• 방사성폐기물학회지
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• 제20권2호
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• pp.185-192
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• 2022

A compacted bentonite buffer is a major component of engineered barrier systems, which are designed for the disposal of high-level radioactive waste. In most countries, the target temperature required to maintain safe functioning is below 100℃. If the target temperature of the compacted bentonite buffer can be increased above 100℃, the disposal area can be dramatically reduced. To increase the target temperature of the buffer, it is necessary to investigate its properties at temperatures above 100℃. Although some studies have investigated thermal-hydraulic properties above 100℃, few have evaluated the water suction of compacted bentonite. This study addresses that knowledge gap by evaluating the water suction variation for compacted Korean bentonite in the 25-150℃ range, with initial saturations of 0 and 0.22 under constant saturation conditions. We found that water suction decreased by 5-20% for a temperature increase of 100-150℃.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제53권3호
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• pp.1041-1048
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• 2021

An engineered barrier system (EBS) for the disposal of high-level radioactive waste (HLW) is composed of a disposal canister with spent fuel, a buffer material, a gap-filling material, and a backfill material. As the buffer is located in the empty space between the disposal canisters and the surrounding rock mass, it prevents the inflow of groundwater and retards the spill of radionuclides from the disposal canister. Due to the fact that the buffer gradually becomes saturated over a long time period, it is especially important to investigate its thermal-hydro-mechanical-chemical (THMC) properties considering variations of saturated condition. Therefore, this paper suggests a new method of measuring thermal conductivity and water suction for single compacted bentonite at various levels of saturation. This paper also highlights a convenient method of saturating compacted bentonite. The proposed method was verified with a previous method by comparing thermal conductivity and water suction with respect to water content. The relative error between the thermal conductivity and water suction values obtained through the proposed method and the previous method was determined as within 5% for compacted bentonite with a given water content.

• 터널과지하공간
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• 제30권3호
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• pp.193-213
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• 2020

사용후핵연료 심층처분장 처분공에 설치된 압축 벤토나이트 완충재가 처분공 내벽에 형성된 굴착손상영역 불연속면 내로 침투하는 현상을 보다 더 현실적으로 모사할 수 있는 수학적 모델이 개발되었다. 이 모델에서는 압축 벤토나이트의 침투를 평행 평판 암반 절리을 통한 Bingham 유체의 이동으로 가정한다. 개발된 모델에 의해 벤토나이트의 침투현상을 분석한 결과, 암반 절리를 통해 압축 벤토나이트가 침투하는 최대 깊이는 포화 압축 벤토나이트의 팽윤압과 암반 절리의 폭에 비례하며, 압축 벤토나이트의 항복강도에 반비례하였다. 압축 벤토나이트의 점도는 압축 벤토나이트의 침투 속도를 좌우하나, 최대 침투깊이에는 영향을 미치지 않는다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제37권10호
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• pp.5-11
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• 2021

압축 벤토나이트 완충재는 원자력발전소에서 발생하는 고준위폐기물을 처리하기 위한 공학적방벽시스템의 가장 중요한 요소 중 하나이다. 압축 벤토나이트 완충재는 외부 하중이나 지하수 침투로부터 처분 용기를 보호하기에, 열-수리-역학적인 요구 조건을 충족하여야 한다. 이러한 완충재의 열-수리 물성에 관한 연구는 많이 진행되어 왔지만, 역학 물성 규명에 관한 연구는 많이 부족한 실정이다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 건조밀도와 함수비에 따른 다양한 국내 압축 벤토나이트 시료를 조성하여 이에 대한 일축압축강도시험을 실시하였으며, 일축압축강도, 탄성계수, 그리고 포아송비를 도출하였다. 압축 벤토나이트의 일축압축강도와 탄성계수는 건조밀도에 따라 증가하였으며, 포아송비는 건조밀도가 증가할수록 약간 감소하는 것으로 나타났다. 일축압축강도, 탄성계수 및 포아송비는 건조밀도와 큰 상관 관계를 보였으나, 함수비와는 특별한 상관성을 나타내지는 않았다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제35권11호
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• pp.7-14
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• 2019

압축 벤토나이트는 고준위폐기물을 처분하기 위한 공학적방벽 시스템에서 중요한 구성요소 중 하나인 완충재의 후보물질로 가장 적합한 것으로 고려되고 있다. 완충재는 처분공 내 사용후핵연료가 담긴 처분용기와 근계 암반 사이에 채워지는 방벽재로서 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분 초기에는 처분용기로부터 발생하는 고온의 열량으로 인해 완충재의 포화도는 감소하지만, 그 후 주변 암반으로부터 유입되는 지하수로 인해 완충재의 포화도는 증가한다. 이렇듯 완충재는 처분 운영 조건에 따라 불포화에서 포화 상태로 도달하게 되기에 완충재의 불포화-포화 거동 특성은 공학적방벽의 전체 안전성을 좌우할 수 있는 중요한 입력자료이다. 따라서 본 연구에서는 국내 압축 벤토나이트 완충재에 대한 수분보유특성을 규명하고자 하였다. 처분 초기 온도 증가에 따라 완충재의 포화도가 감소하는 상황을 고려하여 상온에서부터 125도까지 압축 벤토나이트의 온도 증가에 따른 체적 함수비와 수분흡입력을 측정하였다. 또한 이를 상온에서 동일한 함수비에서의 수분보유능과 비교하였으며 상온에서의 수분흡입력은 1~15% 정도 크게 측정되었다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제35권7호
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• pp.41-50
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• 2019

