Earticle

고준위폐기물처분장에서 완충재는 오랜 기간 동안 방사성핵종의 붕괴열과 여러가지 화학조건의 지하 수에 노출되며, 이러한 열수조건은 완충재물질의 차수 및 핵종저지 방벽성능에 심각한 영향을 줄 수 있 다. 본 연구에서는 국산 스멕타이트를 대상으로 열수실험을 수행하고, 열수반응에 의한 스멕타이트 점토 의 팽창도, 층전하, 양이온교환능의 변화를 조사하였다. 열수실험 결과, 온도와 용액 중 칼륨농도를 증가 시켰을 때, 스멕타이트의 팽창도는 감소하였고, 층전하는 더 큰 음전하를 가졌으며, 양이온교환능도 감소 하였다.

In a HLW repository, the buffer is exposed to an elevated temperature due to a radioactive decay and geochemical conditions for a long time and such a hydrothermal condition may cause a significant loss of its barrier function. This study carried out hydrothermal tests with a domestic smectite clay to investigate the changes in the expandibility, layer charge, and cation exchange capacity of the smectite. When the temperature and potassium concentration in solution was increased for the hydrothermal treatments, the expandibility decreased, the layer charge negatively increased, and the CEC also decreased.

레이저 용발법에 의한 금속 표면 제염특성을 평가하였다. 레이저로는 파장 532 nm, 펄스에너지 150 mJ, 펄스폭 5 ns의 큐스위치 Nd:YAG 를 적용하였고, 금속 표면에 CsNO3, Co(NH4)2(SO4)2, Eu2O3 그리고 CeO2를 오염시켜 이들의 제염 특성을 평가하였다. 제염 변수로는 레이저 적용횟수, 레이저 에너지 밀도 및 레이저 조사 각도 특성을 평가하였으며 각각 8, 13.3 J/cm2 및 30o의 최적 조건을 확인하였다. 제염 효율은 오염성분의 비점과 관련이 있었으며 CsNO3>Co(NH4)2(SO4)2>Eu2O3>CeO2 순이었다. 또한 여러 에너지 밀도 조건에서 스테인레스 스틸 재질의 식각 깊이 제어 특성을 규명하였다.

Metal surface decontamination characteristics were investigated by using a laser ablation method. A second harmonic generation of a Q-switched Nd:YAG laser with a wave length of 532 nm, a pulse energy of 150 mJ and a pulse width of 5 ns was employed to assess the decontamination performance for metal surfaces contaminated with CsNO3, Co(NH4)2(SO4)2, Eu2O3 and CeO2. The ablation behavior was investigated for the decontamination variables such as a number of laser shots, laser fluence and an irradiation angle. Their optimum values were found to be 8,13.3 J/cm2 and 30o, respectively. The decontamination efficiency was different depending on the kinds of the contaminated ions, due to their different melting and boiling points and was in the order: CsNO3>Co(NH4)2(SO4)2>Eu2O3>CeO2. We also evaluated a correlation between the metal ablation thickness and the number of laser shots for the different laser fluences.

고준위 방사성 폐기물 처분장의 경우 폐기물의 방사성 붕괴에 의해 열이 발생되며, 암반을 통한 열전달 에 의해 처분장 주변 환경이 변화됨으로써 처분장의 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 지하 처분장 대기의 열전달계수를 결정하는 것은 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 Korea Atomic Energy Research Institute Underground Research Tunnel (KURT)에서 내부 환경 인자들의 측정을 통해 강제대류시 열전달계수를 산정하였다. 실험을 위해 KURT 내 히터구간의 막장 벽면에는 길이 2 m, 용량 5 kw의 히터를 삽 입하여 암반 내부를 90℃로 가열하였고, 외부와 연결된 급기용 팬에 의해 신선한 공기를 공급하였다. 연구 결과, 외부공기 공급 후 히터구간 대기의 기류속도는 평균 0.81 m/s로 측정되었고 레이놀즈수는 약 310,000 340,000의 값을 나타냈다. 그리고 강제대류조건에서 히터구간 내 계절별 열전달계수는 각각 여 름철 7.68 W/m2·K와 겨울철 7.24 W/m2·K의 수치를 나타냈다.

