Concrete is used as the main engineering barrier in low and intermediate level radioactive waste disposal facilities. As the time passed, the radionuclides stored in repository may contact with groundwater and leak into the ecosystem through the rock media. In this process, the radionuclides can react with calcite via sorption or coprecipitation, because calcite is the major mineral of concrete. Under the various background conditions in repository, frequent dissolution-precipitation reactions can happen. Dissolution of Sr-coprecipitated calcite may be different from that of SrCO3(s) which can mislead the safety performance of radioactive Sr and the estimate of Sr mobility based on the solubility of SrCO3(s). Strontium is not only one of the fission products but also emits beta rays with a long half-life almost 29 years. The strontium may be released or retarded by the dissolution-precipitation reactions in repository. In this study, the dissolution of Sr-coprecipitated with respect to calcite was tested in various environment conditions. The Sr-coprecipitated calcite, (Sr,Ca)CO3(s) was synthesized by coprecipitation method in alkaline condition. The 250 mL of 0.1 M of CaCl2 solution was mixed with 250 mL of 1.14 mM SrCl2·6H2O solution. Then, independently prepared 500 mL of 0.1 M Na2CO3 solution was mixed with the mixed solution of CaCl2 and SrCl2. The precipitates could be made and they were aged for 3 days at room temperature. Then, the supernatant was separated by the centrifugation and the solid at the bottom was dried in an oven at temperature 80°C. After that, the Srcoprecipitated calcite powder was washed using the DI water several times and dried again before use. Characterization of solid powder was conducted by XRD and SEM, and the ICP-MS and ICP-AES were used to analyze the concentrations of Ca and Sr. The batch dissolution experiment was conducted with a solid-to-solution ratio of 10 g/L groundwater in polyethylene tubes. The oxidative groundwater was synthesized by simulating the chemical composition of KAERI Underground Research Tunnel (KURT) DB-3 groundwater. Different temperatures and pHs were prepared and tested for the release of Sr and Ca from the coprecipitated (Sr,Ca)CO3(s) to compare the results with the release of Sr and Ca from SrCO3(s) and CaCO3(s), respectively. Such as, these results will be used to provide better understanding of Sr release and mobility in various repository environments.

Morphological control on hydroxyapatite crystals has attractive prospects in research to clarify the effects of crystal planes on biological performance. Hydrothermal processing is known as a typical type of processing for fabricating well-grown crystals with unique morphology. The purpose of the present study is to examine the feasibility of well-crystallized crystals with oriented structures through hydrothermal treatment of calcite. A single crystal of calcite was applied to hydrothermal treatment in a phosphate solution at 160˚C. Rod-shaped hydroxyapatite crystals with micrometer-size were formed on the 100 face of calcite after treatment, while nanometer-sized hydroxyapatite crystals were formed on the (111). The hydroxyapatite crystals formed on each plane were not morphologically changed with increasing treatment periods. An oriented structure of rod-shaped hydroxyapatite was constructed after hydrothermal treatment of 100 planes on the calcite single, while such orientation was not observed on the (111) plane after the treatment. The layer of hydroxyapatite formed on the 100 plane was thicker than that of the (111) plane. The 100 plane of calcite shows a higher reactivity than that of the (111) plane, which results in rapid crystal growth of hydroxyapatite. The difference in the morphology of the formed hydroxyapatite was governed by the reactivity of each crystal plane exposed to the surrounding solution.

Reflection properties, such as specular reflection and diffuse reflection, are very important optical properties for the reflector, which has high reflectance in the display and architecture industry. Calcite is lowcost, nontoxic, and stable over a wide temperature range. Therefore, it is one of the most widely using fillers in many industries and has some advantages over titania as a filler to improve reflectance. However, optical properties, especially those of ceramic-filled composites, have not been analyzed. We studied the reflectance of calcite composites with their surface roughness. The reflectance of the composites was determined using a UV-visible spectrometer. The surface morphology and the micro-structure of the composites were investigated by atomic force microscope. The reflectance of the composites was improved by increasing the content of calcite in the calcite-frit composite. The reflectance is related with the surface roughness in the composites. However, the reflectance depends on the calcite contents in materials with similar surface roughness.