국내 고준위폐기물처분장 공학적방벽(EBS)의 일부가 되는 완충재로 경주 벤토나이트가 우선적으로 고려되고 있다. 압축벤토나이트는 지하수침투로 인한 팽윤압과 처분용기에서 발산되는 열응력을 경험한다. 따라서 EBS의 성능평가를 위해서 역학적 물성의 산정이 중요하다. 본 논문은 탄성파를 이용하여 경주 압축벤토나이트의 변형특성 측정을 목표로 하였다. 두 개의 $1.59g/cm^3$와 $1.75g/cm^3$의 건조밀도를 가지는 압축벤토나이트 시편을 제작하였고, 자유단-자유단 공진주시험을 수행하여 구속압축파속도와 비구속압축파속도를 측정하였다. 측정된 압축파속도를 이용하여 미소변형에서의 탄성계수($E_{max}$), 구속탄성계수($M_{max}$), 감쇠비($D_{min}$), 포아송비를 측정하였다. 그 결과로 경주 압축벤토나이트의 변형특성을 산정 제시하여 선행연구 결과들과 비교 분석하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제15권3호
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• pp.199-206
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• 2017

고준위폐기물을 처분하기 위한 심층 처분시설은 지하 500~1,000 m 깊이의 암반층에 설치된다. 심층 처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소인데, 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열물성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 완충재의 열전도도 규명에 대한 연구는 많이 진행되고 있는 반면, 비열에 대한 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재(KJ-II)에 대한 비열 추정 모델을 개발하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 비열은 이중 탐침법을 이용하여 다양한 포화도와 건조밀도에 따라 측정하였으며, 총 33개의 실험 데이터를 토대로 회귀분석을 이용하여 경주 압축 벤토나이트의 비열을 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제17권1호
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• pp.29-36
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• 2019

원자력발전소를 운영하게 되면 사용후핵연료와 같은 고준위방사성폐기물이 필연적으로 발생한다. 이러한 고준위방사성폐기물을 처분하기 위해 심층처분방식이 가장 적합한 대안으로 알려져 있으며 고준위방사성폐기물은 공학적방벽과 천연방벽에 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.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제34권1호
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• pp.90-103
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• 2002

The thermal and mechanical properties of compacted bentonite and bentonite-sand mixture were collected from the literatures and compiled. The thermal conductivity of bentonite is found to increase almost linearly with increasing dry density and water content of the bentonite. The specific heat can also be expressed as a function of water ontent, and the coefficient of thermal expansion is almost independent on the dry density. The logarithm of unconfined compressive strength and Young’s modulus of elasticity increase linearly with increasing dry density, and in the case of constant dry density, it can be fitted to a second order polynomial of water content. Also the unconfined compressive strength and Young’s modulus of elasticity of the bentonite-sand mixture decreases with increasing sand content. The Poisson’s ratio remains constant at the dry density higher than 1.6 Mg/m$_3$, and the shear strength increases with increasing dry density.

• Geomechanics and Engineering
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• 제16권1호
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• pp.71-83
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• 2018

Compacted bentonites were chosen as the backfill material and buffer in high level nuclear waste disposal due to its high swelling pressure, high ion adsorption capacity and low permeability. It is essential to estimate the swelling pressure in design and considering the safety of the nuclear repositories. The swelling pressure model of expansive clay colloids was developed based on Gouy-Chapman diffuse double layer theory. However, the diffuse double layer model is effective in predicting low compaction dry density (low swelling pressure) for certain bentonites, and invalidation in simulating high compaction dry density (high swelling pressure). In this paper, the new relationship between nondimensional midplane potential function, u, and nondimensional distance function, Kd, were established based on the Gouy-Chapman theory by considering the variation of void ratio. The new developed model was constructed based on the published literature data of compacted Na-bentonite (MX80) and Ca-bentonite (FoCa) for sodium and calcium bentonite respectively. The proposed models were applied to re-compute swelling pressure of other compacted Na-bentonites (Kunigel-V1, Voclay, Neokunibond and GMZ) and Ca-bentonites (FEBEX, Bavaria bentonite, Bentonite S-2, Montigel bentonite) based on the reported experimental data. Results show that the predicted swelling pressure has a good agreement with the experimental swelling pressure in all cases.