
이러한 이유로 수리전도도를 측정하기 위해서는 수리 구배를 측정이 가능한 장치 구성이 요구된 다. 본 시험에서는 GDS Advanced Pressure/Volume Controller를 이용하여 압축 벤토나이트의 수리전도도를 측정하였다. 이 장치는 정수압과 유량의 부피 변화를 측정 및 제어할 수 있게 구성되어 있다.
즉, 물의 유입 및 유출되는 기울기는 그 변화 형태가 유사하여야 사용 가능한 시험 결과로 볼 수 있다. 본 시험에서는 이러한 선형적인 변화가 관찰된 시험 결과들을 종합하여 건조밀도와 온도에 따라 압축 벤토나이트의 수리전도도 평가를 수행하였다.
이 장치에 사용할 수 있는 유체는 물이나 기름을 주입하여 시험을 수행 할 수 있으며, 추가적인 장치 구성을 통해 공기 주입도 가능하다. 본 시험에서는 증류 수를 이용하여 유체 주입을 수행하였다. 정수압 상태를 유지 하기 위한 장치는 압력 범위가 0.
본 시험에서는 함수율 11%를 갖는 KJ-Ⅱ(경주 벤토나이트)를 직경 50 mm, 높이 10 mm의 압축 원형 블록으로 제작 하여 수리전도도 측정을 수행하였다. 시험 조건은 시험을 실시하기 전 시료에 유체를 0.
본 연구에서 측정된 수리전도도는 압축 벤토나이트의 다양한 건조밀도와 온도 조건에서 나타난 결과를 위주로 기술하였다. 시험 결과는 기존에 수행된 KJ-Ⅰ 벤토나이트와본 연구에서 수행된 KJ-Ⅱ 벤토나이트의 결과를 종합하여 경주 벤토나이트의 수리전도도가 평가되었다.
8 g/cm3의 압축 벤토나이트 시료를 대상으로 측정되었다. 온도 조건은 상온부터 40℃, 60℃, 80℃, 90℃를 유지하였으 며, 완충재의 허용 온도인 100℃ 이내에서 시험이 수행되도록 조건을 만들었다. 수리전도도 시험은 시간에 따라 주입 펌프로부터 들어간 물의 부피 변화에 의해 측정된다.
본 연구에서의 다중 회귀분석을 수행하기 위한 종속변수인 수리전도도는 정규성 검정 결과 정규성을 따르지 않는 것으로 나타났다. 정규성을 갖도록 하기 위하여 종속변수는 로그 변환을 실시하였으며, 로그 변환한 값은 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis)가 절대값이 2보다 낮게 계산되었다. 이는 종속변수인 수리전도도가 정규성을 만족하며, 이전 연구에서처럼 왜도와 첨도에 의한 정규성 결과가 유사한 것을 알 수 있었다[21, 22].
대상 데이터
시험 결과는 기존에 수행된 KJ-Ⅰ 벤토나이트와본 연구에서 수행된 KJ-Ⅱ 벤토나이트의 결과를 종합하여 경주 벤토나이트의 수리전도도가 평가되었다. 건조밀도 조건은 1.3 g/cm3, 1.4 g/cm3, 1.5 g/cm3, 1.6 g/cm3, 1.74 g/cm3, 1.8 g/cm3의 압축 벤토나이트 시료를 대상으로 측정되었다. 온도 조건은 상온부터 40℃, 60℃, 80℃, 90℃를 유지하였으 며, 완충재의 허용 온도인 100℃ 이내에서 시험이 수행되도록 조건을 만들었다.
우선, 다중 회귀분석에는 49개의 기존 KJ-Ⅰ실험 결과와 본 연구에서 새롭게 추가된 71개의 KJ-Ⅱ 실험 결과를 종합한 총 120개 압축 벤토나이트의 수리전도도 실험결과값들이 사용되었다. 독립변수는 실험에서 사용된 다양한 조건에서의 건조밀도 (1.3~1.8 g/cm3)와 온도(상온~90℃)를 대상으로 하였다. 회귀분석에서는 종속변수의 정규성이 만족되어야 계산이 가능하다.
벤토나이트는 일반적으로 몬모릴로나이트, 석영, 장석, 할로이나이트, 크리놉틸로라이트, 크리스토발라이트 및 소량의 유기물 등의 광물로 구성된다. 연구에 사용된 벤토나이 트는 경주 지역에서 생산되는 벤토나이트이다. 경주 벤토나이트는 Ca형 벤토나이트로 구분되며, Ca형 벤토나이트는 교환가능양이온이 Ca2+ 인 것을 의미한다.
