• Nuclear Engineering and Technology
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• 제53권10호
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• pp.3359-3366
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• 2021

An engineered barrier system (EBS) for the deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW) is composed of a disposal canister, buffer material, gap-filling material, and backfill material. As the buffer fills the empty space between the disposal canisters and the near-field rock mass, heat energy from the canisters is released to the surrounding buffer material. It is vital that this heat energy is rapidly dissipated to the near-field rock mass, and thus the thermal conductivity of the buffer is a key parameter to consider when evaluating the safety of the overall disposal system. Therefore, to take into consideration the sizeable amount of heat being released from such canisters, this study investigated the thermal conductivity of Korean compacted bentonites and its variation within a temperature range of 25 ℃ to 80-90 ℃. As a result, thermal conductivity increased by 5-20% as the temperature increased. Furthermore, temperature had a greater effect under higher degrees of saturation and a lower impact under higher dry densities. This study also conducted a regression analysis with 147 sets of data to estimate the thermal conductivity of the compacted bentonite considering the initial dry density, water content, and variations in temperature. Furthermore, the Kriging method was adopted to establish an uncertainty metamodel of thermal conductivity to verify the regression model. The R² value of the regression model was 0.925, and the regression model and metamodel showed similar results.

• 한국항공우주학회지
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• 제44권10호
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• pp.887-894
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• 2016

고상-액상 상변화물질(PCM, Phase Change Material)을 이용한 위성부품 열제어장치를 설계 및 제작하였으며 열환경시험을 수행함으로써 온도제어 성능을 분석하였다. 설계온도에 부합하는 n-Hexadecane을 PCM으로 채용하였고, 낮은 열전도도를 보완하기 위하여 내부에 전열휜이 장착된 용기를 Al6061로 제작하였다. 위성에 장착하였을 때와 동일한 작동조건을 확보하기 위하여, 부품과 방열판 사이를 열관으로 연결하였으며 열관의 단열부가 관통하도록 PCM 열제어장치를 설치하였다. 동일한 모양과 부피의 열적완충질량(TBM, Thermal Buffer Mass)도 제작하여, 주기적인 가열-냉각 실험을 수행하였다. 실험결과 상변화 잠열에 의한 PCM의 열제어 성능을 확인할 수 있었으며, TBM에 비하여 질량과 보온히터의 소모전력을 절감할 수 있음을 확인하였다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제45권1호
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• pp.41-52
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• 2013

Adequate design of engineered barriers, including canister, buffer and backfill, is important for the safe disposal of high-level radioactive waste. Three-dimensional computer simulations were carried out under different condition to examine the thermal and mechanical behavior of engineered barriers and rock mass. The research looked at five areas of importance, the effect of the swelling pressure, water content of buffer, density of compacted bentonite, emplacement type and the selection of failure criteria. The results highlighted the need to consider tensile stress in the outer shell of a canister due to thermal expansion of the canister and the swelling pressure from the buffer for a more reliable design of an underground repository system. In addition, an adequate failure criterion should be used for the buffer and backfill.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제53권3호
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• pp.1041-1048
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• 2021

An engineered barrier system (EBS) for the disposal of high-level radioactive waste (HLW) is composed of a disposal canister with spent fuel, a buffer material, a gap-filling material, and a backfill material. As the buffer is located in the empty space between the disposal canisters and the surrounding rock mass, it prevents the inflow of groundwater and retards the spill of radionuclides from the disposal canister. Due to the fact that the buffer gradually becomes saturated over a long time period, it is especially important to investigate its thermal-hydro-mechanical-chemical (THMC) properties considering variations of saturated condition. Therefore, this paper suggests a new method of measuring thermal conductivity and water suction for single compacted bentonite at various levels of saturation. This paper also highlights a convenient method of saturating compacted bentonite. The proposed method was verified with a previous method by comparing thermal conductivity and water suction with respect to water content. The relative error between the thermal conductivity and water suction values obtained through the proposed method and the previous method was determined as within 5% for compacted bentonite with a given water content.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권3호
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• pp.1191-1198
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• 2023

Bentonite buffer material is a critical component in an engineered barrier system (EBS) for disposing high-level radioactive waste (HLW). The bentonite buffer material protects the disposal canister from groundwater penetration and releases decay heat to the surrounding rock mass; thus, it should possess high thermal conductivity, low hydraulic conductivity, and moderate swelling pressure to safely dispose the HLWs. Bentonite clay is a suitable buffer material because it satisfies the safety criteria. Several additives have been suggested as mixtures with bentonite to increase the thermal-hydraulic-mechanical-chemical (THMC) properties of bentonite buffer materials. Therefore, this study investigated the geotechnical, mineralogical, and THMC properties of several candidate additives such as sand, graphite, granite, and SiC powders. Datasets obtained in this study can be used to select adequate additives to improve the THMC properties of the buffer material.

