Backfill is one of the main components of engineered barrier in a high-level waste repository. The material selection of the backfill determines the barrier performance of the backfill. Overseas, its related research has been carried out mainly in Sweden, Finland, Canada, and Japan. However, Korea has recently started backfill research, and it is urgent to select a potential material for establishing the concept of backfill material and conducting backfill research. This study reviews NEA report, potential materials for overseas backfill research, advantages and disadvantages of single and mixed backfill materials, cases of license applications in Finland and Sweden for the selection of potential materials for backfill in Korea’s high-level waste repository. The review results indicated that it is reasonable to carry out backfill research according to the following plan: Both single and mixed materials are considered as potential materials for backfill research; experiments and performance studies are conducted with these materials; and, based on the results, a potential material or candidate material for the backfill suitable for the HLW repository in Korea is determined. For this plan, the single material is tentatively selected, as in Sweden, as bentonite with a montmorillonite content of about 40-50%. Then, if the selection criteria for montmorillonite content are determined through experiments and performance studies, we determine the final potential backfill material. As for the mixed backfill material, the bentonite/crushed rock mixture seems to be more advantageous than the bentonite/sand mixture considering the disposing problem of crushed rock generated from tunnel excavation and economic feasibility through its recycling. It is thought that the bentonite used in the bentonite/crushed rock mixture should have a higher montmorillonite content than bentonite used as a single backfill material since the crushed rock acts as an inert material in the mixture. The results of this study can be used as basic data for selecting the backfill material to be applied to the high-level waste repository in Korea, and can be used as a guideline for selecting the potential material required for backfill experiments and performance studies to be carried out in the future.

The backfill refills the deep geological disposal system after the installation of buffer in the disposal hole. SKB and Posiva have established the safety function for the backfill such as hydraulic conductivity of 10-10 m/s and swelling pressure of 0.2 MPa. The study on the thermal properties is required for the evaluation of performance design and long-term stability of backfill, since the thermal condition affects the hydraulic and mechanical behavior of backfill. Thermal conductivity is a key characteristic of thermal properties due to heat dissipation from spent fuel. In this study, thermal conductivities of bentonite-sand mixed blocks were measured. The silica sands were used instead of the crushed rock with bentonil-WRK, one of the candidate bentonite of the Korean repository system. The effects of size distribution and mass ratio of sand were evaluated. Four different size of silica sand (i.e., 0.18-0.25, 0.7-1.12, 1.6-2.5, 2.5-5.0 mm) and five mixing ratio (i.e., 1:9, 2:8, 3:7, 4:6, 5:5 of bentonite and sand) were used for characterization of thermal conductivity. As a result, the thermal conductivities were measured ranging from 1.6 to 3.1 W/m∙K depending on the size and mass ratio of the sand. The smaller the size or higher the mixing ratio of sand or the higher the water contents, the higher the thermal conductivity on the surface of backfill block. The higher compressing pressure induce higher thermal conductivity. Meanwhile, the feasibility study of backfill block productivity was reviewed according to the variables of this study. The excessive sand ratio and water contents lead to poor quality that results in the failure of the block. In Korea, the research of backfill is only now in fundamental steps, thus the results of this study are expected to use for setup the experimental conditions of hydraulic and mechanical performance, and can be used for the design of safety function and evaluation of long-term stability for deep geological disposal system.

Expansive clays (for examples, bentonites) are favored as buffer and backfill materials because of their low hydraulic conductivity, high swelling potential, and good mechanical properties, and are installed in highly compacted blocks in repositories. Compacted expansive clays have a dual-structure system: macrostructural system which is a complex of clay aggregates with the inter-aggregate pores (macropores) which can be filled by either liquids or gases; microstructural system with the intraaggregate pores between or within clay particles (micropores) which is usually considered to be saturated by liquid. Understanding the dual-strucure system of expansive clays is essential for characterizing and modeling multiphysics (stress-strain, swelling pressure, etc.) in buffers and backfills. Existing multiphysics studies of expansive clays, as in non-expansive soils, were mostly conducted with a single structure approach based on the behavior of macropores, and there have been limitations in the comprehensive interpretation and modeling of experimental results. However, with the recent development of measurement techniques, a lot of available information on the pore structure of compacted expansive clays has been reported, and with the results, a dual-structure approach considering both microstructural and macrostructural systems has been increasingly applied to improve the modeling of multiphysics of expansive clays. This study reviewed the dual-structure system of compacted expansive clays, analyzed previous studies on its evolution according to hydromechanical loading (loading-unloading and wetting-drying paths), and based on these, intended to provide technical knowledge and information needed for multiphysics research of expansive clays-based buffer and backfill for the KRS repository.

