In this study, we employed a small-scale experiment to demonstrate the introduction of a thin copper heat dissipation plate into a bentonite buffer layer of an engineered barrier system. This experiment designed for spent nuclear fuel disposal can effectively reduce the maximum temperature of the bentonite buffer layer, and ultimately, make it possible to reduce the area of the disposal site. For the experiment, a small-scale engineered barrier system with a copper heat dissipation plate was designed and manufactured. the thickness of the cylindrical buffer was about 2 cm, which was about 1/20 of KAERI Repository System (KRS). At a power supply of 250 W, the maximum buffer temperature reduced to a mere 1.8°C when the thin copper plate was introduced. However, the maximum surface temperature reduced to a remarkable 9.1°C, when a U-collar copper plate was introduced, which had a good contact with the other barrier layers. Consequently, we conclude that the introduction of the thin copper plate into the engineered barrier system for spent nuclear fuel disposal can effectively reduce the maximum buffer temperature in high-level radioactive waste disposal repositories.

In this study, we investigated the suppression of the corrosion of cast iron in a copper–cast iron double-layered canister under local corrosion of the copper layer. The cold spray coating technique was used to insert metals with lower galvanic activity than that of copper, such as silver, nickel, and titanium, between the copper and cast iron layers. Electrochemically accelerated corrosion tests were performed on the galvanic specimens in KURT groundwater at a voltage of 1.0 V for a week. The results revealed that copper corrosion was evident in all galvanic specimens of Cu–Ag, Cu–Ni, and Cu–Ti. By contrast, the copper was barely corroded in the Cu–Fe specimens. Therefore, it was concluded that if an inactive galvanic metal is applied to the areas where local corrosion is concerned, such as welding parts, the disposal canister can overcome local or non-uniform corrosion of the copper canister for long periods.

Buffer materials play an important role in preventing the leakage of radionuclides from the residue. The mineralogical properties of these buffer materials are critical in repository design. This study presents the fundamental properties of Na-type MX80 and a novel Ca-type Bentonil- WRK. The CaO to MgO ratio in Bentonil-WRK was approximately 1:1, and the CaO to Na2O ratio was approximately 2.8:1. These results suggest that Bentonil-WRK demonstrates a lower swelling index compared to Gyeongju bentonite due to its CaO-to-MgO ratio’s proximity to 1:1, despite having a higher montmorillonite content than Gyeongju bentonite. The results of this research can provide useful foundational data for the evaluation of the thermal-hydraulic-mechanical-chemical behavior of buffer materials.

In this study, a third metal layer with a higher corrosion potential than copper was introduced between the copper and cast iron layer to strengthen the corrosion resistance of the copper layer which is considered as a corrosion resistant barrier in the disposal container for spent nuclear fuel. Three types of corrosion-resistant metals, silver, nickel, and titanium, were selected as the intermediate insertion layer, and the galvanic specimens of two bonded metals were exposed to KURT (KAERI Underground Research Tunnel) groundwater and a high voltage of 1.0 V was applied to corrode the specimens at electrochemically accelerated condition. Corrosion of copper part was confirmed in Cu-Ti, Cu-Ni, and Cu-Ag galvanic specimens, but copper part was not corroded in Cu-Fe galvanic specimen. If the corrosion-resistant intermediate layer proposed in this study works properly, the local corrosion problem of copper disposal canister is expected to be some degree solved, which can apply to a welding part or a stress concentrated part.

The purpose of this study was to examine whether galvanic corrosion of copper occurs by inserting a third barrier layer with a higher corrosion potential than copper between copper and cast iron when the copper layer is locally perforated by pitting or partial corrosion. A triple layer composed of copper, inserted metal, and carbon steel was manufactured by cold spray coating of inserting metal powders such as Ag, Ni, and Ti on carbon steel plate followed by Cu coating on it. First, the corrosion properties were evaluated electrochemically for each metal coating. As a result of Tafel plot anaylsis in KURT groundwater condition, the corrosion potential of Fe (-567 mV) was much lower than that of Cu (-91 mV), and the corrosion potential of Ni (-150 mV) was also lower than that of Cu. Therefore, Ni was likely to corrode before Cu. However, the corrosion current of Ni was lower than that of the Cu. In the galvanic specimen where the copper and inserting metal were exposed together, Cu-Fe was much lower corrosion potential of -446 mV, and the corrosion potential of Cu-Ti, Cu-Ni, and Cu-Ag were slightly higher than that of Cu. Therefore, it seemed that Ag, Ni, and Ti all might promote galvanic corrosion of surrounding copper when the copper layer was perforated to the inserted metal layer. If the metal insertion presented in this study operates properly, the disposal container does not need to worry about the partial corrosion or non-uniform corrosion of external copper layer.

