1. 서 론
2. Literature review
2.1 Low-pH 숏크리트
2.2 뒤채움재
3. 실험 재료 및 방법
3.1 Low-pH 숏크리트 및 뒤채움재 시편 제작
3.2 실험 장비 및 방법
4. 실험 결과 및 분석
5. 결 론
1. 서 론
고준위 방사성 폐기물 처분장은 고준위 방사성 폐기물이 무해한 수준으로 감소할 때까지 장기간 안정적으로 인간의 생활권과 격리하기 위한 핵심 시설이다. 이를 위해 다층의 자연 및 공학 방벽 시스템을 기반으로 하는 심층 처분 개념이 채택되고 있다. 공학적 방벽은 처분용기, 완충재, 뒤채움재, 플러그와 같은 요소들로 구성되며, 이들은 방사성 폐기물에 대한 열적, 수리적, 화학적, 역학적 안정성을 제공하여 처분 시스템의 장기적인 안전성을 보장하는 역할을 수행한다(Posiva SKB, 2017; Luna et al., 2006).
Fig. 1은 처분장의 처분터널 구조를 나타낸다. 처분터널 내에 충전되는 뒤채움재는 방사성 폐기물 처분 후 터널을 밀폐하고, 지하수 유입을 제한하며 공학적 방벽의 기능을 확보하는 역할을 수행한다. 벤토나이트 기반 뒤채움재는 높은 팽윤성, 낮은 투수성, 핵종 이동의 지연 능력으로 처분 시스템의 장기 안정성을 유지하는 핵심 공학적 방벽으로 평가되고 있다(Börgesson et al., 2001; Pusch, 2006). 한편, 처분터널 굴착 시 안정성을 확보하고 붕괴를 방지하기 위해 필요에 따라 숏크리트를 설치할 수 있다. 일반적인 숏크리트는 시멘트계 재료로 구성되어 포화 시 pH 12 이상의 고알칼리성 침출수를 형성하며, 이러한 고알칼리성 침출수는 완충재 및 벤토나이트를 주 재료로 하는 뒤채움재와 화학적 상호작용을 통해 성능 감소를 유발할 수 있다. 선행 연구에 따르면, 고알칼리 환경은 벤토나이트의 화학적, 광물학적 변화를 유발할 가능성이 있는 것으로 보고되었다(Karlsson et al., 1999). 즉, 팽윤압 감소, 투수성 증가, 미세구조 변화 등 뒤채움재의 성능 저하가 발생할 가능성이 제기됨에 따라 공학적 방벽 및 숏크리트 설계 시 고려되어야 할 요소로 인식되고 있다(Kwon, 2011).
고알칼리 환경에서 뒤채움재의 성능 저하를 방지하기 위해, 침출수의 알칼리도가 pH 11 이하를 유지하는 Low-pH 숏크리트 및 콘크리트가 개발 및 연구되고 있다(Alonso et al., 2009; Calvo et al., 2010; Gang et al., 2025). 특히 Low-pH 숏크리트는 고알칼리 침출수의 원인인 시멘트의 사용량 줄이고 플라이애시, 실리카 흄, 고로슬래그 등 혼화재를 활용하여, 장기적으로 침출수의 pH 11 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. Low-pH 숏크리트의 활용은 고알칼리 환경에 의한 뒤채움재의 광물학적 변질을 억제하여 팽윤압 감소 및 수리전도도 증가와 같은 성능 저하를 완화할 수 있을 것으로 기대되며, 고준위 방사성 폐기물 처분장에서도 적용 가능성이 검토되고 있다(Posiva, 2012). 그러나 Low-pH 숏크리트 침출수가 완전한 중성 상태(pH 7)는 아니므로, 침출수와 뒤채움재 간의 상호작용에 대한 검증이 요구된다. 현재 국내에서는 Low-pH 숏크리트 침출수와 뒤채움재에 대한 실험적 연구가 미비한 실정이며, 국내 처분 환경을 고려한 조건에서 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도의 성능에 관한 연구가 요구된다.