The backfill close the deep geological disposal system by filling the disposal tunnel and the connecting tunnel after the installation of buffer in the disposal hole. SKB and Posiva have established and designed the safety function of the backfill for the common goal of the deep geological disposal system. The safety function of backfill material has been set hydraulic conductivity of less than 10−10 m·s−1, a swelling pressure of 0.2 MPa, a compressive modulus of 10 MPa or a buffer density of 1,950 kg·m−3 or more, and freezing resistance. For the selection of the optimum backfill material, SKB and Posiva developed the concept of the backfill and evaluated the candidate that satisfies the requirements in four steps. In the first step, the performance and function that the backfill material should have were conceptualized. For the second step, laboratory tests and in-depth analysis of the candidate material properties were conducted. At this step, the focus has been on testing with the concept of the block method, using key candidate materials. In step 3, laboratory and large-scale experiments were performed to test engineering feasibility. In addition, design specifications for backfill materials were set based on site conditions, installation methods, and short- and long-term functions of materials. In Korea, it is only now in the step of selecting the concepts of the safety function. Therefore, it is necessary to benchmark the development process based on the previous studies of SKB and Posiva. In this study, candidate materials, experimental methods, and results were analyzed. As a result, the research steps and conditions for the selection of the optimum backfill material were reviewed. Using this study, the research steps of domestic backfill was suggested to develop within a short time for the Korean deep geological disposal system.

불포화 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 공학적방벽의 수리-역학적 성능평가 및 설계에 있어 매우 중요한 입력인자이다. 본 연구에서는 문헌에 보고된 불포화 다공성매질의 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 분석하고, 고준위폐기물처분장의 벤토나이트 완충재에 적합한 수분흡입력 측정기술과 구성모델을 제안하였다. 문헌 분석결과, 벤토나이트 완충재의 수분흡입력은 일반토질보다 훨씬 높은 값을 가지며, 매트릭수분흡입력과 삼투흡입력을 포함하는 총수분흡입력을 측정하여 사용하였다. 벤토나이트 완충재의 수분흡입력 측정에는 상대습도센서를 이용한 측정방법(RH-Cell, RH-Cell/Sensor)이 적합하였으며, 핵종 붕괴열에 의한 온도변화와 측정 소요시간을 고려했을 때에는 RH-Cell/Sensor 방법이 더 선호되었다. 벤토나이트 완충재의 수분보유모델은 실험을 통해 여러 가지 모델이 제안되었지만, 불포화 완충재의 수리-역학적 성능평가 구성모델로는 대부분 van Genuchten모델이 사용되었다. 벤토나이트 완충재의 수분특성곡선은 벤토나이트의 종류, 건조밀도, 온도, 염도, 측정 시 시료상태와 이력과정에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 수분보유모델의 선정 및 모델인자 결정에는 신뢰도 향상을 위해 이러한 인자들의 영향이 고려되어야 한다.

고준위방사성폐기물 처분시스템에서는 방사성 핵종의 붕괴열과 암반으로부터의 지하수 유입으로 열응력 및 팽윤압의 발생으로 열-수리-역학적 복합거동(coupled thermo-hydro-mechanical behavior)이 예상되기 때문에 한국원자력연구원은 처분시스템 및 근계암반에서의 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 평가하기 위해서 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)에서 2016년부터 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 수행 중에 있다. 본 연구에서는 In-DEBS 현장시험 데이터 분석하고 벤토나이트 완충재와 화강암반에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 벤토나이트 블록과 KURT 화강암의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하기 위해 사용된 각각의 열, 수리, 그리고 역학적 모델의 적합성을 평가하고 자 현장시험에서 계측된 온도, 상대습도, 그리고 변위의 결과와 수치해석으로 계산된 결과를 비교하였다. 온도와 상대습도의 계산 결과를 현장 데이터와 비교·분석한 결과, 전체적으로 유사한 경향을 보일 뿐만 아니라 시간에 따라 변화하는 정량적인 값 역시 유사하게 나타났다. 역학적 해석 결과를 살펴보면, 계산된 변위의 전반적인 경향은 유사하지만 해석 결과가 계측 값에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 축대칭 모델을 이용하여 In-DEBS 현장시험에서 관측된 열-수리-역학적 복합거동 특성을 전반적으로 평가할 수 있었지만, 벤토나이트 블록 및 KURT 암반에서의 열-수리-역학적 복합거동을 면밀히 살펴보기 위해서는 추후 터널의 형상과 주변 KURT 터널의 영향을 반영한 3차원 해석이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 입력 물성과 열-수리-역학적 모델은 추후 In-DEBS 장기 거동 및 처분시스템에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하고 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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.

