KR101094962B1 - 광물 용해실험 장치 - Google Patents

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최정해
채병곤
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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명은 광물 용해실험 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광물 용해실험 장치는, 프레임이 설치되어 있는 본체, 알카리성 용액과 알카리성 용액 내에서 상호 접촉되는 제1광물시료와 제2광물시료를 함께 수용하도록 상방이 개구되어 있는 수용부가 형성되어 있는 마운팅부재, 본체에 설치되어 마운팅부재의 수용부 내에 배치된 제1광물시료를 제2광물시료쪽으로 가압하도록 수용부에 삽입 및 이탈되게 왕복이동가능한 플런저를 구비하는 실린더 및 마운팅부재의 하부에서 마운팅부재를 지지하며 제2광물시료에 가해지는 압력을 측정하는 로드셀을 구비한다.

Description

광물 용해실험 장치{Apparatus for dissolution experiment of mineral}
본 발명은 광물의 장기간에 걸친 변화를 측정하기 위한 실험 장치에 관한 것으로서, 특히 다양한 압력, 온도 및 pH조건 하에서 광물의 용해 거동을 측정할 수 있는 광물 용해실험 장치에 관한 것이다.
고준위 방사성 폐기물을 지중에 매립하기 위한 시설에서는 폐기물을 매립한 후 폐기물이 외부로 배출되지 않도록 벤토나이트나 시멘트 등의 차폐물질로 폐기물을 격리시킨다. 벤토나이트는 석영을 포함하는 점토광물로서 지하수 등의 물과 반응하면 팽창하여 물이 폐기물과 접촉하는 것을 방지하는 작용을 하기 때문이다.
이렇게 고준위 방사능 폐기물은 대략 지하 1km 정도의 심부에 매립하고, 주변 환경과 격리시키도록 벤토나이트 등의 차폐물질을 사용하는데, 방사능 폐기물 매립에서 중요하게 고려할 점은, 차폐물질이 고온, 고압, 높은 pH의 지하 심부환경에서 장기간 놓이게 되면 변화, 특히 용해가 일어날 수 있다는 것이다.
따라서 다양한 지하 환경에서 석영 등과 같은 광물의 용해 거동이 정확하게 파악되어야 안전하게 고준위 방사능 폐기물을 매립할 수 있다. 그러나, 지하의 환경을 정확하게 재현하는 가운데 광물의 용해 거동을 실험하기 위한 장치의 개발이 이루어지지 않았는 바, 광물의 용해 거동을 정량적으로 파악하기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지하 심부의 다양한 환경을 정확하게 재현할 수 있어, 지하 환경에서 장기간에 걸친 광물의 용해 거동을 정밀하게 측정할 수 있는 광물 용해실험 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광물 용해실험 장치는, 프레임이 설치되어 있는 본체; 알카리성 용액과, 상기 알카리성 용액 내에서 상호 접촉되는 제1광물시료와 제2광물시료를 함께 수용하도록, 상방이 개구되어 있는 수용부가 형성되어 있는 마운팅부재; 상기 본체에 설치되어, 상기 마운팅부재의 수용부 내에 배치된 상기 제1광물시료를 상기 제2광물시료쪽으로 가압하도록 상기 수용부에 삽입 및 이탈되게 왕복이동가능한 플런저를 구비하는 실린더; 및 상기 마운팅부재의 하부에서 상기 마운팅부재를 지지하며 상기 제2광물시료에 가해지는 압력을 측정하는 로드셀;을 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 마운팅부재 내의 제1광물시료와 제2광물시료의 온도를 조절하기 위한 온도조절수단을 더 구비하며, 상기 온도조절수단은 상기 마운팅부재의 외주면을 감싸며 설치되며 내부에 전기저항에 의해 열을 발생시키는 열선을 포함하여 이루어진 열선패드이다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 플런저가 상기 제1광물시료를 가압하는 압력을 일정하게 유지하기 위한 레귤레이터를 더 구비한다.
그리고, 상기 실린더의 플런저가 이동한 거리를 측정하기 위한 변위센서를 더 구비하며, 상기 변위센서는 상기 본체에 위치고정되게 설치되는 센서체와, 상기 플런저에 결합되어 상기 플런저와 함께 이동되며, 일단부가 상기 센서체의 센싱 경로상에 배치되는 이동자를 포함하여, 상기 센서체로부터 상기 이동자까지의 거리를 센싱하여 상기 플런저의 이동 변위를 측정한다.
