Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. September 2019. 587-609
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2019.21.5.587


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 주요 성능요건 및 열적제한 현황

  •   2.1 벤토나이트 완충재의 주요 특성

  •   2.2 국가별 처분개념 열적제한 현황

  • 3. 벤토나이트의 안정성(stability) 분석

  •   3.1 벤토나이트의 초기물성

  •   3.2 완충재의 단기물성 변화

  •   3.3 완충재 장기 물성변화

  • 4. 고온영향 제한을 통한 처분효율 향상방안

  •   4.1 사용후핵연료 폐기물량 조절

  •   4.2 공학적방벽의 구조 ‧ 재료적인 변경

  •   4.3 설계제한 온도 변경

  •   4.4 사용후핵연료 관리옵션 변경

  • 5. 결 론

1. 서 론

새로운 에너지전환정책에 따라 정부는 사용후핵연료 공론화를 통해 수립된 고준위방사성폐기물 관리기본계획(MOTIE, 2016)에 대한 재검토와 재공론화를 위한 논의를 진행 중에 있다(사용후핵연료 관리정책 재검토위원회). 하지만 원자력발전 및 사용후핵연료 재처리를 위한 어떠한 정책적 변화와 기술적 진도가 있다고 하더라도 결국에는 영구적으로 처분해야 하는 고준위폐기물이 남게 되며, 이를 위한 고준위폐기물 처분장의 확보는 불가피한 선택일 것이다.

고준위폐기물 처분장은 핵연료로부터의 고열과 높은 지중응력, 완충재의 팽윤압 그리고 지하수 유입 등이 복합적으로 유지되는 고유한 특성을 지닌다. 또한 처분장은 방사성핵종이 인간 생활권계로 유출되는 설계 시나리오가 매우 긴 초장기 기대수명의 구조물이다. 따라서 열-수리-역학적 복합거동으로 인한 처분 성능평가, 공학적방벽 및 근계암반의 장기 건전성 평가, 암반손상영역의 영향분석, 핵종거동 특성규명 그리고 공학적방벽과 근계암반과의 상호작용 분석 등은 처분장 건설 및 운영기간 뿐만 아니라 폐쇄 후 장기 안정성에 영향을 미치는 중요한 연구분야이다. 지반공학적인 관점에서 심층처분시스템에 대한 보다 자세한 연구이슈 및 현황은 관련 문헌(SKB, 2004; Tsang et al., 2005; Kim et al., 2011)을 통해 확인할 수 있다.

한편 고준위폐기물 처분장 확보와 관련하여 좁은 국토와 높은 인구밀도, 광역의 양호한 심부암반 확보가 어려운 국내 여건을 고려할 때, 경주 중 ‧ 저준위방사성폐기물 처분장 보다 더 큰 부지가 소요될 수도 있는 고준위폐기물처분장 부지를 확보하는 것은 매우 어려울 것이다. 따라서 처분 효율을 향상시키면서도 처분 안전성이 제고된 고준위폐기물 처분시스템을 개발하는 것은 처분부지 비용 및 시설비용 저감 그리고 처분에 대한 대국민 수용성 증진을 위해 반드시 필요한 요소이다. 현재 심층처분장의 처분밀도와 처분장 레이아웃을 결정하는 주요 인자는 처분장의 열적 제한치(thermal constraint)로, 대부분의 처분 관련국들은 심층처분장 완충재의 최고온도가 어떠한 공정과 환경에서도 100°C 이하로 유지되어야 한다고 규정하고 있다. 벤토나이트 완충재의 제한 온도를 100°C 이하로 규정하는 주요 이유는 첫째, 고온에서는 완충재의 광물학적 변성(스멕타이트(smectite) → 일라이트(illite))이 초래될 수 있고, 둘째는 처분장 폐쇄 후 초기에 처분용기 표면에서 지하수가 증발하여 지하수에 함유된 염과 같은 침전물이 처분용기 표면에 침전되어 처분용기의 부식이 가속화될 가능성이 있기 때문이다. 온도가 10°C 증가할 때 처분용기 재료인 구리의 부식률이 약 2배씩 증가한다고 알려져 있다(Vomvoris et al., 2015).

처분효율 향상이라는 측면에서 현재 완충재의 온도 제한치를 100°C 이상으로 높이기 위한 국제적인 관심이 고조되고 있다. 일례로 미국을 비롯한 일부 유럽 처분선진국을 중심으로 관련 국제공동연구가 진행되고 있다. 국제공동연구 HoTBENT (High Temperature Bentonite Project) 프로젝트(Kober and Vomboris, 2017)는 200°C (처분용기 표면온도)까지의 고온 환경조건에서 완충재와 근계암반의 거동에 대한 이해를 증진시키고자, 현재 미국, 일본, 스위스, 독일, 체코 등을 중심으로 스위스 GTS (Grimsel Test Site)에서 관련 연구를 진행 중에 있다. 현재 100°C 이하의 온도 조건에서 벤토나이트 완충재의 건전성이 유지된다는 사실은 다양한 실내실험 및 대규모의 현장실증 시험을 통해 확인되고 있다(Pusch, 2008; Choi et al., 2019). 하지만 비록 150°C까지는 온도증가로 인한 해로운 영향(시멘트화 혹은 일라이트화 등)이 발생하지 않을 것으로 예상됨에도, 100°C 이상의 온도 조건에서는 대규모의 현장 실증연구 사례가 많지 않은 실정이다(Johnson et al., 2014). 최근에 스웨덴(Äspö URL)과 스위스(Mont Terri Rock Laboratory, Grimsel Test Site)에서 100°C 이상의 고온조건에서 대규모 히터테스트를 진행한 사례가 일부 보고되고 있다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Previous in-situ heater experiments beyond a temperature of 100°C (from Kober and Vomvoris, 2017)

완충재 최고온도 제한은 심층처분장 단위 면적에 처분할 수 있는 폐기물의 양을 제한하여 처분효율을 결정하며, 나아가 처분부지의 확보 가능성에까지 영향을 미치는 중요한 설계 인자이다. 그러나 100°C 의 최고온도 제한은 100°C 이상의 고온에서는 완충재의 성능이 심각하게 저하되어 방벽재로서의 기능을 상실할 수 있다는 가정에 근거하고 있다. 따라서 고온이 완충재의 성능에 미치는 영향을 규명함으로써 완충재의 최고온도 제한을 완화하고, 이를 통해 심층처분장의 처분밀도 향상과 처분장 설계의 최적화를 도모할 필요가 있다. 본 연구에서는 고준위폐기물 처분장 내 완충재로 사용될 가능성이 높은 벤토나이트를 대상으로 재료적인 측면에서 장 ‧ 단기 처분 안정성을 분석하였으며, 처분효율 향상을 위한 완충재 관련 대안개념에 대해 연구동향을 기술하였다.