따라서 본 연구는 처분터널 내에서 지하수 유입에 따른 Low-pH 숏크리트 침출수와 뒤채움재가 상호작용하는 환경을 고려하였다. 이에 해외 문헌조사를 통해 Low-pH 숏크리트 배합(안)을 검토하고, 이를 기반으로 국내에서 확보 가능한 재료를 활용하여 Low-pH 숏크리트를 제작하였다. 또한 제작된 Low-pH 숏크리트의 물리적 특성 및 침출수의 화학적 특성을 평가하였다. 최종적으로, 침출수에 따른 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도의 변화를 평가하는 것을 목적으로 한다.
2. Literature review
2.1 Low-pH 숏크리트
강알칼리성 침출수에 의한 뒤채움재 및 완충재의 장기적인 성능 저하를 최소화하기 위한 대안으로, 해외 주요 처분 시설 기관에서는 Low-pH 시멘트계 재료에 관한 연구가 수행되고 있다. 특히 처분터널 안정화에 사용되는 숏크리트 및 그라우트를 대상으로, 침출수의 pH를 저감하기 위한 재료 조성 및 적용성 평가가 이루어지고 있다. 일본, 프랑스, 스웨덴, 미국 및 스위스에서 제시한 Low-pH 숏크리트 배합(안) 문헌조사 결과는 Table 1과 같다(Takeshi, 2007; Alonso et al., 2009; Calvo et al., 2010; Bodén and Pettersson, 2011; Mattus and Dole, 2022; Savage et al., 2010). Low-pH 숏크리트 배합(안)의 공통적 특징은 시멘트 사용량을 감소시키고, 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그와 같은 포졸란계 혼화재를 사용하여 알칼리성을 낮추는 데 중점을 두고 있다.
Table 1.
Formulation proportions of Low-pH shotcrete mix design by country
2.2 뒤채움재
고준위 방사성 폐기물 처분장에서 뒤채움재는 처분터널 내 공극을 최소화하여 장기적 안정성을 확보하는 공학적 방벽이다(Posiva, 2012). 처분터널에 충전된 뒤채움재는 이류에 의한 핵종의 유출과 완충재의 상향 거동 저지 기능을 수행한다(Posiva, 2012). 이러한 기능을 수행하기 위해 벤토나이트로 구성되는 뒤채움재는 낮은 수리전도도, 높은 팽윤 특성, 화학 및 열적 안정성이 동시에 요구된다(Posiva, 2012; Sellin and Leupin, 2013). 이에 따라 국내에서도 Ca 벤토나이트를 대상으로 역학, 수리, 열 물성 파악을 위한 연구가 활발히 수행되고 있다(Lee et al., 2010; Kim et al., 2018; Yoon et al., 2020; Yoon et al., 2021).
벤토나이트는 스멕타이트 계열 점토 광물을 주성분으로 하며, 대표적인 구성 광물은 그 중에서도 몬모릴로나이트가 지배적인 광물이다. 몬모릴로나이트는 규소 사면체와 알루미늄 팔면체 층이 2:1 구조로 결합되어 층상구조를 가지는 팽창성 점토 광물이다. 이러한 층상 구조 내에서, 동형치환에 의해 점토 표면에 영구적인 음전하를 띠게 되며, 이를 중화하기 위한 교환 가능한 양이온이 점토 층간에 위치한다. 몬모릴로나이트는 수분과 접촉 시 층간 사이로 물 분자가 유입되고, 확산 이중층의 발달 및 중첩으로 인해 층간 간격이 증가하게 된다(Grim, 1953; Madsen and Müller-Vonmoos, 1989). 이러한 메커니즘을 통해 벤토나이트는 포화 시 팽윤 특성을 발현함으로써, 높은 팽윤압 및 낮은 수리전도도를 가지게 된다.
처분터널 설계 시 사용되는 시멘트계 공학적 방벽으로부터 발생하는 강알칼리성 침출수는 벤토나이트의 변질을 유발할 수 있다. 높은 pH 환경에서 벤토나이트의 주요 구성 광물인 몬모릴로나이트는 2차 광물 형태로 변질되어 팽윤압 감소 및 수리전도도 증가와 같은 물성 저하가 발생할 수 있음이 보고된 바 있다(Gaucher and Blanc, 2006; Wang et al., 2021a). 따라서 처분터널의 장기 안정성을 확보하기 위해 Table 2의 배합(안)에 따른 숏크리트와 뒤채움재 간의 물리-화학적 상호작용을 고려한 성능 평가가 요구된다.
