• Nuclear Engineering and Technology
• /
• 제53권3호
• /
• pp.1041-1048
• /
• 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
• /
• 제32권1호
• /
• pp.30-58
• /
• 2022

고준위방사성폐기물 심지층처분장은 공학적방벽과 천연방벽의 다중방벽으로 이루어져 있으며 각 방벽재 사이의 상호작용에 의해 처분시스템의 전반적인 장기 건전성이 영향을 받게 된다. 특히 공학적방벽재인 압축 벤토나이트 완충재와 천연방벽인 근계암반의 상호작용에 의한 완충재의 침식 및 파이핑 현상은 사용후핵연료의 붕괴열 발산, 지하수 유입 저지 및 핵종 이동 저지의 역할을 수행하는 완충재의 성능을 저하시키기 된다. 처분 초기에 벤토나이트 완충재가 흡수할 수 있는 물의 양보다 많은 유량이 근계암반의 절리로부터 유입되면 잉여 지하수로 인한 수압이 발생하고 이로 인해 완충재 자체 및 갭채움재 주변으로 파이핑 현상이 발생할 수 있다. 또한 지하수와 벤토나이트 완충재의 물리-화학적 상호작용으로 인하여 완충재의 표면의 팽윤 및 겔/졸화로 인하여 완충재의 표면에서 침식이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 침식 및 파이핑 현상이 발생하는 조건과 이로 인한 완충재의 건전성을 명확하게 평가하는 것이 처분장의 장기건전성 평가를 위해 반드시 필요하다. 처분선진국들에서는 주로 실내 및 공학규모 실험이 수행되고 있으며 일부 전산 모델 개발이 진행되고 있는 상황이지만 실험에서 관측된 현상들을 복합적으로 모사할 수 있는 전산 모델은 개발되지 않았다. 국내에서도 다양한 침식/파이핑 시나리오에 대한 연구나 열-수리-역학-화학적 복합거동을 고려한 연구는 수행되지 않았다. 본 기술 보고에서는 현재까지 수행된 국내외 벤토나이트 침식 및 파이핑 연구와 이들이 주로 고려한 영향인자를 파악하였다. 실험값을 검증하기 위해 제안된 전산 모델들을 소개하고 향후 완충재 침식 및 파이핑 현상 규명을 위한 연구 수행 방향에 대해 정리하였다. 본 논문에서 검토한 다양한 시험 및 모델링 사례를 바탕으로 향후 국내 심층처분장환경을 고려한 압축 벤토나이트 완충재 침식 및 파이핑 관련 연구가 필요하다고 판단된다.

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

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

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

• Nuclear Engineering and Technology
• /
• 제53권5호
• /
• pp.1511-1518
• /
• 2021

In most countries, the thermal criteria for the engineered barrier system (EBS) is set to below 100 ℃ due to the possible illitization in the buffer, which will likely be detrimental to the performance and safety of the repository. On the other hand, if the thermal criteria for the EBS increases, the disposal density and the cost-effectiveness for the high-level radioactive wastes will dramatically increase. Thus, fundamentals on the thermal behavior of the buffer under the elevated temperatures is of crucial importance. Yet, the behaviors at the elevated temperatures of the bentonite under groundwater-saturated conditions have not been reported to-date. Here, we have developed an in-situ synchrotron-based method for the thermal behavior study of the buffer under the elevated temperatures (25-250 ℃), investigated dspacings of the montmorillonite in the Korean bentonite (i.e., Ca-type) at dry and KURT (KAERI Underground Research Tunnel) groundwater-saturated conditions (KJ-ii-dry and KJ-ii-wet), and compared the behaviors with that of MX-80 (i.e., Na-type, MX-80-wet). The hydration states analyzed show tri-, bi-, and mono-hydrated at 25, 120, and 250 ℃, respectively for KJ-ii-wet, whereas tri-, mono-, and de-hydrated at 25, 150, and 250 ℃, respectively for MX-80-wet. The Korean bentonite starts losing the interlayered water at lower temperatures; however, holds them better at higher temperatures as compared with MX-80.

