[논문]온도 변화를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선 모델 평가

윤석; 전준서; 고규현; 김건영

doi:10.7843/kgs.2020.36.10.33

온도 변화를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선 모델 평가
An Evaluation of Soil-Water Characteristic Curve Model for Compacted Bentonite Considering Temperature Variation 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.10, 2020년, pp.33 - 39

윤석 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 전준서 (한국건설기술연구원 건축안전연구센터&지진안전연구센터) , 고규현 (금오공과대학교 토목공학과) , 김건영 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부)

초록
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심층 처분 방식은 고준위폐기물을 처분하기 위한 가장 적합한 대안으로 고려되어지고 있다. 고준위폐기물은 공학적방벽시스템에 의해 지하 500~1,000m 깊이의 암반층에 처분된다. 공학적방벽시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움재 및 갭채움재가 있다. 이 중 벤토나이트 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하는 역할을 하기에 심층 처분시스템에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 초기에는 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량으로 인해 완충재의 포화도는 감소하지만, 그 후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가한다. 이렇듯 완충재의 불포화 거동 특성은 공학적방벽의 전체 안전성을 좌우할 수 있는 중요한 입력자료이다. 국내의 경우 경주에서 생산되는 벤토나이트가 완충재의 주요 후보물질로 고려될 수 있는데 국내 벤토나이트 완충재의 온도를 고려한 불포화 거동 특성에 대한 연구는 매우 미진한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국내 압축 벤토나이트 완충재의 온도 증가에 따라 함수비가 일정한 조건에서의 함수특성곡선을 도출하였으며, 시험 값과 온도가 고려된 수정 van-Genuchten 모델 값과의 상대오차는 약 2%를 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

A geological repository has been considered as an option for the disposal of high-level radioactive waste (HLW). The HLW is disposed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface based on the concept of engineered barrier system (EBS). The EBS is composed of a disposal canister, buffer material, backfill material, and gap-filling material. The compacted bentonite buffer is very important since it can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of ground water. The saturation of the buffer decreases because high temperature in a disposal canister is released into the surrounding buffer material, but saturation of the buffer increases because of the inflow of ground water. The unsaturated properties of the buffer are critical input parameters for the entire safety assessment of the engineered barrier system. In Korea, Gyeongju bentonite can be considered as a candidate buffer material, but there are few test results of the unsaturated properties considering temperature variation. Therefore, this paper conducted experiment of soil-water characteristic curve for the Gyeongju compacted bentonite considering temperature variation under a constant water content condition. The relative error showed approximately 2% between test results and modified van-Genuchten model values.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Functional criteria of buffer for a Korean HLW repository (Lee et al., 2011)
그림 Fig. 1. Experimental system for the VE technique
표 Table 2. Quantitative XRD analysis for the Korean bentonite powder (Yoon et al., 2019)
그림 Fig. 2. Relative humidity variation
그림 Fig. 3. SWCC considering temperature variation
표 Table 3. Fitting parameters for modified van-Genuchten model
그림 Fig. 4. Measured and predicted SWCC results
그림 Fig. 5. Water suction with respect to temperature increase

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Yoon et al.(2019)이 수행하였던 처분 운영 초기 환경에서의 함수특성곡선 시험에서 더 나아가 국내 벤토나이트 완충재에 대해 온도가 증가할수록 함수비가 일정한 조건에서의 함수특성곡선을 평가하고자 하였다. 25°C, 48°C, 75°C, 99°C 각 단계별로 압축 벤토나이트의 함수비를 일정하게 유지한 상태로 초기 함수비와 수분흡입력을 측정하여 함수특성곡선을 도출하였으며, 시험 결과를 수정 van-Genuchten 함수특성곡선 모델에 대입하여 국내 압축 벤토나이트의 온도에 따른 함수특성곡선 모델을 제시하였다.

