In this study, we reviewed and summarized comprehensive roles and importance of natural analogue studies for demonstrating the safety and improving the reliability of the safety for the deep geological disposal of high-level radioactive waste. We also investigated domestic and foreign status of natural analogue studies in order to study and substantiate complex and various radionuclide behaviors in subsurface disposal environments. In addition, we investigated and uranium behaviors in groundwater and rock in uranium deposits including domestic uranium deposits in Ogcheon Metamorphic Belt and biogeochemical interactions in geological environments. Although there are many limitations and uncertainties in directly using the information and data for uranium behaviors obtained from uranium deposits in the disposal safety assessment, the information and data can be utilized in the disposal safety assessment and safety case construction both in qualitative and partly quantitative ways.
An Excavation Damaged Zone(EDZ) caused by blasting impact changes rock properties, in situ stress distribution, etc., and its effects are noticeable at around a radioactive waste repository located at deep underground. In particular, the increase in permeability due to the formation of cracks may significantly increase the amount of groundwater inflow and the possibility of radioactive nuclide outflow. In this study, FLAC2D and FLAC3D were used to analyze the mechanical and thermal behaviors for three categories: a)No EDZ, b)Uniform EDZ, and c)Random EDZ. It was found that the tunnel displacement in the Random EDZ case was 423% higher than that in the No EDZ case and was 16% higher than that in the Uniform EDZ case. Tunnel inflow in the Random EDZ was also 17.3% and 10.8% higher than that in the No EDZ and the Uniform EDZ case, respectively. The permeability around the tunnel was increased by up to 10 times in the corner of the tunnel wall and roof due to the stress redistribution after excavation. From the computer simulation, it was found that the permeability around the tunnel wall was partially increased but the overall tunnel inflow was decreased with increase of stress ratio. Mechanical analysis using FLAC 3D showed similar results. Slight difference between 2D and 3D could be explained with the development of plastic zone during the advance of tunnel excavation in 3D.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.17
no.4
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pp.405-418
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2019
Based on spent fuels characteristics from domestic nuclear power plants and a disposal scenario from the current basic plan for high-level radioactive waste management, an improved disposal system has been proposed that enhances disposal efficiency and economic effectiveness compared to the existing disposal system. For this purpose, two disposal canisters concepts were derived from the length of the spent fuel generated from the nuclear power plants. In the disposal scenario, the acceptable amount of decay heat for each disposal container was determined, taking into account the discharge and disposal times of spent fuels in accordance with the current basic plan. Based on the determined decay heat of the two types of disposal canisters and the associated disposal system, thermal stability analyses were performed to confirm their suitability to the proposed disposal system design requirement and disposal efficiency assessment. The results of this study confirm 20% reduction in the disposal area and 20% increase in disposal density for the proposed disposal system compared to the existing system. These results can be used to establish a spent fuel management policy and to design a viable commercial disposal system.
Buffer and backfill play an essential role in isolating high-level radioactive waste and retard the migration of leaked radionuclides in deep geological disposal system. A bentonite mixture, which exhibits a swelling property, is considered for buffer and backfill materials, and excessive groundwater inflow from surrounding rock mass may affect stability and efficiency of their role as an engineered barrier. Therefore, stringent quality control as well as in-situ installation management and inflow water constrol for buffer and backfill are required to ensure the safety of deep disposal facilities. In this study, we analyzed the design requirements of buffer and backfill by examining various laboratory tests and a field study of the Steel Tunnel Test at the Äspö Hard Rock Laboratory in Sweden. We introduced how to control the quality of buffer and backfill construction in-field, and also presented how to handle excessive groundwater inflow into disposal caverns, validating the groundwater retention capacity of bentonite pellets and the effectiveness of geotexile use.
The prediction of near field behavior around an underground high-level radioactive waste repository is important for the repository design as well as the safety assessment. In this study, a sensitivity analysis for seven parameters consisted of design parameters and material properties was carried out using a three-dimensional finite difference code. From the sensitivity analysis, it was found that the effects of borehole spacing, tunnel spacing, cooling time and rock thermal conductivity were more significant than the other parameters. For getting a statistical distribution of buffer and rock temperatures around the repository, an artificial neural network, backpropagation, was applied. The reliability of the trained neural network was tested with the cases with randomly chosen input parameters. When the parameter variation is within ${\pm}10%$, the prediction from the network was found to be reliable with about a 1% error. It was possible to calculate the temperature distribution for many cases quickly with the trained neural network. The buffer and rock temperatures showed a normal distribution with means of $98^{\circ}C$ and $83.9^{\circ}C$ standard deviations of $3.82^{\circ}C$ and $3.67^{\circ}C$, respectively. Using the neural network, it was also possible to estimate the required change in design parameters for reducing the buffer and rock temperatures for $1^{\circ}C$.