2. 주요 성능요건 및 열적제한 현황

2.1 벤토나이트 완충재의 주요 특성

처분의 관점에서 완충재의 가장 중요한 역할은 심층처분장 내로 지하수가 침투하는 것을 제한하는 밀봉성능과 지하수 유입으로 인해 용기가 부식되었을 때, 고준위폐기물로부터의 핵종유출을 방지할 수 있는 핵종이동 저지능이다. 심층처분시스템 및 공학적방벽재의 개념에 대해서는 아래의 Fig. 2에 나타내었다. 다양한 국가들에 의해 현재 개발되고 있는 수많은 심층처분 개념들은 벤토나이트 물질을 완충재로 사용함을 고려하고 있다. 이 벤토나이트가 처분의 관점에서 다양한 안전기능을 보유하고 있기 때문이다. 이와 관련하여 현재 고준위폐기물 심층처분장의 완충재와 뒷채움재의 주재료로 고려되고 있는 벤토나이트의 주요 특징을 기술하면 다음과 같다(Hicks et al., 2009).

1) 낮은 수리전도도: 벤토나이트의 수리전도도는 충분히 낮아서 방사성핵종 누출 시 이동 메카니즘이 확산에 의해 지배되어 핵종유출 시 보다 많은 시간이 소요되게 유도한다.
2) 자가 밀봉(self-sealing): 처분용기 부식 및 가스 생성은 완충재 내 핵종이동을 위한 경로(pathway)를 생성하기에 충분하나, 일단 가스압력이 완화된 이후에는 벤토나이트의 소성특성(plastic rheological properties)으로 인해 자가 밀봉이 될 수 있다.
3) 용기지지: 처분용기가 자중에 의해 가라앉지 않을 정도로 충분한 팽윤압 및 강성을 갖도록 다질 수 있다.
4) 핵종지연(retardation): 처분용기가 파손되었을 때에 흡착(adsorption) 및 흡수(absorption) 등 다양한 화학적 작용에 의해 방사성핵종의 이동을 제한할 수 있다.
5) 높은 열전도도: 고준위폐기물로부터 발생되는 방사성붕괴열을 주변 암반으로 효과적으로 발산시킬 수 있도록 열전도도가 충분히 높다.
6) 팽윤특성: 벤토나이트는 물과 접촉 시 팽윤하는 특성이 있기 때문에 폐기물의 정치(emplacement)시에 생성될 수 있는 갭을 밀봉할 수 있다.
7) 콜로이드 여과: 조밀한 벤토나이트는 효과적인 콜로이드 필터로써의 역할을 할 수 있다.
8) 생물학적 활성화 저지: 벤토나이트가 충분히 다져진다면 높은 팽윤압으로 인해 미생물의 성장을 제한할 수 있다.
9) 전단거동 저항성: 완충재의 밀도가 너무 크지 않는다면 암반의 전단변위 거동(지진 등)으로부터 용기를 보호할 수 있다.
10) 낮은 유기물 함량: 유기물은 미생물의 영양소로 작용할 가능성이 있기 때문에, 완충재로 사용되는 벤토나이트는 유기물 함량이 최소화되어야 한다.

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Fig. 2.

Design concept of a deep geological repository for high-level nuclear waste (Kim et al., 2011)

2.2 국가별 처분개념 열적제한 현황

벤토나이트의 열전도도는 광물조성과 밀도 그리고 수분 포화도에 주로 영향을 받게 된다. 본 절에서는 벤토나이트를 완충재로 고려하고 있는 다양한 처분국가들의 제한온도 설정에 관한 현황을 분석하였다(Hicks et al., 2009).

2.2.1 유 럽

유럽 국가 중 핀란드의 POSIVA (Finnish Company for Nuclear Waste Management)와 스웨덴의 SKB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)는 결정질 암반에 사용후핵연료를 처분할 계획이며 현재 처분시스템을 위해 100°C 온도제한을 기본으로 하여 개발하고 있다. 온도제한은 Pusch (1983)에 의해 수행된 스멕타이트(smectite)의 안정성 평가보고서를 기초로 하고 있으며, POSIVA와 SKB는 열해석 시 증기발생을 고려하지 않고 완충재의 과도한 건조 및 구리용기 부식률을 제한하기 위해 열적 제한치가 필요하다고 밝혔다(SKB, 2003; POSIVA, 2008). 한편 독일은 암염(salt rock)층에 심층처분장 개발을 기반으로 하고 있으며, 이 개념에서는 처분용기 이외에 어떠한 공학적방벽재도 존재하지 않는다(Bollingerfehr et al., 2008). 즉 용기에 손상이 발생된 이후에는 암반이 격납, 격리, 지연 등의 천연방벽 역할을 수행한다. 처분장에 대한 열적 제한치는 암염에서의 온도가 200°C 이하로 유지되어야 한다고 규정하고 있다(Graf and Filbert, 2006). 이 같은 온도제한은 1980년대 초에 Assess 암염광에서 수행된 히터테스트의 결과를 바탕으로 설정되었다(Rothfuchs, 1986). 벨기에는 고준위폐기물을 슈퍼컨테이터 개념을 이용하여 Boom Clay에 처분하는 방안을 고려중에 있다(Wickham, 2008). 수퍼컨테이너 개념은 폐기물이 장입된 탄소강 용기(carbon steel overpack)와 이를 감싸고 있는 콘크리트 완충재로 구성되어 있으며, 탄소강 용기를 다시 스레인리스강으로 감싸는 형태이다. 수퍼컨테이너 설계와 폐기물 냉각기간 결정은 용기 외표면의 표면온도가 100°C를 넘지 않아야 한다는 규제를 바탕으로 한다. 한편 스페인의 참조개념은 탄소강 용기를 기반으로 하고, 그 외부를 Ca, 혹은 Na의 FEBEX 벤토나이트를 활용하여 둘러싸고 있는 개념으로써, 벤토나이트의 온도는 100°C를 넘지 않아야 한다(Alonso and Cormenzana, 2005).

