Because of increasing concerns regarding global warming and the longevity of oil and gas reserves, the importance of nuclear energy as a major source of sustainable energy is gaining recognition worldwide. To make nuclear energy truly sustainable, it is necessary to ensure not only the sustainability of the fuel supply but also the sustained availability of waste repositories, especially those for high-level radioactive waste (HLW). From this perspective, the effort to maximize the waste loading density in a given repository is important for easing repository capacity problems. In most cases, the loading of a repository is controlled by the decay heat of the emplaced waste. In this paper, a comparison of the decay heat characteristics of HLW is made among the various fuel cycle options. It is suggested that, for a future fast breeder reactor (FBR) cycle, the removal and burning of minor actinides (MA) would significantly reduce the heat load in waste and would allow for a reduction of repository size by half.
The deep underground High Level Waste (HLW) repository to dispose of 36,000tons of spent fuel from the reactors in Korea needs about $4km^2$ repository area. In this study, the deep undergrond repository layout was optimized to minimize the excavation rock volume as well as underground repository area. In the optimization, the results from thermal analysis were used to define the influence of tunnel and deposition hole spacings on repository layout. The repository area and excavation rock volume could be reduced with longer disposal tunnel length. When it is necessary to reduce the repository area with satisfying thermal criteria, it is better to reduce tunnel spacing and increase deposition hole spacing. In contrast, the excavation rock volume can be reduced by increasing the tunnel spacing and decreasing the hole spacing.
A geological repository has been considered one of the most adequate options for the disposal of high-level radioactive waste. A geological repository will be constructed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface. The geological repository system consists of a disposal canister with packed spent fuel, buffer material, backfill material, and intact rock. The buffer is very important to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. It can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of groundwater. High temperature in a disposal canister is released into the surrounding buffer material, and thus the thermal transfer behavior of the buffer material is very important to analyze the entire disposal safety. Therefore, this paper presents a thermal conductivity prediction model for the Kyungju compacted bentonite buffer material which is the only bentonite produced in Korea. Thermal conductivity of Kyungju bentonite was measured using a hot wire method according to various water contents and dry densities. With 39 data obtained by the hot wire method, a regression model to predict the thermal conductivity of Kyungju bentonite was suggested.
Bentonite is a recommended material for the multiple barriers in the final disposal of low-level radioactive waste (LLW) to prevent groundwater intrusion and nuclear species migration. However, after drying-wetting cycling during the repository construction stage and ion exchange with the concrete barrier in the long-term repository, the bentonite mechanical behaviors, including swelling capacity and hydraulic conductivity, would be further influenced by the groundwater intrusion, resulting in radioactive leakage. To comprehensively examine the factors on the mechanical characteristics of bentonite, this study presented scenarios involving MX-80 and KV-1 bentonites subjected to drying-wetting cycling and accelerated ion migration. The experiments subsequently measured free swelling, swelling pressure, and hydraulic conductivity of bentonites with intrusions of seawater, high pH, and low pH solutions. The results indicated that the solutions caused a reduction in swelling volume and pressure, and an increase in hydraulic conductivity. Specifically, the swelling capability of bentonite with drying-wetting cycling in the seawater decreased significantly by 60%, while hydraulic conductivity increased by more than three times. Therefore, the study suggested minimizing drying-wetting cycling and preventing seawater intrusion, ensuring a long service life of the multiple barriers in the LLW repository.
