Anionic radionuclides pose one of the highest risks to the long-term safety assessments of disposal repositories. Therefore, techniques to immobilize and separate such anionic radionuclides are of crucial importance from the viewpoints of safety and waste volume reduction. The main objective of this study is to design a separator with minimum pressure disturbance, based on the concept of a conventional cyclone separator. We hypothesize that the anionic radionuclides can be immobilized onto a nanomaterial-based substrate and that the particles generated in the process can flow via water. These particles are denser than water; hence, they can be trapped within the cyclone-type separator because of its design. We conducted particle tracking analysis using computational fluid dynamics (CFD) for the conventional cyclone separator and studied the effects due to the morphology of the separator. The proposed sandglass-like design of the separator shows promising results (i.e., only one out of 10,000 particles escaped to the outlet from the separation zone). To validate the design, we manufactured a laboratory-scale prototype separator and tested it for iron particles; the efficiency was ca. 99%. Furthermore, using an additional magnetic effect with the separator, we could effectively separate particles with ~100% efficiency. The proposed sandglass-like separator can thus be used for effective separation and recovery of immobilized anionic radionuclides.

본 논문은 공학적방벽시스템의 THM 복합거동을 분석하기 위해 구축한 In-DEBS를 실제 운영하며 취득한 운영 초기 100일간의 현장데이터에 대해 살펴보고자 한다. 콘크리트로 플러깅을 한 In-DEBS 상부에서는 콘크리트가 양생하는 동안 열을 발생하게 되어 In-DEBS의 완충재 및 근계암반에 영향을 미치게 된다. 콘크리트 플러깅에서 멀어질수록 완충재 및 근계암반의 온도는 점점 감소하게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 센서 및 계측 시스템을 검증하였다. 처분용기를 모사한 히터는 온도제어를 통해 용기 표면 온도를 100℃로 유지할 수 있도록 설정하였으며, 시스템의 안전을 위해 일주일 동안 서서히 목표온도까지 올렸다. 히터 가동 직후 완충재의 온도는 약 4일 만에 정상상태에 도달하였으며, 상대습도는 증가하였다가 일정시간이 지난 뒤에 서서히 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 지하수 포화에 따른 팽윤에 의해 완충재의 압력이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 근계암반에서는 히터 가동 후 온도가 계속 증가하며, 암반의 변위도 계속 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.

본 논문은 고준위폐기물 처분시스템에서 공학적방벽의 열-수리-역학적(Thermal-hydraulic-mechanical) 복합거동 실증을 위 In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 를 개발하여 구축하는 과정에 대해 설명한다. 공학적방벽은 크게 처분용기, 완충재 그리고 근계암반으로 이루어져 있는데, In-DEBS는 완충재 및 근계암반을 대상으로 지하수 유입 및 처분용기의 발열에 의한 THM 복합거동을 분석할 수 있도록 설계되어 있다. In-DEBS 현장시험은 A-KRS의 1/2.3 규모로 설계되어 있기 때문에 처분공의 지름이 약 860 mm로 작게 굴착하였다. 따라서, 처분공 안에서 센서와 히터를 삽입하면서 완충재 블록을 조립하는 것은 힘들기 때문에 완충재 블록 일체형 설치 틀(OBPA)를 개발하여 외부에서 모두 조립하였다. 완충재블록, 센서 및 히터가 조립 완료된 일체형 설치 틀은 총 무게가 약 3톤으로 매우 무겁기 때문에, 처분공에 정확히 삽입하기 위해서는 특별한 운송기구가 필요하다. 본 연구에서는 레일을 이용하여 5톤 이상의 무게를 들어서 정확한 위치에 정치 시킬 수 있는 In-DEBS 전용 크레인을 개발하여 조립완료된 완충재 블록을 삽입하였다. 근계암반의 THM 복합거동을 분석하기 위해 In-DEBS 주위로 4개의 시험공을 굴착하여 총 40개의 온도 센서와 5개의 간극수압계를 설치하였다. 또한 근계암반의 변위를 측정하기 위해 원거리에서 두 개의 경사공을 굴착하여 총 10개의 변위 센서를 삽입하였다. In-DEBS에는 공학적방벽시스템에 온도, 상대습도, 압력, 그리고 변위 센서 등 총 185개의 센서가 설치되어 있으며, 이 센서들은 모두 다채널 동시 측정이 가능한 계측시스템에 연결되어 실시간으로 현장데이터를 저장하게 된다.

