본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

완충재-근계암반 상호작용을 고려한 압축 벤토나이트 완충재 침식 및 파이핑 연구 현황 및 주요 영향인자 도출

Review of Erosion and Piping in Compacted Bentonite Buffers Considering Buffer-Rock Interactions and Deduction of Influencing Factors

이창수|김지원|김진섭|홍창호
한국암반공학회 (Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering)|2022.02|터널과 지하공간 (TUNNEL AND UNDERGROUND SPACE)|제32권 제1호|pp. 30-58

0

조회

0

다운로드

4

인용

0

참고문헌

키워드

지하수Groundwater침식Erosion고준위방사성폐기물High-level radioactive wastePipingDeep geological disposal파이핑심층처분압축벤토나이트 완충재Compacted bentonite buffer
주제분류자원공학

초록

고준위방사성폐기물 심지층처분장은 공학적방벽과 천연방벽의 다중방벽으로 이루어져 있으며 각 방벽 재 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 근계암반 의 절리로부터 유입되면 잉여 지하수로 인한 수압이 발생하고 이로 인해 완충재 자체 및 갭채움재 주변 으로 파이핑 현상이 발생할 수 있다. 또한 지하수와 벤토나이트 완충재의 물리-화학적 상호작용으로 인 하여 완충재의 표면의 팽윤 및 겔/졸화로 인하여 완충재의 표면에서 침식이 발생할 수 있다. 따라서, 이 러한 침식 및 파이핑 현상이 발생하는 조건과 이로 인한 완충재의 건전성을 명확하게 평가하는 것이 처 분장의 장기건전성 평가를 위해 반드시 필요하다. 처분선진국들에서는 주로 실내 및 공학규모 실험이 수 행되고 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 검증하 기 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 심층처분장환 경을 고려한 압축 벤토나이트 완충재 침식 및 파이핑 관련 연구가 필요하다고 판단된다.

Abstract

The deep geological repository for high-level radioactive waste disposal is a multi barrier system comprised of engineered barriers and a natural barrier. The long-term integrity of the deep geolo- gical repository is affected by the coupled interactions between the individual barrier components. Erosion and piping phenomena in the compacted bentonite buffer due to buffer-rock interactions results in the removal of bentonite particles via groundwater flow and can negatively impact the integrity and performance of the buffer. Rapid groundwater inflow at the early stages of disposal can lead to piping in the bentonite buffer due to the buildup of pore water pressure. The physio- chemical processes between the bentonite buffer and groundwater lead to bentonite swelling and gelation, resulting in bentonite erosion from the buffer surface. Hence, the evaluation of erosion and piping occurrence and its effects on the integrity of the bentonite buffer is crucial in determining the long-term integrity of the deep geological repository. Previous studies on bento- nite erosion and piping failed to consider the complex coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behavior of bentonite-groundwater interactions and lacked a comprehensive model that can consider the complex phenomena observed from the experimental tests. In this technical note, previous studies on the mechanisms, lab-scale experiments and numerical modeling of bentonite buffer erosion and piping are introduced, and the future expected challenges in the investigation of bentonite buffer erosion and piping are summarized.

참고문헌 (52)

