모형 연구

모델 연구는 실험 연구를 바탕으로 물리적/화학적 모델과 수학적 모델을 구축하여 향후 폐기 시스템의 다양한 가능한 프로세스를 시뮬레이션하여 안전 예측 및 분석을 수행합니다. 안전성 평가 모델을 구축하려면 실험, 물리적 모델, 수학 모델 및 모델 검증과 같은 몇 가지 프로세스가 필요합니다.

고준위 방사성 폐기물 처리 시스템에서 안전성 평가의 목적은 방사성 물질이 인류에게 미치는 최종 영향에 초점을 맞추는 것이기 때문에 모델 연구는 시나리오 분석을 바탕으로 폐기 시스템의 미래에 발생할 수 있는 각종 물리 화학 과정을 설명하고, 이러한 물질의 시스템 내 용해 및 이동 행위를 정량적으로 분석하는 것이다. 폐기 창고가 닫히면 방사성 물질의 쇠퇴열은 열 전달 과정을 트리거하여 주변암의 새로운 응력과 변형 과정을 유발하고 유체 침투와 근거리 지구 화학 과정을 변화시킨다. 따라서 폐쇄된 고방폐기물 심부지질 처리 시스템의 주변암 안정성과 방사성 물질 이동, 특히 근거리 암석 안정성과 방사성 물질 이동은 온도장 (T), 침투장 (H), 응력장 (M) 및 화학장 (C) 이 결합되어 있다. 현재 모델에 대한 연구는 이동 매체에 따라 근거리, 원거리, 생물권에서 방사성 물질의 이동 모델만 확립했다. 시뮬레이션 과정에서 지하수의 화학성분, 지하수의 유속과 유량, 유리경화체에서의 방사성 물질의 용해율에 따라 다양한 시나리오에서 생물권으로의 방사성 물질 배출 흐름을 시뮬레이션하여 불확실성이 안전평가 결과나 모형 매개변수 민감성에 미치는 영향을 분석합니다.

2.2.2. 1 프로젝트 장벽 방사성 물질 이동 모델

처분창고가 폐쇄된 후 시간이 지날수록 지하수는 결국 처분창고로 돌아가고, 고화 폐기물 중의 방사성 물질은 지하수에 용해되어 근거리 장으로 석방되어 원거리 지역으로 이동한다.

현재 각국은 공사 장벽에서 방사성 물질의 이동 (백필 재료가 벤토나이트인 경우) 을 묘사할 때 기본적으로 다음과 같은 가정 (T.M.Sullivan,1991; JNC, 2000c):

① 폐수 탱크의 설계 최소 수명이 1000 년이라고 가정합니다. KLOC-0/000 년 이후에는 모든 폐기물 탱크가 동시에 효력을 상실하고 방사성 물질 이동에 대한 저항력이 없다고 생각한다. (2) 폐구 파괴 시간 동안 고화체에 의해 발생하는 열이 점차 주변으로 확산되고, 온도는 주변암 온도에 가깝고, 백필 재료는 완전히 포화되어 폐구 주위에 균일하고 저침투 장벽을 구축한다. (3) 경화 과정에서 금이 간 형성과 폐기물 탱크의 부식 팽창으로 인해 처분 후 고체의 표면적이 원래의 기하학적 크기보다 크다. ④ 폐탱크가 고장나면 백필 재료의 공극물이 고체로 들어가 유리체가 용해되지만 시간이 지남에 따라 유리체 표면적이 줄어드는 것은 고려하지 않는다. ⑤ 경화체 균열, 유리체 분해물, 폐탱크 부식산물 중 방사성 물질의 지연 효과를 고려하지 않았다. ⑥ 근거리 다공성의 화학적 특성은 주로 지하수, 백필 재료 및 폐기물 탱크 제품의 화학 반응에 달려 있으며 용해도는 근거리 다공성의 조성에 달려있다. 고체체 부근과 백필 재료에서 방사성 물질의 농도는 주로 용해도에 의해 제한된다. 방사성 물질의 용해와 침전은 그 확산보다 훨씬 일찍 나타나고, 곧 국부적 순간 균형에 도달하며, 침전의 고체상이 다시 용해되어 포화를 유지할 수 있다. ⑦ 지하수 또는 백필 재료에서 동위 원소 희석을 무시한다. ⑧ 방사성 물질은 백필 재료로 확산되어 이동하는데, 팽윤토의 흡착은 선형적이고 가역적이며 순간적이다. ⑨ 백필 재질의 미세 구멍 구조는 필터링을 통해 콜로이드 이동을 방지합니다. ⑵ 백필 재료로 방출 된 방사성 물질은 교란 지역을 통과하는 지하수와 즉시 완전히 혼합되어 교란 지역에 의한 방사성 물질의 흡착에 관계없이 방사성 물질이 모두 주변 암석 균열로 이동한다고 믿어진다.