2.2.2 북아메리카

캐나다는 처분연구 초기 AECL (Atomic Energy of Canada Limited)을 중심으로 CANDU 형 핵연료를 위한 처분개념을 개발하였다. 이후 NWMO (Nuclear Waste Management Organisation)가 처분개념을 일부 수정하였으나(티타늄 처분용기 → 구리 처분용기, 벤토나이트 : 모래가 50 : 50인 완충재 → 벤토나이트 100% 완충재), 처분용기 외표면과 주변 완충재에서의 최대온도가 100°C 이내여야 하는 기준은 동일하였다(Johnson et al., 1994). 이 같은 기준은 처분용기의 균열부식과 벤토나이트의 일라이트화를 방지하기 위한 것이다. 미국의 경우 2008년 유카산에 고준위폐기물과 사용후핵연료를 처분하기 위한 인허가가 신청되었다. 처분개념은 지하수위 위에 건설된 처분터널에 뒷채움재 없이 처분용기를 장기저장하는 방식이다. 처분시설 내 온도제한은 저장초기 500년 동안 폐기물 패키지의 온도가 300°C 이하이어야 하고, 그 후 9,500년 동안은 200°C 이하가 유지되도록 규정하고 있다(SNL, 2007). 미국 개념에서는 고온의 사용후핵연료가 주변 암반이 건조한 상태를 유지하는데 도움이 되는 것으로 평가하고 있다. 그러나 2010년에 유카산 심층처분장의 건설허가 신청을 철회하여, 현재는 심층처분장의 건설이 백지화된 상태이다.

2.2.3 아시아

일본의 처분개념은 고준위폐기물을 탄소강 용기에 넣어 이를 처분시설에 수직 혹은 수평으로 설치하는 개념이다. 일본의 완충재는 70 wt.% (weight percent) 벤토나이트(Kunigel VI)와 30 wt.% 모래(silica sand)의 혼합사용을 계획하고 있다. 일본 역시 완충재의 온도가 100°C를 넘지 않아야 한다는 열적 제한기준을 가지고 있다(JNC, 2000). 한국의 경우 한국형기준처분시스템(Korea Reference Disposal System, KRS)은 사용후핵연료 처분을 위한 처분용기로 구리로 코팅된 주철용기 사용을 고려하고 있으며 완충재와 더불어 처분터널 바닥으로 수직으로 굴착된 처분공에 정치시키는 방식이다. KRS 시스템의 온도제한은 처분용기 표면에서 벤토나이트 완충재의 온도를 100°C 이하로 규정하고 있다(KAERI, 2006).

3. 벤토나이트의 안정성(stability) 분석

3.1 벤토나이트의 초기물성

벤토나이트의 주요 광물로는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 장석, 그리고 사장석, 규산 및 철 등이 포함된다. 몬모릴로나이트는 광물구조 상 층간물질이 Na이냐 Ca이냐에 따라 Na 몬모릴로나이트와 Ca 몬모릴로나이트로 구분된다. Na 몬모릴로나이트는 Ca 몬모릴로나이트에 비해 월등한 팽윤능과 낮은 수리전도도를 가지고 있기 때문에 완충재 물질로서 선호되는 재료이다. 이와 관련하여 본 절에서는 벤토나이트 완충재의 장 ‧ 단기물성 변화 및 주요 특징에 대해서 기술하였다.

3.1.1 열적 특성

완충재는 고준위폐기물로부터 발생되는 방사성붕괴열을 주위 암반으로 신속히 발산시켜 완충재의 온도가 최고온도 제한치를 넘지 않도록 하여 공학적방벽의 장기 건전성을 유지시키는 역할을 한다. 따라서 완충재의 열전도도는 가능한 높은 것이 바람직하다. 벤토나이트 블럭의 열전도도는 광물조성과 밀도 그리고 수분 포화도에 주로 영향을 받게 되며, 일반적으로 벤토나이트의 열전도도는 단위 밀도 및 포화도의 증가와 함께 증가하는 경향을 보인다(Fig. 3) (JNC, 2000; Lee et al., 2004; Ikonen, 2005; SKB, 2006).

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Fig. 3.

Dependence of the thermal conductivity of KJ-I bentonite on water fraction (Cho et al., 2014)

하지만 일반적으로 완충재의 열전도도는 주변 암반의 열전도도에 비해 상대적으로 작기에 고준위폐기물로부터 방출되는 붕괴열을 주변 암반으로 효율적으로 발산시키기 어렵다. 일례로 건조밀도 및 포화도에 따라 다르지만 경주 벤토나이트의 열전도도는 0.93 W/m.K인데 반해(Lee et al., 2004), 한국에서 모암(host rock) 후보로 고려하고 있는 화강암의 열전도도는 2.96 W/m.K으로 보고되고 있다(Lee et al., 2019). 심지어 모암이 암염(salts)인 경우 열전도도가 4.0~6.0 W/m.K의 값을 나타내기도 한다(Radhakrishna, 1984). 즉 벤토나이트가 고준위폐기물 주변에서 절연층으로 작용할 가능성이 있기 때문에, 벤토나이트 완충재의 열전도도를 높이기 위한 연구가 제안되기도 하였다. 이와 관련하여 완충재에 몇 가지 첨가물을 추가하여 기능을 개선하기 위한 선행연구가 있었다.

JNC (2000)은 70% Kunigel VI 벤토나이트와 30%의 모래를 섞은 혼합 완충재 개념을 제안하였다. 동일 함수비 그리고 동일 밀도에서는 벤토나이트-모래 혹은 벤토나이트-분쇄 암석 혼합물의 열전도도가 혼합물 중 모래 또는 분쇄암석의 함량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였다. 건조밀도가 1.6 Mg/m3이고 모래함량이 30 wt.% 및 40 wt.%인 혼합 완충재의 열전도도는 동일 밀도의 순수 벤토나이트 완충재의 열전도도에 비해 각각 약 30% 및 40% 증가하였으며, 건조밀도가 1.8 Mg/m3 이상인 혼합 완충재는 동일 밀도의 벤토나이트에 비해 열전도도가 각각 약 40~50% 및 50~60% 정도 증가하였다(Cho, 2019). 이는 모래와 분쇄암석의 입자 간 밀도가 벤토나이트에 비해 현저히 크기 때문으로 평가되었다.

3.1.2 수리적 특성

완충재 블록은 일반적으로 수리전도도가 낮아야 하며 이로 인하여 완충재를 통한 물질전달이 확산에 의해 지배되어야 한다. 포화 벤토나이트의 수리전도도는 물의 온도와 벤토나이트의 밀도에 의존한다. 물의 온도가 20°C에서 100°C로 증가됨에 따라 동점성도(kinematic viscosity)가 1/3 가량 감소되므로 수리전도도가 약 3배 정도 증가되는 것을 알 수 있다. 또한 MX-80 (미국 와이오밍 지역의 상업용 벤토나이트; 평균 몬모릴로나이트 함량 >85%)을 기준으로 할 때 건조밀도가 0.5에서 1.5 Mg/m3으로 약 3배 증가할 때 포화 벤토나이트의 수리전도도는 거의 1,000배 정도 감소함을 알 수 있다(1 × 10-11 → 1 × 10-14 m ‧ s-1) (Fig. 4) (Börgesson et al., 2006). 하지만 용액 속의 NaCl 혹은 CaCl2 등의 염류의 농도가 완충재의 수리전도도에 미치는 영향은 제한적이다(Karnland et al., 2006). 한편 불포화 벤토나이트에서 물의 이동에 있어 중요한 인자는 공극 내 모세관 압력(matrix suction)이며 이를 통해 주변 암반으로부터 물을 흡수하게 된다. 이때 벤토나이트의 물의 흡수는 수분보유곡선(water retention curve)으로 특징지어지며 이는 물의 포화도 및 온도에 의존한다.