• 방사성폐기물학회지
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• 제16권3호
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• pp.339-346
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• 2018

고준위폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소이다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 전파되기에 완충재의 열적 특성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 특히, 고온의 열량은 완충재의 열적 팽창을 야기하여 근계 암반에 열응력을 야기할 수 있기에 완충재의 열팽창 특성 규명은 반드시 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재(KJ-II)에 대한 열팽창 거동 특성을 실내 실험을 통해 분석하고 선형 열팽창계수에 대한 추정 모델을 제시하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 딜라토미터 장비를 이용하여 승온속도, 건조밀도, 온도 범위에 따라 측정되었으며 선형 열팽창계수 값은 대략 $4.0{\sim}6.0{\times}10^{-6}/^{\circ}C$ 로 측정되었다. 또한 실험 데이터를 토대로 비선형 회귀분석 방법을 이용하여 건조밀도에 따른 경주 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제42권12호
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• pp.1013-1019
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• 2014

저궤도 관측위성에 탑재된 영상처리장치의 온도제어를 위하여 사용하는 열적완충질량을 대체할 수 있는 상변화물질의 성능에 대하여 수치해석적으로 분석하였다. 관측위성에 사용되는 고정밀 영상처리장치는 임무에 따라 주기적으로 작동하며 발열량이 매우 큰 반면, 온도에 민감하여 작동허용 온도범위가 매우 좁다. 이러한 장치의 온도를 제어하기 위하여 국산 저궤도 관측위성에서는 열적완충질량을 이용하여 부품의 온도변화 시상수를 증가시키는 효율적인 설계를 적용하였지만, 질량이 증가하는 단점이 있다. 본 연구에서는 질량을 최소화하며 부품 온도를 안정적으로 유지할 수 있도록 고상-액상 상변화물질을 이용한 열제어 장치를 제안하였으며, 수치해석을 통하여 열적 완충질량에 대한 유효성을 비교/검증하였다. 상변화물질을 이용한 열제어 장치는 열적완충질량을 대체하여 효과적인 온도제어가 가능할 뿐 아니라 질량도 열적완충질량의 약 12% 정도로 감소시킬 수 있었다.

• 한국항공우주학회지
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• 제44권4호
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• pp.373-379
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• 2016

주기적 단속적으로 작동하는 위성부품의 열제어를 위하여 고상-액상 상변화물질(PCM, Phase Change Material)과 열관을 병렬로 결합한 열제어장치를 제안하였으며, 이의 성능을 수치해석을 통하여 검증하였다. 상변화 중 큰 잠열과 일정하게 유지되는 온도에 의하여 작은 방열판 면적에서도 부품의 최고온도를 제어할 수 있으며, 냉각기에는 PCM에 축적된 에너지가 방출됨으로써 보온히터 소모전력을 절약할 수 있다. 동일한 형태의 Al TBM(Thermal Buffer Mass)을 사용하면 비슷한 효과를 기대할 수 있으나, 질량과 보온히터의 소모전력이 증가하므로 PCM에 비하여 비효율적이다. 설계된 PCM 열제어장치는 발열량과 작동시간에 따라 그 양을 최적화할 수 있다.

• 한국항공우주학회지
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• 제37권6호
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• pp.580-585
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• 2009

본 논문은 항우연에서 개발 중인 위성 탑재카메라 FPA-CU(Focal Plane Assembly Cooling Unit) 의 개념설계 및 열설계에 대한 개략적인 내용을 기술하고 있다. FPA-CU은 국내 기술로 설계/제작되는 최초의 우주용 냉각유닛이다. FPA-CU에는 일반적인 히트파이프와 방열판을 이용한 냉각유닛과는 다르게 TBM(Thermal Buffer Mass)이 부착되어 있으므로 열적거동이 기존의 냉각유닛과 다르며, 설계에 있어 천이열전달 해석이 반드시 필요하다. 본 논문에서는 TBM의 용량산출 및 형상적 영향을 포함한 전체 냉각유닛 설계방법을 제시하고 전체 냉각유닛에 대한 열해석 결과를 기술하고 있다. 열해석 결과 냉각유닛의 요구조건을 잘 만족시킴을 알 수 있었으며, 최상단부 히트파이프가 비정상 작동하는 경우 FPA의 온도가 $3{\sim}4^{\circ}C$ 정도 상승함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 위성용 열제어 유닛 설계에 대한 국내 기술적 자립 가능성을 확인할 수 있었다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제21권1호
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• pp.23-41
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• 2023

Coupled thermo-hydraulic-mechanical (THM) processes are essential for the long-term performance of deep geological disposal of high-level radioactive waste. In this study, a numerical sensitivity analysis was performed to analyze the effect of rock properties on THM responses after the execution of the heater test at the Kamaishi mine in Japan. The TOUGH-FLAC simulator was applied for the numerical simulation assuming a continuum model for coupled THM analysis. The rock properties included in the sensitivity study were the Young's modulus, permeability, thermal conductivity, and thermal expansion coefficients of crystalline rock, rock salt, and clay. The responses, i.e., temperature, water content, displacement, and stress, were measured at monitoring points in the buffer and near-field rock mass during the simulations. The thermal conductivity had an overarching impact on THM responses. The influence of Young's modulus was evident in the mechanical behavior, whereas that of permeability was noticed through the change in the temperature and water content. The difference in the THM responses of the three rock type models implies the importance of the appropriate characterization of rock mass properties with regard to the performance assessment of the deep geological disposal of high-level radioactive waste.