본 연구의 목적은 In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 시험장치에 대한 설계안을 도출하고, 현장실증용 공학적방벽재의 생산을 위한 최적 제작조건을 도출하는 것이다. 이와 관련하여 그간 한국원자력연구원에서 수행한 실증실험 수행경험과 문헌분석 그리고 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(AKRS)을 근거로 시험장치를 설계하였다. 또한 처분용기와 벤토나이트 완충재는 시험제작을 통해 최적의 제작조건을 도출하였고, 예비 성능평가를 통해 제작된 공학적방벽재의 성능을 검증하였다. In-DEBS 현장시험을 위해서 AKRS의 1/2.3 규모로 설계하였으며, 고른 온도분포의 핵연료 모사를 위하여 설계 전력량 4.2 kW의 알루미늄 재질 몰드히터를 사용하였다. 한편 In-DEBS에 사용될 공학규모 이상의 균질 완충재 블록을 제작하기 위해 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 국내 최초로 완충재 제작에 적용하였다. 연구결과 AKRS 완충재 블록 제한요건(건조밀도 › 1.6 kg·cm-3)을 충족하기 위해서는 1차로 40 MPa 이상의 플롯팅 다이 프레스 압력을 가하고, 2차로 50 MPa의 CIP 압력이 소요됨을 확인하였다. 또한 완충재 블록 내 센서설치를 위하여 CNC (Computer Numerical Control) 기법을 이용하여 센서위치를 정교하게 성형하였다

본 연구의 목적은 고준위폐기물 처분기술 개발과 관련하여 현장실증 연구를 위해 사용될 공학규모 이상의 균질 완충재 블록 을 제작하기 위한 새로운 방법론을 제시하는 것이다. 이와 관련하여 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 재하 및 냉간 등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 국내 최초로 완충재 제작에 적용하였다. 또한 소요 밀도기준을 충족하는 완충재 블록을 생산하기 위한 최적의 제작조건(프레스 및 CIP의 소요 압력)과 현장 적용성을 분석하였다. 상기 기법의 적용을 통해 완충재 블록 내 밀도분포 편차가 현저히 감소하였으며, 이와 동시에 평균 건조밀도가 소폭 상승하고 약 5%의 크기가 감소하였다. 또한 CIP 적용을 통해 응력이완(stress release) 현상이 감소하고, 이로 인해 시간 경과에 따른 표면균열 발생이 현저히 저감됨을 시험제작을 통해 확인하였다. 본 연구에서 제시된 방법론은 공학규모 이상의 균질한 완충재 블럭을 성형할 수 있으며, 또한 이는 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(AKRS; Advanced Korea Reference Disposal System of HLW)의 완충재 소요 밀도기준을 충족하는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 고준위폐기물 처분시 완충재로 사용되는 벤토나이트의 열적 거동을 평가하기 위해 실내실험장치를 제작하 였다. 그리고 실험 결과를 검증하기 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용한 열해석을 실시하였다. 그리고 실험 기간 동안의 계절변화를 감안하여 외부대기 온도에 따른 벤토나이트의 열적거동을 평가하였다. 해석결과, 스테인리스스틸 이 포함된 case3 해석모델의 결과가 실험결과와 1℃ 내외의 오차를 보이며 거의 일치함을 볼 수 있었다. 그리고 계절에 따 른 벤토나이트 온도 해석을 수행한 결과, 시간에 따른 온도분포 경향이 일치함을 확인하였다. 이러한 열해석을 통해 완충재 를 둘러싸고 있는 물질의 열전도도와 외부대기의 온도가 벤토나이트 완충재의 열적 거동에 큰 영향을 주는 요소임을 확인할 수 있었다. 향후 열원을 포함한 벤토나이트 완충재의 수분 포화 특성 실험이 실시 될 예정이므로, 실험에 대한 검증과 예측 을 위해 보다 적합한 수치해석모델 개발에 대한 연구가 필요할 것이다.