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Fig. 4.

Hydraulic conductivity of bentonite measured at different densities and different molar concentration of solution (Börgesson et al., 2006)

3.1.3 역학적 특성

완충재의 주요 기능 중의 하나는 바로 처분공 내에서 처분용기를 충분히 지탱할 수 있어야 한다는 점이다. 이를 위해 완충재는 적합한 밀도와 팽윤능을 지녀야 한다. 또한 처분공을 교차하는 균열 및 단층으로부터 용기를 보호할 수 있어야 한다. 완충재의 밀도는 벤토나이트와 모래를 함께 섞음으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 벤토나이트-모래를 1 : 1 비율로 섞었을 때, 최대 건조밀도는 5.5 kJ/m3의 다짐에너지에 대해 약 1.8 Mg/m3이었으며 건조밀도는 함수비에 의존적이었다(JNC, 2000). Pusch (1999)는 MX-80 벤토나이트의 크립(creep) 거동에 대해 분석하였다. MX-80 Na 벤토나이트와 Ca 벤토나이트 모두 처분공 내 응력조건(약 0.1~0.2 MPa)에서 응력의 변화가 작음에도 불구하고 큰 변형이 발생할 수 있는 소성 점토에 해당된다. 완충재의 소성 거동은 절리면에서의 전단거동으로 인한 처분용기에 미치는 구조적인 손상을 완화하는 기능을 한다. 몬모릴로나이트 점토의 팽윤은 광물 구조의 기본층 사이에 물이 추가됨으로써 발생하며, 원래 건조 부피에 수배까지 증가하기도 한다. Na 벤토나이트는 특히 팽윤능이 매우 크며 포화되면, 건조부피의 약 5~6배까지 증가하기도 한다(JNC, 2000). 팽윤압의 크기는 건조밀도 및 완충재 내 몬모릴로나이트의 양에 크게 의존하며 부가적으로 물의 염도(salinity)에도 영향을 받는다(Karnland, 2005; Karnland et al., 2006). 한편 벤토나이트 블록의 일축압축 강도와 탄성계수는 함수비가 동일한 경우, 벤토나이트의 건조밀도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있다(Cho, 2019).

3.2 완충재의 단기물성 변화

완충재는 지하수 유입을 차단하는 차수성능과 방사성핵종이 생태계로 유출되는 것을 차단하는 저지성능이 필요하며 이를 총칭하여 완충재의 격리성능이라고 한다. 완충재가 방벽재로 사용되는 장기간에 걸쳐 변성되지 않고 격리성능을 유지할 수 있는가가 중요한 이슈이다. 이와 관련하여 본 절에서는 완충재의 단기물성 변화 및 관련현상을 분석하였으며, 장기변화와 관련된 이슈는 다음의 절에 기술하였다.

3.2.1 온도증가

물리적 결합수(physically-bound water)는 벤토나이트를 구성하는 광물입자들 사이의 공극을 차지하게 되며, 이는 광물구조상 기본층 사이에 존재한다. 벤토나이트의 가열은 물리적 결합수를 제거하는 효과를 나타내며 이를 통해 광물학적 구조가 결국 붕괴된다면 완충재 물성에 비가역적 변화를 초래하게 된다. Tohata et al. (1998)는 60°C, 100°C 그리고 200°C 조건에서 5일간 가열한 후 식힌 건조 벤토나이트 파우더를 실험하였다. 연구결과 벤토나이트의 액성한계 및 소성한계는 가열의 어떠한 영향을 발견할 수 없었으며, 증류수와 혼합되었을 때에도 팽윤능에 어떠한 변화도 발견되지 않았다. 즉 물리적 결합수 손실은 가역적이며 팽윤능 등의 다른 완충재 성능에 미치는 영향을 크지 않음을 알 수 있다.

화학적 결합수(chemically-bound water)의 손실은 훨씬 높은 온도에서 발생한다. 방사성붕괴열에 의해 온도가 상승하면 벤토나이트 결정구조 내 물 분자가 이탈되어 벤토나이트의 방사성핵종 수착능과 팽윤능을 저하시킬 수 있다(Grim, 1968). 벤토나이트가 가열되었을 때 200°C 정도에서 상당한 탈수현상이 일어났으며, 300°C 정도에서는 결정 내의 OH- 이온이 이탈되는 현상이 일어났다. 그러나 냉각시키면 다시 수화되어 온도 300°C까지는 벤토나이트의 구조적 안정성에 거의 영향을 미치지 않는다고 보고된 바 있다(Allen et al., 1984). 연구자 마다 실험조건이 다르기 때문에 다양한 연구결과가 보고되고 있으나, 일반적으로 완충재의 최고온도가 200°C를 초과하지 않는다면 온도가 벤토나이트의 구조적 안전성에 미치는 영향은 크지 않음을 알 수 있다(POSIVA, 2008; Cho, 2019).

3.2.2 완충재의 증기발생

벤토나이트에서의 온도가 수분을 비등시킬 정도로 상승한다면 완충재의 물성에 비가역적인 변화를 발생시킬 수 있다. 스위스 FEBEX Project에서 기기 오작동으로 인해 일시적으로 완충재의 온도가 200°C 이상으로 노출된 바 있다(Martin and Barcala, 2005). 당시 완충재는 고온팽창과 건조현상으로 인해 총 압력이 순간적으로 증가하였으며, 이후 다시 정상 운전조건으로 돌아왔을 때는 이전의 총 압력보다 더 낮은 수준으로 감소되었다. 당시 완충재의 팽윤능은 감소되었으며 이를 통해 완충재 내부에 비가역적인 구조적 변화가 발생하였음을 확인하였다. 이러한 발견은 Couture (1985)에 의한 연구결과와도 일치한다. 그는 온도 150~250°C 사이에서 증기와 벤토나이트가 반응하여 팽윤능이 비가역적으로 빠르게 감소하였음을 보고하였다.