In a high-level waste (HLW) repository, heat is generated by the radioactive decay of the waste. This can affect the safety of the repository because the surrounding environment can be changed by the heat transfer through the rock. Thus, it is important to determine the heat transfer coefficient of the atmosphere in the underground repository. In this study, the heat transfer coefficient was estimated by measuring the indoor environmental factors in the Korea Atomic Energy Research Institute Underground Research Tunnel (KURT) under forced convection. For the experiment, a heater of 5 kw capacity, 2 meters long, was inserted through the tunnel wall in the heating section of KURT in order to heat up the inside of the rock to 90 , and fresh air was provided by an air supply fan connected to the outside of the tunnel. The results showed that the average air velocity in the heating section after the provision of the air from outside of the tunnel was 0.81 m/s with the Reynolds number of 310,000 340,000. The seasonal heat transfer coefficient in the heating section under forced convection was 7.68 W/m2 K in the summer and 7.24 W/mm2 K in the winter.

고준위방사성폐기물에서 유출되어 나오는 아이오딘의 이동을 저지하기 위하여 은을 흡착시킨 벤토나이 트 블록에 NaI 용액을 흘려주었을 때 대부분의 아이오딘이 흡착되었다. 이 은이온에 의한 아이오딘의 저지 메커니즘을 상세히 조사하기 위하여 아이오딘과 접촉하기 전후의 은이 흡착된 벤토나이트의 X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES)와 Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) 스펙트 럼과 표준물질로서 AgO, Ag2O, AgI의 스펙트럼을 비교하였다. 그 결과, 벤토나이트에 흡착되었던 은이 떨 어져 나와 AgI 침전 클러스터를 형성함으로서 아이오딘의 이동이 지연되는 것으로 생각된다.

Most of iodine was captured by the block when NaI solution flowed through a bentonite block sorbed silver to retard the migration of iodine released from high-level radioactive wastes. In order to understand in detail the mechanism for the retardation of the iodine by the silver ion, X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) and Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectra of the silver sorbed bentonite before and after the contact with iodide were compared with those of AgO, Ag2O and AgI as references. This examination suggests that the silver ion sorbed on the bentonite is desorbed, and then it retards the migration of iodine by forming the cluster of AgI precipitate.

국산 칼슘 벤토나이트를 대상으로 온도가 팽윤압에 미치는 영향을 관찰하였다. 벤토나이트를 건조밀도 1.6 g/㎤으로 압축하고, 0.69 MPa의 일정한 수압으로 증류수를 공급하여 팽윤압을 측정하였다. 온도 영향 실험은 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃에서 승온조건과 감온조건으로 수행하였다. 압축 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 팽윤압 은 온도가 높을수록 감소하는 것으로 나타났다. 승온조건과 감온조건에서의 온도에 따른 팽윤압 거동에 차이를 보이며, 승온조건에서 온도에 따른 변화가 심하게 나타났다. 향후 온도 조건 외에 벤토나이트의 압축 밀도 변화, 지하수 조성에 따라 팽윤압 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 평가한다면, 앞으로 국내 고준위 폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 본다.

The effect of temperature on swelling pressure was observed with a Korean domestic Ca-bentonite which has been considered as a potential buffer material in the engineering barrier of a high level radioactive waste (HLW) disposal system. The Ca-bentonite was compacted to a dry density of 1.6 g/cm3, and then de-ionized water was supplied into it with a constant pressure of 0.69 MPa. The equilibrium swelling pressures were measured with different temperatures of 25 , 30 , 40 , 50 , 60 , 70 , respectively. The Ca-bentonite showed a sufficiently high swelling pressure of 5.3 MPa at room temperatures. Then it was clearly showed that the equilibrium swelling pressure was decreased with an increase of temperature. Interestingly, there were some differences in temperature effect on the equilibrium swelling pressure when the environmental temperature is increasing or decreasing. For further clarifying the swelling behaviour of a Korea domestic Ca-bentonite, the change of a compaction level, and the composition variation of a supplied water would be needed to use in conceptual design of HLW disposal system.

수중 지표동물인 어류의 137Cs 및 85Sr 전이계수 측정 실험이 수행되었다. 실험 어종은 우리나라 고유 담 수종인 버들치(Chinese Minnow, Rhynchocypris Oxycephalus)였다. 버들치는 가로, 세로, 높이가 각각 45cm, 85cm, 50cm의 아크릴 수족관 내에서 사육되었다. 수족관 물은 바닥과 벽면에 설치된 여과기에 의 해 연속적으로 정화되었다. 먹이로는 과립 형태의 어류 분말을 1일 2회 투여하였다. 수중 137Cs 과 85Sr의 초 기 농도가 각각 약 0.02μCi/l 및 0.1μCi/l가 되도록 방사성 용액을 가한 다음 1개월 간 총 10회에 걸쳐 어 류와 물 시료를 채취하였다. 전이계수는 137Cs 이 (0.085 ~ 3.988)lkg-1, 85Sr는 (0.348 ~ 13.906)lkg-1로 측정 되었다.