  1. Abend, S., "Sol-gel transitions of sodium montmorillonite dispersions", Applied clay science, 16(3-4), pp.201~227 (2000)
  2. Alonso, E. E., "A constitutive model for partially saturated soils", Géotechnique, 40(3), pp.405~430 (1990)
  3. Alonso, E. E., "Modelling the mechanical behaviour of expansive clays", Engineering Geology, 54(1-2), pp.173~183 (1999)
  4. CIEMAT studies within POSKBAR project, "Alonso, U", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 19-08 (2019)
  5. Amadei, B., "Rock Stress and Its Measurement" (1997), Chapman and Hall
  6. "ASTM D4647", D4647M-13, Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test
  7. A Study on the Erosion of Bentonite Buffer Material of the Engineered Barrier System, KAERI technical report, "Baik, M.H", Korea Atomic Energy Research Institute, ~, pp.KAERI (2005), TR-3061[DOI]
  8. Bentonite erosion, "Birgersson, M.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 09-34 (2009)
  9. Piping and erosion in buffer and backfill materials. Current knowledge, "Börgesson, L.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.R 06-80 (2006)
  10. Bentonite swelling into fractures at conditions above the critical coagulation concentration, "Börgesson, L", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 17-11 (2018)
  11. Studies of buffers behaviour in KBS-3H concept. Work during 2002-2004, "Börgesson, L.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.R 05-50 (2005)
  12. García-García, S., "Kinetic determination of critical coagulation concentrations for sodium-and calcium-montmorillonite colloids in NaCl and CaCl2 aqueous solutions", Journal of colloid and interface science, 315(2), pp.512~519 (2007)
  13. Goh, R., "Bentonite slurries—zeta potential, yield stress, adsorbed additive and time-dependent behaviour", Rheologica acta, 50(1), pp.29~38 (2011)
  14. Montmorillonite phase behaviour, "Hedström, M", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 15-07 (2016)
  15. Ishii, T., "Experimental approach for understanding the dynamic behaviors of bentonite buffer piping erosion", Mechanical Engineering Journal, 7(3), pp.19-00469~ (2020)
  16. Islam, M. N., "Bentonite extrusion into near-borehole fracture", Geosciences, 9(12), pp.495~ (2019)
  17. Bentonite erosion, "Jansson, M.", Laboratory studies, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 09-33 (2009)
  18. Montmorillonite stability With special respect to KBS-3 conditions, "Karnland, O", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 06-11 (2006)
  19. Karnland, O., "Selectivity coefficient for Ca", Na ion exchange in highly compacted bentonite, 2011, pp.36, 1554~1558
  20. 김정희, "국내 지하수의 주요 미네랄 분포 특성에 관한 연구", 대한환경공학회지, 38(10), pp.566~573 (2016), 대한환경공학회[DOI]
  21. Kim, M. S., "A multi-objective optimization of initial conditions in a radioactive wasterepository by numerical thermo-hydro-mechanical modeling", Computers and Geotechnics, 14, pp.103~106 (2019)
  22. Kobayashi, A., "Characteristics of strength for hydraulic fracturing of buffer material", Soils and foundations, 48(4), pp.467~477 (2008)
  23. Lagaly, G., "Colloid chemistry of clay minerals: the coagulation of montmorillonite dispersions", Advances in colloid and interface science, 100, pp.105~128 (2003)
  24. Development, testing and application of alternative models for bentonite expansion and erosion, "Laviña, M", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 17-13 (2018)
  25. 이창수, "심층처분장 처분공 주변 굴착손상영역에 존재하는 불연속면으로의 압축 벤토나이트 침투", 터널과 지하공간, 30(3), pp.193~213 (2020), 한국암반공학회
  26. 이재완, "고준위폐기물처분장의 완충재 개념 도출: 접근방안", Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology, 13(4), pp.283~293 (2015), 한국방사성폐기물학회[DOI]
  27. Physical and chemical stability of the bentonite buffer, "Liu, L.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.R 06-103 (2006)
  28. Liu, L., "Prediction of swelling pressures of different types of bentonite in dilute solutions", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 434, pp.303~318 (2013)
  29. Liu, L., "A dynamic force balance model for colloidal expansion and its DLVO-based application", Langmuir, 25(2), pp.679~687 (2009)
  30. Madsen, F.T., "The swelling behaviour of clays", Applied Clay Science, 4(2), pp.143~156 (1989)
  31. Moreno, L., "Erosion of sodium bentonite by flow and colloid diffusion", Physics and Chemistry of the Earth, Parts A, C, pp.2011, 36(17-18)[DOI]
  32. Navarro, V., "Swelling and mechanical erosion of MX-80 bentonite:Pinhole test simulation", Engineering Geology, 202, pp.99~113 (2016)
  33. Navarro, V., "An elastoplastic model of bentonite free swelling", Engineering Geology, 181, pp.190~201 (2014)
  34. Navarro, V., "Modelling of compacted bentonite swelling accounting for salinity effects", Engineering Geology, 223, pp.48~58 (2017)
  35. Revisiting bentonite erosion understanding and modelling based on the BELBaR project findings, "Neretnieks, I", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 17-12 (2018)
  36. Some Mechanisms that Influence Bentonite Erosion in a KBS-3 Repository-an Exploratory Study, "Neretnieks, I", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 18-13 (2018)
  37. Mechanisms and models for bentonite erosion, "Neretnieks, I", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 09-35 (2009)
  38. Clay erosion: impact of flocculation and gravitation, "Neretnieks, I", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 16-11 (2017)
  39. Downscaled tests on buffer behaviour, "Pintado, X", Posiva Oy, ~, pp.No. POSIVA-WR-12-100 (2013)
  40. Bentonite erosion project. Preliminary study for the numerical simulation of bentonite erosion, "Pont, A.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.P 20-16 (2020)
  41. Stability of Bentonite Gels in Crystalline Rocks: Physical Aspects, "Pusch, R.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 83-04 (1983)
  42. Reid, C., "A mechanism for bentonite buffer erosion in a fracture with a naturally varying aperture", Mineralogical Magazine, 79(6), pp.1485~1494 (2015)
  43. Particle clogging in porous media. Filtration of a smectite solution, "Richards, T.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.TR 10-22 (2010)
  44. Deep repository - Engineered barrier system. Erosion and sealing processes in tunnel backfill materials investigated in laboratory, "Sandén, T.", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Svensk Kärnbränslehantering AB, ~, pp.R 08-135 (2008)
  45. Current status of mechanical erosion studies of bentonite buffer, "Sane, P", Posiva Oy, ~, pp.No. POSIVA-12-45 (2013)
  46. Schatz, T., "Benchmarking Exercise of Clay Erosion in Artificial Fracture Tests", BELBaR Final Workshop (2016)
  47. Buffer erosion in dilute groundwater, "Schatz, T", Posiva Oy, ~, pp.No. POSIVA-12-44 (2013)
  48. Sellin, P, "Bentonite Erosion: effects on the Long term performance of the engineered Barrier and Radionuclide transport", EURATOM Project presentation (2011)
  49. Suzuki, K., "Experimental investigations of piping phenomena in bentonite-based buffer materials for an HLW repository", Clay Minerals, 48(2), pp.363~382 (2013)
  50. Laboratory bentonite erosion experiments in a synthetic and a natural fracture, "Vilks, P", Nuclear Waste Management Organization, ~, pp.TR-2010-16 (2010)
  51. Wang, Z., "Investigation of Erosion of Cement-Bentonite via Piping", Advances in Materials Science and Engineering, 2017, pp.1762042~ (2017)
  52. 윤석, "온도 변화를 고려한 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선 모델 평가", 한국지반공학회논문집, 36(10), pp.33~39 (2020), 한국지반공학회[DOI]