본 연구에서는 지구화학모델 프로그램인 GEM-PSI를 이용하여 방해석과 석고의 첨가에 의한 시멘트 수화생성물에 대한 영향을 조사하였다. 방해석과 석고는 시멘트 수화과정의 주요 생성광물인 C-S-H 및 포틀란다이트(portlandite)의 생성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 예측되었다. 하지만 방해석을 시멘트 구성성분의 최대 5%까지 첨가하는 경우 시멘트 수화생성물인 칼슘 모노카보네이트(monocarbonate) 광물의 생성을 촉진시키는 것으로 본 모델링 결과는 예측하였다. 하지만 칼슘의 첨가가 시멘트 수화과정의 생성물인 AFm 광물 및 헤미카보네이트(hemicarbonate) 광물의 생성은 억제하는 것으로 예측되었다. 석고를 시멘트 구성성분의 최대 5%까지 첨가하는 경우 시멘트 수화과정에 의하여 에트린자이트 광물의 생성이 촉진되는 것으로 모델링 결과가 예측하였다. 방해석과 석고 첨가에 의한 시멘트 수화생성물의 공극률은 방해석 및 석고의 첨가량이 증가함에 따라 일반적으로 감소하는 것으로 계산되었다. 하지만 방해석을 첨가하는 경우 첨가량이 시멘트 구성성분의 3% 미만일 때 수화생성물의 공극률이 같은 양의 석고를 첨가했을 경우보다 낮게 예측되었다. 반면에 방해석이 3% 보다 많은 양이 첨가될 경우 같은 양의 석고를 첨가시킨 경우보다 시멘트 수화생성물의 공극률이 높을 것으로 예측된다. 이러한 현상은 첨가된 방해석이 적정량을 넘게 되면 모든 방해석이 시멘트 수화과정에 의하여 소모되지 않고 다시 시멘트 수화생성물로 나타남으로써 시멘트 수화과정에 따른 다른 광물로의 변이가 제한됨을 알 수 있다. 반면에 석고가 첨가된 경우 시멘트 수화과정에 의하여 석고가 계속적으로 소모되어 다른 시멘트 수화생성물 특히 에트린자이트로 변환된다.

중국 서부에 분포하는 황토대지의 뢰스(loess)는 아시아 내륙에서 발생하는 광물먼지의 퇴적물일 뿐만 아니라, 우리나라 봄철 황사의 기원물질이기도 하다. 간빙기의 뢰스는 퇴적 후에 고토양으로 풍화되는 과정에서 풍성 일차 탄산염 광물 입자들이 용해되어 이차 탄산염광물로 재침전된다. 뢰스 및 고토양의 광물학적 분석에 의하면 풍성 탄산염 입자는 대부분 실트 크기이나, 재침전된 이차 탄산염광물은 너비가 30~50nm 정도로 일정하고 다양한 길이를 갖는 나노 크기의 방해석들이었다. 나노방해석은 황토대지에서 점토광물과 함께 실트질 뢰스와 고토양의 세립 기질을 구성하는 주요 자생 광물로서, 우리나라에서 채집된 황사 입자에서 확인된 나노 방해석들의 기원물질로 해석된다.