Kim, Ji-Won;Kang, Seok-Jun;Kim, Jin-Seop;Cho, Gye-Chun
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.6
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pp.561-577
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2021
The compacted bentonite buffer in a geological repository for high-level radioactive waste disposal is saturated due to groundwater inflow. Saturation of the bentonite buffer results in bentonite swelling and bentonite penetration into the rock discontinuities present around the disposal hole. The penetrated bentonite is exposed to groundwater flow and can be eroded out of the repository, resulting in bentonite mass loss which can affect the physical integrity of the engineered barrier system. Hence, the evaluation of buffer-rock interactions and coupled behavior due to groundwater inflow and bentonite penetration is necessary to ensure long-term disposal safety. In this study, the effects of the bentonite penetration and swelling on the physical properties of jointed rock mass were evaluated using the quasi-static resonant column test. Jointed rock specimens with bentonite penetration were manufactured using Gyeongju bentonite and hollow cylindrical granite rock discs obtained from the KAERI underground research tunnel. The effects of vertical stress and saturation were assessed using the P-wave and S-wave velocities for intact rock, jointed rock and jointed rock with bentonite penetration specimens. The joint normal and joint shear stiffnesses of each joint condition were inferred from the wave velocity results assuming an equivalent continuum. The joint normal and joint shear stiffnesses obtained from this study can be used as input factors for future numerical analysis on the performance evaluation of geological waste disposal considering rock discontinuities.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.6
no.2
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pp.155-162
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2008
Inventories to be disposed of, reference turnup, and source terms for CANDU spent fuel were evaluated for geological disposal system design. The historical and projected inventory by 2040 is expected to be 14,600 MtU under the condition of 30-year lifetime for unit 1 and 40-year lifetime for other units in Wolsong site. As a result of statistical analysis for discharge burnup of the spent fuels generated by 2007, average and stand deviation revealed 6,987 MWD/MtU and 1,167, respectively. From this result, the reference burnup was determined as 8,100 MWD/MtU which covers 84% of spent fuels in total. Source terms such as nuclide concentration for a long-term safety analysis, decay heat, thermo-mechanical analysis, and radiation intenity and spectrum was characterized by using ORIGEN-ARP containing conservativeness in the aspect of decay heat up to several thousand years. The results from this study will be useful for the design of storage and disposal facilities.
An effect of coupled thermo-hydro-mechanical and chemical (THMC) behavior is an essential part of the performance and safety assessment of geological disposal systems for high-level radioactive waste and spent nuclear fuel. Furthermore, numerical models and modeling techniques are necessary to analyze and predict the coupled THMC behavior in the disposal systems. However, phenomena associated with the coupled THMC behavior are nonlinear, and the constitutive relationships between them are not well known. Therefore, it is challenging to develop numerical models and modeling techniques to analyze and predict the coupled THMC behavior in the geological disposal systems. It is also difficult to verify and validate the development of the models and techniques because it requires expensive laboratory tests and in-situ experiments that need to be performed for a long time. DECOVALEX was initiated in 1992 to efficiently develop numerical models and modeling techniques and validate the developed models and techniques against the lab and in-situ experiments. In Korea, Korea Atomic Energy Research Institute has participated in DECOVALEX-2011, DECOVALEX-2015, and DECOVALEX-2019 since 2008. In this study, all tasks in the three DECOVALEX projects were introduced to the researcher in the field of rock mechanics and geotechnical engineering in Korea.
Currently, the design reference temperature of the buffer material for disposing of high-level radioactive waste is less than 100℃, so if the heat dissipation capacity of the buffer material is improved, the spacings of the disposal tunnel and the deposition hole in the repository can be reduced. First of all, this study tries to analyze the criteria for thermal-hydraulic-mechanical performance of the buffer materials and to investigate the researches regarding the enhanced buffer materials with improved thermal conductivity. First, the thermal conductivity should be as high as possible and is affected by dry density, water content, temperature, mineral composition, and bentonite type. the organic content of the buffer material can have a significant effect on the corrosion performance of a canister, so the organic content should be low. In addition, hydraulic conductivity of the buffer material should be less than that of near-field rock and swelling pressure should be appropriate for buffer materials to function properly. For the development of enhanced buffer materials, additives such as sand, graphite, and graphite oxide are typically used, and a thermal conductivity can be greatly improved with a very small amount of graphite addition compared to sand.
Under high-level radioactive waste repository conditions, bentonite as an engineered barrier material undergoes thermal, hydrological, mechanical, and chemical processes. We report the applications of X-ray Computed Tomography (CT) imaging technique on the characterization and analysis of bentonite over the past decade to provide a reference of the utilization of this technique and the recent research trends. This overview of the X-ray CT technique applications includes the characterization of the bentonite either in pellets or powder form. X-ray imaging has provided a means to extract grain information at the microscale and identify crack networks responsible for the pellets' heterogeneity. Regarding samples of pellets-powder mixtures under hydration, X-ray CT allowed the identification and monitoring of heterogeneous zones throughout the test. Some results showed how zones with pellets only swell faster compared to others composed of pellets and powder. Moreover, the behavior of fissures between grains and bentonite matrix was observed to change under drying and hydrating conditions, tending to close during the former and open during the latter. The development of specializing software has allowed obtaining strain fields from a sequence of images. In more recent works, X-ray CT technique has served to estimate the dry density, water content, and particle displacement at different testing times. Also, when temperature was added to the hydration process of a sample, CT technology offered a way to observe localized and global density changes over time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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