한편, 상기 마운팅부재는 하부가 막혀 있는 관형으로 형성되며, 상기 제2광물시료는 상기 마운팅부재에 끼워져 들어가고, 상기 제1광물시료는 상기 마운팅부재에 끼워져 들어가되 하부에 첨예한 형상의 쐐기부가 형성되어, 상기 쐐기부의 하단부는 상기 제2광물시료의 상면에 접촉되며, 상기 알카리성 용액은 상기 제1광물시료의 쐐기부와 상기 제2광물시료 사이에 수용된다. 그리고 상기 제1광물시료와 제2광물시료가 접촉되는 면적은 직경이 1~3mm인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마운팅부재는, 원통형의 관본체와, 상기 관본체의 하부에 끼워져 고정되며 상기 제2광물시료를 지지하는 지지체 및 상기 지지체의 외주면과 상기 관본체의 내주면 사이에 개재되어 상기 알카리성 용액이 배출되는 것을 방지하는 오링을 포함하여 이루어진다. 그리고 상기 마운팅부재의 관본체는 폴리카보네이트 재질로 이루어진
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지체의 하면에는 상기 로드셀의 상부에 형성된 돌기부가 삽입될 수 있도록 오목하게 홈부가 형성된다.
본 발명에 따른 광물 용해실험 장치는 광물이 놓이는 지하 환경, 즉 압력, 온도 및 pH 조건을 그대로 재현할 수 있어, 지하 심부에서 광물의 용해 거동을 정량적으로 파악하고 측정할 수 있다는 이점이 있다.
이렇게 광물의 용해 거동에 대한 정량적 실험을 기초로 고준위 방사성 폐기물을 지하 매립함에 있어서, 지하의 환경조건에 따라 벤토나이트 등 방사성 폐기물 차폐물질의 용해 거동을 사전에 파악하여 매립의 안전성을 기할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광물 용해실험 장치의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광물 용해실험 장치의 개략적 사시도이다.
도 3은 마운팅부재에 제1광물시료와 제2광물시료가 장착되는 것을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광물 용해실험 장치의 실제 사진이다.
도 5는 용해실험을 수행하기 위한 제1광물시료와 제2광물시료의 사진이다.
도 6은 제1광물시료의 용해된 표면에 대한 현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광물 용해실험 장치를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광물 용해실험 장치의 개략적 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 광물 용해실험 장치의 개략적 사시도이고, 도 3은 마운팅부재에 제1광물시료와 제2광물시료가 장착되는 것을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광물 용해실험 장치(100)는 본체(10), 마운팅부재(20), 실린더(30) 및 로드셀(40)을 구비한다.
본체(10)는 평평하게 형성된 바닥판(11)과, 바닥판(11)으로부터 상방으로 이격되어 있는 상판(12)을 구비한다. 수직하게 배치되는 4개의 프레임(13)이 바닥판(11)과 상판(12)을 연결한다.
마운팅부재(20)는 용해실험을 위한 제1광물시료와 제2광물시료가 장착되는 공간을 제공하는 것으로서, 관본체(21) 및 지지체(22)로 이루어진다.
관본체(21)는 원통형으로 내부가 비어 있는 중공형상으로 이루어진다. 본 실시예에서 관본체(21)는 폴리카보네이트 재질로 이루어진다. 폴리카보네이트는 후술할 실린더(30)에서 압력이 가해지는 경우에도 견딜 수 있는 정도로 강도가 클 뿐만 아니라, 투명하므로 내부를 육안으로 확인할 수 있다는 이점이 있다.
관본체(21)의 하부에는 지지체(22)가 끼워져 고정된다. 지지체(22)의 외주면과 관본체(21)의 내주면 사이에는 오링(23)이 개재되어 지지체(22)가 관본체(21)에 억지끼움되게 한다. 보다 구체적으로 지지체(22)의 외주면에는 둘레방향을 따라 오목하게 끼움부(24)가 형성되며 오링(23)은 이 끼움부(24)에 삽입된 상태로 관본체(21)의 내주면에 밀착된다. 오링(23)에 의하여 지지체(22)와 관본체(11) 사이는 밀폐된다.
상기한 구성으로 이루어진 마운팅부재(20)는 로드셀(40)에 의해 지지된다. 후술할 로드셀(40)은 본체(10)의 바닥판(11) 위에 설치되는데, 로드셀(40)의 상부에는 돌기부(41)가 형성되어 있는데, 지지체(21)의 하면에는 이 돌기부(41)에 대응되도록 오목하게 홈부(25)가 형성된다. 로드셀(40)의 돌기부(41)에 홈부(25)가 끼워진 상태로 마운팅부재(20)는 로드셀(40)에 지지된다.
