The operation time of a disposal repository is generally more than one hundred years except for the institutional control phase. The structural integrity of a repository can be regarded as one of the most important research issues from the perspective of a long-term performance assessment, which is closely related to the public acceptance with regard to the nuclear safety. The objective of this study is to suggest the methodology for quantitative evaluation of structural integrity in a nuclear waste repository based on the adaptive artificial intelligence (AI), fractal theory, and acoustic emission (AE) monitoring. Here, adaptive AI means that the advanced AI model trained additionally based on the expert’s decision, engineering & field scale tests, numerical studies etc. in addition to the lab. test. In the process of a methodology development, AE source location, wave attenuation, the maximum AE energy and crack type classification were subsequently studied from the various lab. tests and Mazars damage model. The developed methodology for structural integrity was also applied to engineering scale concrete block (1.3 m × 1.3 m × 1.3 m) by artificial crack generation using a plate jacking method (up to 30 MPa) in KURT (KAERI Underground Research Tunnel). The concrete recipe used in engineering scale test was same as that of Gyeongju low & intermediate level waste repository. From this study, the reliability for AE crack source location, crack type classification, and damage assessment increased and all the processes for the technology development were verified from the Korea Testing Laboratory (KTL) in 2022.

The decommissioning of Korea Research Reactor Units 1 and 2 (KRR-1&2), the first research reactors in South Korea, began in 1997. Approximately 5,000 tons of waste will be generated when the contaminated buildings are demolished. Various types of radioactive waste are generated in large quantities during the operation and decommissioning of nuclear facilities, and in order to dispose of them in a disposal facility, it is necessary to physico-chemically characterize the radioactive waste. The need to transparently and clearly conduct and manage radioactive waste characterization methods and results in accordance with relevant laws, regulations, acceptance standards is emerging. For radioactive waste characterization information, all information must be provided to the disposal facility by measuring and testing the physical, chemical, and radiological characteristics and inputting related documents. At this time, field workers have the inconvenience of performing computerized work after manually inputting radioactive waste characterization information, and there is always a possibility that human errors may occur during manual input. Furthermore, when disposing of radioactive waste, the production of the documents necessary for disposal is also done manually, resulting in the aforementioned human error and very low production efficiency of numerous documents. In addition, as quality control is applied to the entire process from generation to treatment and disposal of radioactive waste, it is necessary to physically protect data and investigate data quality in order to manage the history information of radioactive waste produced in computerized work. In this study, we develop a system that can directly compute the radioactive waste characterization information at the field site where the test and measurement are performed, protect the stored radioactive waste characterization data, and provide a system that can secure reliability.

Gyeongju radioactive waste repository has been operated to dispose low and intermediate level radioactive waste in Korea since 2016. Currently, only deep geological disposal facility (1st) is in operation, surface disposal facility (2nd) is scheduled to operate from 2024. As a result, the annual amount of radioactive waste that can be disposed of at deep geological disposal facilities and surface disposal facilities is almost determined. According to this result, it was possible to derive the total annual disposal amount to dispose of all radioactive waste at the Gyeongju repository after landfill disposal facility (3rd) construction. To evaluate it, a predictive model has been designed and radioactive waste generation, storage, and disposal data were input. The predictive model is based on system dynamics, which is useful to analyze the correlation between input variables. As a result of analysis, radioactive waste generation amount and maximum annual radioactive waste disposal were predicted to reach 741,615 drum and 17,030 drum per year respectively. From these results, it seems that the expansion of radioactive waste acceptance system or temporary storage is necessary.

Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) has investigated Pyroprocessing technology in order to decrease the burden of disposal system and increase availability of useful radionuclides in the spent nuclear fuel (SNF) for future. The treatment and the disposal of SNF, however, are very sensitive issues socially. In addition, under the energy transition policy phasing out nuclear energy gradually there have been demands for alternatives so far. Thus various alternatives should need to be investigated in preparation for unexpected situations. This study has been conducted roughly in effectiveness point of view of alternative pre-managements for SNF, not pyroprocessing technology, in disposal system, consisting of three stages according to the degree of burden in disposal system. Stage I is the case for making safety increase with removing highly-mobile radionuclides from SNF. Stage II is the case for eliminating high-heat radionuclides additionally, alleviating thermal risk in the disposal system. And Stage III is the case for recovering Uranium in addition to Stage II. These options of pre-management are thought to be able to provide an intuitive strategy for effective diversification of the disposal system. Because several types of waste form from pre-management make it possible to develop the effective, newly-composed waste disposal system according to the properties of radionuclides. And the processability of SNF through pre-management might be combination with available core-drilling technology, being able to design various disposal system as well. Even though the whole, detailed unit processes have not designed yet, mass balance and distributions of radionuclides are performed under the appropriate assumption of engineering processes. As a first step the alternative approaches for SNF pre-management for disposal system might be expected to be widely used in implementing SNF management policy in the future.