As high-level radioactive waste (HLW) generated from nuclear power plants is harmful to the human body, it must be safely disposed of by an engineered barrier system consisting of disposal canisters and buffer and backfill materials. A gap exists between the canister and buffer material in a HLW repository and between the buffer material and natural rock-this gap may reduce the water-blocking ability and heat transfer efficiency of the engineered barrier materials. Herein, the basic characteristics and thermal properties of granular bentonite, a candidate gap-filling material, were investigated, and their effects on the temperature change of the buffer material were analyzed numerically. Heat transfer by air conduction and convection in the gap were considered simultaneously. Moreover, by applying the Korean reference disposal system, changes in the properties of the buffer material were derived, and the basic design of the engineered barrier system was presented according to the gap filling material (GFM). The findings showed that a GFM with high initial thermal conductivity must be filled in the space between the buffer material and rock. Moreover, the target dry density of the buffer material varied according to the initial wet density, specific gravity, and water content values of the GFM.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.4
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pp.489-502
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2023
This article presents the crucial role played by the French underground research laboratory (URL) in initiating the deep geological repository project Cigéo. In January 2023, Andra finalized the license application for the initial construction of Cigéo. Depending on Government's decision, the construction of Cigéo may be authorized around 2027. Cigéo is the result of a National program, launched in 1991, aiming to safely manage high-level and intermediate level long-lived radioactive wastes. This National program is based on four principles: 1) excellent science and technical knowledge, 2) safety and security as primary goals for waste management, 3) high requirements for environment protection, 4) transparent and open-public exchanges preceding the democratic decisions and orientations by the Parliament. The research and development (R&D) activities carried out in the URL supported the design and the safety demonstration of the Cigéo project. Moreover, running the URL has provided an opportunity to gain practical experience with regard to the security of underground operations, assessment of environmental impacts, and involvement of the public in the preparation of decisions. The practices implemented have helped gradually build confidence in the Cigéo project.
Adequate design of engineered barriers, including canister, buffer and backfill, is important for the safe disposal of high-level radioactive waste. Three-dimensional computer simulations were carried out under different condition to examine the thermal and mechanical behavior of engineered barriers and rock mass. The research looked at five areas of importance, the effect of the swelling pressure, water content of buffer, density of compacted bentonite, emplacement type and the selection of failure criteria. The results highlighted the need to consider tensile stress in the outer shell of a canister due to thermal expansion of the canister and the swelling pressure from the buffer for a more reliable design of an underground repository system. In addition, an adequate failure criterion should be used for the buffer and backfill.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.1
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pp.65-93
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2023
Several countries have been operating radioactive waste disposal (RWD) programs to construct their own repositories and have used natural analogues (NA) studies directly or indirectly to ensure the reliability of the long-term safety of deep geological disposal (DGD) systems. A DGD system in Korea has been under development, and for this purpose a generic NA study is necessary. The Korea Atomic Energy Research Institute has just launched the first national NA R&D program in Korea to identify the role of NA studies and to support the safety case in the RWD program. In this article, we review some cases of NA studies carried out in advanced countries considering crystalline rocks as candidate host rocks for high-level radioactive waste disposal. We examine the differences among these case studies and their roles in reflecting each country's disposal repository design. The legal basis and roadmap for NA studies in each country are also described. However because the results of this analysis depend upon different environmental conditions, they can be only used as important data for establishing various research strategies to strengthen the NA study environment for domestic disposal system research in Korea.
A numerical study of the performance assesment of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in improved Korean reference disposal system (KRS+) for high-level radioactive waste is conducted using TOUGH2-MP/FLAC3D simulator. Decay heat from high-level radioactive waste increases the temperature of the repository, and it decreases as decay heat is reduced. The maximum temperature of the repository is below a maximum temperature criterion of 100℃. Saturation of bentonite buffer adjacent to the canister is initially reduced due to pore water evaporation induced by temperature increase. Bentonite buffer is saturated 250 years after the disposal of high-level radioactive waste by inflow of groundwater from the surrounding rock mass. Initial saturation of rock mass decreases as groundwater in rock mass is moved to bentnonite buffer by suction, but rock mass is saturated after inflow of groundwater from the far-field area. Stress changes at rock mass are compared to the Mohr-Coulomb failure criterion and the spalling strength in order to investigate the potential rock failure by thermal stress and swelling pressure. Additional simulations are conducted with the reduced spacing of deposition holes. The maximum temperature of bentonite buffer exceeds 100℃ as deposition hole spacing is smaller than 5.5 m. However, temperature of about 56.1% volume of bentonite buffer is below 90℃. The methodology of numerical modeling used in this study can be applied to the performance assessment of coupled THM processes for high-level radioactive waste repositories with various input parameters and geological conditions such as site-specific stress models and geothermal gradients.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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