3. 실험 재료 및 방법
3.1 Low-pH 숏크리트 및 뒤채움재 시편 제작
Table 2는 국외 선행 연구 문헌조사 및 검토를 통해 선정된 Low-pH 숏크리트 배합(안)을 나타낸다. 선정한 배합(안)은 미국(Oak Ridge National Laboratory)에서 개발한 배합(안)을 채택하였으며, 이를 기반으로 설정된 ‘T3’을 본 연구의 배합(안)으로 활용하였다(Mattus and Dole, 2022). 이러한 배합(안)은 고준위 방사성 폐기물 처분장에서 요구되는 저알칼리 환경을 위해 침출수의 pH 저감을 목표로 설계되었다. 따라서 국내 처분 환경에서 물리-화학적 적용 가능성을 검토하기에 적합한 배합(안)으로 판단하였다. 또한 국내에서 조달이 용이한 재료를 활용함으로써 국내 처분환경에 대한 경제성을 확보하였다. 본 연구에 활용된 Low-pH 숏크리트 배합(안)의 혼화재로는 보통 포틀랜드 시멘트(SSANGYONG C&E, Ordinary Portland Cement), 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그(MAXCON MATERIALS, Silica fume, Fly ash)를 활용한다. 혼화제로는 감수제(ECONEX)를 활용한다. 혼화재 사용량은 시멘트보다 높게 설정하였다. 높은 혼화재 비율은 Low-pH 특성을 확보하여 장기적으로 침출수의 pH를 저감하기 위한 목적으로 활용하였다. 또한 미국(ORNL)에서는 보강재의 활용을 제안하였으며, 이를 고려하여 구조적 성능을 확보하기 위해 강철 섬유(KOSTEEL)를 활용하였다. 숏크리트 시편의 제작 과정은 다음과 같다. 1) 믹서를 사용하여 시멘트와 혼화재(실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그), 굵은 골재, 잔골재 및 강철 섬유를 약 3분간 건비빔한다. 2) 물과 감수제를 첨가하여 5분간 교반한다. 3) 배합이 완료된 숏크리트를 몰드에 타설한다. 타설 직후 초기 응결을 위해 밀봉하였으며, 약 24시간 경과 후 탈형하여 수중 양생을 진행하였다. 이러한 제작 과정을 통해 50 × 50 × 50 mm 크기의 정육면체 공시체를 제작하였다(Fig. 3a).
본 연구에서 사용한 뒤채움재 시편은 처분터널 내 뒤채움재를 모사하기 위해 Ca 벤토나이트(Clariant, Ltd.)와 규사(경인소재, 3호사)를 혼합하여 제작하였다. 벤토나이트는 높은 팽윤성과 낮은 투수성으로 방사성 핵종과 지하수의 이동을 제한하며, 규사는 구조적 안정성과 시공성 개선을 목적으로 사용되었다. 벤토나이트와 규사의 혼합 비율(4:6)은 건조 질량비이며, 한국원자력연구원에서 수행된 다양한 팽윤압 및 수리전도도 측정 결과에 따른다(Cha et al., 2024; Hansen et al., 2010). 또한 규사는 입경 범위가 약 1.6 ~ 2.5 mm인 3호사로 설정하였다. 이와 같은 규사의 입경 조건은 벤토나이트와 균질한 혼합성, 다짐성, 적정한 투수성 유지를 가능하게 하기 때문이다. 0.5 mm 이하의 미세한 입경 조건은 뒤채움재의 불균질성 유발 가능성이 있으며, 5 mm 이상의 입경은 공극 증가로 핵종과 침출수의 유출 가능성이 상승하는 문제를 유발할 수 있다. 이에 선행 연구에서는 2 ~ 5 mm 범위의 쇄석이 벤토나이트와 함께 뒤채움재 제작에 적합한 것으로 제시하였다(Autio et al., 2013). Table 3은 뒤채움재 제작을 위한 배합(안)을 나타낸다. 뒤채움재 시편은 벤토나이트와 규사를 균일하게 혼합한 후 제작 몰드에 넣어 일축 압축기로 성형하였다. 건조밀도(Bulk dry density)는 1.7 g/cm3, 1.8 g/cm3, 1.9 g/cm3의 3가지 변수로 설정하였으며, 각 조건에 따라 약 25 ~ 88 kN의 압축 하중을 가하여 제작하였다(Fig. 3b). 이러한 변수를 설정하여 처분터널에서 건조밀도에 따른 뒤채움재의 성능을 평가하고자 하였다.
