The objective of this thesis is to investigate the radionuclide-retarding characteristics of clay-based materials. When the clay-based materials are used for the backfill of waste repository, the retardation of radionuclide release is dependent upon the following processes : water permeation, radionuclide sorption and diffusion. In this connection, a series of tests were conducted with domestic clay-based materials.
The clay-based materials used involve a bentonitic clay taken from Younil area, Kyungbuk and the mixture of the bentonitic clay and crushed granite taken from Daeduk, Taejon. The water content and particle size distribution of the clay-based materials were adjusted to give a maximum dry density.
In water permeation tests, the dimension of test cylinder was $5 × 10^{-2} m$ in diameter and $5 × 10^{-2} m$ in height, and the water, which is a synthetic ground water, was fed at the pressure of 1.3 Kg/㎠. The hydraulic conductivity of the clay-based materials decreased with increasing dry density as well as clay content. When the clay content was increased to 50 wt.%, the hydraulic conductivity is $3 × 10^{-10} m/sec$ even at the dry density of 1.5 Mg/㎥. Also, when the dry density was 1.5 Mg/㎥, the hydraulic conductivity significantly decreased and its value was $4 × 10^{-10} m/sec$ at the clay content of 30 wt.%. For the mixture of clay and crushed rock, the hydraulic conductivity was dominated by the clay and the relationship could be explained by means of the effective clay dry density concept.
Sorption tests were performanced using a typical batch method. As the representative radionuclides of cation and anion were employed Sr-90 and I-125, respectively. The sorption isotherm was determined, and the sorption mechanism of radionuclides onto the clay was investigated using a sequential chemical extraction technique. The effects of radionuclide concentration, ionic strength, initial solution pH, solution-to-clay ratio, and the clay content of mixture on radionuclide sorption were also investigated. For strontium, experimental data fitted Freundlich isotherm quite well, where KF=238.8, N=0.97, and the correlation coefficient was 0.99. The results of desorption tests indicated that the strontium was sorbed on the clay by ion exchange reaction. The distribution coefficients of strontium decreased with increasing radionuclide concentration and ionic strength. When the pH of initial solution increased, the distribution coefficients showed little change within the pH of about 10, which was followed by a drastic increase in the distribution coefficient beyond the value of pH. This could be explained by the change of the surface charge of clay particle and strontium speciation in the solution. The solution-to-clay ratio had significant effect on the sorption of strontium. The distribution coefficient decreased with the decrease of the solution-to-clay ratio, i.e., the increase of clay content. When the solution-to-clay ratios were in the range of from 2 ㎥/Mg to 5 ㎥/Mg, the distribution coefficients were much lower than those of typical batch tests with the solution-to-clay ratio of 10 ㎥/Mg. The distribution coefficient of strontium with the mixture of clay and crushed rock was controlled by the clay. The value increased with an increase in the clay content of the mixture, which, beyond the clay content of about 50 wt.%, leveled off towards a contant value. For iodide, there was no sorption onto the clay-based materials and it was found that the sorption of iodide was attributed to the electric repulsion between the iodide and the surface of clay particle with negative charge.
The diffusion of radionuclides in clay-based materials was investigated using through-diffusion tests. The diffusion coefficients were measured for I-125 and Sr-90 and the diffusion mechanism of both radionuclides was also explained. When the dry densities of compacted samples were in the range of from 1.0 Mg/㎥ to 1.7 Mg/㎥, the apparent diffusion coefficients were 1.2 × 10^{-12} ㎡/sec - $7.1 × 10^{-11} ㎡/sec$ and the effective diffusion coefficients were $1.3 × 10^{-12} ㎡/sec - 4.9 × 10^{-11} ㎡/sec$. The values of these diffusion coefficients decreased with increasing the dry density, which could be explained by the change of formation factor, porosity, sorption distribution coefficient, and surface diffusion coefficient. In the compacted clay-based materials, the diffusion of iodide was dependent upon anion exclusion. The strontium was migrated entirely by pore diffusion at the low dry density. However, the contribution of surface diffusion to the overall diffusion process was getting significant with increasing the dry density. At the dry density of $1.7 Mg/㎥$ the surface diffusion was found to be comparable to the pore diffusion. The diffusion of iodide and strontium in the mixture of clay and crushed rock was controlled by the clay. The crushed rock played a role of inert material. This could be explained by the effective clay dry density concept.
The experimental results obtained in this thesis will be used as basic data for the performance evaluation of domestic clay-based materials and the safety assess of radioactive waste disposal.
본 연구는 방사성폐기물 처분장의 뒷채움재로 고려되고 있는 점토질물질의 핵종유출저지특성을 규명 하는데 그 목적을 두었다. 처분장 뒷채움재로 점토질물질을 사용할 경우 뒷채움재에 의한 핵종유출 저지특성은 투수, 수착 및 확산과정에 의해 좌우된다. 이와 관련하여 국산 점토질물질을 대상으로 투수특성과 핵종 수착 및 확산특성 규명을 위한 실험이 수행되었다.