Corrosion cells that simulates engineering barrier system have been stored in an aerobic KURT environment for 10 years, which were recovered and dismantled in 2021. The test specimens were compressed copper (Com. Cu), Cold spray copper (CSC Cu), Ti Gr.2, STS 304, and Cast nodular iron. The specimens were buffered by compact Ca-type Gyeongju bentonite (KJ-I) and compact Na-type Wyoming bentonite. And the corrosion cells were exposed to KURT groundwater at 30°C for about 10 years (3,675 days). As a result of the long-term experiment in aerobic environment, it was confirmed that Na-bentonite is more advantageous for inhibiting corrosion than Ca-bentonite. The corrosion thickness of the most specimens in Ca bentonite was slightly lower than in Na bentonite until the initial 500 days, but after 10 years, the corrosion thickness of copper and cast iron specimens in Na bentonite was clearly lower. The corrosion thickness of the copper specimen in Na bentonite was very low about 0.5 um in both Com. Cu and CSC Cu. Moreover, the corrosion thickness in Ca bentonite was very high about 4 um for Com. Cu and 6 um for CSC Cu. In the case of cast iron, the corrosion thickness in Na bentonite was about 13 um, and 15 um in Ca bentonite. The common feature of copper and cast iron specimens in Ca bentonite, which showed a high corrosion thickness, is the forming of a white mineral deposition layer on the specimen surface, which was presumed to be some kind of feldspar. On the other hand, it was found that the STS304 and Ti specimens were hardly corroded even after 10 years. In conclusion, when a white mineral deposition layer was formed on the specimen surface, the corrosion thickness always increased sharply than before, and thus it was estimated that the generation of the mineral deposition layer cause the increase of bentonite permeability, and rather the weakening of existing passive corrosion film.

본 연구의 목적은 In-DEBS (In-situ Demonstration of Engineered Barrier System) 시험장치에 대한 설계안을 도출하고, 현장실증용 공학적방벽재의 생산을 위한 최적 제작조건을 도출하는 것이다. 이와 관련하여 그간 한국원자력연구원에서 수행한 실증실험 수행경험과 문헌분석 그리고 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(AKRS)을 근거로 시험장치를 설계하였다. 또한 처분용기와 벤토나이트 완충재는 시험제작을 통해 최적의 제작조건을 도출하였고, 예비 성능평가를 통해 제작된 공학적방벽재의 성능을 검증하였다. In-DEBS 현장시험을 위해서 AKRS의 1/2.3 규모로 설계하였으며, 고른 온도분포의 핵연료 모사를 위하여 설계 전력량 4.2 kW의 알루미늄 재질 몰드히터를 사용하였다. 한편 In-DEBS에 사용될 공학규모 이상의 균질 완충재 블록을 제작하기 위해 플롯팅 다이(floating die) 방식의 프레스 재하 및 냉간등방압프레스(CIP; Cold Isostatic Press) 기법을 국내 최초로 완충재 제작에 적용하였다. 연구결과 AKRS 완충재 블록 제한요건(건조밀도 › 1.6 kg·cm-3)을 충족하기 위해서는 1차로 40 MPa 이상의 플롯팅 다이 프레스 압력을 가하고, 2차로 50 MPa의 CIP 압력이 소요됨을 확인하였다. 또한 완충재 블록 내 센서설치를 위하여 CNC (Computer Numerical Control) 기법을 이용하여 센서위치를 정교하게 성형하였다