마운팅부재(20)의 내부에는 제1광물시료(1), 제2광물시료(5) 및 알카리성 용액(9)이 수용된다. 본 발명에 따른 장치는 광물의 용해거동을 측정하기 위한 것으로서, 다양한 광물이 시료로 채택될 수 있다. 본 실시예에서는 고준위 방사성 폐기물을 차폐하는데 사용되는 벤토나이트에 많이 포함되어 있는 단결정 광물인 석영이 광물시료로 사용된다.
제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)는 모두 석영인데, 제2광물시료(5)는 원통 형상으로 관본체(21)에 끼워져 지지체(22) 위에 지지된다. 그리고 제1광물시료(5)는 관본체(21)에 끼워져 제2광물시료(5)와 접촉되게 배치된다. 제1광물시료(1)의 상단부(2)는 원통형으로 형성되지만, 하단부는 첨예한 형상의 쐐기부(3)가 형성된다. 쐐기부(3)는 상부에서 하부로 갈수록 점차 직경이 작아지게 형성되며, 쐐기부(3)의 끝부분이 제2광물시료(5)와 접촉한다. 즉, 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)가 접촉되는 부분인 쐐기부(3)의 단부는 대략 직경이 1~3mm로 이루어진다.
제1광물시료(1)의 하단부가 쐐기부(3)로 형성됨에 따라, 쐐기부(3)와 제2광물시료(5)의 상면 사이에는 공간이 생기며, 이 공간에는 알카리성 용액(9)이 수용된다. 즉, 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)가 알카리성 용액에 수용된 상태로 상호 접촉하게 된다. 마운팅부재(20)의 하부는 오링(23)으로 밀폐되어 있으므로 알카리성 용액(9)은 하부로 유출되지 않는다.
이처럼 제1광물시료(1)의 하부를 쐐기부로 형성하는데에는 2가지 이유가 있다.
첫 째, 본 실시예에서 용해거동을 알고자 하는 제1광물시료와 제2광물시료가 놓이게 되는 환경의 pH 조건을 맞추기 위한 것이다. 즉, 쐐기부(3)를 형성하여 주변에 공간을 마련함으로써, pH를 맞추기 위한 용액을 수용하기 위한 것이다. 본 실시예와 같이, 제1광물시료와 제2광물시료는 지하에 매설된 방사성 폐기물을 차폐하는 기능을 하는 것으로서, 대략 1km 정도의 지하 심부에 알카리성 환경에 놓이게 된다. 이에 제1광물시료와 제2광물시료가 접촉되는 부분을 알카리성 조건으로 형성하기 위해 제1광물시료(1)의 쐐기부(3)와 제2광물시료(5)의 상면이 알카리성 용액에 수용되도록 한다.
둘 째, 후술하겠지만 용해거동을 시험할 때 실린더(30)를 이용하여 제1광물시료를 제2광물시료에 가압하여 접촉시키는데, 작은 힘으로도 높은 압력을 형성하기 위해서는 접촉부의 면적이 작아야 한다. 이에 제1광물시료(1)의 단부를 첨예하게 형성하여 같은 힘으로도 높은 압력을 형성하도록 한다.
실린더(30)는 마운팅부재(20)에 수용되어 상호 접촉되어 있는 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)를 가압하기 위한 것이다. 즉, 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)는 지하 심부에서 높은 압력을 받고 있는 조건이므로, 지하의 환경과 동일한 조건을 형성하도록 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)를 가압하기 위한 실린더(30)가 마련된다. 본 실시예에서 실린더(30)에 의하여 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)에 최대 20MPa 정도의 압력이 가해질 수 있다.
실린더본체(31)와 플런저(32)를 구비한다. 본 실시예에서 실린더본체(31)는 상판(12)의 하부에 결합되어 고정되며, 플런저(32)는 실린더본체(31)에서 왕복운동 가능하다.
본 실시예에서 사용되는 실린더(30)는 공압을 이용한 것으로서, 실린더본체(31)에는 에어포트(미도시)가 마련되며, 이 에어포트에는 각각 에어펌프(33)와 연결되어 있는 에어공급라인(34)이 접속되어 실린더본체(31) 내부로 에어를 공급한다. 플런저(32)는 에어의 공급에 따라 상방 또는 하방으로 이동한다.
