고준위 방사성 폐기물 처분 심층 굴착 기술

사용후핵연료를 장기간 안전하게 격리하려면 안정한 결정질 암반 지하 수백 미터 깊이에 심층 처분시설을 구축해야 한다. 이러한 지하 처분시설에서는 처분동굴 바닥에 시공된 처분공에 완충재인 벤토나이트와 함께 고준위 방사성 폐기물 처분용기를 격납하게 된다. 굴착 과정에서 주변 모암의 구조적 건전성을 확보하는 것은 격리 성능의 성패를 가르는 핵심 과제다. 기존의 발파나 고진동 천공 방식은 굴착손상영역(EDZ)을 형성해 미세 균열을 유발할 수 있으며, 이는 지하수 유동 경로로 작용하여 수천 년에 이르는 방사성핵종 격리 수명을 저해할 위험이 있다.

정밀 지하 굴착 메커니즘과 설계
이러한 지질학적 손상 제약을 해결하기 위해 현대건설은 지하 처분동굴 환경에 최적화된 기계식 전용 굴착 장비를 개발했다. 한국원자력환경공단(KORAD)이 주관하는 사용후핵연료 관리 정부 R&D 연구에 유일한 건설사로 참여한 현대건설은 현대엔지니어링과의 통합 연구조직인 HMG 건설기술연구원을 통해 해당 기계식 천공 장치를 완성했다.

본 장비는 직경 1.75미터, 길이 5.7미터 크기로 제작되어 한국형 처분시스템(KORADIS)이 요구하는 처분공 규격과 시공 조건에 정확히 부합한다. 기계의 주요 핵심 구조는 접이식 커터헤드 메커니즘이다. 실제 처분장 운영 환경에서는 좁은 처분동굴 내에서 동굴 상부나 측면 벽체 손상 없이 수백 개의 수직 처분공을 반복 시공해야 한다. 접이식 커터헤드는 목표 굴착 깊이에 도달한 후 직경을 축소하여 접을 수 있어, 공벽 입구를 훼손하지 않고 장비를 수직으로 안전하게 회수해 다음 굴착 위치로 신속히 재배치할 수 있다.

센서 통합 분석과 처분공 품질 검증
성능 검증 시험은 지하 연구터널에서 진행되었으며, 실제 단단한 암반을 대상으로 실증 규모의 처분공 굴착을 완료했다. 해당 시스템은 굴착 중 발생하는 기계적 피드백, 커터헤드 추진력, 회전 토크 데이터를 인공지능(AI) 알고리즘을 통해 실시간으로 분석했다. 이를 통해 지반 상태 변화에 맞춰 굴착 속도와 접촉 압력을 동적으로 제어함으로써 기계적 충격을 최소화하고 공벽 주변 암반으로의 균열 전파를 방지했다.

기계식 굴착 이후에는 라이다(LiDAR) 기반 디지털 매핑 기술을 적용하여 정밀 시공 품질을 검증했다. 고밀도 포인트 클라우드 데이터를 통해 처분공 내벽의 수직도, 표면 조도, 단면 변형률을 계측함으로써 KORADIS 시공 허용 오차 만족 여부를 면밀히 평가했다.

공학적 방벽 재료와 지반 모니터링 기술
기계식 굴착 기술은 다중방벽 격리 인프라의 한 축이다. 현대건설은 천공 장비 개발에 더해 방벽 재료 배합과 암반공학 기술 연구를 병행하고 있다. 처분동굴 내 지하수 유입을 차단하면서 인접한 벤토나이트 점토 완충재의 화학적 침식을 억제하는 저알칼리 콘크리트 및 저투수성 그라우트 재료를 개발 중이다.

이와 함께 국내 지질 특성에 맞춘 암반 분류 체계를 고도화하고, 처분시설 전 생애주기에 걸쳐 모암 내 수리지질학적·역학적 변화를 추적하는 디지털 암반 평가 및 모니터링 체계를 구축하고 있다.

추가 배경 정보
본 섹션은 최초 제품 발표에 포함되지 않은 기술 사양 및 비교 벤치마킹을 상세히 다룹니다.

핀란드의 온칼로(Onkalo) 처분장과 스웨덴 포스마크(Forsmark) 처분장을 포함한 글로벌 심층처분 시설은 KBS-3 다중방벽 개념을 기반으로 한다. 수직 처분 방식인 KBS-3V에서는 굴착손상영역(EDZ)의 두께를 수 센티미터 이내로 정밀 제어하기 위해 수직 샤프트 굴착기나 개량형 블라인드 홀 드릴링 장비가 국제 표준 벤치마크로 활용된다. 현대건설이 검증한 직경 1.75미터 규격은 압축 벤토나이트 완충재 링으로 둘러싸인 표준형 처분용기를 안치하기 위한 물리적 기준과 직결된다. 국제원자력기구(IAEA SSR-5) 규정은 지하 굴착 과정에서 지하수 수리지질을 변화시키는 미세 균열 발생을 철저히 억제하도록 요구한다. 실시간 디지털 모니터링을 결합한 독자적 처분공 굴착 장비 개발은 글로벌 지하연구시설(URL)에서 요구되는 기계적·규제적 기술 요건을 충족하는 성과로 평가된다.

편집: Evgeny Churilov, Induportals Media - AI 각색

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