제안 방법

(2019)이 수행하였던 처분 운영 초기 환경에서의 함수특성곡선 시험에서 더 나아가 국내 벤토나이트 완충재에 대해 온도가 증가할수록 함수비가 일정한 조건에서의 함수특성곡선을 평가하고자 하였다. 25°C, 48°C, 75°C, 99°C 각 단계별로 압축 벤토나이트의 함수비를 일정하게 유지한 상태로 초기 함수비와 수분흡입력을 측정하여 함수특성곡선을 도출하였으며, 시험 결과를 수정 van-Genuchten 함수특성곡선 모델에 대입하여 국내 압축 벤토나이트의 온도에 따른 함수특성곡선 모델을 제시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 ㈜클라리언트코리아에서 생산한 국내 Ca형 벤토나이트 분말을 균질하게 압축하여 시료를 조성하였다. 통일분류법에 근거한 국내 Ca형 벤토나이트 분말은 소성이 큰 점토인 CH로 분류되었으며, 비중은 2.
또한 XRD 분석방법을 이용한 정량적인 광물 조성 분석 결과 몬모릴로나이트가 약 60%, 장석이 약 20%, 석영이 약 5%의 구성 비율을 나타냈다(Table 2). 함수특성곡선 시험에 사용된 시료의 크기는 직경 50mm, 높이 70mm의 원기둥 형태였으며 Table 1과 같이 벤토나이트 완충재의 건조밀도는 1.6g/cm³ 이상의 값이 요구되기에 본 시험에 사용된 압축 벤토나이트의 건조밀도는 1.61g/cm³ 값을 나타냈다.

성능/효과

온도에 따른 압축 벤토나이트의 함수특성곡선 시험 데이터를 이용하여 수정 van-Genuchten 모델에 적용해 보았으며, 그 결과 시험값과 모델값의 상대오차는 약 2% 내외를 보였다. 수정 van-Genchten 모델은 국내 경주 압축 벤토나이트의 온도에 따른 함수특성곡선 거동을 정확하게 모사할 수 있음을 알 수 있다.
이는 벤토나이트 전체의 포화도를 증가시키는 요인이 되기에 온도가 증가할수록 수분흡입력은 감소하는 경향을 보였다. 온도에 따른 압축 벤토나이트의 함수특성곡선 시험 데이터를 이용하여 수정 van-Genuchten 모델에 적용해 보았으며, 그 결과 시험값과 모델값의 상대오차는 약 2% 내외를 보였다. 수정 van-Genchten 모델은 국내 경주 압축 벤토나이트의 온도에 따른 함수특성곡선 거동을 정확하게 모사할 수 있음을 알 수 있다.
(2) 또한 본 논문에서는 기존에 연구되었던 처분 운영 초기 온도 증가에 따른 함수비 감소를 고려한 압축 벤토나이트의 수분흡입력 거동과 비교 분석하였다. 처분 운영 초기에는 처분용기에서 발생하는 고온의 열량에 의해 압축 벤토나이트 완충재의 함수비는 감소하게 되기에 수분흡입력은 급격히 증가하는 경향을 보인다. 하지만 시간이 흐를수록 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 함수비는 서서히 증가하기에 고온의 상태에서도 완충재의 함수비는 일정하게 유지된다.

후속연구

본 연구를 통해 처분 중장기 환경에서의 온도 증가를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성거동은 처분 초기와는 완전히 다른 경향을 보인다는 것을 알 수 있었기에 처분 초기 및 중장기 환경에 따른 완충재의 특성 규명이 반드시 필요하다고 할 수 있다. 본 연구에서 제시한 온도를 고려한 국내 압축 벤토나이트의 함수특성곡선 결과와 거동 모델은 국내 처분시스템의 성능 해석을 위한 중요한 입력자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며 아울러 온도 외에 다양한 영향인자를 고려한 압축 벤토나이트의 불포화 거동 특성에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고준위폐기물이 처분되는 위치는 어디인가?	심층 처분 방식은 고준위폐기물을 처분하기 위한 가장 적합한 대안으로 고려되어지고 있다. 고준위폐기물은 공학적방벽시스템에 의해 지하 500~1,000m 깊이의 암반층에 처분된다. 공학적방벽시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움재 및 갭채움재가 있다.
	공학적방벽시스템의 구성 요소는 무엇인가?	고준위폐기물은 공학적방벽시스템에 의해 지하 500~1,000m 깊이의 암반층에 처분된다. 공학적방벽시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움재 및 갭채움재가 있다. 이 중 벤토나이트 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하는 역할을 하기에 심층 처분시스템에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.
	공학적방벽시스템의 구성 요소 중 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하는 역할을 하는 것은 무엇인가?	공학적방벽시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움재 및 갭채움재가 있다. 이 중 벤토나이트 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하는 역할을 하기에 심층 처분시스템에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 초기에는 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량으로 인해 완충재의 포화도는 감소하지만, 그 후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가한다.

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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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