최근 서브미크론 영역의 초미분쇄는 세라믹, 전자재료 등 새로운 기능성 물질의 개발과 더불어 매우 중요하게 인식되고 있다. 특히, 초미립자에 대한 수요증가에 따라 분쇄기로서 교반볼밀의 중요성도 증가하고 있다. 본 연구에서는 1 mm의 볼을 사용하고 700 rpm의 회전속도로 조작한 교반볼밀을 이용하여 방해석, 납석, 활석 등의 무기분말을 시료로 분쇄실험을 행하였다. 무기분말의 분쇄 시, 분쇄 특성의 정량적인 규명을 위하여, 입자의 크기 및 그 분포특성의 분석을 통해 분쇄산물의 입도분포를 얻음과 동시에 중위경의 변화를 관찰하였다. 방해석의 경우 원시료의 중위경이 6.49μm에서 0.47μm로, 납석의 경우 3.91μm에서 1.14μm까지 입자크기가 크게 작아졌으나, 활석의 경우 10.30μm에서 6.67μm까지만 작아져서 많은 변화를 보이지 않았다. 또한, 분쇄산물의 여러 가지 측정 결과를 토대로 분쇄조작 시 분쇄산물의 특성이 분쇄조건에 따라 분쇄속도에 미치는 영향을 알고자 하였다. 같은 실험 조작 조건에서 선택함수를 관찰한 결과, 방해석과 납석은 비슷한 분쇄거동을 보이는 것을 알 수 있었으나, 본 실험범위 내에서 활석의 분쇄거동은 크게 변화하지 않는 것이 관찰되었다.

대전광역시 유성구 덕진동 한국원자력연구소에 위치한 지하처분연구시설은 2003년 부지조사를 시작으로 최근에 완공하였다. 이 곳의 지질은 약한 변성작용을 받은 지역으로 소규모 단열이 잘 발달되어 있는 곳이다. 단열을 따라서 많은 종류의 이차충전광물들이 존재하지만, 그 중에서 광범위하게 분포하고 지하 핵종 이동에 상당한 영향을 끼치는 방해석의 광물학적 특징을 살펴보았다. 지하처분연구시설 암석 단열에 분포하는 방해석은 다른 이차광물들과 유사하게 단열대를 따라 분포하며, 부분적으로 두꺼운 층을 형성하기도 한다. 방해석으로 충전되어 있는 대부분의 단열대에는 석영, 철 산화물 및 돌로마이트 등이 소량 부성분 광물로 존재하고 있다. 방해석 결정은 일정한 방향성을 가지고 성장한 모습을 보여주고 있으며, 피복 물질로 산화철 광물인 침철석이 방해석 표면으로부터 성장하는데, 주로 방해석 결정의 가장자리 부근과 상부 표면의 용식된 부분에서 과밀하게 성장하고 있다. 터널 벽체의 숏크리트에서 녹아 나온 성분들이 침전되어 새로운 방해석 결정들이 형성되었는데, 지하수의 성분 및 흐름에 의해 형태 변화가 있었다. 단열충전광물 중 방해석은 지하수 화학특성을 변화시키고 핵종의 흡착 거동에 큰 영향을 끼치는 광물로, 본 연구에서 관찰된 방해석의 결정학적 구조 및 표면 특성은 추후 핵종 이동 실험시 중요한 기초 자료로 활용될 것이다.

방해석 표면에 의한 Cd2+의 흡착연구를 하였다. 흡착실험에서 사용한 Cd의 농도는 10-8 로서 CdCO3(s)의 침전농도 보다 낮은 농도를 유지하도록 조절하였다. NaClO4를 전해질로 사용하여 이온농도를 달리 한 실험 결과 Cd2+의 흡착은 용액의 이온세기와는 무관한 것으로 나타났다. 이는 Cd2+의 방해석 표면 흡착이 특징적인 성질을 갖고 inner sphere surface complex를 형성한다는 것을 암시한다. 흡착반응은 초기의 매우 빠른 흡착시기와 후기의 지속적인 느린 흡착시기의 2단계로 구분되었다. 특히, 후기의 느린 흡착시기에는 약 145시간 경과 후 최대정상상태 (steady state maximum)에 도달하였다. 본 연구에서 사용한 Cd2+의 농도가 낮아 방해석 표면에 CdCO3(s)의 침전 형성에 의한 반응은 고려되지 않았다. 방해석 표면으로부터 Cd2+의 탈착반응은 일정시간의 흡착 반응이 경과된 후 초기 흡착 실험 시와 같은 농도의 과포화 용액을 사용하여 Cd2+을 흡착한 방해석이 새로운 용액에 재 평형을 이루도록 반응을 유도하였다. 일반적으로 탈착실험에서는 새로운 과포화용액에 방해석을 넣자마자 매우 빠른 탈착반응을 보여준다. 그 이후는 2가지의 다른 경향성을 보여주며 새로운 평형에 도달하는 것으로 나타난다. 초기의 빠른 탈착반응 시기 뒤 느린 흡착반응이 지속적으로 일어나 일정 시간 경과 후 다시 평형을 이루거나, 느린 탈착반응이 계속적으로 지속되어 일정 시간 경과 후 새로운 평형을 이루는 2가지로 나타났다. 이러한 부분적으로 비가역적인 흡착 반응과 탈착반응은 실제 자연계에서 Cd2+의 유동성을 결정짓는 매우 중요한 인자로 작용할 것으로 생각된다. 흡착 반응 및 탈착반응의 평형상수 값은 이들 반응이 서로 동일한 기작에 의하여 조절됨을 보여주었다.