Table 3.
Formulation proportion selected for the backfill material
3.2 실험 장비 및 방법
본 연구에서는 Low-pH 숏크리트 및 뒤채움재의 물리-화학적 특성을 평가하기 위해 압축강도 측정, Low-pH 숏크리트 침출수 pH 측정, 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도 측정을 수행하였다. Table 4는 Low-pH 숏크리트의 실험 조건을 나타낸다. 첫 번째로 압축강도 시험은 Low-pH 숏크리트의 물리적 성능을 평가하기 위해 수행하였다. Low-pH 숏크리트 제작 후 수중 양생을 실시한 공시체를 사용하였으며, 양생 기간은 7, 14, 21, 28, 63일로 설정하였다. 각 재령에 도달한 공시체는 일축 압축시험기를 사용하여 12 kN/s의 하중 재하속도로 압축강도를 측정하였다. 두 번째로 침출수 pH 측정은 Low-pH 숏크리트로부터 침출되는 알칼리도를 평가하기 위해 ESL Method(Ex-situ)와 EPA Method(United States Environmental Protection Agency)의 두 가지 방법으로 수행하였다(ASTM, 2019; Garrabrants et al., 2010). ESL Method는 Low-pH 숏크리트 공시체의 압축강도 평가 후 발생한 시편 조각을 분쇄하여, #200(75 μm)체를 통과한 시료와 DIW를 1:1로 혼합한 뒤 20분간 교반하여 pH를 측정하였다. EPA Method는 고체 시료의 장기 용출 특성을 평가하기 위해 미국 환경청에서 제안된 방법이다. 본 시험법은 공시체의 표면적 대비 DIW 양을 9 ± 1 mL/cm2로 유지하도록 설정하고, 정해진 주기에 따라 DIW를 교체하는 방식으로 수행하였다. 침출수 교체 시점은 누적 시간 기준 0.08, 1, 2, 7, 14, 28, 42, 49, 63일로, 총 9단계에 걸쳐 진행하였다. 각 단계가 종료된 시점에서 수조 내 침출수를 전량 회수하여 pH를 측정하였고, 침출수 회수 직후 동일한 양의 DIW로 교체하여 다음 단계의 시험이 연속적으로 진행되도록 하였다.
Table 4.
Physical and Chemical Test Conditions for Low-pH Shotcrete
Fig. 4는 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도 측정을 위한 시스템 모식도이다. 본 시험 장치는 Swelling Pressure Cell 내부에 뒤채움재 시편을 넣어, Press Controller와 Toxic Interface Unit을 연계하여 침출수가 Cell 내부로 주입되도록 구성하였다. Toxic Interface Unit은 고무 멤브레인을 경계로 상-하부가 분리된 구조이며, 하부는 Press Controller와 연결되어 있다. Press Controller에서 비압축성인 물을 이용해 일정 압력을 가하면 하부가 가압되면서 고무 멤브레인이 상승함에 따라 상부에 채워진 침출수가 Swelling Pressure Cell로 주입된다. 침출수 주입을 위해 초기 주입 시에는 10 kPa로 가압하였고, 약 24시간 이후 점진적으로 가압하여 약 1 MPa에 도달하였다. 주입이 진행됨에 따라 뒤채움재 시편이 팽윤하게 되며, 이때 발생하는 팽윤압을 Swelling Pressure Cell 내부 로드셀(Load Cell)을 이용하여 실시간으로 측정하였다. 팽윤압은 초기 단계에서 급격히 증가한 후 시간이 경과함에 따라 일정한 팽윤압에 수렴하는 경향을 보였다. 팽윤압 수렴 후, Press Controller의 유량이 선형적으로 감소하는 시점을 시편 포화가 완료된 것으로 판단하였다. 시편 포화 완료 후, 동일 시편으로 수리전도도 측정을 진행하였다. 수리전도도의 평가는 각각의 Swelling Pressure Cell의 유출부를 통해 유출되는 용액을 10초 간격으로 측정하여, 단위 시간당 유출량을 산출하는 방식으로 실시하였다.