간단히 말해서, 엔지니어링 장벽에서 방사성 핵종의 이동을 분석할 때 고려해야 합니다 (그림 2.5, JNC, 2000c).

* 경화체에서 방사성 핵종의 용해;

* 백필 완충재의 확산 및 흡착;

방사성 핵종의 방사성 붕괴 및 성장;

* 주변 암석에 방사성 핵종 방출.

이 가설에 따르면 질량 보존/에너지 보존 방정식에 따라 유리체 용해, 방사성 물질이 백필 버퍼 재질에서 이동하는 것, 핵종이 교란구역을 통해 주변암으로 방출되는 방정식을 얻을 수 있다. 해당 경계 조건과 결합하여 다양한 조건에서 수학적 모형을 얻을 수 있습니다. 미국은 폐기물 탱크의 파손 누출을 계산할 때 핵종 이동 절차 BLT(T.M.Sullivan, 199 1) 를 제시했다. TOUGH 프로그램 (Press, 199 1a, 1999) 및 TOUGHREACT 프로그램 (서천복, 2003) 캐나다는 지하수류, 열, 용질 수송을 설명하는 커플링 프로그램인 MOTIF(L.Jing, 1995) 를 제시했다. 일본 스웨덴 등도 상응하는 계산 절차를 제시했다.

그림 2.5 엔지니어링 장벽의 핵종 이동 과정

(JNC, 2000c 기준)

그림 2.5 EBS 의 핵종 이동 과정

(JNC, 2000c)

2.2.2.2 지질 장벽에서 방사성 물질의 이동 모델

공사 장벽이 효력을 상실할 때, 우리는 방사성 물질이 생물권으로 이주하는 것을 막기 위해 지질 장벽에 의지해야 한다. 현재 대부분의 국가에서는 저침투율의 경암체를 지질장벽으로 선택하지만, 이 저침투율의 경암암에는 불규칙적으로 엇갈린 균열이 있어 지질장벽 중 방사성 물질의 주요 이동 통로를 구성한다. 방사성 물질이 공사 장벽에서 방출되면 지하수가 부러지면서 하류의 생물권으로 방출된다. 지질 장벽에서 방사성 물질의 이동은 그림 2.6 에 나와 있다. 따라서 지질 장벽은 고준위 방사성 물질의 이동을 시뮬레이션하기 위해 합리적인 이동 모델을 수립하는 데 필요한 고준위 폐기물 심층 지질 처리 시스템의 마지막 방어선이다.

균열 네트워크 미디어의 용질 수송 모델은 등가 연속 미디어 모델, 이산 균열 네트워크 모델, 이중 연속 미디어 모델, 임의 모델 (왕김국, 2004,2005B), 그루빙 흐름 모델 등으로 나눌 수 있습니다.

1) 등가 연속 매체 모델: 균열 매체에서의 흐름과 이동을 연속 방식으로 시뮬레이션합니다. 연속 미디어 프레임 아래에서 균열 시스템은 단일 또는 일련의 연속 다공성 미디어로 간주되고 균열의 비균일성을 무시하고 균열 네트워크와 해당 매트릭스 도메인의 평균 특성만 고려합니다. 현재 국내외에서 이와 같은 연속 다공성 매체에서의 용질 수송에 대한 연구는 이미 상당한 수준에 이르렀고, 해당 수학 모델도 기본적으로 성숙했다. 따라서 균열 매체의 용질 수송 문제는 성숙한 연속 다공성 매체 용질 수송 분석 방법으로 직접 해결할 수 있지만, 이 모델은 실제 균열 매체 모델이 아니며 균열 매체에서 물의 불연속성과 비등방성을 설명할 수 없습니다. 그러나 균열 매체에서의 용질 수송 문제가 제기된 초기에 많은 학자 (ODA M.,1986; Berkowita B., 1988) 이러한 동등한 방법을 적용하여 다양한 실제 문제를 해결합니다.