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.

국내 고준위 방사성폐기물 심층처분시스템에 대한 프로세스 기반의 종합성능평가체계(APro) 개발을 위하여 사용자 편의성이 향상된 모델링 인터페이스를 구축하였다. APro의 모델링 인터페이스는 프로그래밍 언어인 MATLAB을 이용하여 구축되었고, 다중물리현상 모사가 가능한 COMSOL과 지화학반응 계산이 가능한 PHREEQC를 계산 엔진으로 활용하여 연산 자분리 방식을 적용하였다. APro는 모델링 영역을 기존의 정형화된 처분시스템으로 제한함으로써 모델의 자유도는 낮지만, 사용자 편의성을 향상시켰다. 처분시스템에서 고려되는 주요 현상들을 모듈화하였고, 이를“Default process”와 다수의“Alternative process”로 구분하여 사용자가 선택할 수 있도록 함으로써 모델의 유연성을 높였다. APro는 크게 입력자료 부분과 계산실행 부분으로 구성된다. 기본 입력자료는 하나의 EXCEL 파일에 일정한 포맷으로 정리되고, 계산실행 부분은 MATLAB을 이용하여 코딩되었다. 최종적인 전체 계산 결과는 독립적인 COMSOL 파일 형태로 생성되도록 하여 COMSOL을 이용한 계산 결과의 후처리가 가능하도록 하였다.

사용후핵연료를 포함하는 고준위 방사성폐기물을 지질학적 조건이 안정적인 지하 3~5 km의 심도에 처분할 수 있다면 다음 과 같은 많은 장점이 있는 것으로 평가되고 있다. 즉, (1)암반 수리전도도가 매우 낮아 지하수가 생태계까지 도달하는데 속 도가 현저히 감소되며, (2)상부층 두께로 인하여 생태계와의 이격거리 확보에 유리하고, (3)지하수가 환원상태이므로 핵종 의 용해도가 매우 낮을 뿐만 아니라 (4)오랜 연령의 지하수에서는 핵종이 흡착된 콜로이드 생성과 이동이 극히 제한된다는 점이다. 이와 관련하여 심부시추공 처분(Deep Borehole Disposal) 연구는 심층 처분(Deep Geological Disposal) 시스템에 대한 이상적인 처분 대안기술로서 꾸준하게 진행되어 왔다. 본 논문에서는 최근 심부 시추기술이 비약적으로 발전됨에 따 라 의미있게 연구가 진행되고 있는 심부시추공 처분시스템을 국내 적용하기 위한 초기 단계로서 해외의 심부시추공 처분시 스템 기술개발 사례를 분석하였다. 이를 통하여 심부시추공 처분에 대한 일반적인 개념과 심부시추공 처분시스템 개념을 도 출한 연구사례를 국가별로 정리하였다. 이들 분석결과는 향후 심부시추공 처분기술의 국내 적용을 위한 입력자료로서 유용 하게 활용될 수 있을 것이다.

한국형 기준 처분시스템의 공학적 방벽에서의 열-수리-역학 복합 현상을 실증하기 위한 공학적 규모 실증실험 장치인 KENTEX에서 얻은 열, 수리, 역학적 실험 데이터를 이용하여 벤토나이트의 포화공정을 해석하였다. ABAQUS를 사용한 모델계산의 함수율과 실험 결과의 비교에서 불포화 영역에서는 온도상승으로 인해 초기 수분이 감소하는 수분 재분포 공정을 모델에 포함시키지 않아 함수율의 차가 컸다. 포화영역에서는 실험에서 초기 수분보다 낮은 함수율에서부터 지하수로 포화가 진행되지만 모델과 실험에서 얻은 함수율 값의 차이가 점점 감소해 완전포화에 도달할 때에는 두 함수율 값이 거의 비슷한 결과를 보여주었다. 포화도 약 95%에 이르는 시간은 실험결과와 계산 결과가 서로 비슷한 약 500일 정도로 예측할수 있었다. 그리고 불포화 영역의 수분 재분포가 벤토나이트의 완전포화에 도달하는 시간에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 본 해석기법을 사용하면 지하처분연구시설의 완충재인 벤토나이트의 포화시간을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.