4. 실험 결과 및 분석
Fig. 5는 Low-pH 숏크리트의 재령에 따른 압축강도 측정 결과를 나타낸다. 본 실험에서는 수중 양생 조건에서 각 재령(7일, 14일, 21일, 28일, 63일)별로 3개의 공시체를 사용하여 실험을 수행하였으며, 3회 측정값의 산술평균을 사용하였다. 시험 결과 재령이 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 경향을 나타냈다. 압축강도는 재령 7일의 22.87 MPa에서 재령 21일의 32.23 MPa로 증가하였고, 이후 재령 63일에는 37.6 MPa 수준을 나타내었다. 재령 7일에서 21일 구간의 초기 강도 발현은 배합에 사용된 강철 섬유가 주요하게 기여한 것으로 보이며, 재령 21일 이후의 지속적인 강도 발현은 수화 및 포졸란 반응에 기인한 것으로 판단된다. 또한 재령 28일 기준 ESDRED가 제시한 압축강도 기준인 30 MPa 이상과 비교할 때, 본 연구에서 사용한 Low-pH 숏크리트는 해당 기준을 만족하는 것으로 나타났다(Alonso et al., 2009).
Fig. 6은 EPA Method 및 ESL Method에 따른 재령별 Low-pH 숏크리트 침출수의 pH 변화를 나타낸다. 두 가지 방법 모두 재령이 증가함에 따라 pH가 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 모든 재령에서 ESL Method는 EPA Method에 비해 상대적으로 높은 pH 값을 유지하였으며, 측정값의 차이는 재령이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 재령 7일에서는 1.14의 차이(ESL 12.50, EPA 11.36)를 나타냈고, 재령이 63일로 증가함에 따라 그 차이는 0.40(ESL 11.45, EPA 11.05)으로 감소하였다. 이는 두 시험법의 시료 전처리 및 시료 대비 DIW 양의 차이에 기인한다.
EPA Method는 시편을 DIW에 침지하는 방식으로, 내부의 이온이 공극을 통해 표면으로 이동하는 용출 방식에 의존하기 때문에 내부에서 외부로 이온이 용출되는 속도가 물리적으로 제한된다. 반면 ESL Method는 시료를 미분말 형태로 분쇄하여 사용하므로 내부의 이온이 즉각적으로 반영된다. 또한 EPA Method는 DIW를 표면적 대비 9 ± 1 mL/cm2인 1125 mL를 사용하고, ESL Method는 분말 시료 10 g과 DIW 10 mL를 1:1로 사용한다. 따라서 시료 대비 DIW의 양이 적은 ESL Method가 상대적으로 단시간 내에 화학적 평형상태에 도달한 것으로 판단된다. 측정 과정 중 공기 접촉에 의한 pH 저하 가능성 또한 존재한다. Wang et al.(2021b)에 따르면, 해당 연구에서 ESL Method로 제작한 침출수를 최대 120분 동안 공기와 접촉시켰을 때 유의미한 pH 저하는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 본 연구의 침출수 측정 시간은 두 가지 방법 모두 30분 이내에 완료하였기 때문에 측정값의 오차 가능성을 최소화하였다.
ESL Method의 침출수는 재령 63일에서 재령 7일 대비 약 8.4% 감소하였고, EPA Method의 침출수는 재령 63일에서 재령 7일 대비 약 4.9% 감소하였다. 이러한 경향은 시멘트의 포졸란 반응이 지속적으로 진행되어 침출수의 알칼리도가 감소한 것으로 판단된다. 고준위 방사성 폐기물 처분장의 장기적 안정성 기준과 관련하여 핀란드 기술 연구센터(VTT)는 재령 91일 기준 pH 11 이하를 제시하였다(Holt et al., 2014). EPA Method로 제작된 침출수의 pH 측정 결과, 설계 기준인 재령 91일보다 앞선 재령 63일에서 pH 11.05를 나타내어 제시된 기준(pH 11 이하)에 근접하는 경향을 확인하였다. 이후 추가 측정을 통해 재령 67일에 pH 10.9를 나타내어 pH가 11이하를 만족하는 것으로 나타났다.
Table 5는 ESL Method에 따른 침출수의 이온 조성 분석 결과를 나타낸다. T3 배합(안)의 높은 이온 함량은 실리카 흄과 플라이애시가 포졸란 반응을 통해 Ca/Si 비를 저감 시키지만, 고로슬래그가 추가적으로 Ca, K 및 S 이온을 공급함에 따른 것으로 알려져 있다(Alonso et al., 2020; Grandia et al., 2010). 이러한 결과를 바탕으로 T3 배합(안)은 Ca, Na 및 K 이온 함량이 모두 높은 알칼리계 침출수의 특징을 나타낸다.