우선, 다중 회귀분석에는 49개의 기존 KJ-Ⅰ실험 결과와 본 연구에서 새롭게 추가된 71개의 KJ-Ⅱ 실험 결과를 종합한 총 120개 압축 벤토나이트의 수리전도도 실험결과값들이 사용되었다. 독립변수는 실험에서 사용된 다양한 조건에서의 건조밀도 (1.
본 시험에서는 증류 수를 이용하여 유체 주입을 수행하였다. 정수압 상태를 유지 하기 위한 장치는 압력 범위가 0.1~8 MPa까지 유지가 가능 하며, 시험에서 사용된 압력 범위는 주입압이 1.2~1.3 MPa, 흡입압이 0.2 MPa으로 구성하였다. 이러한 압력 구성이 반영되어 시험에서는 Fig.
데이터처리
다중회귀분석은 SPSS Statistics 24을 이용하여 수행되었다. 표준화 잔차의 분석 결과에서는 수치가 3이 넘어가면 회귀식에 유의하지 않는 것으로 알려져 있다[25,26].
표준화 잔차의 분석 결과에서는 수치가 3이 넘어가면 회귀식에 유의하지 않는 것으로 알려져 있다[25,26]. 이를 고려 하여 표준화 잔차 절대값은 3이 넘는 5개의 데이터를 제외하고 다중회귀분석을 실시하였다. 다중회귀분석을 수행하여 얻어진 회귀식은 식 (3)과 같이 제시되었다.
이론/모형
이전 연구 따르면 회귀분석 결과에 대한 유의성을 검증하기 위해서는 잔차분석이 반드시 필요하며, 잔차의 정규성 및 등분산성을 만족하여야 회귀식이 통계적으로 유의하다고 판단 할 수 있다[25, 27]. 잔차의 정규성은 정략적 분석법인 Kolmogrovo-Smirnov법과 Shaprio-Wilk법이 사용되며, 실험 데이터는 주로 Shaprio-Wilk법이 적용된다 [25]. Table 3에서 Shaprio-Wilk의 유의확률은 0.
성능/효과
(1) 포화 수리전도도 실험에서는 과거 생산 되었던 경주산 벤토나이트인 KJ-Ⅰ을 이용한 수리전도도 결과와 이와 성분이 유사하고 현재 생산 중인 경주 벤토 나이트 KJ-Ⅱ에 대한 수리전도도 결과를 종합하였다. 수리전도도는 다양한 건조밀도에 따라 수리전도도가 약 2 차수 정도 감소하는 경향을 보였으며, 측정된 수리전도도의 범위는 2.
88×10-12 m/s 사이에서 결과가 나타났다. 건조밀도가 증가할수록 수리전도도는 약 2 차수 정도 감소하는 것으로 확인되었다. 수리전도도의 감소는 건조밀도 증가에 따라 반비례하는 관계를 보였다.
(2) 포화 수리전도도 추정 모델은 경주 벤토나이트 실험 데이터를 바탕으로 제시하였다. 다중 회귀 분석을 이용한 추정 결과에서는 다양한 건조밀도와 온도에 따라 추정된 수리전도도 모델이 결정계수(R2)가 0.93 정도로 높았으며, 모든 통계적 유의성을 만족하였다. 이는 경주 벤토나이트의 수리전도도 추정 모델을 통해 정확히 예측가능하다.
또한, SPSS Statistics 24의 Q-Q Plot 모듈을 이용하여 종속변수인 수리전도도의 정규성을 검증하였으며, Fig. 6과 같이 결과값들이 선형 직선에서 범주에 벗어나지 않았으므로 정규성이 만족됨을 알 수 있다[24].
회귀분석에서는 종속변수의 정규성이 만족되어야 계산이 가능하다. 본 연구에서의 다중 회귀분석을 수행하기 위한 종속변수인 수리전도도는 정규성 검정 결과 정규성을 따르지 않는 것으로 나타났다. 정규성을 갖도록 하기 위하여 종속변수는 로그 변환을 실시하였으며, 로그 변환한 값은 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis)가 절대값이 2보다 낮게 계산되었다.