그리고 플런저(32)에 의해 가해지는 압력을 일정하게 유지하기 위하여 에어펌프(33)와 실린더본체(31) 사이의 에어공급라인(34)에는 레귤레이터(35)가 설치된다. 플런저(32)에 의해 가압이 시작된 후 광물시료가 용해되는 등 조건이 달라지면 압력이 변하게 되므로 레귤레이터(35)를 통해 플런저(32)의 압력이 일정하게 유지되도록 한다.
플런저(32)는 봉 형상으로 형성되어 마운팅부재(20)의 관본체(21) 내경보다 약간 작은 직경을 가진다. 이에 플런저(32)가 하방으로 이동시 관본체(21) 내측으로 삽입될 수 있다. 즉, 실린더본체(31)로 에어가 공급됨에 따라 플런저(32)가 하방으로 이동하면, 플런저(32)의 선단면이 관본체(21)로 삽입되어 제1광물시료(1)를 가압한다. 역으로 플런저(32)가 상방으로 이동하여 관본체(21)로부터 이탈됨으로써 가압이 해제된다. 그리고 플런저(32)의 선단부에는 둘레방향을 따라 끼움부(36)가 형성되며, 이 끼움부(36)에 오링(37)이 끼워져, 플런저(32)가 마운팅부재(20)에 삽입되었을 때 플런저(32)의 외주면과 관본체(21)의 내주면 사이를 실링한다.
그리고 용해실험에서는 최초의 조건에서 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)가 용해됨에 따라 발생하는 변위를 측정해야 한다. 즉, 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)가 알카리성 용액 내에서 가압접촉됨으로써 주로 첨예한 형상의 쐐기부(3)가 용해(제1광물시료와 제2광물시료가 함께 용해되는 것도 포함)되는데, 용해에 의해서 제1광물시료(1)가 하방으로 이동된 거리를 측정해야 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 플런저(32)가 제1광물시료(1)에 접촉한 지점을 기준으로 실험이 진행됨에 따라 플런저(32)가 하방으로 이동한 변위를 측정함으로써, 광물시료들의 용해에 의해 이동된 변위를 측정한다. 플런저(32)의 이동거리를 측정하기 위하여 변위센서(70)가 마련된다.
본 실시예에서 변위세서(70)는 와전류식 변위센서가 사용되는데, 센서체(71)는 고정바(75)에 의하여 본체(10)의 프레임(13)에 위치고정되게 설치되며, 플런저(32)에는 이동자(72)가 설치된다. 이동자(72)는 바 형상으로 길게 수평하게 배치되어 플런저(32)에 결합되며, 그 일단부는 센서체(71)의 센싱 경로 상에 배치된다. 즉, 본 실시예에서는 이동자(72)가 센서체(71)의 상부에 배치되어, 플런저(32)의 이동시에 함께 상하로 이동하는데, 센서체(71)에서는 이동자(72)의 변위를 측정함으로써 플런저(32)의 변위를 센싱할 수 있다.
로드셀(40)은 광물시료들에 가해지는 압력을 측정하기 위한 것으로서, 상술한 바와 같이 마운팅부재(20)를 지지하고 있다.
한편, 제1광물시료(1)와 제2광물시료(2)가 놓여지는 지하 심부의 온도 조건을 재현하기 위하여, 본 실시예에서는 온도조절수단을 구비한다. 광물시료들의 온도를 조절하기 위한 구성은 다양한데, 본 실시예에서는 열선패드(80)를 사용한다. 열선패드(80)는 마운팅부재(20)의 관본체(21)를 감싸며 설치된다. 열선패드(80)의 내측에는 전기 저항에 의해 열을 발생시키는 열선(미도시)이 설치되며, 이 열선은 전원조절부(81)와 전기적으로 연결된다.
열선패드(80)가 작동시켜 제1광물시료(1)와 제2광물시료(5)를 가열함으로써 지하의 온도조건과 동일한 환경에서 실험을 수행할 수 있다. 본 실시예에서는 대략 섭씨 50℃ 정도까지 가열할 수 있다.
상기한 구성으로 이루어진 광물 용해실험 장치에서는 압력, 온도 및 pH 조건을 지하의 환경과 동일하게 재현할 수 있어 지하의 환경에서 고준위 방사성 폐기물을 차폐하고 있는 석영 광물의 용해 거동을 정밀하게 파악할 수 있다.
그리고 본 발명에서는 압력, 온도, pH 등의 조건과, 이 조건에서 로드셀에 의해 측정된 압력과 변위센서에 의해 측정된 변위를 저장하기 위해 컴퓨터(90)가 마련된다. 이 컴퓨터(90)는 로드셀(40) 및 변위센서(70)와 연결되어 있는 압력-변위 레코더(77), 열선패드(80)의 전원조절부, 에어펌프 및 레귤레이터와 각각 전기적으로 연결되어 데이터를 저장 및 교환하고, 각 기기들을 콘트롤한다.
