For the deep geological repository, engineering barrier system (EBS) is installed to restrict a release of radionuclide, groundwater infiltration, and unintentional human intrusion. Bentonite, mainly used as buffer and backfill materials, is composed of smectite and accessory minerals (e.g. salts, silica). During the post-closure phase, accessory minerals of bentonite may be redistributed through dissolution and precipitation due to thermal-hydraulic gradient formed by decay heat of spent nuclear fuel and groundwater inflow. It should be considered important since this cause canister corrosion and bentonite cementation, which consequently affect a performance of EBS. Accordingly, in this study, we first reviewed the analyses for the phenomenon carried out as part of construction permit and/or operating license applications in Sweden and Finland, and then summarized the prerequisite necessary to apply to the domestic disposal facility in the future. In previous studies in Sweden (SKB) and Finland (POSIVA), the accessory mineral alteration for the post-closure period was evaluated using TOUGHREACT, a kind of thermal-hydro-geochemical code. As a result of both analyses, it was found that anhydrite and calcite were precipitated at the canister surface, but the amount of calcite precipitate was insignificant. In addition, it was observed that precipitate of silica was negligible in POSIVA and there was a change in bentonite porosity due to precipitation of salts in SKB. Under the deep disposal conditions, the alteration of accessory minerals may have a meaningful influence on performance of the canister and buffer. However, for the backfill and closure, this is expected to be insignificant in that the thermal-hydraulic gradient inducing the alteration is low. As a result, for the performance assessment of domestic disposal facility, it is confirmed that a study on the alteration of accessory minerals in buffer bentonite is first required. However, in the study, the following data should reflect the domestic-specific characteristics: (a) detailed geometry of canister and buffer, (b) thermal and physical properties of canister, bentonite and host-rock in the disposal site, (c) geochemical parameters of bentonite, (d) initial composition of minerals and porewater in bentonite, (e) groundwater composition, and (f) decay heat of spent nuclear fuel in canister. It is presumed that insights from case studies for the accessory mineral alteration could be directly applied to the design and performance assessment of EBS, provided that input data specific to the domestic disposal facility is prepared for the assessment required.

Bentonite, a material mainly used in buffer and backfill of the engineering barrier system (EBS) that makes up the deep geological repository, is a porous material, thus porewater could be contained in it. The porewater components will be changed through ‘water exchange’ with groundwater as time passes after emplacement of subsystems containing bentonite in the repository. ‘Water exchange’ is a phenomenon in which porewater and groundwater components are exchanged in the process of groundwater inflow into bentonite, which affects swelling property and radionuclide sorption of bentonite. Therefore, it is necessary to assess conformity with the performance target and safety function for bentonite. Accordingly, we reviewed how to handle the ‘water exchange’ phenomenon in the performance assessment conducted as part of the operating license application for the deep geological repository in Finland, and suggested studies and/or data required for the performance assessment of the domestic disposal facility on the basis of the results. In the previous assessment in Finland, after dividing the disposal site into a number of areas, reference and bounding groundwaters were defined considering various parameters by depth and climate change (i.e. phase). Subsequently, after defining reference and bounding porewaters in consideration of water exchange with porewater for each groundwater type, the swelling and radionuclides sorption of bentonite were assessed through analyzing components of the reference porewater. From the Finnish case, it is confirmed that the following are important from the perspective of water exchange: (a) definition of reference porewater, and (b) variations in cation concentration and cation exchange capacity (CEC) in porewater. For applying items above to the domestic disposal facility, the site-specific parameters should be reflected for the following: structure of the bedrock, groundwater composition, and initial components of bentonite selected. In addition, studies on the following should be required for identifying properties of the domestic disposal site: (1) variations in groundwater composition by subsurface depth, (2) variations in groundwater properties by time frame, and (3) investigation on the bedrock structure, and (4) survey on initial composition of porewater in selected bentonite The results of this study are presumed to be directly applied to the design and performance assessment for buffer and backfill materials, which are important components that make up the domestic disposal facility, given the site-specific data.