물이 끓는 온도는 아래의 Clausius-Clapeyron 식을 통해 결정할 수 있고 이를 통해 처분환경에서 증기발생 조건을 예측할 수 있다.

$$\ln\frac{P_1}{P_2}=\frac{\triangle H}R(\frac1{T_2}-\frac1{T_1})$$ (1)

여기서, P1과 P2는 두 온도(K) T1과 T2에서의 압력(Pa)을 의미하며, ∆H는 물의 증발 엔탈피(40.65 kJ mol-1), 그리고 R는 기체상수(8.3145 J mol-1 K-1)이다(Hicks et al., 2009). 즉 완충재의 유체압력을 알 수 있다면 위의 식을 이용하여 완충재 내 물의 비등점 온도를 추정할 수 있다(Fig. 5). 즉 심층처분 심도가 약 500 m 혹은 더 깊을 때에 물의 압력이 정수압상태라면 물의 비등점은 250°C 이상이 될 것으로 예상된다.

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Fig. 5.

Estimated boiling temperature of water with depth from the surface

그러나 심층처분장 폐쇄 직후에는 처분용기와 인접한 완충재의 수압은 대기압 상태에 가까울 수 있다. 따라서 심층처분장의 심도가 깊더라도 처분장 폐쇄 후 초기에는 처분용기 표면의 온도가 100°C를 초과할 경우 물이 비등할 수 있다. 시간이 경과됨에 따라 처분장이 위치한 암반으로부터 완충재 내로 지하수가 침투하는 재포화 현상으로 인해 완충재 내의 수압이 증가하므로 물이 비등 가능성이 있는 영역은 점차 감소하게 된다.

심층 처분환경에서 상대적으로 고온인 처분용기와 인접한 완충재 부분에서는 벤토나이트에 함유되어 있는 수분이 증발되어, 완충재의 건조 현상이 일어나고, 증발된 수분은 증기유동(vapor flow) 현상으로 상대적으로 온도가 낮은 완충재 외측 부분으로 이동하여 응축된다(Fig. 6).

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Fig. 6.

Interactions between engineered barrier and near-field rock (after Sena et al., 2010)

3.2.3 파이핑과 침식

완충재 주변 암반절리를 통한 지하수 유입량이 벤토나이트가 흡수할 수 있는 양 보다 크면 과잉의 간극수압이 발생하게 된다. 즉 절리에서의 수압이 완충재 내 총 압력이나 전단저항 보다 클 경우에 과잉간극수압이 발생한다. 이는 벤토나이트를 겔상태로 변화시키고 그 지점에서 지하수가 지속적으로 유입되면 파이핑(piping)과 침식(erosion) 현상을 초래하여 결과적으로 완충재의 밀도를 감소시키는 요인이 된다(Fig. 7). 이 현상은 처분공 내 설치 후 운영초기에 주로 발생하며 완충재의 주요 특징인 팽윤압과 하중 지지력, 박테리아 생성, 완충재 내 확산유동 특성 등에 영향을 미친다. 한편 침식은 지하수 유동으로 인한 점토입자의 항력(drag force)이 입자들 사이의 마찰력과 인력의 합 보다 더 클 경우에 발생하는 것으로 알려져 있다(Hicks et al., 2009).

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Fig. 7.

Piping and erosion in bentonite block (SKB, 2016)

3.3 완충재 장기 물성변화

완충재의 주요 광물인 몬모릴로나이트가 장기간 광물학적 안정성을 유지할 수 있는가에 대한 우려가 제기되어 왔다. 이와 관련하여 본 절에서는 처분의 관점에서 벤토나이트 완충재의 장기 물성변화와 관련 현상에 대해 분석하였다.

3.3.1 스멕타이트의 일라이트화

온도 증가로 인해 완충재 내 스멕타이트가 비팽윤성 점토인 일라이트로 되는 변형과정은 암석화 및 열수화학 반응에서 흔히 발견될 수 있는 현상이다. 벤토나이트의 일라이트화는 팽윤특성 및 수리전도도 그리고 소성특성(plasticity)에 영향을 미치기 때문에 완충재의 안전 및 성능요건에도 영향을 미치게 된다. 일라이트화가 발생하기 위해서는 일반적으로 층간 전하(layer charge)의 증가 및 지하수 내 K+ 이온이 존재해야 한다고 알려져 있다(Leupin et al., 2014). 몬모릴로나이트 입자구조상 팔면체 판에 있는 Si4+가 Al3+으로 치환되어 입자표면의 음전하가 증가하고 결정 내 물 분자가 일탈하면, K+ 이온이 입자층 사이에 들어가게 되고 입자 사이의 거리도 10 Å 정도로 좁아진다. 이를 일반적인 광물구조식으로 나타내면 아래 식과 같다. 일라이트화 반응에서 가장 중요한 변수는 온도와 반응시간 그리고 K+의 농도이다(Meunier and Velde, 2004). 이 외에 다른 변수로는 압력, 화학조성, 그리고 스멕타이트의 층간 전하 및 층간 양이온의 특성 등이 있다(Eberl and Hower, 1976; Yau et al., 1987; Huang et al., 1993; Cuadros and Linares, 1996; Meunier and Velde, 2004).

$$smectite+K^++Al^{3+}\rightarrow illite+Si^{4+}$$ (2)

3.3.2 벤토나이트의 시멘트화(cementation)

스멕타이트의 일라이트화 과정은 위의 식 (2)에서와 같이 Si4+ 성분을 용해시키며 이 성분이 SiO2의 형태로 몬모릴로나이트 표면에 재침전되는 시멘트화(cementation)가 일어날 수 있고, 이는 결국 몬모릴로나이트의 팽윤능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 하지만 일라이트 과정을 통해 정량적으로 얼마만큼의 실리카 성분이 생성되고, 이 성분이 단독적으로 시멘트화라는 결과를 초래할 수 있는지에 대해서는 아직까지 논란이 있다(Müller-Vonmoos et al., 1990). Wersin et al. (2007)은 다양한 실험과 자연유사(natural analogue) 데이터를 이용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 벤토나이트 완충재의 주요 특성 중 팽윤압과 수리전도도는 110°C까지 특별한 변화가 발견되지 않았지만, 130°C에서는 SiO2의 침전에 의한 시멘트화 현상이 일부에서 소량 발견되었고 이 같은 변화는 150°C 이상의 온도에서 더욱 두드러졌다.

3.3.3 벤토나이트-증기 상호작용

Couture (1985)는 150~250°C의 수증기와 반응한 Na 벤토나이트에서 팽윤능이 갑작스레 감소했고, 그 감소정도는 액상의 물 보다는 기체상의 수증기와 반응한 벤토나이트에서 더 현저히 발생한다고 보고하였다. 그는 고온에 노출된 벤토나이트의 팽윤능 감소원인은 층간 광물구조 상의 변화 때문이라기보다는 실리카에 의한 시멘트화 현상으로 설명하였다. Pusch (2008)Pusch et al. (2003) 또한 150°C에서 수증기와 반응한 벤토나이트에서 팽윤능이 현저히 감소하였으며, 그 원인을 고온 증기에 의해 방출된 실리카 성분의 침전에 의한 시멘트화 때문으로 보고하였다.