이에 따라, 사용자는 컴퓨터를 통해 압력, 온도 등을 실험의 조거에 맞게 조절할 수 있으며, 측정된 데이터들은 실시간으로 저장되므로 광물의 용해거동을 정량적으로 파악할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광물 용해실험 장치의 실제 사진이며, 도 5는 용해실험을 수행하기 위한 제1광물시료와 제2광물시료의 사진이다. 도 4의 사진에 있는 광물 용해실험 장치와, 도 5의 사진에 있는 광물시료를 이용하여 용해실험을 수행하였다. 도 6은 본 발명에 따른 광물 용해실험 장치에 의하여 석영에 대한 용해실험을 수행한 후, 석영 표면을 현미경으로 관찰한 사진이다. 이 사진에서 석영의 표면이 용해된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광물 용해실험 장치는 광물이 놓여지는 환경, 즉 압력, 온도 및 pH 조건을 그대로 재현할 수 있어 광물의 용해거동을 정량적으로 파악하고 측정할 수 있다는 이점이 있다.
이렇게 광물의 용해거동에 대한 정량적 실험을 기초로 고준위 방사성 폐기물을 지하 매립함에 있어서, 지하의 환경조건에 따라 벤토나이트 등의 차폐물질의 용해 거동을 사전에 파악하여 안전성을 기할 수 있다.
100 ... 광물 용해실험 장치 10 ... 본체
20 ... 마운팅부재 30 ... 실린더
40 ... 로드셀 70 ... 변위센서
80 ... 열선패드 90 ... 컴퓨터

Claims (11)

  1. 프레임이 설치되어 있는 본체;
    알카리성 용액과, 상기 알카리성 용액 내에서 상호 접촉되는 제1광물시료와 제2광물시료를 함께 수용하도록, 상방이 개구되어 있는 수용부가 형성되어 있는 마운팅부재;
    상기 본체에 설치되어, 상기 마운팅부재의 수용부 내에 배치된 상기 제1광물시료를 상기 제2광물시료쪽으로 가압하도록 상기 수용부에 삽입 및 이탈되게 왕복이동가능한 플런저를 구비하는 실린더; 및
    상기 마운팅부재의 하부에서 상기 마운팅부재를 지지하며 상기 제2광물시료에 가해지는 압력을 측정하는 로드셀;을 구비하는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅부재 내의 제1광물시료와 제2광물시료의 온도를 조절하기 위한 온도조절수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도조절수단은, 상기 마운팅부재의 외주면을 감싸며 설치되며 내부에 전기저항에 의해 열을 발생시키는 열선을 포함하여 이루어진 열선패드인 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플런저가 상기 제1광물시료를 가압하는 압력을 일정하게 유지하기 위한 레귤레이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플런저가 이동한 거리를 측정하기 위한 변위센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변위센서는,
    상기 본체에 위치고정되게 설치되는 센서체와,
    상기 플런저에 결합되어 상기 플런저와 함께 이동되며, 일단부가 상기 센서체의 센싱 경로상에 배치되는 이동자를 포함하며,
    상기 센서체로부터 상기 이동자까지의 거리를 센싱하여 상기 플런저의 이동 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅부재는 하부가 막혀 있는 관형으로 형성되며,
    상기 제2광물시료는 상기 마운팅부재에 끼워져 들어가고,
    상기 제1광물시료는 상기 마운팅부재에 끼워져 들어가되 하부에 첨예한 형상의 쐐기부가 형성되어, 상기 쐐기부의 하단부는 상기 제2광물시료의 상면에 접촉되며,
    상기 알카리성 용액은 상기 제1광물시료의 쐐기부와 상기 제2광물시료 사이에 수용되는 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1광물시료와 제2광물시료가 접촉되는 면적은 직경이 1~3mm인 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅부재는, 원통형의 관본체와, 상기 관본체의 하부에 끼워져 고정되며 상기 제2광물시료를 지지하는 지지체 및 상기 지지체의 외주면과 상기 관본체의 내주면 사이에 개재되어 상기 알카리성 용액이 배출되는 것을 방지하는 오링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지체의 하면에는 상기 로드셀의 상부에 형성된 돌기부가 삽입될 수 있도록 오목하게 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 마운팅부재의 관본체는 폴리카보네이트 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광물 용해실험 장치.
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