천마신교

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 초음파 속도를 활용한 벤토나이트 블록의 품질 평가

영문 : Quality Evaluation of Bentonite Blocks Using Ultrasonic Pulse Velocity

과제 팀명

천마신교

지도교수

박도원 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20228600** 전*(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20198600** 손*준

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 오*준

서울시립대학교 토목공학과 20228600** 손*호

서울시립대학교 토목공학과 20228600** 한*혁

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 고준위 방사성 폐기물 처분을 위한 공학적 방벽재인 벤토나이트 블록의 품질을 비파괴적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고 실험적으로 검증하는 것을 목표로 한다. 기존에는 실험실 규모에서의 품질 평가만이 가능했으나, 본 과제에서는 현장 환경을 고려한 공학 규모의 블록을 직접 성형하고 초음파 검사를 통해 그 품질을 평가하였다. 벤토나이트, 벤토나이트-모래, 벤토나이트-흑연 등 세 가지 시료를 각각 30개씩 총 90개를 제작하고, 다양한 비파괴 검사 기법을 비교한 결과, 초음파 검사가 가장 적합한 방법으로 선정되었다.

초음파 속도와 블록의 건조밀도 및 함수비 간의 관계를 분석하기 위해 회귀 모델과 도달 시간 측정 알고리즘을 개발하였고, 그 결과 초음파 속도는 건조밀도에 선형적으로 비례하며 함수비와도 유의미한 상관성을 보였다. 특히 흑연이 혼합된 BG 시료는 가장 높은 상관계수를 기록했으며, 이는 초음파 속도가 블록의 물리적 특성과 정량적으로 연결될 수 있음을 보여준다.

또한, 임계값 기반 도달 시간 추정 알고리즘을 도입하여 실험의 반복성과 정량성을 확보하였으며, Matlab을 활용한 분석을 통해 초음파 속도 기반의 품질 산정식을 제안하였다. 최종적으로 이 연구는 현장에서 벤토나이트 블록의 품질을 빠르고 경제적으로, 비파괴 방식으로 평가할 수 있는 방법론을 제시하였다는 데 큰 의의가 있다.

개발 과제의 배경

◇ 고준위방사성폐기물 처분에 필요한 압축 벤토나이트 완충재의 불균질성은 완충재 성능 저하의 주요 원인으로 알려져 있음. 고준위방사성폐기물 처분 방법인 심층 처분 개념은 국내 전력 생산량의 30%를 차지하고 있는 원자력 발전 운전을 지속적으로 할 수 있도록 도와주는 역할인 만큼 더 안전한 심층 처분 기술이 필요.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 지금까지는 실험실 규모에서의 완충재 - 벤토나이트 블록 품질평가 방법만이 연구 및 개발됨. 우리는 완충재로써의 벤토나이트 블록이 공학규모 즉, 온도와 습도, 진동 등을 고려하지 않고 현장 상황에 맞는 블록을 직접 성형함. 또한 여러 비파괴 검사 기법들 가운데 평가 기준을 통해 현장에서 품질평가를 할 수 있는 기법을 선정하고자 함

◇ 이를 통해 최종적으로 우리가 성형한 한국원자력연구원에서 제시된 완충재 블록 중 평가 방법에 가장 적합한 블록과 그 방법을 도출

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

● 핀란드/스웨덴: KBS-3V/KBS-3H 방식 개발, MX-80 Na-벤토나이트 사용, 붕괴열 제어에 특화, (Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB), Posiva Oy,KBS-3H System Design Phase 2011−2016: Final Report, 2017)

● 스위스: Opalinus Clay 기반 수평처분방식 채택, 자가밀봉(Self-sealing) 특성 활용, (Nagra, Project Opalinus Clay, 2022)

● 캐나다: CANDU 연료에 적합한 HCB(고밀도 벤토나이트) 버퍼박스 사용, 열전도도 향상 기술 적용, (NWMO, 2020)

● 한국: KRS-V(수직)/KRS+(수평) 처분방식 개발 중. 칼슘 벤토나이트 기반 완충재 활용 시도 중, (KAERI, 2008), (KIM et al., 2020)

◇ 심층처분시스템(Deep Geological Disposal, DGD): 고준위 방사성폐기물을 격리하기 위해 지하 깊은 곳                                                            (300~1000m)에 저장하는 방식

◇ 차폐블록 재료: 주요 차폐재로 벤토나이트(Bentonite), 일라이트(Illite), 몬트모릴로나이트(Montmorillonite) 등이 사용됨.

◇ 벤토나이트의 특성: 높은 팽윤성(swelling capacity)과 낮은 투과성으로 방사성 물질의 이동 차단, 높은 이온 교환 능력으로 방사성 핵종의 흡착 가능, 해외에서는 벤토나이트를 차폐재로 채택하여 심층처분 시스템 설계, 포화 시 열전도도: MX-80 → 1.0~1.25 W/(m·K), 국내 Ca-벤토나이트 → 0.8 W/(m·K)

◇ 프로그램 및 수치해석 방법: MATLAB 기반 데이터 분석 수행, 2D 및 3D 선형회귀분석을 통해 건조밀도와 수분함량에 따른 초음파 속도 변화 정량 분석

• 기술 로드맵

◇ 1단계 (~ 2025년 4월): 벤토나이트 블록의 기초 물성 파악 및 기존 해외 심층처분 시스템 (KBS-3V,  KBS-3H 등) 조사
◇ 2단계 (~ 2025년 5월): MATLAB을 활용한 기초 선형 회귀모델 구현 (2D, 3D), 실험 기반 데이터 확보를 통한 열-수리-역학 특성 분석 압축강도, 초음파 속도, 수분 함량과 건조 밀도간의 상관관계 정량화 
◇ 3단계 (~ 2025년 6월): 최적의 완충재 조건 도출 및 국내 지질 환경에서 적합한 현장 검증 방안 도출

관련 시장에 대한 분석

• 기존/경쟁 기술/제품 조사 비교

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• 시장성 분석

◇ 시장 동향: 전 세계 원전 운영국의 70% 이상이 고준위 폐기물 심층처분 연구를 진행 중인 만큼 고준위 방사성 폐기물의 심층처분 필요성이 전 세계적으로 대두되며, 관련 기술 수요는 지속 증가 중. 2030년까지 OECD 국가 중심으로 심층처분장 상용화 예정
◇ 국내 상황: 2032년 이후 원전 저장시설 포화 예정. 현재 심층처분시설 부재로 기술 확보가 시급. 벤토나이트 완충재는 연 1000톤 이상 필요 추정
◇ 사업화 가능성: 벤토나이트 물성 개선 기술(특히 열전도도 향상) 및 MATLAB 기반 분석 모델은 향후 국내 처분시스템 적용성 높음. 관련 산업(토목/광물/핵연료 기술)과 융합 가능

• 사회성 분석

◇ 환경보호: 고준위 폐기물의 안전한 처분을 통해 지하수 및 토양 오염 위험 저감
◇ 국민 안전성 확보: 심층처분 기술의 안정성은 국민 신뢰와 직접 연계되며, 기술 확보 시 사회적 수용성 상승
◇ 규제 대응성: STUK (핀란드), ENSI (스위스), CNSC(캐나다) 기준 비교 후 국내 표준화 기반 마련

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

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특허 출원 내용

내용