3.3.4 생물학적 특성

일반적으로 점토질 광물에는 유기물이 함유되어 있으며, 이들 유기물은 미생물 대사의 영양소로 작용할 수 있다. 따라서 완충재 내 유기물 함량은 가능한 한 낮게 유지되는 것이 바람직하다. 이와 관련하여 스웨덴과 캐나다 등에서는 완충재 내의 유기탄소 함량을 0.5 wt.% 미만으로 제한하고 있으며, 우리나라는 0.3 wt.% 미만으로 규정하고 있다(KAERI, 2011). 점토 퇴적층에는 미생물 번식에 필요한 질소와 인 그리고 황 같은 다른 영양소도 함께 존재한다. 벤토나이트에 포함된 유기물은 구리 처분용기의 부식에도 영향을 줄 수 있다. 구리의 부식은 지하수로부터 부식유발물질이 제공되면 일어나게 되는데, 부식유발물질은 산화조건에서는 용존산소이고 환원조건에서는 용존 황화물로써 황화물은 지하수나 완충재로부터 공급될 수 있다(Cho, 2019). 따라서 구리와 철 등 처분용기로 고려되고 있는 재료의 부식방지를 위하여 황 산화 박테리아(Sulphate Reducing Bacteria, SRB)와 철 산화 박테리아(Iron Oxidizing Bacteria, IOB)의 성장이 제한되어야 한다. 1.5 Mg/m3 이상의 건조밀도를 가진 벤토나이트에서는 SRB의 활성이 거의 멈추게 되며, 건조밀도가 1.9 Mg/m3 이상인 벤토나이트에서는 SRB가 움직이지 않아 주변 암반에서 처분용기로 이동할 수 없게 된다(Pusch, 1999; Pedersen et al., 2000). 이러한 결과들을 볼 때 완충재의 성능요건이 충족된 벤토나이트 블록에서는 박테리아에 의한 용기부식을 크게 고려할 필요가 없다.

3.3.5 화학적 특성 및 용질이동 특성

암반의 지하수가 완충재를 통과하여 처분용기와 장기간 접촉하게 되면 처분용기가 부식되어 방사성핵종이 지하수로 침출될 수 있다. 압축 벤토나이트는 수착과 확산을 통해 방사성핵종이 처분장 밖으로 유출되는 것을 저지한다. 점토광물은 양이온 교환능(Cation Exchange Capacity, CEC)이 높고 특정 방사성핵종에 대해 높은 흡착능을 가지고 있다. 일반적으로 벤토나이트는 100 g 당 80~120 meq의 CEC를 갖고 있으며, 이는 Cs+와 같은 양이온이 Na+와 같은 층간이온과 교환될 가능성이 높기 때문에 방사성핵종 이동에 있어 매우 중요한 특징을 지닌다(JNC, 2000). 한편 벤토나이트는 비표면적이 높기 때문에 또한 높은 특성을 가지고 있다. 일례로 FEBEX 벤토나이트에 대해 측정된 비표면적은 32 ± 3 m2/g이다(Villar and Lloret, 2007). 콜로이드는 입자의 크기가 1 nm에서 1 um 사이의 크기로 물에 부유하고 있다. 지하수는 종종 상당량의 콜로이드를 함유하고 있으며, 이 물질은 오염물과 상호반응하여 그들의 이동에 영향을 미치게 된다. 방사성폐기물 처분시스템에서 콜로이드들은 핵종이동에 영향을 미치게 되며, 압축 벤토나이트 공극의 크기는 콜로이드 입자를 물리적으로 포획할 수 있는 정도의 크기이다(Grauer, 1986).

3.3.6 방사선적 특성(Radiological characteristics)

고준위페기물로부터 방출되는 알파선과 중성자는 처분용기에 의해 대부분이 저지된다. 따라서 완충재 재료인 벤토나이트의 안정성에 주로 영향을 미치는 방사선은 감마선이다. 감마선 및 중성자 조사로 인해 공극수가 일부 방사화(radiolysis)될 수 있으나 이는 몬모릴로나이트 등 점토광물의 구조적인 변형에는 제한적인 영향을 미친다(SKB, 2006). 또한 감마선과 중성자는 완충재 내에서 감쇄되며 그 정도는 완충재 밀도 및 함수량에 의존적이다. 공극수(porewater)의 방사화로 인해 생성되는 부산물은 용기표면에의 침전에 크게 영향을 미치지는 않으며, 감쇄과정을 통한 온도상승 효과는 무시할 정도이다(SKB, 2006). 한편 최대 9.5 × 107 Gy의 선량으로 조사된 압축 벤토나이트의 수리전도도 및 팽윤능을 측정한 결과, 수리전도도는 그다지 감소하지 않았으나 팽윤능은 약간 감소한 것으로 나타났다(Bradley et al., 1983). 3 × 108 Gy의 감마선량(60Co)으로 조사된 벤토나이트에서는 어떠한 구조적인 변형이 발생하지 않았고, 일부 시료에서 이산화탄소와 수소기체가 발생하였으며 몬모릴로나이트의 이온교환능(CEC)이 증대되었음이 보고되었다(Grauer, 1986). 또한 60Co으로부터 조사된 감마선은 선량 9.5 × 107 Gy까지는 압축 완충재 블록의 투수계수에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다(Grauer, 1986).

4. 고온영향 제한을 통한 처분효율 향상방안

처분효율의 향상을 위해서는 불가피하게 100°C 이상의 온도조건에 완충재가 노출될 수 있다. 이 조건에서는 벤토나이트 내 증기발생 및 유동에 의해 수분손실이 발생될수 있고 광물학적인 변성(일라이트화 ) 등이 야기됨으로써 완충재의 성능에 부정적인 영향을 미치게 된다. 국내 여건을 고려할 때 제한된 처분부지 내 상대적으로 과량의 사용후핵연료를 처분해야 할 경우에 선택할 수 있는 기술적 대안에 대해 분석하였다.

