Colloid particles, which may be supplied naturally by groundwater, are shown to be important potential vehicles for the transport of radionuclides in geologic media. Colloid particles have also large available sites for adsorption because small particles have high surface areas per unit mass. This possibility leads us to investigate the controlling factors of colloids in groundwater to simulate the radionuclide behavior at the repository. Analytical models that can be generalized for the purpose, however, are not available yet. Therefore, in this study the mechanisms that affect the colloid transport were reviewed carefully and, also in order to evaluate the extent of their effects, general and analytical model combined with modified filtration equation was developed. This modified filtration equation including colloidal particle size effect was solved as a function of colloidal particle size, which is a important factor affecting the colloidal transport, grain diameter of porous media, groundwater velocity, distance, and time. Also, as another measure to estimate colloidal particle size effect, analytical method to calculate the adsorption of radionuclides on the colloid, concepts of transport velocity and migration distance were introduced. To evaluate the relative contribution of colloid to the radionuclide transport quatitatively, colloidal transport was compared with the corresponding solute transport under same conditions. Finally, the three phase analysis was proposed to treat the radionuclide transport more practically.
A good agreement was obtained between the predicted result by modified filtration equation and the corresponding published experimental data. As the colloidal size is increased, the effect of diffusional velocity on the mobility decreases and that of gravitational settling increases, respectively, whereas the mobility reduction due to filtration increases when interception and gravitational settling dominate. Results of case studies about colloidal particle size effect show that reduction in colloidal size enhances the colloid concentration when colloidal transport is dominated by only diffusion. However, the three phase analysis shows that this trend can be reversed, if the colloidal filtration becomes dominant mechanism in the colloidal transport. In particular, it is found that the relative contribution of colloid to radionuclide transport is getting more importance as time goes on. If solute concentration can be determined rather realistically, this tendency will be much more remarkable. Filtration equation applied in this study provide the advantage of estimation of colloidal particle size effect such as size distribution and gravitational settling and, on the other hand simplicity of application is another advantage because it is not so difficult to determine the parameters used in this equation. Consequently, the concluding results of this paper indicate that the colloidal effect must be considered in radionuclide transport modeling for the radioactive waste repository which has to be isolated from the human environment for long times.
지하수에 의해서도 자연적으로 공급될 수 있는 콜로이드 입자는 지하매질에서 방사 성 핵종들의 중요한 운반 수단임이 밝혀지고 있다. 콜로이드와 같이 크기가 작은 입자들은 단위 질량당 표면적이 크기 때문에 흡착에 활용될 수 있는 면적도 매우 크다. 이러한 이유로 지하수에서의 콜로이드의 거동에 영향을 미치는 인자들을 평가하는 것이 중요하나, 지금까지는 일반적인 예측 모델이 개발되지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 방사성 콜로이드의 이동에 영향을 미치는 메카니즘과 그 영향을 예측할 수 있는 모델로서 개선된 filtration equation을 개발하였다. 콜로이드의 다양한 크기로 인한 효과를 고려할 수 있는 이 모델은 거동에 영향을 미치는 중요한 인자인 콜로이드의 크기, 기공매체의 크기, 지하수 속도, 거리, 그리고 시간의 함수로 풀이되었다. 또한, 콜로이드의 크기가 미치는 효과를 평가하기 위해 수송속도(transport velocity) 개념과 이동거리(migration distance) 개념이 도입되었다. 콜로이드가 방사성 핵종의 운반에 기여하는 상대적인 크기를 평가하기 위하여 같은 조건하에서 용해된 물질에 의한 이동과 정량적인 비교를 하였다. 끝으로, 방사성 물질의 이동 현상을 실질적으로 다루기 위하여 콜로이드와 용해물질을 함께 다루는 3상 모델을 제시하였다.
본 논문에서 개발한 모델의 결과를 이미 간행된 바있는 기존의 실험 데이타와 비교한 결과 잘 일치함을 알 수 있었다. 콜로이드의 크기가 증가함에 따라 확산속도가 이동성에 미치는 영향은 감소하나 중력의 영향으로 인한 침적속도가 미치는 여향은 증가함을 보인다. 반면, 여과에 의해 이동성을 감소시키는 효과는 지하수 흐름으로 인한 차단(interception)과 중력에 의한 침적이 지배적이 될 때 증가하게 된다. 일반적으로 콜로이드가 확산에 의해서만 영향을 받을 때는 그 크기가 감소함에 따라 농도가 증가하는 경향을 보이나, 여과에 의해서도 영향을 받을 때는 3상 모델의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 앞에서와 반대의 경향을 나타낸다. 시간이 매우 클 경우에는 콜로이드가 용해물질에 비해 방사성 물질의 이동에 기여하는 상대적인 크기가 커지는데, 용해물질의 이동을 흡착에 의한 지연효과까지 포함하여 좀 더 현실적으로 계산하면 이와같은 경향은 더욱 두드러질 것이다.
본 논문에서 개발된 모델은 계산에 필요한 변수들을 결정하기가 어렵지 않기 때문에 변수로 인한 불확실성을 줄일 수 있고, 쉽게 적용할 수 있는 것이 장점이다. 이상의 결과들을 종합하여 볼 때, 방사성 물질을 항구적으로 인간의 환경과 안전하게 격리시키기 위해서는 방사성 핵종의 이동에 관한 모델링에 콜로이드도 반드시 고려하여야 함을 알 수 있다.