Table 5.
Leachate ion analysis based on the ESL Method
Low-pH 숏크리트 침출수와의 상호작용에 따른 뒤채움재의 팽윤압 측정 결과는 Fig. 7과 같다. 뒤채움재 실험에는 EPA Method를 사용하여 제작한 침출수를 사용하였다. 이는 실제 처분터널 환경에서 숏크리트와 뒤채움재가 상호작용하는 과정이 숏크리트가 파괴되지 않는 환경이기 때문이며, 비파괴적 침출 조건인 EPA Method가 ESL Method보다 합리적으로 현장 조건을 모사할 수 있다고 판단하였다. 침출수의 재령별 7일, 14일, 28일 pH는 각각 11.36, 11.46, 11.29로 모두 pH 11을 다소 상회하는 수준으로 나타났다. 이에 따라 침출수의 재령에 따른 뒤채움재의 팽윤압 차이는 미미하게 나타났다(Fig. 7a). 구체적으로 재령 7일과 28일의 침출수 조건을 비교한 결과, 1.7 g/cm3, 1.8 g/cm3, 1.9 g/cm3에서 팽윤압의 편차는 각각 58 kPa, 67 kPa, 106 kPa으로 나타났으며, 침출수 pH가 유사한 조건에서는 각각의 건조밀도에서 측정된 팽윤압이 큰 차이를 보이지 않았다.
반면 KAERI에 따르면 뒤채움재의 건조밀도 1.8 g/cm3 조건에서 DIW(pH 7)를 활용하여 측정한 팽윤압은 940 kPa으로 보고된 바 있다(Cha et al., 2024). 본 연구 결과 동일한 건조밀도 조건에서 측정한 팽윤압은 재령 7일, 14일, 28일에 따라 각각 579 kPa, 657 kPa, 646 kPa으로 나타나, DIW 조건 대비 모든 침출수 조건에서 팽윤압이 감소하였다.
건조밀도에 따른 팽윤압은 명확한 차이를 나타낸다. 건조밀도가 1.7 g/cm3에서 1.9 g/cm3로 변화함에 따라 팽윤압은 증가하는 경향을 나타내며, 이는 뒤채움재의 건조밀도가 팽윤압 발현에 지배적인 영향 요인임을 보여준다. 뒤채움재의 팽윤압은 처분터널의 장기적 안정성에 있어 중요 요인으로 평가되는 목표 성능 지표이자 기술적 설계 요구사항의 지표이며, SKB 및 POSIVA는 뒤채움재의 팽윤압 설계기준을 1 MPa 이상으로 제시하였다(Holt et al., 2014). 본 연구에서는 모든 침출수 pH 조건에서 뒤채움재의 건조밀도 1.9 g/cm3이 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다. 이에 따라 건조밀도 1.9 g/cm3 조건이 처분터널 내 공학적 방벽으로서 성능을 발현할 수 있는 것으로 판단된다. 이는 숏크리트 침출수에 의한 영향을 고려할 때, 처분터널 안정성을 위해 뒤채움재의 건조밀도를 최소 1.9 g/cm3 이상으로 설정할 필요가 있음을 시사한다.
Fig. 8은 숏크리트 침출수로 포화된 뒤채움재의 수리전도도 측정 결과이다. 팽윤압 실험 이후 수리전도도 측정은 Press Controller의 유량이 일정하게 감소하는 것을 확인한 후 수행하였다. 수리전도도 또한 지하수, 침출수 및 방사성 핵종의 이동을 막는 중요한 요인이다. 뒤채움재의 낮은 수리전도도는 이류에 의한 방사성 핵종의 이동을 저지하는 핵심 요인이다. 이에 따라 SKB 및 POSIVA는 설계기준으로 1 × 10-10 m/s 이하를 제시하였다(Holt et al., 2014). 수리전도도 측정 결과 건조밀도가 증가할수록 수리전도도는 감소하는 경향을 나타냈으며, 모든 침출수 조건에서 뒤채움재의 건조밀도 1.8 g/cm3 및 1.9 g/cm3조건이 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 KAERI에 따르면 건조밀도 1.8 g/cm3에서 DIW(pH 7)으로 포화된 뒤채움재의 수리전도도 측정 결과는 0.24 × 10-10 m/s로 보고되었다(Cha et al., 2024). 반면 본 연구 결과 동일한 건조밀도 조건에서 측정한 수리전도도는 재령 7일, 14일, 28일에 따라 각각 0.79 × 10-10 m/s, 0.61 × 10-10 m/s, 0.63 × 10-10 m/s로 나타났다. 이는 모든 재령에서 DIW보다 높은 수리전도도를 나타내며, DIW보다 높은 pH를 나타내는 침출수가 뒤채움재의 성능 저하를 유발했음을 시사한다.