후보 뒷채움재로 고려한 국산 점토질물질은 동해안의 연일지역에 생산되는 벤토나이트와 대덕지역의 분쇄화강암을 기본물질로 한 단일재 또는 혼합재를 만들어 사용하였다. 점토질 물질의 수분함량과 구성물질의 입도분포는 최대 건조밀도를 갖도록 해서 사용하였다.
투수실험에서 실린더의 크기는 직경 50 mm, 높이 50 mm 로 하였으며, 물은 합성지하수로서 1.3 Kg/㎠의 압력으로 가압하였다. 점토질물질의 수리전도도는 점토함량 뿐만 아니라 건조밀도가 증가할수록 감소하였다. 점토함량을 50 %로 증가시켰을 때 수리전도도는 건조밀도가 1.5 Mg/㎥ 임에도 불구하고 $3 × 10^{-10} m/sec$ 이었다. 또한, 건조밀도를 1.7 Mg/㎥로 증가시켰을 때는 30 %의 점토함량에서도 수리전도도는 상당히 감소하여 $4 × 10^{-10} m/sec$ 이었다. 점토와 분쇄암석 혼합물을 통한 수리전도도는 점토함량에 좌우 되었으며 이 관계는 유효건조밀도개념으로 잘 설명할 수 있었다.
핵종 수착실험은 회분식방법으로 수행하였으며 Sr-90 와 I-125 를 대상핵종으로 하였다. 수착등온선을 결정하고 순차적인 화학추출법으로 수착반응기구를 규명하였다. 핵종농도, 이온강도, 초기용액의 pH, 용액-대-점토의 비, 혼합물중의 점토함량이 점토질물질에 대한 핵종수착에 미치는 영향도 규명하였다. 스트론튬의 경우, 실험데이타는 Freundlich 등온선을 잘 만족하였으며 $K_F = 238.8$, N = 0.97, 상관계수 = 0.99 이었다. 순차적인 화학추출법을 이용한 탈착실험결과, 스트론튬은 이온교환반응에 의해 점토매질에 수착됨을 알 수 있었다. 스트론튬의 수착분배계수는 실험용액에서의 핵종농도 및 이온강도가 증가할수록 감소하였다. 초기용액의 pH는 약 10 이하 까지는 수착분배계수의 변화가 거의 없었으나, 그 이상의 pH 에서는 크게 증가하였다. 이것은 pH 에 따른 점토입자의 표면전하 변화와 스트론튬의 화학종 분포로서 설명을 할 수 있었다. 용액-대-점토의 비는 수착분배계수에 큰 영향을 주었으며 그 비가 감소할수록, 즉, 점토가 증가할수록 스트론튬의 수착분배계수는 크게 감소하였다. 또, 이 실험결과는 압축점토에서의 수착분배계수가 전형적인 회분식방법으로 측정한 경우보다 훨씬 작은 값을 가짐을 보여주었다. 점토-분쇄암석 혼합물에 대한 수착실험에서 수착분배계수는 점토에 좌우되었으며 그 값은 점토비율이 커질수록 증가하다가 50 wt% 이상 부터는 거의 변화가 없이 일정한 값을 보여주었다. 점토질물질에 대한 요오드의 수착실험결과, 요오드는 거의 수착이 되지않았으며, 이것은 요오드와 음전하를 갖는 점토입자표면 사이에 척력이 작용하기 때문으로 설명되었다.
점토질물질에 대한 핵종 확산실험은 관통확산법으로 수행되었으며, I-125 와 Sr-90을 대상으로 확산계수를 측정하고 압축조건에서 두 핵종의 확산기구가 규명되었다. 압축 점토질물질의 건조밀도가 1.0 - 1.7 Mg/㎤ 일 때 겉보기확산계수는 $1.2 × 10^{-12} ㎡/sec - 7.1 × 10^{-11} ㎡/sec$, 유효확산계수는 $1.3 × 10^{-12} ㎡/sec - 4.9 × 10^{-11} ㎡/sec$ 범위의 값을 보였다. 이 값들은 건조밀도가 증가할수록 감소하였으며, 형상인자, 공극율, 평형분배계수 및 표면확산계수의 변화로 설명할 수 있었다. 압축 점토질물질에서 요오드의 확산은 이온배척(ion exclusion)이 지배를 하였다. 스트론튬의 경우, 낮은 건조밀도에서는 공극확산 (pore diffusion)이 지배를 하였으나, 건조밀도가 증가할수록 표면확산 (surface diffusion)의 역할이 커져 건조밀도가 1.7 Mg/㎤에서는 공극확산과 표면확산이 서로 경쟁적으로 작용함을 알 수 있었다. 점토-분쇄암석의 혼합물을 통한 요오드와 스트론튬의 확산은 점토에 의해 지배되었고 분쇄암석은 불활성물질 역할을 하였다. 이것은 유효건조밀도개념으로 설명을 할 수 있었다.
본 연구에서 얻어진 국산 점토질물질의 핵종유출저지특성에 관한 연구결과는 처분장 안정성평가를 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것이다.
