Bentonil-WRK 벤토나이트 기반 혼합 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도 특성 = Swelling Pressure and Hydraulic Conductivity Characteristics of Bentonil-WRK Bentonite-Based Backfill Materials

국문 초록 (Abstract)

원자력 발전소 가동 후 발생하는 고준위 방사성 폐기물의 영구 처분 방안으로 심도 약 500 m 암반에 터널을 굴착하여 폐기물을 격납·밀봉하는 심층 처분 시스템이 고려되고 있다. 심층 처분 시스템은 처분용기, 완충재 및 뒤채움재로 구성된 공학적 방벽과 주변 암반으로 구성된 천연 방벽으로 분류되며, 이러한 다중 방벽 시스템은 폐기물이 반감기를 거쳐 인체에 무해한 수준에 도달할 때까지 지하수 이동 및 핵종의 유출을 지연시키는 것을 목표로 한다.
공학적 방벽재 중 하나인 뒤채움재는 뒤채움 터널 내부에 설치되어 지하수 유입 시 팽윤을 통해 터널 내부 공간을 충진하고, 지하수 및 방사성 핵종 이동 경로를 차단하며, 완충재의 융기 및 변형을 억제하여 장기 구조적 안정성을 확보하는 역할을 수행한다. 이러한 뒤채움재의 장기 건전성은 팽윤압과 수리전도도 물성을 통해 평가 가능하다.
한편, 심층 처분 환경에서는 지하수의 화학 조성, 터널 내부의 온도 변화 및 암반 풍화에 따른 광물조성 변화 등 다양한 외부 요인이 장기간 작용하므로, 뒤채움재의 물성은 초기 재료 변수 조건뿐만 아니라 처분 환경 변수 요인에 따른 장기 거동 특성을 복합적으로 고려해야 한다. 즉, 뒤채움재의 성능은 설계 변수와 처분환경 변수의 상호작용에 따라 영향을 받을 수 있으며, 이에 따른 팽윤압 및 수리전도도 변화 특성의 정량적 검토가 요구된다.
본 연구에서는 한국형 심층 처분 시스템 내 활용될 예정인 Ca-벤토나이트(Bentonil-WRK) 기반 규사 혼합 뒤채움재를 대상으로, 팽윤압과 수리전도도 특성을 재료 변수와 처분환경 변수에 따라 평가하였다. 재료 변수로는 건조밀도, 벤토나이트 배합비, 초기 함수비 및 규사 입도 분포를 설정하였으며, 처분환경 변수로는 온도, 해수조건 및 카올리나이트 침투 조건을 영향 요인으로 적용하였다. 특히 카올리나이트 침투 조건은 화강암을 기반암으로 하는 처분 시스템에서 장기 지하수 이동과 풍화에 의해 비팽윤성 점토광물이 뒤채움재 내부로 유입될 가능성을 고려한 시나리오로, 기존 연구에서 다루지 않았던 외부 환경변수라는 점에서 의의가 있다.
실험 결과 Bentonil-WRK 기반 뒤채움재는 건조밀도 및 벤토나이트 함량 증가에 따라 팽윤압이 증가하고 수리전도도는 감소하는 경향을 보였으며, 이는 선행 연구와 일치하였다. 또한 온도 상승, 해수 조건 및 카올리나이트 침투 조건에서는 팽윤압 감소 및 수리전도도 증가 경향이 나타나 외부 환경 요인이 뒤채움재의 장기 물성에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 추가적으로 본 연구에서는 변수 조합에 따른 시험 결과를 기반으로 유효 건조밀도를 적용한 Bentonil-WRK 혼합 뒤채움재의 설계 기준을 제시하였다.
본 연구 결과는 한국형 심층 처분 시스템의 설계 조건 정립 및 뒤채움재 장기 거동 예측 모델 구축을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Deep disposal system has been considered as a permanent disposal option for high-level radioactive waste, in which disposal tunnels are constructed in bedrock at a depth of approximately 500 m. This system consists of an engineered barrier system, including canisters, buffer, and backfill with the surrounding host rock as a natural barrier, aiming to delay groundwater flow and radionuclide migration over long time periods. Backfill material plays a critical role in ensuring the long-term performance of the disposal system by swelling upon groundwater infiltration to fill tunnel voids, reduce hydraulic conductivity, and maintain structural stability. Its performance is commonly evaluated based on swelling pressure and hydraulic conductivity. However, in deep disposal system environments, backfill materials are exposed to various long-term environmental factors, such as groundwater chemistry, temperature variation, and mineralogical changes caused by host rock weathering. Therefore, both material parameters and disposal environmental conditions should be considered in performance evaluation. In this study, the swelling pressure and hydraulic conductivity of silica sand–mixed backfill material based on Ca-bentonite (Bentonil-WRK), proposed for the Korean deep geological disposal system, were investigated. The effects of material parameters (dry density, bentonite mixing ratio, initial water content, and sand particle size distribution) and disposal environmental parameters (temperature, saline conditions, and kaolinite infiltration) were evaluated. The results indicate that increasing dry density and bentonite content leads to higher swelling pressure and lower hydraulic conductivity, consistent with previous studies. In contrast, elevated temperature, saline conditions, and kaolinite intrusion result in reduced swelling pressure and increased hydraulic conductivity, demonstrating the influence of disposal environmental factors on long-term backfill performance. Based on the experimental results, design criteria for Bentonil-WRK–based mixed backfill material were proposed using the concept of effective dry density.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 7
• 제 2장 벤토나이트 혼합 뒤채움재의 이론적 배경 8
• 2.1 벤토나이트 팽윤 원리 8
• 2.2 벤토나이트 혼합 뒤채움재의 설계변수 13
• 제 3장 실험 준비 16
• 3.1 시험편 16
• 3.2 실험장비 및 방법 24
• 3.2.1 실험셋업 24
• 3.2.2 실험방법 27
• 제 4장 벤토나이트 혼합 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도 평가 35
• 4.1 뒤채움재 재료 변수에 따른 팽윤물성 평가 35
• 4.1.1 팽윤압 35
• 4.1.2 수리전도도 43
• 4.2 뒤채움 처분 환경 특성에 따른 영향 50
• 4.2.1 팽윤압 50
• 4.2.2 수리전도도 62
• 4.3 벤토나이트 혼합 뒤채움재 설계 기준 제시 74
• 제 5장 결론 및 고찰 76
• 5.1 결론 76
• 5.2 고찰 및 추후 연구과제 77
• 참고문헌 78
• Abstract 82