An experiment measuring the concentration ratios of 137Cs and 85Sr in fish as an index aquatic animal was performed. The species was Chinese minnow (Rhynchocypris Oxycephalus), a Korean native freshwater species. Chinese minnows were reared in acryl aquarium which was 45 cm wide, 85 cm long and 50 cm high. Water in the aquarium was successively purified using filtering devices attached on the floor and the wall. Fish powder in a particulate form was supplied twice a day for feeding. After a radioactive solution was added to make the initial water concentrations approximately 0.02 μCi/l and 0.1 μCi/l for 137Cs and 85Sr, respectively, the fish and water were sampled 10 times for a month. The concentration ratios were measured to be 0.348lkg-1~ 13.906lkg-1 for 137Cs and 0.474lkg-1~ 13.089lkg-1 for 85Sr.

가압경수로 원전 농축폐액건조설비(CWDS)에서 생성된 농축폐액건조물에 대한 고화 방안이 국내외적 으로 다양하게 연구되어 왔다. 농축폐액의 고형화는 시멘트, 파라핀 및 폴리머와 같은 고화제를 이용하여 수행되어 왔다. 동시에 농축폐액에 대한 감용비 및 운영상의 효과를 극대화하기 위한 농축폐액건조물 전처 리 방안이 연구되었다. 건조된 분말 형태의 폐기물을 유리화 설비에서 직접 처리할 경우 비산에 의한 배기 체 계통 및 폐기물 투입구 막힘 현상을 초래할 수 있으며, 취급 중 비산에 의한 방사성피폭을 초래할 가능 성이 있다. 본 연구는 분말형태의 폐기물을 유리화설비에서 고화하기 위한 전처리방안을 수립하고 이를 통해 설비운영 및 폐기물 운영관리의 안전성을 확보하는데 목적이 있다.

The solidification methods for powder wastes dried at CWDS(Concentrate Waste Drying System) in PWR have been studied in a variety of ways both at home and abroad. The solidification for these wastes has been performed using stabilization agents such as cement, paraffin and polymer. The applicability studies to maximize the reduction ratio of wastes and operational effectiveness for wastes treatment have been carried out, recently. It is necessary to pretreat the powder wastes before feeding wastes to vitrification facility because the fines flying brings about clogging of feeding pipes and off-gas treatment system or workers' exposure to radiation during maintenance. This paper describes an effective method for treatment of powder wastes to improve safety and stability of vitrification facilities.

중·저준위 방사성폐기물의 처분/폐쇄 이후 기체 발생특성을 실질적으로 평가하고, 이를 이용하여 발생기체의 종합관리방안을 수립하기 위해서는 실제 처분환경 및 특성을 고려한 장기간의 실증실험이 반드시 필요하다. 이와 관련하여, 국내에서는 월성원자력환경관리센터의 1단계 10만 드럼 처분에 대한 건설 및 운영허가 후속조치의 일환으로 현장부지에 기체발생 실증실험시설이 설치/운영될 예정이다. 이에 대한 기초자료를 확보하기 위해, 세계 각국에서 다양한 방법으로 수행된 기체 발생 관련실험에 대한 제반사항을 면밀히 검토하였다. 그 결과 우리나라와 처분방식이 동일하며, 실제 폐기물 포장드럼 및 기본 처분단위를 이용하여 대규모로 수행된 핀란드의 기체 발생 실험자료를 국내 실증실험에 대한 유용한 벤치마크로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

In order to acquire a realistic forecast for the lifetime and post-closure period of the LILW (Low- and Intermediate-Level Radioactive Waste) repository and to establish the overall management plan associated gas issues. it is essential to carry out the long-term experimental research in a similar condition to actual disposal environment. Regarding this, as a part of the following-up actions on a construction and operation license for the first stage of the LILW repository at Gyeongju city, a large-scale in-situ experiment is being planned. For securing basic data on the experiment, the experimental researches related to gas generation previously performed in foreign countries are reviewed in detail. Consequently, it is judged that data on the gas generation experiment in Finland could be practically applied as the benchmark for our large-scale in-situ experiment because the same disposal concept as the Korean repository is adopted and the experiment is performed in a scale large enough to allow the use of regular waste packages.