2) 이산 균열 네트워크 모델: 즉, 매트릭스 도메인 자체가 침투하지 않는 것으로 간주되고, 뚜렷한 균열 특성을 통해 균열 도메인 내에서 이동 방정식을 풀고, 균열 네트워크 매체에서 물의 흐름과 용질 이동을 시뮬레이션합니다. 이 모델은 균열 미디어의 비균일성과 불연속성을 충분히 고려하여 균열에서 물의 흐름과 용질 수송 특징을 잘 설명합니다. 실제 문제를 해결하기 위해서는 립 너비, 산상, 간격 등과 같은 형상 매개변수를 찾아야 합니다. ) 및 균열 매체의 유압 매개 변수. 또한 균열의 수와 위치를 찾아 교차에서 질량 보존 방정식을 세워야 하므로 모델을 사용하여 실제 문제를 해결하기가 어렵습니다. 따라서 단순 균열 네트워크의 균열 매체에서의 용질 운송에만 적용됩니다. Y.W.Tsang 등 (1996), B. 아마다이이 등 (1994), Derhowitz 등 (/Kloc-0-0 이산 균열 네트워크 모델을 기반으로 임의 이론과 결합하여 균열 네트워크 미디어의 용질을 분석하는 임의 이산 균열 네트워크 모델을 제시했습니다. Ubertosi 등 (2007) 이 개선했습니다.

그림 2.6 지질 장벽에서 방사성 물질의 이동 도표

그림 2.6 지질 장벽 시스템의 방사성 용질 수송 다이어그램

3) 이중 연속 매체 모델: 이 모델은 균열 매체가 수력 매개변수가 다른 두 개의 연속 매체 (균열 영역과 매트릭스 도메인) 의 중첩으로 간주되고, 단일 균열의 공간 위치와 모양이 용질 수송에 미치는 영향을 무시하고, 균열 매체에서 틈새와 균열의 발육이 균일하다고 생각하며, 균열의 분포는 무작위적인 것으로 간주합니다 (왕김국, 2004). 1960 에서 Barenblatt, Warren 등 (1963) 이 제기한 것으로, 갈라진 다공성 매체의 흐름 문제를 해결하고 이를 이동 모델 (bibby/kloc) 에 적용하는 데 사용됩니다 Huyakorn 등 1983a,1983b; 겔크 등1996; 유김영 등1996; 아놀드 등, 2000 년; 이진선 등, 200 1).

이중 연속 미디어 모델에서는 균열 영역과 매트릭스 도메인의 침투율이 크게 다르며 비교적 독립적인 누출 특징을 가지고 있습니다. 이중 연속 미디어 모델은 우선 흐름 현상을 어느 정도 설명하고 균열 영역과 매트릭스 도메인 간의 물질 교환을 고려하면 더욱 현실적이다. 그러나 균열 매체 비등방성 및 불연속성에 대한 고려 부족, 균열 영역 및 매트릭스 도메인 간 용질 교환은 결정하기 어려운 문제도 있습니다.

4) 임의 모델: 무작위 이론을 사용하여 거시적 범위 내 균열 매체의 불확실한 특성을 얻어 균열 매체의 수류 및 용질 수송 문제를 연구하는 데 사용됩니다. Dagan( 1986) 은 용질의 농도 분포를 무작위 함수로 간주하여 오염물의 평균 농도가 따르는 기본 방정식을 대규모로 도출합니다. 엄등 (1997) 은 무작위 이론을 적용해 2 차원 비균일 불포화 토양에서 흡착 용질의 이동을 연구했다. 국내 양진충 등 (1998) 국내외 지역 지하수 용질 수송 연구 방법과 이론을 총결하여 대수 정상 2 차 안정과 1 차 교란 근사조건 하에서 평균 농도가 대류-분산 방정식을 만족시켜 거시분산 계수의 일련의 표현식을 요약했다. Jan Vanderborght J.(2006) 는 임의 연속 매체 모델을 이용하여 용질 수송 방정식이 밭 잣대에 어떻게 적용되었는지 논의하고 그에 따른 실험 결과를 제시했다. 전반적으로, 이 모델에 대한 외국의 연구는 매우 빠르게 진행되고 있으며, 국내에서는 아직 초기 단계 (왕김국, 2004) 에 있다.

