고준위방사성폐기물의 처분은 고심도 암반내에 처분시스템을 구축하는 심층 처분방법이 고려된다. 심층 처분은 처분용기, 완충재, 뒷채움재, 근계암반의 설계 요소인 공학적방벽과 천연 방벽으로 구성된다. 공학적방벽 중에서 벤토나이트 완충재는 암반으로부터 유입되는 지하수 흐름을 최소화하고 핵종 유출을 저지하는 기능을 한다. 지하수 유입으로 인한 완충재의 수리전도도 특성 규명은 처분장 공학적방벽의 안정성 및 건전성에 대한 성능 평가에 있어 중요한 사안이다. 본 연구에서는 경주 벤토나이트를 이용하여 다양한 건조밀도와 온도 조건에 따라 포화 수리전도도 실험을 수행하였으며, 120개의 실험 결과 를 다중 회귀 분석을 통해 수리전도도 추정 모델을 제시하였다. 실험 결과에서는 건조밀도가 커질수록 수리전도도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 온도가 증가할수록 수리전도도가 증가하였다. 이러한 실험 결과들을 종합한 다중 회귀 분석 결과에서는 수리전도도 추정식의 결정계수(R2)가 0.93으로 높게 나타났다. 본 연구에서 제시된 수리전도도 추정식은 벤토나이트 완충재의 성능과 연관된 건조밀도와 온도의 영향을 고려하여 처분시스템의 공학적방벽 설계에 활용 될 것으로 판단된다.

고준위폐기물을 심지층에 처분하기 위한 공학적방벽의 구성 요소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움재 등이 있다. 이 중 완충재는 처분용기와 근계암반 사이의 빈 공간에 설치되는 물질로써, 주변 지하수로부터 처분용기를 보호하며 방사성 핵종의 유출을 저지하는 등의 역할을 한다. 또한 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충재로 직접 전파되기에 완충재의 열전도도는 처분시스템의 안전성 평가에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤토나이트 완충재의 열전도도 특성을 규명하였으며 실제 처분용기에서 발생되는 고온의 특성을 반영하여 상온에서 80~90℃까지의 범위에서 압축 벤토나이트의 열전도도를 측정하였다. 온도증가에 따라 압축 벤토나이트의 열전도도는 5~20% 가량 증가하였으며 초기 포화도가 클수록 열전도도 증가는 더 크게 나타났다.

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.

한국원자력연구원 부지 내에 위치한 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT) 에서는 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(A-KRS)을 기반으로 고준위방사성폐기물을 처분하였을때, 예상되는 공학적방벽(Engineered Barrier System, EBS)과 자연방벽(Natural Barrier System, NBS)에서의 열-수리-역학적 복합거동(Thermo-Hydro-Mechanical coupled behavior)의 특성을 규명하고자 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 2012년부터 계획 및 설계를 시작하여, 2016년 5월부터 지하처분연구시설 3번 연구 갤러리(Research gallery 3)에서 진행하고 있다. 현장시험의 데이터를 분석하고 열-수리-역학적 복합거동 특성을 명확히 규명하기 위해서는 경주 벤토나이트와 KURT 암석 및 암반의 열적, 수리적, 그리고 역학적 물성 특성을 반드시 파악하고 있어야만 한다. 이에 본 연구에서는 지금까지 수행된 KURT 부지 특성과 KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열적, 수리적, 그리고 역학적 특성을 정리하고, 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델을 제시하였다. 특히, 온도에 따른 암석의 열팽창계수 변화, 응력에 따른 암석의 투수계수 변화, 포화도에 따른 벤토나이트 및 암석의 열전도도 변화, 포화도에 따른 벤토나이트의 비열 및 흡입력 변화와 같은 열-수리-역학적 복합물성에 대한 다양한 모델을 도출함으로써, In-DEBS 현장시험 결과 분석과 열-수리-역학적 복합거동 특성 평가를 위해 수행 될 수치시험에 필요한 벤토나이트와 암석 및 암반의 입력자료를 제시하고자 하였다.

원자력발전소를 운영하게 되면 사용후핵연료와 같은 고준위방사성폐기물이 필연적으로 발생한다. 이러한 고준위방사성폐 기물을 처분하기 위해 심층처분방식이 가장 적합한 대안으로 알려져 있으며 고준위방사성폐기물은 공학적방벽과 천연방벽에 둘러 쌓여 지하 500~1,000 m 깊이의 심지층에 처분된다. 이 중 압축 벤토나이트 완충재는 공학적방벽의 가장 중요한 구성요소이다. 완충재는 처분용기와 자연 암반 사이에 위치해 있기에 주변 지하수 흐름으로부터 처분용기를 보호하고 처분 용기로부터 핵종이 유출되는 것을 저지하는 역할을 한다. 주변 지하수 흐름으로 인한 완충재의 불포화 함수특성 규명은 전체 공학적방벽의 성능을 평가하는데 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실내 시험을 수행하여 국내 압축 벤토나이트 완충재의 건조밀도, 구속조건 여부, 그리고 건조 및 포화 이력에 따른 압축 벤토나이트 완충재의 함수특성곡선을 도출하여 분석하였다. 구속 조건하에서 건조밀도에 따른 함수특성곡선은 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 비구속 조건이 구 속 조건에 비해 보다 큰 수분흡입력을 나타냈으며, 아울러 포화 과정보다 건조 과정에서 보다 큰 수분흡인력이 측정되었다.

