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.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.14
no.2
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pp.135-147
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2016
The buffer in geological disposal system is one of the major elements to restrain the release of radionuclide and to protect the container from the inflow of groundwater. The buffer material requires long-term stability, low hydraulic conductivity, low organic content, high retardation of radionuclide, high swelling pressure, and high thermal conductivity. These requirements could be determined by the quantitative analysis results. In case of South Korea, the bentonites produced in Gyeongju area have been regarded as candidate buffer/backfill materials at KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) since 1997. According to the study on several physical and chemical characteristics of domestic bentonite in the same district, this is the Ca-type bentonite with about 65% of montmorillonite content. Through this study, we present the criteria for the performance evaluation items and methods when collecting new buffer/backfill materials.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.15
no.2
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pp.151-159
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2017
A deep geological disposal at a depth of 500 m in stable host rock is considered to be the safest method with current technologies for disposal of spent fuels classified as high-level radioactive waste. The most important requirement is that the temperature of the bentonite buffer, which is a component of the engineered barrier, should not exceed $100^{\circ}C$. In Korea, the amount of spent fuel generated by nuclear power generation, which accounts for about 30% of the total electricity, is continuously increasing and accumulating. Accordingly, the area required to dispose of it is also increasing. In this study, various duplex disposal concepts were derived for the purpose of improving the disposal efficiency by reducing the disposal area. Based on these concepts, thermal analyses were carried out to confirm whether the critical disposal system requirements were met, and the thermal stability of the disposal system was evaluated by analyzing the results. The results showed that upward 75 m or downward 75 m apart from the reference disposal system location of 500 m depth would qualify for the double layered disposal concept. The results of this study can be applied to the establishment of spent fuel management policy and the design of practical commercial disposal system. Detailed analyses with data of a real disposal site are necessary.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.3
no.4
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pp.341-348
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2005
Bentonite has been considered as a candidate buffer material in the underground repository for the disposal of high-level radioactive waste because of its low permeability, high sorption capacity, self sealing characteristics, and durability in nature. In this study, the potential for separation of bentonite particles caused by the groundwater erosion was studied experimentally for a Korean Ca-bentonite under the relevant repository conditions. Results showed that bentonite particles can be generated at the bentonite/granite interface and mobilized by the water flow although the intrusion of bentonite into fracture by swelling pressure was observed to be small. Different processes of mobilization of theses colloids from the compacted bentonite block have been identified in this study. The concentration of particles eluted in water was increased as the flow rate increased. Thus the result reveals that the erosion of the bentonite surface due to the groundwater flow together with intrusion processes is the main mechanism that can mobilize bentonite colloids in the fracture of the granite.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.9
no.3
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pp.169-179
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2011
There are two types of nuclear reactors in Korea and they are PWR type and CANDU type. The safe management of the spent fuels from these reactors is very important factor to maintain the sustainable energy supply with nuclear power plant. In Korea, a reference disposal system for the spent fuels has been developed through a study on the direct disposal of the PWR and CANDU spent fuel. Recently, the research on the demonstration and the efficiency analyses of the disposal system has been performed to make the disposal system safer and more economic. PWR spent fuels which include a lot of reusable material can be considered being recycled and a study on the disposal of HLW from this recycling process is being performed. CANDU spent fuels are considered being disposed of directly in deep geological formation, since they have little reusable material. In this study, based on the Korean Reference spent fuel disposal System (KRS) which was to dispose of both PWR type and CANDU type, the more effective CANDU spent fuel disposal systems were developed. To do this, the disposal canister for CANDU spent fuels was modified to hold the storage basket for 60 bundles which is used in nuclear power plant. With these modified disposal canister concepts, the disposal concepts to meet the thermal requirement that the temperature of the buffer materials should not be over $100^{\circ}C$ were developed. These disposal concepts were reviewed and analyzed in terms of disposal effective factors which were thermal effectiveness, U-density, disposal area, excavation volume, material volume etc. and the most effective concept was proposed. The results of this study will be used in the development of various wastes disposal system together with the HLW wastes from the PWR spent fuel recycling process.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.14
no.1
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pp.1-9
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2016
In this study, thermal-hydrological-chemical modeling for the alteration of a bentonite buffer is carried out using a simulation code TOUGHREACT. The modeling results show that the water saturation of bentonite steadily increases and finally the bentonite is fully saturated after 10 years. In addition, the temperature rapidly increases and stabilizes after 0.5 year, exhibiting a constant thermal gradient as a function of distance from the copper tube. The change of thermal-hydrological conditions mainly results in the alteration of anhydrite and calcite. Anhydrite and calcite are dissolved along with the inflow of groundwater. They then tend to precipitate in the vicinity of the copper tube due to its high temperature. This behavior induces a slight decrease in porosity and permeability of bentonite near the copper tube. Furthermore, this study finds that the diffusion coefficient can significantly affect the alteration of anhydrite and calcite, which causes changes in the hydrological properties of bentonite such as porosity and permeability. This study may facilitate the safety assessment of high-level radioactive waste repositories.
The objective of this present study is to understand long term(500 years) thermohydromechanical interaction behavior on joints adjacent to a repository cavern, when high level radioactive wastes are disposed of within discontinuous granitic rock masses, and then, to contribute this understanding to the development of a disposal concept. The model includes a saturated discontinuous granitic rock mass, PWR spent nuclear fuels in a disposal canister surrounded with compacted bentonite inside a deposition hole, and mixed bentonite backfilled in the rest of the space within a repository cavern. It is assumed that two joint sets exist within a model. Joint set 1 includes joints of $56^{\circ}$ dip angle, spaced 20m apart, and joint set 2 is in the perpendicular direction to joint set 1 and includes joints of $34^{\circ}$ dip angle, spaced 20m apart. The two dimensional distinct element code, UDEC is used for the analysis. To understand the joint behavior adjacent to the repository cavern, Barton-Bandis joint model is used. Effect of the decay heat from PWR spent fuels on the repository model has been analyzed, and a steady state flow algorithm is used for the hydraulic analysis.
Kim, Jin-Seop;Kwon, Sang-Ki;Cho, Won-Jin;Cho, Gye-Chun
Tunnel and Underground Space
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v.19
no.5
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pp.373-387
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2009
Considering the current construction technology and research status of deep repository tunnels for radioactive waste disposal, it is inevitable to use cementitious materials in spite of serious concern about their long-term environmental stability. Thus, it is an emerging task to develop low pH cementitious materials. This study reviews the state of the technology on low pH cements developed in Sweden, Switzerland, France, and Japan as well as in Finland which is constructing a real deep repository site for high-level radioactive waste disposal. Considering the physical and chemical stability of bentonite which acts as a buffer material, a low pH cement limits to $pH{\leq}11$ and pozzolan-type admixtures are used to lower the pH of cement. To attain this pH requirement, silica fume, which is one of the most promising admixtures, should occupy at least 40 wt% of total dry materials in cement and the Ca/Si ratio should be maintained below 0.8 in cement. Additionally, selective super-plasticizer needs to be used because a high amount of water is demanded from the use of a large amount of silica fume.
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.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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