관련 논문AI추천

근계영역에서 완충재 침식, 파이핑 현상 규명을 위한 실증실험 현황 및 BEPT 실험 소개김지원, 김진섭, 이민형, 최승범, 홍은수, 홍창호한국암반공학회 · 터널과 지하공간2024 · 제34권 제4호Two-region 모델을 활용한 벤토나이트 완충재의 장기 침식 정량화 모델 개발 및 완충재 물성 열화 평가김수빈, 김정우, 이재원한국암반공학회 · 터널과 지하공간2024 · 제34권 제6호벤토나이트 완충재 장기 침식을 모사하기 위한 Two-region 모델 소개김정우, 이재원한국암반공학회 · 터널과 지하공간2023 · 제33권 제4호우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트완충재의열-수리-역학적 특성치권상기, 이재완, 조원진한국암반공학회 · 터널과 지하공간2011 · 제21권 제4호벤토나이트 완충재 내 기체 이동의 거동 특성 관련 연구 동향 소개강신항, 김정태, 김진섭, 이창수한국암반공학회 · 터널과 지하공간2021 · 제31권 제5호뒤채움재 설계안에 따른 다중방벽시스템의 열-수리-역학적 상호작용 특성 평가김광일, 김진섭, 김진우, 이창수, 차요한한국암반공학회 · 터널과 지하공간2025 · 제35권 제5호

이 간행물의 다른 논문 (4건)

수압파쇄를 이용한 초기응력 측정 결과의 신뢰도 제고 방안 – 일본 지반공학회 표준시험법 개정안을 중심으로박의섭, 박찬, 김형목, 이항복pp. 1-19반구형 지중공동의 수치해석적 안정성 평가이태건, 류동우, 윤희정pp. 20-29완충재 설계시 고려사항 및 고기능 완충재 연구 현황김태현, 김진섭, 윤석, 이기준pp. 59-77광산 현장의 스마트 마이닝 기술 수준 진단평가 모델 개발박세범, 최요순pp. 78-92
원문 보기