수리전도도는 다양한 건조밀도에 따라 수리전도도가 약 2 차수 정도 감소하는 경향을 보였으며, 측정된 수리전도도의 범위는 2.65×10-14 ~ 4.88×10-12 m/s로 나타났다.
본 연구에서 측정된 수리전도도는 압축 벤토나이트의 다양한 건조밀도와 온도 조건에서 나타난 결과를 위주로 기술하였다. 시험 결과는 기존에 수행된 KJ-Ⅰ 벤토나이트와본 연구에서 수행된 KJ-Ⅱ 벤토나이트의 결과를 종합하여 경주 벤토나이트의 수리전도도가 평가되었다. 건조밀도 조건은 1.
88×10-12 m/s로 나타났다. 온도 변화의 실험조건에서는 온도가 증가할수록 수리전도도의 증가하는 경향이 나타났다.
5는 다양한 온도조건에서의 수리전도도 측정 결과 이다. 온도에 따른 수리전도도는 온도가 올라감에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이는 온도가 상승할 때, 물의 밀도와 점성이 변하기 때문이다.
측정된 수리전도도의 범위는 2.65×10-14 ~ 4.88×10-12 m/s 사이에서 결과가 나타났다.
후속연구
본 연구에서는 완충재 성능과 연관된 인자들을 고려하여 다양한 건조밀도와 온도를 이용하여 추정한 회귀 모델이 공학적방벽 처분시스템의 안정성 및 건전성 평가에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 완전한 처분 초기 환경이 아닌 지하수에 의한 완전 포화 환경을 고려한 벤토나이 트의 수리전도도 실험이다.
추후 연구에서는 초기 처분 환경 에서의 지하수 유입을 고려하여 완충재 벤토나이트가 완전 포화되기 전의 불포화 정도에 대한 수리전도도의 물성 평가 연구를 계획하고 있다. 이와 같은 연구는 처분 초기 환경에 대한 수리적 거동 모사 예측을 위한 자료 활용에 기여 될 것으로 판단되며, 본 연구와 유사한 방법으로 불포화 수리전도도의 물성 평가를 통한 추정 모델에 대한 제시가 동반될 것으로 생각된다.
본 연구에서는 완전한 처분 초기 환경이 아닌 지하수에 의한 완전 포화 환경을 고려한 벤토나이 트의 수리전도도 실험이다. 추후 연구에서는 초기 처분 환경 에서의 지하수 유입을 고려하여 완충재 벤토나이트가 완전 포화되기 전의 불포화 정도에 대한 수리전도도의 물성 평가 연구를 계획하고 있다. 이와 같은 연구는 처분 초기 환경에 대한 수리적 거동 모사 예측을 위한 자료 활용에 기여 될 것으로 판단되며, 본 연구와 유사한 방법으로 불포화 수리전도도의 물성 평가를 통한 추정 모델에 대한 제시가 동반될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심층 처분장이란 무엇인가?
고준위방사성폐기물을 처분하기 위한 심층 처분장은 핵연료로부터 발산되는 열과 방사성 핵종의 누출과 같은 위험 요소를 고려하여 안전한 운영이 이루어져야하는 지하 구조 물이다. 심층 처분에서는 처분용기를 이용하여 수 만년 이상의 장기 안전성을 보장하는것이 핵심사항이다.
높은 온도에서의 벤토 나이트의 특성 변화에 대한 연구가 활발한 이유는 무엇인가?
처분 환경에서는 붕괴열에 의한 높은 열 발생이 필연적이기 때문에 완충재 성능 유지를 위해서 많은 국가들에서 완충 재의 최대 허용 온도 범위를 100℃ 이내로 제한해 왔다[8-11]. 이러한 이유로 많은 연구자들은 높은 온도에 노출된 벤토 나이트의 특성 변화에 관한 연구를 수행해 왔다.
심층 처분에서 가장 중요한 점은 무엇인가?
고준위방사성폐기물을 처분하기 위한 심층 처분장은 핵연료로부터 발산되는 열과 방사성 핵종의 누출과 같은 위험 요소를 고려하여 안전한 운영이 이루어져야하는 지하 구조 물이다. 심층 처분에서는 처분용기를 이용하여 수 만년 이상의 장기 안전성을 보장하는것이 핵심사항이다. 심층 처분시 스템의 안전성 향상을 위해 추천되는 공학적방벽은 처분용 기(Canister), 완충재(Buffer), 뒷채움재(Backfill), 근계영역 암반(Near-field rock)으로 구성된다(Fig.
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