2009년말 기준으로 11,811 다발의 경수로 사용후핵연료가 방출되었으며, 지금까지 각 사용후핵연료에 대해 방사선원항을 가중하여 설계에 반영하기는 사실상 불가능하여, 원자력 관련시설 설계시 보수성을 갖는 기준 사용후핵연료를 선정하고 이를 바탕으로 시스템 설계를 수행하여 왔다. 방사선원항에 대한 단순모델을 적용하면 각 사용후핵연료에 대한 방사선원항을 가중함으로써 이와 같은 보수성을 배제할 수 있으므로 본 연구에서 웨스팅하우스형 원전에 사용된 사용후핵연료를 대상으로 방사선원항, 즉, 붕괴열, 방사능세기, 섭취위해도 등을 예측하기 위한 회귀모형을 개발하였다. 개발된 회귀식을 통해 예측된 방사선원항값은 ORIGEN-ARP 코드로 계산된 값과 약 5% 이내에서 잘 일치함을 확인하였으며, 이의 유용성을 검토한 결과 각각의 사용후핵연료에 대한 방사선원항을 가중하여 설계에 반영하면 보수성을 줄일 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발된 회귀식은 사용후핵연료의 저장 및 처분과 관련한 원자력시설 설계시 개념설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

There are 11,811 LWR spent fuels stored at reactor sites, as of 2009. Source terms based on reference spent fuel which represents entire spent fuels with bounding values in the aspect of source term has been applied to a design of nuclear installations, instead of those which are generated by weighting respective source term for each spent fuel. Simplified regression models to estimate total decay heat, radioactivity, and ingestion hazard index for spent fuel from Westinghouse-type reactors were developed in this study, because it can be used as a fundamental model for weighting source term for respective spent fuel to exclude of conservativeness in source terms. It was found that the estimated source terms agreed with calculated value from ORIGEN-ARP within 5%. It was also found that the conservativeness could be excluded if the weight source terms were used as reference source term in the design. Therefore, it is expected that the developed regression model could be widely used in the conceptual design process of nuclear facilities related with storage and disposal of spent nuclear fuel.

한국원자력연구원 처분시스템개발과제에서는 처분용기 재료로 개발중인 저온분사코팅 구리에 대한 틈새부식(Crevice Corrosion) 시험을 실시하였다. 본 시험을 통하여 틈새에서의 부식의 발생여부와 발생되는 시점인 재부동태 전위(Repassivation Potential)를 측정하고자 하였다. 틈새부식 시험 방법으로 (1) ASTM G61-86 : Cyclic Potentiodynamic Polarization Measurements, (2) SWRI의 PotentiodynamicPolarization plus intermediate Potentiostatic Hold method, 그리고 (3) ASTM G192-08 (THE method) :Potentiodynamic- Galvanostatic -Potentiostatic Method 등의 3가지 방법을 소개하였다. 실제 저온분사코팅구리의 부식시험에서는 ASTM G61-86에 따라서 틈새부식장치를 설치하고, 저온분사 코팅구리가 KURT 지하수를 모사한 용액에서 어떻게 틈새부식이 일어나는지 살펴보았다. 전기적 부식조건으로는 Cyclic Polarization Test, Potentiostatic Polarization Test, 및 Electrochemical Impedance Spectroscopy등을 사용하였다. 그리고 부식이 된 시편에 대해 Profilometer Measurement를 통해 실제 부식표면의 높낮이를 조사하여 틈새부식 유무를 관찰하였다. 최종적인 결론에서는 저온분사코팅구리는 틈새부식을 나타나지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 시험에 사용된 세종류의 구리에 대한 상대적인 부식평가를 한 결과, 부식전위를 나타내는 개방회로(Open Cell)에서의 전위는 구리의 제조방식과 상관없이 구리의 순도가 높을수록 높은 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 KURT 심층지하수 조건에서는 구리는 틈새부식이 발생되지 않는다고 결론지었다.

The developement of a HLW disposal canister is under way in KAERI using Cold Spray Coating technique. To estimate corrosion behavior of a cold sprayed copper, a creivice corrosion test was conducted at Southwest Research Institute(SWRI) in the United State. For the measurement of repassivation potential needed for crevice corrosion, three methods such as (1) ASTM G61-86 : Cyclic Potentiodynamic Polarization Measurements, (2) Potentiodynamic Polarization plus intermediate Potentiostatic Hold method, and (3) ASTM G192-08 (THE method) : Potentiodynamic- Galvanostatic-Potentiostatic Method, were introduced in this report. In the crevice corrosion test, the occurrence of corrosion at crevice area was optically determined and the repassivation potentials were checked for three kind of copper specimens in a simulated KURT underground water, using a crevice former dictated in ASTM G61-86. The applied electrochemical test techniques were cyclic polarization, potentiostatic polarization, and electrochemical impedance spectroscopy. As a result of crevice corrosion tests, every copper specimens including cold sprayed one did not show any corrosion figure on crevice areas. And the open-cell voltage, at which corrosion reaction initiates, was influenced by the purity of copper, but not their manufacturing method in this experiment. Therefore, it was convinced that there is no crevice corrosion for the cold sprayed copper in KURT underground environment.