5) 도랑망 모형: 도랑류는 저항이 적은 경로에 물이 집중되는 것을 의미하며 매체의 비균일성으로 인해 발생합니다. 지난 10 년 동안 실험 관찰과 이론 연구에 따르면 채널링은 균열 매체의 보편적인 현상이다 (예, 1989,1998; 브라운 등, 1998). 슬롯 흐름의 개념은 단일 균열 하류 출구에서 침투 곡선의 일부 모양, 특히 순간적인 주입이나 단기 주입의 경우 잘 설명할 수 있습니다. 도랑 네트워크 모델은 우선 흐름 현상을 더 잘 묘사할 수 있어 각국 학자들의 관심을 받고 있다. 대규모 시뮬레이션의 경우, 대량의 균열을 정확하게 분리해야 하는 경우, 컴퓨터의 컴퓨팅 능력에 대한 요구가 상당히 높으며, 실제 균열 시스템의 틈새 폭에 대한 정확한 변화를 얻기가 어렵기 때문에 이 방법의 적용은 상당히 제한적이었습니다.

현재, 많은 국가들이 처분 개념 설계, 방사성 핵종 이동의 공간 범위와 시간 규모, 방사성 핵종 이동 메커니즘, 개념 모델, 다양한 매개 변수를 결정하고 있습니다. 대량의 고방폐기물 폐기 균열 시스템의 용질 이동 계산 절차를 개발하다. 예를 들어 일본에서 개발한 AT 123, MIG3D 및 PER 8 MIGR (Kawamura R., 1987) (지하수 흐름 및 핵종 이동 시뮬레이션) 이 있습니다. 스웨덴에서 개발한 CALIBRE/SRYSTAL (근거리 및 주변암 핵종 이동), FARF3 1 (원거리 핵종 이동 모델), HYDRASTAR (지하수류를 시뮬레이션하는 임의 연속 모델) 미국은 DCM3D 및 NEFTRAN2 (심심, 200 1) 와 같은 불포화 조건에서 핵종 마이그레이션을 설명하는 프로그램을 주로 개발했습니다. 또한 캐나다 스위스 프랑스 등에서도 균열매체 중 핵종 이동 모델을 개발했다.

스웨덴의 사용 후 연료 및 핵폐기물 관리기구 (SKB, 1999) 는? Sp? 지하 창고 내 흐름과 대류 이동에 대한 다양한 시뮬레이션 방법을 비교 분석했다. 이 연구 (대체 모델 프로젝트라고도 함) 는 주로 3 가지 시뮬레이션 방법, 즉 1 임의 연속체 모델 (Widén et al,1999) 을 고려합니다. ② 이산 균열 네트워크 모델 (Dershowitz 등1999); ③ 트렌치 네트워크 모델 (gyrating 등 1999). 이 세 가지 방법으로 같은 참고 문제를 연구하는데, 세 가지 방법으로 예측한 최소 및 평균 이동 시간은 비슷하고, 오염물은 지질권에서 내보내는 양은 비슷하다. 이러한 일관성은 동일한 정확한 설정 문제에 적용할 경우 시뮬레이션 방법의 개념적 차이가 매우 다른 결과 (Selroos 등, 2002) 를 생성하지 않음을 나타냅니다. Chin-Fu Tsang 등 (2005) 도 성공적인 수치 시뮬레이션은 주로 암석 수문 지질 특성 (예: 수력 그라데이션, 균열 매개변수, 핵종 이동과 관련된 매개변수 등) 에 대한 정확한 설명에 달려 있다고 지적했다. ) 및 실험 시스템 자체, 수치 방법 (불연속 균열 시스템 또는 등가 연속 매체) 의 선택은 2 차 위치에 있습니다. 이러한 결론을 바탕으로 이 책은 지질 장벽 (원거리) 에서 방사성 물질의 이동을 시뮬레이션하기 위해 성숙한 이중 매체 모델을 선택했습니다.

