Cobalt can be released into the natural environment as industrial waste from the alloying industry and as acid mine drainage, and it is also a radionuclide (60Co) that constitutes high-level radioactive waste. Smectite is a mineral that can be useful for adsorption and isolation of this element. In this study, Cheto-type montmorillonite (Cheto-MM), which is the source clays of The Clay Mineral Society (CMS) and already well-characterized, was used. The effect of the adsorption site affected by the presence of interlayer water on the adsorption of cobalt before and after dehydration by heating was evaluated and the adsorption mechanism of cobalt on Cheto-MM was studied by applying adsorption kinetics and adsorption isotherm models. The results showed that the adsorption characteristics changed with dehydration and subsequent shrinkage, and cobalt was found to be adsorbed at the edge of Cheto-MM for about 38% and adsorbed at the interlayer site for about 62%, suggesting that the cobalt adsorption of Cheto-MM is significantly influenced by the interlayer. By applying the adsorption kinetic models, the cobalt adsorption kinetics of Cheto-MM is explained by a pseudo-second-order model, and the concentration-dependent adsorption was best described by the Langmuir isotherm adsorption model. This study provides basic knowledge on the adsorption characteristic of cobalt on montmorillonite with different adsorption sites and is expected to be useful in predicting the adsorption behavior of smectite in high-level radioactive waste disposal sites in the future.
The mobility and transport of radioactive cesium are crucial factors to consider for the safety assessment of high-level radioactive waste disposal sites in granite. The retardation of radionuclides in the fractured crystalline rock is mainly controlled by the hydrochemical condition of groundwater and surface reactions with minerals present in the fractures. This paper reports the experimental results of cesium sorption to the Wonju Granite, a typical Mesozoic granite in Korea, performed in an anaerobic chamber that mimics the anoxic environment of a deep disposal site. We measured the rates and amounts of cesium (133Cs) removed by crushed granite samples in different electrolyte (NaCl, KCl, and CaCl2) solutions and a synthetic groundwater solution, with variations in the initial cesium concentration (10-5, 5×10-6, 10-6, 5×10-7 M). The cesium sorption kinetic and isotherm data were successfully simulated by the pseudo-second-order kinetic model (r2= 0.99) and the Freundlich isotherm model (r2= 0.99), respectively. The sorption distribution coefficient of granite increased almost linearly with increasing biotite content in granite samples, indicating that biotite is an effective cesium scavenger. The cesium removal was minimal in KCl solution compared to that in NaCl or CaCl2 solution, regardless of the ionic strength and initial cesium concentration that we examined, showing that K+ is the most competitive ion against cesium in sorption to granite. Because it is the main source mineral of K+ in fracture fluids, biotite may also hinder the sorption of cesium, which warrants further research.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.4
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pp.419-434
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2020
In this study, the damage parameters of Mazars model for KURT (KAERI Underground Research Tunnel) granite are measured form uniaxial compressive and Brazilian tests under the simulated coupled condition of a deep geological disposal. The tests are conducted in three different temperatures (15℃, 45℃, and 75℃) and dry/saturated conditions. Major model parameters such as maximum effective tensile strain (𝜖d0), At, Bt, Ac, and Bc differ from the typical reference values of concrete specimens. This is likely due to the difference in elastic modulus between rock and concrete. It is found that the saturation of specimens causes an increase in value of Bt and Bc while, the rise in temperature increases 𝜖d0 and Bt and decreases Bc. The damage model obtained from this study will be used as the primary input parameters in the development of coupled Thermo-Hydro-Mechanical Damage numerical model in KAERI.
Severe damage can occur around deposition holes due to complex interaction of thermo-hydro-mechanical (THM) loading during the long term operation of high level radioactive waste repository. Many candidate sites for repository are located in crystalline rock mass, therefore mechanism of damage follows the form of brittle fracture and failure. This paper briefly introduces major outcomes from 15 years international collaborative project, DECOVALEX, and presents major study results for current ongoing benchmark test study from DECOVALEX-THMC, to evaluate the effect of THM loading to rock mass in excavation damaged zone (EDZ) near deposition holes. Through benchmark test model by simplifying THM loading to boundary loading obtained numerical results are compared, and discrete fracture interaction after up to 1 million years operation is discussed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.2
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pp.211-222
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2011
In this paper a structural analysis of the PWR(pressurized water reactor) canister with 102cm diameter is carried out to evaluate the structural safety of the canister for the impact force occurring at the moment of collision with the ground in the falling plumb down accident from the carriage vehicle which may happen during the canister handling at the spent nuclear fuel disposal repository. For this, a rigid body dynamic analysis of the canister is executed to compute the impact force using the commercial CAE system, RecurDyn, and a nonlinear structural analysis is performed to compute stresses and deformations occurring inside the canister for this computed impact force using the commercial FEM code, NISA. From these analysis results, the structural safety of the canister is evaluated for the falling plumb down accident from the carriage vehicle due to the inattention during the canister handling at the repository. The rigid body dynamic analysis performed assuming the canister as a rigid body shows that the canister falls plumb down to the ground in two types. And also it shows that early collision impact force is the biggest one and following impact forces decrease gradually. The height of the carriage vehicle in the repository is assumed as 5m in order to obtain the stable structural safety evaluation result. The nonlinear structural analysis of the canister is executed for the biggest early impact force. The structural analysis result of the canister shows that the structural safety of the PWR canister is not secured for the falling plumb down accident from the moving carriage vehicle because the maximum stresses occurring in the cast iron insert of canister are bigger than the yield stress of the cast iron.