• 한국지반공학회논문집
• /
• 제38권12호
• /
• pp.113-123
• /
• 2022

본 연구에서는 공학규모 벤토나이트-모래 완충재 블록의 성형특성을 분석하기 위해 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 압력에 따른 소요 밀도 관계 및 완충재 내 밀도분포 편차에 대한 균질도를 평가하였다. 또한 벤토나이트-모래 완충재의 열전도도 성능향상 수준을 분석하기 위해 최적함수비 조건에서 열전도도를 측정하고, 순수 벤토나이트 완충재의 열전도도와 비교하였다. 연구 결과 프레스 압력이 400kg/cm² 이상의 조건에서 건조밀도 표준편차가 0.011로 감소하고 균질한 밀도분포를 나타내는 것으로 확인되었다. 열전도도 측정 결과 프레스 압력이 400, 600kg/cm²일 때의 최적함수비 조건에서 각각 1.345, 1.261W/(m·K)으로 측정되었으며, 이는 순수 벤토나이트 완충재와 비교했을 때 각각 16.1, 11.0% 상승한 것으로 분석되었다. 본 연구 결과를 기반으로 공학규모의 균질한 벤토나이트-모래 완충재 블록 제작을 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

• 방사성폐기물학회지
• /
• 제21권2호
• /
• pp.225-234
• /
• 2023

In the design of HLW repositories, it is important to confirm the performance and safety of buffer materials at high temperatures. Most existing models for predicting hydraulic conductivity of bentonite buffer materials have been derived using the results of tests conducted below 100℃. However, they cannot be applied to temperatures above 100℃. This study suggests a prediction model for the hydraulic conductivity of bentonite buffer materials, valid at temperatures between 100℃ and 125℃, based on different test results and values reported in literature. Among several factors, dry density and temperature were the most relevant to hydraulic conductivity and were used as important independent variables for the prediction model. The effect of temperature, which positively correlates with hydraulic conductivity, was greater than that of dry density, which negatively correlates with hydraulic conductivity. Finally, to enhance the prediction accuracy, a new parameter reflecting the effect of dry density and temperature was proposed and included in the final prediction model. Compared to the existing model, the predicted result of the final suggested model was closer to the measured values.

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

• 자원환경지질
• /
• 제55권3호
• /
• pp.219-229
• /
• 2022

벤토나이트는 고준위방사성폐기물 심층처분 시스템 내 완충재 후보물질로서 고려되고 있다. 본 연구에서는 시멘트-벤토나이트의 상호작용 연구에 관한 문헌을 검토하여, 시멘트-벤토나이트 상호작용이 벤토나이트 변질 및 장기 안정성에 미치는 영향을 살펴보았다. 시멘트 물질과 지하수 상호작용에 의해 생성되는 강염기성 유체에 의한 벤토나이트의 주요 변질작용은 양이온 교환, 몬모릴로나이트 용해, 2차 광물 침전, 일라이트화 등이다. 처분장 인근 암반 단열을 통해 유입된 지하수와 처분장 건설에 사용된 시멘트 물질이 접촉하여 생성된 강염기성의 침출수가 벤토나이트와 반응하면 벤토나이트의 주구성광물인 몬모릴로나이트와 부구성광물의 용해가 발생하고, 제올라이트, 규산칼슘수화물, 방해석 등의 2차 광물의 침전이 일어난다. 몬모릴로나이트가 지속적으로 용해되면 벤토나이트의 물리화학적 특성이 변할 수 있고, 이는 궁극적으로 흡착능, 팽윤능, 투수성 등 완충재로서의 벤토나이트 성능 변화를 초래할 수 있다. 또한, 벤토나이트의 변질은 온도, 반응 기간, 압력, 공극수의 조성, 벤토나이트 구성광물, 몬모릴로나이트 화학조성, 층간 양이온 종류 등의 다양한 요인에 영향을 받는다. 본 연구는 고준위방사성폐기물 심층처분 시스템 내 완충재의 장기 안정성 검증 연구를 위한 기초 자료로서 활용될 수 있다.