선진핵주기고준위폐기물처분시스템(A-KRS, Advanced Korean Reference Repository System)을 기반으로 한 공학규모 공학적방벽시스템 열-수리-역학적 복합거동 현장시험(In-DEBS, In-situ Demonstration of Engineered Barrier System)은 2012년부터 기획되었다. 한국원자력연구원의 자체기술로 전체 시스템 구성요소를 설계하고 제작하여 2016년 5월 한국원자력 연구원의 지하처분연구시설(KURT, KAERI Underground Research Tunnel)에 설치하였다. 2016년 7월에 정상운영을 시작하여 현재까지 양질의 열-수리-역학 데이터를 생산하고 있다. 이 시험은 국내에서 최초로 설치하여 운영되는 고준위폐기물 심층처분시스템 공학규모 현장시험으로써, 대규모 공학적방벽 제작기술 개발 및 검증, 처분시스템 설치방법 개발 및 검증, 국내산 벤토나이트의 장기 열-수리-역학 거동 자료 확보, 공학적방벽 국내산 벤토나이트 완충재의 열-수리-역학(THM, thermal-hydro-mechanical) 복합거동특성 현장시험 및 THM 복합모델링 기술 검증, 공학적방벽 완충재 THM 특성 측정 및 모니터링 기술 개발 등을 통한 국내 고준위폐기물 심층처분시스템 공학적방벽의 성능검증 기술개발을 최종 목표로 하고 있다. KURT 기반 In-DEBS의 성공적인 설치와 운영을 통해 공학규모 공학적방벽의 제작 및 설치 기술을 확보할 수 있을 뿐 아니라 여기에서 생산되는 데이터를 이용하여 처분기술개발의 핵심 분야인 공학적방벽 THM 복합모델링 기술의 개발 및 검증 능력도 갖추게 될 것이다. 따라서 향후에 수행될 우리나라 고유의 실규모 처분시스템 실증기술 개발을 위한 귀중한 정보를 제공해 줄 것으로 기대된다.

고준위폐기물처분장에서 완충재는 공학적방벽의 주요 구성요소 중 하나이다. 본 연구에서는 국·내외의 완충재 요구사항과 성능기준을 분석하고, 우리나라 고준위폐기물처분장에 적합한 완충재 개념 도출을 위한 접근방안을 제시하였다. 완충재의 주요 성능기준 인자항목으로, 수리전도도, 핵종 저지능, 팽윤압, 열전도도, 역학적 특성치(mechanical properties), 유기물함 량(organic carbon content), 일라이트화 속도(illitization rate) 등을 고려하였다. 우리나라 고준위폐기물처분장 완충재 물질 로서 국산 벤토나이트(Ca-벤토나이트)와 대안재로 MX-80 벤토나이트(Na-벤토나이트)를 제안하였다. 완충재의 기술사양은 Ca-벤토나이트 경우엔 우리나라의 성능기준을, Na-벤토나이트의 경우는 스웨덴의 성능기준을 보수적으로 만족하는 값으로 설정하였다. 완충재의 두께는 전단거동, 핵종 유출, 열전도의 측면에서 평가하여 결정하였으며, 평가결과 완충재의 두께는 0.25 ~ 0.5 m 사이가 적절하였다. 그러나 최종적인 완충재의 두께는 향후 보다 심도 있는 열-수리-역학적 평가와 경제적, 공 학적 측면을 고려하여 결정하여야 할 것이다.

고준위폐기물처분장의 완충재 물질로 사용되는 팽윤성 점토는 방벽재로서 그 기능을 제대로 발휘하기 위해 오랫동안 물리 화학적으로 안정해야 한다. 팽윤성 점토의 장기건전성 관련인 자들을 검토하고, 처분장 성능에 대한 각 인자의 중요성을 평가하였다. 검토결과, 붕괴 열에 의한 온도상승, 지하수 화학, 콘크리트에 의한 pH 증가, 유기물과 미생물, 방사선 조사 및 기계적 교란은 완충재물질로서 팽윤성 점토의 장기건전성에 중요한 인자임을 확인하였다. 본 연구는 고준위폐기물 처분장에서 팽윤성 점토의 완충재 설계를 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것이다.

벤토나이트 완충재의 열수거동 실험에서는 고준위폐기물처분장 완충재로 유력하게 고려되고 있는 국산 벤토나이트를 대상으로 열수특성을 규명하고, 또 그 결과를 바탕으로 KRS 처분환경에서 벤토나이트 완충재의 장기건전성을 평가하였다. 실험결과, 벤토나이트 완충재의 열수반응은 주 구성광물인 스멕타이트의 일라이트화를 통해 진행되었으며, 온도, 농도, pH는 이러한 일라이트화에 중요한 열수반응인자 역할을 하였다. KRS 처분환경에 대한 국산벤토나이트 완충재의 장기건전성을 분석한 결과, 정상상태에서는 벤토나이트 완충재가 오랜 기간 동안 방벽재기능을 유지하였지만, 보수적인 조건에서는 약 년이 경과했을 때 벤토나이트 완충재를 구성하는 스멕타이트의 50%이상이 일라이트로 전환되어 방벽재로서의 팽윤능력을 상실할 수 있음을 예상할 수 있었다.