4.1 사용후핵연료 폐기물량 조절

처분효율이 향상되기 위해서는 기준 처분시스템에 비해 열적, 구조적 처분 부하량이 증대되어야 한다. 처분용기의 과도한 열적부하를 줄이기 위해 가장 명확한 해결책은 용기 하나에 수용하는 사용후핵연료의 양을 제한하는 것이다. 즉 처분용기에 담을 수 있는 사용후핵연료의 양을 줄임으로써 벤토나이트의 최대온도가 100°C를 넘지 않도록 한다. 그러나 이는 심층처분장 부지의 소요 면적과 처분용기 수의 증대를 초래하므로 경제성이 떨어지고 좁은 국토현실을 감안할 때 적용하기 어려운 선택일 것이다. 한편 하나의 처분공에 위로 적재할 수 있는 처분용기 수를 증대시키는 방안을 검토할 수 있다. 하지만 이 또한 벤토나이트 완충재가 과량의 처분용기 하중을 견딜 수 있느냐가 주요 관건일 것이다.

4.2 공학적방벽의 구조 ‧ 재료적인 변경

벤토나이트에서 최대온도를 제한하기 위해 처분용기 주변의 완충재 구조를 변형시키는 방안이 강구될 수 있다. 높은 열전도도의 재료를 처분용기 주변에 설치하여 용기로부터 벤토나이트로 열전달을 높이는 방안으로 이때 사용될 수 있는 재료는 모래나 흑연 등이 고려되고 있다. 순수 벤토나이트 대신 벤토나이트와 모래 혼합물을 완충재로 사용하기 위한 연구가 일본에서 수행된 바 있다. 일본은 H-3 심층처분개념(PNC, 1992)에서 완충재로 순수 Kunigel 벤토나이트를 압축하여 사용하였으나, H-12 심층처분개념(JNC, 2000)에서는 Kunigel 벤토나이트(70%)-모래(30%) 혼합물을 압축하여 완충재로 사용함으로써, 열전달 효율과 역학적 성능을 향상시켰다. 이 새로운 설계개념의 채택으로 완충재 두께를 약 30% 가량 감소시킬 수 있었다.

한국의 Choi and Choi (2008)는 이중구조의 완충재를 제안한 바 있다. 처분용기와 가까이 있는 완충재 층에 벤토나이트와 모래 그리고 흑연을 섞어 완충재의 열전도도를 향상시키는 개념이다(Fig. 8(a)). 이로 인해 용기표면의 온도를 기준 개념 보다 약 7°C 정도를 낮출 수 있는 것으로 분석되었다(98.8 → 91.6°C, Fig. 8(b)). 흑연의 사용은 벨기에 처분장 개념에서도 완충재의 열전도도 향상을 위해 고려되었다. 벤토나이트와 모래 혼합사용시 5 wt.%의 흑연 첨가는 완충재의 열전도도를 1.5에서 4 W/m.K로 증가시켰다(ONDRAF/NIRAS, 2001). 그러나 첨가물의 사용은 완충재의 수리전도도를 증가시킬 수 있으며, 고열로 인해 처분용기 근처의 완충재가 건조되어 오히려 열전도도가 떨어질 수 있다. 따라서 첨가제의 추가는 처분의 관점에서 완충재의 다른 성능 요구치 충족여부를 신중히 검토할 필요가 있다. 부가적으로, 흑연을 처분 방벽재의 일부로 사용하기 위해서는 먼저 재료적인 장기 안정성(콜로이드 형성 등)이 규명되어야 한다.

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Fig. 8.

Concept of a double-layered buffer (Choi and Choi, 2008)

대안으로 처분용기와 완충재 사이에 열전도도가 낮은 재료를 추가하는 것이다. 이는 고온으로부터의 완충재보호를 위해 보다 효과적이며, 이 같은 접근방법은 스웨덴 Aspo HRL에서의 TBT (Temperature Buffer Test) 실험을 통해 연구된 바 있다(Hökmark, 2005). 앞서 언급한 바와 같이 건조한 모래는 벤토나이트 보다 열전도도가 낮기 때문에 절연효과를 가지고 있다. 용기 표면에서의 온도는 증가되나 벤토나이트 완충재의 최대 온도는 낮아진다(Hökmark, 2005). TBT 실험에서 20 cm 두께의 모래층이 히터 바로 옆에 추가되었을 때 용기표면에서의 온도가 160°C이었지만 완충재에서의 최대온도는 약 90°C로 낮아졌다. 따라서 처분용기 표면 근처에 건조모래와 같은 절연층의 삽입은 완충재의 온도를 낮추는데 효과적이며 혹시 있을 수 있는 처분용기 회수 시 매우 유용한 대안으로 평가된다. 하지만 절연층의 삽입으로 완충재 및 주변 암반으로의 열전달이 저하되어 처분용기 및 고준위폐기물 자체의 온도가 증가할 수 있다. 그러므로 이 방법을 적용하기 위해서는 고준위폐기물 자체의 건전성 유지 여부를 신중히 검토하여야 할 것이다.

한편 처분용기에 인접하여 완충재의 희생층(sacrificial thickness)을 그냥 허용하는 것도 대안이 될 수 있다. 완충재의 두께를 그 만큼 증대시키는 것이 보다 더 단순하고 효과적일 수 있다. TBT 실험결과는 약 15 cm의 완충재 두께 만이 100°C 이상의 온도에 의해 영향을 받았다. 이 영역에서는 기체유동 및 탈수 현상이 발생하게 되며 온도가 150°C 이상일 경우 팽윤능의 손실이 발생할 수 있다. 또 다른 대안으로는 처분용기의 디자인을 변경하여 다중구조의 고기능성 처분용기를 개발하는 것이다. 이와 관련하여 국내에서는 극한 심부환경에서 기존 처분용기 보다 내열, 내압, 내부식 등 성능이 개선된 고기능성 처분용기의 개발을 위한 연구프로젝트를 기획 중에 있다.

4.3 설계제한 온도 변경

처분용기와 완충재 사이 계면에서의 첨두온도는 처분장 단위면적에 처분할 수 있는 폐기물의 양을 제한하여 처분효율을 결정하기 때문에 완충재의 온도 제한치를 100°C 이상으로 허용하는 방법은 처분부지 면적 감소로 직접 연결된다. 100°C 이상의 고온 조건에서 완충재의 특성규명은 상대적으로 새롭고 도전적인 연구에 해당되며 각국마다 고유의 공학적방벽 특히, 자국 벤토나이트에 대한 고온성능이 아직 입증되지 못한 실정이다. 일부 소수 국가와 기관을 중심으로 이에 대한 관심이 증가하여 최근(2016년)에 스위스 GTS에서 HotBENT (High Temperature Bentonite Project)라는 국제공동연구 기획회의를 가진 바 있다. 국제공동연구 HotBENT의 주요 목표는 실증규모의 연구를 통해 200°C (처분용기 표면온도)까지의 고온 환경조건에서 완충재와 근계암반의 거동에 대한 이해를 증진시키고 관련 실험을 통해 데이터베이스를 확보하는 것이다. 국내의 경우 완충재의 고온물성 규명을 위해 한국원자력연구원에서 원자력기술개발사업의 일환으로 고온조건(최대 150°C)에서 일부 실내실험과 화학모델 개발을 진행 중에 있다. 이는 고온 완충재에 대한 안전 증거(safety case)를 확보하는 계기가 될 것이며, 심층처분장에 적용되는 열적 설계기준을 향상시키는데 기여를 할 수 있을 것이다.