Various models have been proposed to describe the swelling behavior of buffer in high level waster repository. One of the most notable models, the Barcelona Basic Model (BBM), is a mechanical model that simulates the behavior of unsaturated ground and is widely applied to soils that undergo large expansion due to water. Among the BBM parameters of Kyeongju bentonite, which is found in Korea, there are no experimental data for parameters that describe the unsaturated state. Such hydromechanical properties should be characterized through experimental programs. However, such experiments are highly complicated and require long periods of time to produce an unsaturated state through different methods according to the suction range. Although there are several studies in which geotechnical parameters were obtained through a back analysis instead of direct experiments, few studies have employed machine learning methods for the identification of geotechnical parameters. In this study, instead of direct experiments, the results of a relatively simple swelling pressure experiment was compared to the numerical analysis results to propose a method of determining some of BBM parameters. Influential factors were identified by a sensitivity analysis and the values of the factors were estimated using an artificial neural network and optimization method. The obtained parameters were applied to the numerical model to estimate the swelling pressure growth, which was subsequently compared to the experimental value. As a result, it was found that there was no significant difference between the two swelling values.

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.

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.

현재 고준위 방사성 폐기물 심층 처분 시스템에서 기본 완충재 물질로서 건조밀도 1.6 g/cm3의 경주산 칼슘 벤토나이트 를 사용하고 있으나, 열전도도가 낮은 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기준 완충재의 열전도율을 0.8 W/mK에서 1.0 W/mK로 향상시키기 위한 목적으로 다양한 첨가제를 다양한 혼합 방법을 통해 배합하고 열전도도를 측정하였다. 첨가제는 CNT(Cabon Nano Tube), Graphite, Alumina, CuO 및 Fe2O3 등을 사용하였다. 혼합 방법의 경우, 핸드 믹서기를 통한 건식 혼합, 습식 Milling 혼합, 건식 Ball Mill 혼합 등을 실시하였다. Ball Mill 혼합의 경우가 가장 균일하게 혼합되었기 때문에, 값 의 편차가 가장 적었고 열전도도 증가율이 가장 좋았다. 지금까지 수행된 시험에서 소량의 고열전도 물질의 첨가로 경주산 칼슘 벤토나이트의 열전도도를 1.0 W/mK 수준으로 용 이하게 증가시킬 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서 제시된 열전도 향상 방법은, 첨가제 혼합 이 벤토나이트의 기본 성질인 팽윤압과 수리전도도에 미치는 영향까지 제시된다면, 국내 고준위폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

국산 칼슘 벤토나이트를 대상으로 온도가 팽윤압에 미치는 영향을 관찰하였다. 벤토나이트를 건조밀도 1.6 g/㎤으로 압축하고, 0.69 MPa의 일정한 수압으로 증류수를 공급하여 팽윤압을 측정하였다. 온도 영향 실험은 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃에서 승온조건과 감온조건으로 수행하였다. 압축 벤토나이트가 물과 접촉하여 상온에서 5.3 MPa의 충분히 높은 팽윤압이 작용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 팽윤압 은 온도가 높을수록 감소하는 것으로 나타났다. 승온조건과 감온조건에서의 온도에 따른 팽윤압 거동에 차이를 보이며, 승온조건에서 온도에 따른 변화가 심하게 나타났다. 향후 온도 조건 외에 벤토나이트의 압축 밀도 변화, 지하수 조성에 따라 팽윤압 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 평가한다면, 앞으로 국내 고준위 폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 본다.

공학적 방벽 중 완충재의 물리적 성능향상을 고찰하기 위하여 국내산 옥산 벤토나이트 원광을 사용하여 건조밀도(1.6, 1.8g/cm3), 수분함량(5, 9.4, 15, 20 wt%), 모래함량(0, 10, 20, 30 wt%)을 변화시켜 제작한 벤토나이트 블록의 열전도도를 측정하였다. 이 중, 수분 함량의 변화에 의한 열전도도 증가 효과가 가장 켰으며 특히, 수분 함량이 15 wt% 이상일 경우 건조밀도와 모래함량의 변화와 상관없이 1.0 W/mK 이상의 값을 나타내었다. 따라서 국내의 옥산 벤토나이트 원광을 완충재의 원료로 사용할 경우, 벤토나이트 블록의 제작 용이성과 열전도 증가의 효율성을 고려하였을 때 건조밀도 1.6g/cm3, 모래함량 10~30 wt%, 함수량 15 wt%로 벤토나이트 블록을 제조하는 것이 가장 효율적인 것으로 제안될 수 있다.