심층 처분 시스템 내부 벤토나이트 기반 혼합 뒤채움재의 성능요건 및 재료·환경 조건에 따른 공학적 특성

유준상; 김태우; 오태민; 차요한; 김진섭

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저자정보: 유준상 (부산대학교) 김태우 (부산대학교) 오태민 (부산대학교) 차요한 (한국원자력연구원) 김진섭 (한국원자력연구원)

저널정보: 한국암반공학회 터널과 지하공간 터널과 지하공간 제36권 제5호(통권 제184호)

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고준위 방사성 폐기물의 영구 처분을 위해 심부 지질환경에 폐기물을 격리하는 심층 처분 시스템이 고려되고 있다. 공학적 방벽 구성요소인 뒤채움재는 처분터널의 잔여 공간을 충전하여 지하수 및 핵종의 이동을 제한하고 완충재의 변형을 억제하는 역할을 수행한다. 뒤채움재는 높은 팽윤성과 낮은 수리전도도를 갖는 벤토나이트에 규사 및 쇄석 등의 비팽윤성 재료를 혼합하여 압축하는 방안이 주로 고려되고 있으며, 그 공학적 특성은 재료 조건과 처분환경 조건에 따라 변화할 수 있다. 본 연구에서는 벤토나이트 기반 혼합 뒤채움재의 역할과 구성 재료, SKB와 Posiva에서 제시한 성능요건을 정리하고, 기존 문헌에서 보고된 압축 벤토나이트 기반 혼합 뒤채움재를 중심으로 팽윤압, 수리전도도, 열전도도, 강도 및 강성, 탄성파 특성에 대한 주요 영향 인자를 검토하였다. 또한 문헌에서 보고된 팽윤압과 수리전도도를 유효건조밀도(effective dry density, EDD)를 기준으로 재정리하여 비교하였다. 검토 결과, 건조밀도와 벤토나이트 혼합비가 증가할수록 전반적으로 팽윤압, 강도 및 강성은 증가하고 수리전도도는 감소하였으며, 열전도도는 건조밀도와 포화도의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 함수상태, 온도 및 지하수 화학조건 역시 각 공학적 특성에 영향을 미쳤으며, 탄성파 특성은 비파괴적 상태평가에 활용될 가능성이 제시되었다. 또한 유효 건조밀도가 증가할수록 팽윤압은 증가하고 수리전도도는 감소하는 공통적인 경향이 확인되었다. 따라서 혼합 뒤채움재의 재료 선정과 성능평가에서는 재료 조건, 처분환경 조건 및 공학적 특성 간의 상호관계를 종합적으로 고려할 필요가 있다.

Deep geological disposal systems are considered for the permanent disposal of high-level radioactive waste by isolating the waste in stable deep geological formations. Among the components of the engineered barrier system, backfill fills the remaining space in deposition tunnels, limits groundwater flow and radionuclide migration, and restrains buffer deformation. Compacted mixtures of bentonite with non-swelling materials such as silica sand and crushed rock are commonly considered as backfill materials because bentonite provides high swelling capacity and low hydraulic conductivity. Their engineering properties can vary depending on material conditions and repository environmental conditions. This study summarizes the roles and constituent materials of bentonite-based backfill and the performance requirements proposed by SKB and Posiva. Focusing on compacted bentonite-based backfill mixtures reported in previous studies, the major influencing factors on swelling pressure, hydraulic conductivity, thermal conductivity, strength and stiffness, and elastic-wave characteristics were reviewed. In addition, swelling pressure and hydraulic conductivity data reported in the literature were reorganized and compared in terms of effective dry density (EDD). The review showed that increasing dry density and bentonite content generally increased swelling pressure, strength, and stiffness, while decreasing hydraulic conductivity. Thermal conductivity generally increased with increasing dry density and degree of saturation. Moisture condition, temperature, and groundwater chemistry also affected the engineering properties of the backfill, and elastic-wave characteristics showed potential for non-destructive condition assessment. In addition, swelling pressure generally increased and hydraulic conductivity decreased with increasing EDD. These results indicate that material selection and performance assessment of bentonite-based backfill should consider the combined effects of material conditions, repository conditions, and engineering properties.

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