현재 기준개념으로 개발하여 상용화 단계에 있는 심층 동굴 처분기술에 대한 대안으로서 지질학적 조건이 더 안정적인 지하 3~5 km의 심도에 사용후핵연료를 포함한 고준위폐기물을 처분하는 심부시추공 처분기술의 국내 적용 가능성을 예비 평가 하였다. 이를 위하여 심부시추공 처분개념의 기술적 적용성 분석에 필요한 국내 기반암 분포특성 및 심부시추공 처분부 지적합성 평가 기술 분석과 대구경 심부시추기술을 평가하였다. 이들 분석결과를 바탕으로 심부시추공 처분시스템 설계 기준 및 요건에 적합한 심부시추공 처분용기 및 밀봉시스템 개념을 설정하여 예비 기준 심부시추공 처분 개념을 도출하였다. 그리고 도출된 예비 기준 처분시스템에 대하여 열적 안정성 및 그래픽 처분환경에서의 처분공정 모사 등 다양한 성능평가를 수행하고 이들을 종합하여 심부시추공 처분시스템의 국내 적용성에 대하여 다양한 관점에서의 예비평가를 수행하였다. 결론적으로, 심부시추공 처분시스템은 처분심도와 단순한 방법으로 인하여 안전성 및 경제적 타당성 측면에서 많은 장점이 있지만, 불확실성을 줄이고 인허가를 획득하기 위해서는 이 기술에 대한 현장실증이 필수적이다. 본 연구결과는 사용후핵연료 관리 국가정책 수립을 위한 공학적 근거자료로 활용이 가능하며, 심부시추공 처분기술에 관심을 갖는 방사성폐기물 관리 이해당사자들에게 필요한 정보자료로 제공될 수 있다.

본 연구에서는 심부시추공 처분을 위한 밀봉시스템으로서 Gibb’s Group에 의해 제안된 화강암 용융 및 재결정화에 의한 시 추공 밀봉 방안에 대해 KURT 화강암을 대상으로 실현 가능성을 확인하였다. 화강암 용융 실험은 첨가제를 이용한 상압용 융시험과 물의 기화에 의한 수증기 고압용융시험 2가지로 수행되었다. 상압 용융시험 결과, KURT 화강암 분말에 NaOH를 첨가하여도 기본 융점보다 낮은 1,000℃에서 부분용융이 시작되었으며, 냉각된 용융물에서 침상결정의 형성을 확인하였다. 수증기 고압시험은 물의 첨가량에 따라 수증기압을 달리하며 최대 400 bar의 수증기압까지 용융 시험이 진행되었다. KURT 화강암은 낮은 수증기압에도 1,000℃에서 부분 용융이 시작되었으나, 물이 많이 첨가된 높은 수증기압에서 화강암의 부분 용융은 보이지 않았다. 따라서 소량의 수증기가 있는 고압상태가 화강암의 용융에 적합한 것으로 판단되었다. 한편, 고온고압의 수증기는 내부식성의 반응기 벽을 부식시켜, 고온의 수증기에 의한 처분용기의 부식 문제가 발생되었다.

고준위 방사성폐기물로 분류되는 사용후핵연료를 현재 기술로 가장 안전한 격리 방법으로는 500 m 심도의 안정한 암반에 심지층 처분하는 방법으로, 가장 중요한 요건은 공학적방벽인 완충재의 온도가 100℃를 초과하지 않도록 시스템을 설계하 는 것이다. 국내의 경우 전체 전력 소요량의 약 30% 정도를 차지하고 있는 원자력발전으로 발생되는 사용후핵연료의 양은 지속적으로 증가하여 누적되고 있어, 이들을 처분하기 위한 소요면적도 증가하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 처분면적을 감소시킴으로써 처분효율을 향상시키기 위한 목적으로 다양한 복층처분 개념을 도출하였다. 이를 바탕으로 중요한 처분시 스템 요건 만족여부를 확인하기 위하여 열해석을 수행하고 그 결과를 분석하여 처분시스템 열적 안정성을 평가하였다. 평 가결과, 기준시스템 위치인 500 m 심도로부터 상부 또는 하부로 75 m를 이격한 심도에 복층으로 처분시스템 구축이 가능 하였으며, 실제 부지특성자료에 따른 상세 분석이 요구된다. 본 연구결과는 사용후핵연료 관리정책 수립 및 실제 처분시스 템 설계에 활용될 것으로 사료된다.