4.4 사용후핵연료 관리옵션 변경

고온의 폐기물을 관리하기 위한 하나의 옵션은 고준위폐기물을 더 오랫동안 보관하여 고준위폐기물을 포장한 처분용기의 발열량을 제한수준 이하로 떨어뜨리는 방법이다. Hicks and Crawford (2002)는 약 40~50년의 저장을 통해 처분용기 표면에서 방출되는 열의 양을 허용수준으로 떨어뜨릴 수 있다고 보고하였다. 즉 열적 제한치를 충족시키기 위하여 사용후핵연료의 중간저장 기간을 추가로 확보하는 방안도 하나의 대안이 될 수 있다.

한편 일본의 NUMO (Nuclear Waste Management Organisation of Japan)는 제한된 처분면적에서 열적 제한치를 충족시키기 위하여 다양한 신규 처분개념을 개발하고 있다. 그 중 CARE (CAvern REtrievable) 개념은 고준위폐기물을 다목적 용기에 넣은 후 적어도 300 m 이상의 지하 암반에 동굴(cavern) 저장을 하는 것이다(Fig. 9) (Masuda et al., 2004; McKinley et al., 2004; McKinley and Apted, 2007). 동굴이 약 300년가량 오픈된 상태로 유지되며 이 기간 동안 제도권 하에서 적극적인 관리를 하게 된다. CARE 컨셉은 처분장 설계 옵션 연구(Repository Design Option Study)의 일환으로 개발되었으며 이는 일본의 표준 처분개념(H12) 보다 더 컴팩트한 처분장 배치가 가능하다는 장점이 있다(NUMO, 2004). 초기 50년 동안의 냉각기간과 더불어 300년 동안의 CARE 개념 도입을 통해 열적 부하량이 약 20배 이상 감소되었다(JNC, 2000).

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Fig. 9.

CAvern REtrievable (CARE) concept (McKinley and Apted, 2007)

또 다른 처분개념으로 PEMs (Prefabricated EBS Modules)는 폐기물과 완충재 그리고 모래 등의 공학적방벽재료를 강철 용기 안에 미리 제작하여 삽입하는 방식이다(Fig. 10) (Kawamura et al., 2008). 몬모릴로나이트의 일라이트화 과정은 지하수 내 칼륨(potassium) 이온이 존재할 경우에 발생하므로(Wersin et al., 2007), 벤토나이트를 건조상태로 유지하는 것이 일라이트화 방지를 위해 효과적이라는 것이 바로 PEMs 개발의 출발점이다. 또한 PEMs 개념의 도입은 EBS 구성요소 특히 완충재 취급의 어려움을 배제하고 벤토나이트의 건조상태 유지를 위해 제안된 방법이다(Kawamura et al., 2008). 따라서 건조 벤토나이트는 습윤 벤토나이트에 비해 용질이동이 제한되므로 광물학적으로 더 안정하다. 하지만 PEM 표면에서의 온도는 낮아지겠지만 열이 주변으로 잘 배출되지 못하고 고준위폐기물 자체의 온도가 증가하여 건전성이 저하될 수 있으므로 이에 대한 면밀한 사전 안전성 평가가 선행되어야 한다.

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Fig. 10.

Prefabricated EBS Modules (PEMs) (Kawamura et al., 2008)

5. 결 론

본 연구에서는 고준위폐기물 처분장 내 벤토나이트 완충재를 대상으로 처분관점에서 장 ‧ 단기적 안정성을 분석하였으며, 국내여건(좁은 국토와 높은 인구밀도)을 고려할 때 처분효율 향상을 위한 완충재 관련 대안개념에 대해 기술동향을 분석하였다. 주요 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

1. 처분개념에서 완충재를 고려하지 않는 국가를 제외한 대부분의 처분선진국에서는 처분시스템의 제한온도를 100°C 이하로 규정하고 있으며, 그 이상에서는 증기발생으로 인한 수분손실 및 다상유동 현상 그리고 광물학적인 변성 등이 초래되어 완충재의 성능을 저하시킬 수 있음.

2. 온도 150~250°C 사이에서는 온도증가로 인한 건조 및 증기발생 등으로 인해 완충재의 수리전도도와 팽윤능에 비가역적인 변화가 발생한다고 보고됨. 하지만 완충재의 최고온도가 최소한 150°C를 초과하지 않는다면 벤토나이트 완충재의 재료적, 구조적 그리고 광물학적 안전성에 미치는 온도의 영향은 크지 않음.

3. 고온 영향을 제한하기 위해 선택할 수 있는 처분장 설계와 관련된 대안은 1) 사용후핵연료로부터의 열적 부하량을 낮추가 위해 처분용기 당 수용할 수 있는 폐기물 량을 제한하거나 중간저장 기간을 증대시키는 방법, 2) 복합소재(흑연, 실리카 등) 혹은 다중구조(전도층, 절연층 등)의 고기능성 공학적방벽재를 사용하는 방법, 3) 처분용기-완충재 사이의 제한 설계온도를 100°C 이상으로 허용하는 방법임.

여기에서 가장 경제적인 방안은 처분시스템 제한온도를 100°C으로 허용하는 방법이며, 이때 고온조건에서 처분 안전성을 규명하는 것이 중요한 이슈 중의 하나이다. 기존에 당연하게 받아들여지던 공학적방벽 온도특성 개념에서 탈피하여 새로운 완충재 고온성능 개념을 개발할 필요가 있으며, 처분효율을 극대화하기 위해서는 복합소재 혹은 다중구조의 고기능성 공학적방벽재의 개발과 더불어 다층 처분장(multilayer repository)으로 처분장 레이아웃을 변경하는 방법 등을 병행하여 검토할 필요가 있다. 또한 중간저장 기간이 연장되는 사용후핵연료 관리정책이 향후 추가된다면 기술적인 측면에서 보다 획기적인 처분면적 감소 방안이 제시될 수 있을 것으로 판단된다. 이는 처분사업의 국민 수용성 확보 측면에서도 필수적인 기술개발 항목에 해당될 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 시행하는 한국연구재단의 원자력기술개발사업 지원으로 수행되었습니다(과제번호: NRF-2017M2A8A5014857).

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