방해석 결정 성장시 나타나는 미량금속 양이온의 분배현상을 표면침전 및 연속 결정 성장과정을 통하여 관찰하였다. A, B, C 유형의 순수한 방해석이 각각 3가지 다른 초기 농도 즉 0.02, 0.2, 0.4M의 CaCl2.2H2O로부터 형성되었으며 이들의 표면 형태는 합성용액의 조성과 성장 속도에 의해 조절됨을 알 수 있었다. B 유형이 표면형태가 좀더 복잡하지만 A, B 유형은 대체로 단순한1014면을 가진 방해석과 유사한 표면형태를 보여준다. 이에 반해 C 유형에서는 0112면이 주로관찰되었다. 순수한 방해석 위에 (Ca, Me)CO3층의 대해 1014면 3 방향에 대한 전자현미분석 결과 금속이온의 특징적인 분배현상을 알수 있었다. Mn2+ /과 Co2+ 는 0112 에 수직으로 반면 Sr2+ /는 1014에 수직 또는 평행한 방향으로 선택적으로 분배되는 현상이 관찰되었다. 합성 방해석 표면 형태에 따른 금속 이온들의 분배 친화도를 Mn2+ 이 C 유형〉B 유형 〉A 유형 그리고 Co2+ 은 B 유형 〉A 유형 〉C 유형이다. 이들중 Sr2+는 특히 1014면이 잘발달된 A유형에 더 많은 친화도를 갖는 것으로 나타났다.

다덕 광산 폐석내 섬아연석과 함망간탄산염 광물의 풍화현상과 그에 따른 중금속의 거동을 조사 하였다. 섬아연석은 풍화초기에 극미립 산화철의 망상구조 집합체로 교대되었으며, 후기에는 자연황이 용해중인 섬아연석과 산화철 집합체 사이에 침전되었다. 산화철 집합체에는 As가 다량 함유되어 있다. 능망간석와 함망간 방해석은 함아연산화망간의 망상구조 집합체로 교대되었으며, 함망간방해서과 함아연산화망간 사이에는 스미소나이트가 침전되었다. 선택적 용해외 X선회절분석을 이용하여 감정한 결과, 함아연산화망간은 헤테롤라이트/하이드로헤테롤라이트인 것으로 판명되었다. Zn의 일부는 규산과 결합하여 입간 공극에 월레마이트로 침전되었다. 풍화 초기에 형성되는 극미립 산화철 및 함아연산화망간의 치밀한 망상 집합체는 풍화용액의 순환을 차단하여, 모광물의 풍화 반응을 지체시키는 지화학적 장벽 역할을 하였다. 이에 따라 망상구조 내에 조성된 국지적 미환경하에서 풍화중간산물들이 침전되었다. 이상의 연구 결과로 다음과 같은 사항을 추론할 수 있다. 섬아연석의 Fe와 함망간탄산염의 Mn은 각각 산화철과 산화망간으로 침전되어 산성화에 기여하였다. 폐광석 더미내 As의 활동도는 저결정질 산화철에의 흡착에 의해 조절되며, Zn의 활동도는 미소환경조건에 따라 하이드로헤테롤라이트/헤테롤라이트, 스미소나이트, 월레마이트 등의 다양한 이차광물의 용해도에 의하여 조절된다.