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 야기 하여 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 열팽창계수 에 대한 추정 모델을 제시하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수는 딜라토미터 장비를 이용하여 승온 속도, 건조밀도, 온도 범위에 따라 측정되었으며 선형 열팽창계수 값은 대략 4.0~6.0×10-6/℃ 로 측정되었다. 또한 실험 데이터를 토대로 비선형 회귀분석 방법을 이용하여 건조밀도에 따른 경주 압축 벤토나이트 완충재의 선형 열팽창계수를 추정 할 수 있는 모델을 제시하였다.

고준위폐기물을 처분하기 위한 심층 처분시설은 지하 500~1,000 m 깊이의 암반층에 설치된다. 심층 처분시스템의 구성 요 소로는 처분용기, 완충재, 뒷채움 및 근계 암반이 있다. 이 중 완충재는 심층 처분시스템에 있어 필수적인 요소인데, 완충재 는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지한다. 처분용기에서 발생하는 고온의 열량은 완충 재로 전파되기에 완충재의 열물성은 처분시스템의 안정성 평가에 상당히 중요하다고 할 수 있다. 완충재의 열전도도 규명 에 대한 연구는 많이 진행되고 있는 반면, 비열에 대한 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 국내 경주산 압축 벤 토나이트 완충재(KJ-II)에 대한 비열 추정 모델을 개발하고자 하였다. 압축 벤토나이트 완충재의 비열은 이중 탐침법을 이용 하여 다양한 포화도와 건조밀도에 따라 측정하였으며, 총 33개의 실험 데이터를 토대로 회귀분석을 이용하여 경주 압축 벤 토나이트의 비열을 추정할 수 있는 모델을 제시하였다.

심지층 처분시스템에서 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하기 위한 중요한 방 벽의 하나이다. 이에 완충재는 장기 건전성, 낮은 수리전도도, 낮은 유기물의 함량, 높은 핵종저지능, 높은 팽윤성, 높은 열 전도도 등 기술적 요건을 충족시켜야 하며 이는 정량적 분석결과를 바탕으로 결정될 수 있다. 국내의 경우 한국원자력연구 원에서는 1997년부터 경주지역에서 생산되는 벤토나이트를 완충재 후보물질로 연구를 지속하고 있다. 본 논문에서는 최근 동일 지역에서 생산된 벤토나이트(KJ-II)의 7가지 물리적 및 화학적 특성을 평가하였다. 분석 결과, 국내산 벤토나이트의 몬 모릴로나이트 함량은 약 65% 정도이며, 벤토나이트는 Ca형 벤토나이트이다. 본 논문을 통해 완충재 후보물질의 성능평가 항목과 분석 방법에 대한 기준을 제시하고자 하였다.

본 연구에서는 벤토나이트의 변질을 모사하기 위해 TOUGHREACT를 이용하여 열-수리-화학적 개념 모델링을 수행하였다. 모델링 결과 벤토나이트의 포화도는 지속적으로 증가하여 약 10 년 후에 포화상태에 도달하였다. 또한 온도는 급격히 증가 하여 0.5 년 이후에는 구리관으로부터 거리에 따라 일정한 온도 구배가 유지되었다. 이러한 열-수리 조건 변화에 따라 화학 적으로는 경석고와 방해석의 변질이 주로 발생하였다. 경석고와 방해석은 지하수가 유입됨에 따라 지속적으로 용해되었으 나, 온도가 높은 구리관 인근에서는 침전하는 경향을 보여주었다. 또한 경석고와 방해석의 침전으로 인해 구리관 인근의 공 극률과 투과도가 감소하였다. 확산 상수 변화에 대한 모델링 결과 경석고와 방해석의 변질은 확산 상수에 매우 민감하였으 며, 이는 결과적으로 수리적 특성인 공극률과 투과도에 영향을 미치고 있었다. 본 연구는 고준위 방사성폐기물 처분장 안전 성 연구에 기초적인 자료를 제공해 줄 것으로 판단된다.

본 연구에서는 고준위폐기물 처분시 완충재로 사용되는 벤토나이트의 열적 거동을 평가하기 위해 실내실험장치를 제작하 였다. 그리고 실험 결과를 검증하기 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용한 열해석을 실시하였다. 그리고 실험 기간 동안의 계절변화를 감안하여 외부대기 온도에 따른 벤토나이트의 열적거동을 평가하였다. 해석결과, 스테인리스스틸 이 포함된 case3 해석모델의 결과가 실험결과와 1℃ 내외의 오차를 보이며 거의 일치함을 볼 수 있었다. 그리고 계절에 따 른 벤토나이트 온도 해석을 수행한 결과, 시간에 따른 온도분포 경향이 일치함을 확인하였다. 이러한 열해석을 통해 완충재 를 둘러싸고 있는 물질의 열전도도와 외부대기의 온도가 벤토나이트 완충재의 열적 거동에 큰 영향을 주는 요소임을 확인할 수 있었다. 향후 열원을 포함한 벤토나이트 완충재의 수분 포화 특성 실험이 실시 될 예정이므로, 실험에 대한 검증과 예측 을 위해 보다 적합한 수치해석모델 개발에 대한 연구가 필요할 것이다.