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 geological 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 physiochemical 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 bentonite 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.
Under high-level radioactive waste repository conditions, bentonite as an engineered barrier material undergoes thermal, hydrological, mechanical, and chemical processes. We report the applications of X-ray Computed Tomography (CT) imaging technique on the characterization and analysis of bentonite over the past decade to provide a reference of the utilization of this technique and the recent research trends. This overview of the X-ray CT technique applications includes the characterization of the bentonite either in pellets or powder form. X-ray imaging has provided a means to extract grain information at the microscale and identify crack networks responsible for the pellets' heterogeneity. Regarding samples of pellets-powder mixtures under hydration, X-ray CT allowed the identification and monitoring of heterogeneous zones throughout the test. Some results showed how zones with pellets only swell faster compared to others composed of pellets and powder. Moreover, the behavior of fissures between grains and bentonite matrix was observed to change under drying and hydrating conditions, tending to close during the former and open during the latter. The development of specializing software has allowed obtaining strain fields from a sequence of images. In more recent works, X-ray CT technique has served to estimate the dry density, water content, and particle displacement at different testing times. Also, when temperature was added to the hydration process of a sample, CT technology offered a way to observe localized and global density changes over time.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.6
no.2
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pp.101-109
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2008
For the Kyungju bentonite which is considered as a candidate material for the buffer and backfill in the high-level waste repository, the thermal conductivities of compacted bentonite and a bentonite-sand mixture were measured. The thermal conductivities of the compacted bentonites with a dry density of 1.2 to $1.8\;Mg/m^3$ and the bentonite-sand mixture with a dry density of 1.6 and $1.8\;Mg/m^3$ were measured within the gravimetric water content range of 10wt% to 20wt% and the sand fraction range of 10 to 30wt%. The thermal conductivity of compacted bentonite and a bentonite-sand mixture increases with increasing dry density and sand weight fraction in the case of constant water weight fraction, and increases with increasing water weight fraction and sand weight fraction in the case of constant dry density. The empirical correlations to describe the thermal conductivity of compacted bentonite and a bentonite-sand mixture as a function of water fraction at each dry density were suggested. These correlations can predict the thermal conductivities of bentonite and a bentonite-sand mixture with a difference below 10%.
Due to enhanced precision in uranium isotope measurements with MC-ICP-MS, there has been a surge in studies concerning the naturally occurring uranium isotope ratio (238U/235U) and its associated fractionation processes. Several researchers have highlighted that the 238U/235U ratio, previously assumed to be constant, can vary by several per mil depending on different natural fractionation processes. This review paper outlines the uranium isotope values (δ238U) for major terrestrial reservoirs and their variations. It discusses the range of δ238U values and uranium isotope fractionation seen in uranium ore deposits, based on deposit type and ore-forming conditions. In conclusion, this paper emphasizes the importance of studies on uranium ore deposits. Such deposits serve as natural simulation models vital for designing high-level radioactive waste repository sites.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.4
no.3
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pp.235-243
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2006
In this study, an experimental study on the sorption properties of uranium(VI) onto a bentonite colloid generated from Gyeongju bentonite which is a potential buffer material in a high-level radioactive waste repository was performed as a function of the pH and the ionic strength. The bentonite colloid prepared by separating a colloidal fraction was mainly composed of montmorillonite. The concentration and the size fraction of the prepared bentonite colloid measured using a gravitational filtration method was about 5100 ppm and 200-450 nm in diameter, respectively. The amount of uranium removed by the sorption reaction bottle walls, by precipitation, and by ultrafiltration was analyzed by carrying out some blank tests. The removed amount of uranium was found not to be significant except the case of ultrafiltration at 0.001 M $NaClO_4$. The ultrafiltration was significant in the lower ionic strength of 0.001 M $NaClO_4$ due to the cationic sorption onto the ultrafilter by a surface charge reversion. The distribution coefficient $K_d$ (or pseudo-colloid formation constant) of uranium(VI) for the bentonite colloid was about $10^4{\sim}10^7mL/g$ depending upon pH and ionic strength of $NaClO_4$ and the $K_d$ was highest in the neutral pH around 6.5. It is noted that the sorption of uranium(VI) onto the bentonite colloid is closely related with aqueous species of uranium depending upon geochemical parameters such as pH, ionic strength, and carbonate concentration. As a consequence, the bentonite colloids generated from a bentonite buffer can mobilize the uranium(VI) as a colloidal form through geological media due to their high sorption capacity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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