2.2.2.3 생물권 용질 수송 모델

지질 장벽에서 방출되는 방사성 물질은 결국 하류 수층으로 들어가 지구권-생물권 인터페이스 (GBI) 를 통해 생물권에 들어간다. 강, 우물 등. 보통 GBI 로 간주됩니다. 생물권에서의 방사성 물질 이동과 관련된 요인이 많기 때문에, 공학 장벽과 지질 장벽의 용질 이동보다 더 큰 무작위성과 불확실성이 있는데, 하나는 동물, 식물, 강, 토양 등 관련된 대상이 광범위하다는 것이다. 다양한 물체에서이 용질의 분포는 다릅니다. 둘째, 생물권에서의 용질 이동 통로는 다양한 생물 간 이동, 생물과 수역 간 이동, 생물과 토체 간 이동 등 매우 복잡하다. , 그리고 이주량을 결정하기가 어렵습니다 (웨이 하이, 2005). 따라서 생물권에서 이러한 방사성 물질의 이동을 정량적으로 묘사하는 것은 매우 어려운 일이며, 수학 언어로 묘사하기 위해서는 적절한 요약과 분할이 필요합니다. 스웨덴 (SKB,1992; SKI, 1996), 캐나다 (Davis et al., 1993), 일본 (JNC, 2000c) 등은 모두 개괄적인 기초 위에 분실을 사용한다

생물권의 구역은 복잡하다. 여기서는 흔히 볼 수 있는 지표수와 토양만 분할하는데, 구역에는 일반적으로 (JNC, 2000c): ① 표층토양이 포함된다. ② 포화 밴드 변경; ③ 강 ④ 강 퇴적; ⑤ 지역 해수; ⑥ 지역 해양 퇴적. 구역 모델을 만들 때 지질 장벽을 생물권에 방출하는 방사성 물질을 원천으로 간주하고 강물을 관련 지질 환경에서 지구권과 생물권의 인터페이스로 간주한다. 지질 장벽에서 방출되는 방사성 물질이 생물권에 들어가기 전에 순식간에 생물권으로 퍼지지 않는다고 가정해 봅시다.

구역에 따르면, 생물권에서 방사성 물질이 이동하는 과정은 우선 방사성 물질이 지하수와 함께 지표수로 들어간 다음, 일부는 관개를 통해 표층토양과 수층으로 들어가고, 일부는 강수로 강바닥에 붙어 있고, 다른 방사성 물질은 물줄기와 함께 바다로 들어간다. 강바닥에 붙어 있는 방사성 물질의 일부는 운반을 통해 해저에 쌓이고 일부는 바닷물에 떠 있다. 그러나 바닷물의 방사성 물질 중 일부는 해저에 퇴적되고, 다른 일부는 결국 퇴적된다. 서로 다른 지역 간의 방사성 물질 이동 과정은 그림 2.7 (JNC, 2000c；) 을 참조하십시오. 웨이 하이, 2005). 일반적으로 방사능으로 오염된 각 구역은 각종 농업, 임업, 어업, 축산업 제품에 각각 영향을 미친다. 예를 들어, 강물의 관개는 각종 농작물의 오염을 초래할 수 있으며, 방사성 물질은 직접 또는 간접적으로 이러한 농작물을 섭취하여 인체에 들어온다. 일반적으로 노출인에 대한 정량 분석을 수행하는 방법에는 두 가지가 있습니다 (JNC, 2000C): 1 먼저 노출될 가능성이 있는 사람의 위치와 특징을 명확히 하고 노출 경로를 가정한다. 이렇게 하면 방사성 물질 이동의 개념 모델이 확립되기 전에 피광인과 특징을 확인할 수 있다. ② 방사선 노선의 결정은 지질 장벽에 따라 방출되는 방사성 물질의 질에 따라 다른 생물권을 통해 이동한다. 후자의 방법은 피광인에 대한 가정이 필요 없이 중요한 마이그레이션 매체를 식별할 수 있기 때문에 일반적으로 취약계층 촬영 방법과 경로를 결정하는 데 사용됩니다.

그림 2.7 생물권에서 방사성 물질이 이동하는 과정의 도식도.

(JNC, 2000c 기준)

그림 2.7 생물권에서의 방사성 용질 이동 과정 다이어그램

(JNC, 2000c)

따라서 고준위 방사성 물질의 이동은 공사 장벽과 지질 장벽을 거쳐 결국 생물권으로 들어가야 한다. 이 세 단계는 서로 다른 마이그레이션 패턴을 가지고 있으며, 평가를 분석할 때 서로 다른 마이그레이션 미디어를 별도로 연구해야 합니다.