뒤채움재의 팽윤압과 수리전도도를 종합적으로 고려한 결과, 공학적 성능은 물리적인 건조밀도와 화학적인 용액의 pH에 복합적인 영향을 받는 것으로 확인되었다. 건조밀도가 증가함에 따라 팽윤압은 증가하고 수리전도도는 감소하는 지배적인 경향을 나타냈다. 또한 pH는 DIW(pH 7) 대비 침출수 조건에서 팽윤압 감소 및 수리전도도 증가에 따른 성능 저하를 유발한 반면, 침출수 재령에 따른 변화는 pH 변화가 미미하여 추가적인 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 결론적으로 건조밀도 1.9 g/cm3의 뒤채움재가 설계기준(팽윤압, 수리전도도)을 만족하는 것으로 나타났으며, 해당 건조밀도 조건이 Low-pH 숏크리트 침출수 환경에서 공학적 방벽의 성능을 확보할 수 있는 최소 설계기준으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 처분 터널의 장기적 안정성을 위해 Low-pH 숏크리트 배합(안)을 선정 및 도출하고, 국내 수급 재료를 활용하여 시편을 제작하였다. 시편으로부터 침출된 침출수의 물리-화학적 특성을 평가하였으며, 해당 Low-pH 숏크리트 침출수가 뒤채움재에 미치는 팽윤압 및 수리전도도 평가를 수행하였다. 결론은 다음과 같다.
(1) Low-pH 숏크리트의 압축강도는 재령 28일 기준 32.68 MPa로, ESDRED가 제시한 설계기준(28일 기준 30 MPa)을 만족하였다. 이는 선택된 배합(안)이 처분터널의 공학적 방벽으로서 적용 가능한 구조적 성능을 보유한 것으로 판단된다.
(2) Low-pH 숏크리트의 침출수는 EPA Method와 ESL Method의 두 가지 방법으로 평가하였으며, EPA Method의 침출수는 재령 67일에서 pH 11 이하를 만족하였다. 이에 따라 T3의 배합(안)은 고준위 방사성 폐기물 처분장에서 요구되는 저알칼리 환경을 충족할 수 있는 것으로 판단된다.
(3) 뒤채움재의 팽윤압 변화는 침출수의 재령에 따라 미미하게 나타났다. 이는 침출수의 pH가 재령에 따라 큰 변화 없이 pH 11 수준을 나타냈기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 팽윤압의 거동은 침출수의 재령에 따른 영향보다 뒤채움재의 건조밀도에 지배적인 영향을 받는 것으로 판단되었으며, DIW 조건과 비교하였을 때 팽윤압 저하에 따른 성능 저하가 확인되었다.
(4) 뒤채움재의 수리전도도 또한 건조밀도에 지배적인 경향을 보였다. 건조밀도가 증가함에 따라 수리전도도는 감소하는 경향을 나타냈으며, DIW 조건과 비교하였을 때 팽윤압 결과와 유사하게 수리전도도 증가에 따른 성능 저하가 나타났다.
(5) 팽윤압 및 수리전도도를 종합적으로 고려한 결과, 처분터널의 차수성 및 밀폐를 위해 뒤채움재의 건조밀도를 1.9 g/cm3 이상으로 설정하는 것이 고준위 방사성 폐기물 처분장의 장기 안정성에 긍정적으로 작용할 것으로 판단된다. 특히 Low-pH 숏크리트 침출수에 의한 뒤채움재의 팽윤압 저하 및 수리전도도 상승 등의 성능 저하가 야기되므로, 설계 단계에서 이를 반영하여 뒤채움재의 최적 두께를 산정하고 안전율을 확보해야 한다.