상대습도 데이터를 이용하여 벤토나이트 완충재 블록의 불포화 수리전도도 변화를 평가하였다. 불포화 매질에서의 물의 흐 름을 나타내는 일반적인 분석해를 통해 상대습도를 통한 불포화 수리전도도 계산방안을 도출하였고, 이를 실제 수행한 실 내 물 유입 실험 결과에 적용하여 포화가 진행됨에 따라 변화하는 완충재 불포화 수리전도도 양상을 확인하였다. 일반적인 포화 상태와는 확연히 다르게 수두 구배와 물의 유출량이 시간에 따라 불규칙하게 변화하는 결과를 나타냈으며, 벤토나이 트 완충재의 불포화 수리전도도는 시간에 따라 증가하는 경향을 보였다. 수분 흡수로 인한 벤토나이트 입자 팽창 때문으로 인한 매질 내 공극의 부피 및 크기 확대가 불포화 수리전도도값의 증가를 야기하는 것으로 판단되었고, 이러한 결과는 완 충재 블록의 팽창 정도와 수리전도도의 상관성에 관한 추후 연구의 필요성을 제시하였다. 본 연구에서 수행된 불포화 수리 전도도 평가 방안은 방사성폐기물 처분 시 완충재의 장기적인 수리학적 성능평가에 유용한 기술로 사용될 수 있을 것이다.

The field emitters were fabricated by screen-printing of carbon nanotube paste, and their emission stabilities were evaluated. It was found that the emission stability measured in a sealed device is much higher than that measured in a vacuum chamber in spite of similar pressure. This was because oxygen gas was scarcely remained in the sealed device, while the gas is continuously supplied into the vacuum chamber during the stability measurement. It was found that the plasma treatment etched the protruded CNTs, resulting in the uniform height of CNT tips. As a result, the stability was increased remarkably. It was also found that the stability of CNT paste emitter was improved by electrical aging and that the optimum condition for the aging was varied with the size of emitter.

We measured the degree of macrodispersion of the various single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) using UV-VIS-NIR absorption spectroscopy. CNTs were dispersed with SDS of 2 wt % in deionized water using the homogenizer and then were further centrifugated at 6000 g for 10 min. The degree of macrodispersion, expressed by Dm(λ)=Aa(λ)/Ab(λ)*100 (%), where λ is the wavelength and Aa(λ) and Ab(λ) are the absorbance of the sample after and before centrifugation, respectively. In the case of MWCNTs, we evaluated the degree of macrodispersion by the average degree of macrodispersion (Dm(λ)) between 1000 and 1200 nm. The degree of macrodispersion of SWCNTs was evaluated at the wavelength in which van Hove singularity-related transition regions were excluded, i.e., the range was chosen between E11S and E22S peaks. We have estimated six samples with the same method. The standard deviation of each sample was lower than 5. Therefore, we presented a reliable evaluation method for the macrodispersion of CNTs for standardization.

We propose an evaluation method of the relative content of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) in SWCNT soot synthesized by arc discharge using UV-VIS-NIR absorption spectroscopy. In this method, we consider the absorbance of semiconducting and metallic SWCNTs together to calculate the relative content of SWCNTs with respect to a highly purified reference. Our method provides the more reliable and realistic evaluation of SWCNT content with respect to the whole carbonaceous content than the previously reported method.

The synthetic methods for high yield of multiwalled carbon nanotube (MWNT) and singlewalled carbon nanotube (SWNT) with high purity by arc discharge have been investigated. MWNTs were synthesized under different pressures of helium and the gas mixture of argon and hydrogen. Relatively high pressure of 300-400 torr was required for high yield MWNTs synthesis at low bias voltage of about 20 V and 55 A, whereas low pressure of about 100 torr was required for SWNTs. The introduction of hydrogen gases during the synthesis of MWNTs improved the yield and purity of the samples. The SWNTs were synthesized by the assistance of a small amount of mixture of transition metals, which played as a catalyst during the formation process. The purity and yield of SWNTs were higher at a lower pressure and enhanced by mixing more components of the transition metals.