KR101132322B1 - 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용후핵연료의 수송 및 저장용기 등에 사용되는 중성자 차폐재에 관한 것으로서, 중량%로, 에폭시 수지 50~60%, 수산화 알루미늄 25~35%, 실리카 알루미나 5~8%, 탄화붕소 0.4~1.0%, 경화제 4~6% 및 불가피한 불순물을 포함하는 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재 및 그 제조방법{NEUTRON SHIELDING MATERIAL HAVING EXCELLENT SHIELD PROPERTY, HIGH STRENGTH AND NON-FRAMMABLE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 사용후핵연료의 수송 및 저장시에 사용되는 용기 등에 사용되는 중성자 차폐재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 차폐재보다 차폐성능 및 불에 타지 않는 난연성이 우수하며, 기계적으로 높은 강도를 갖는 중성자 차폐재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

방사선의 피폭으로부터 종사자의 안전을 지키기 위하여, 사용후핵연료를 장전하여 운반하는 수송 및 저장용기와 전자가속기의 방사선 발생장치 설비에서 발생하는 다량의 고속 중성자를 효과적으로 차폐할 수 있는 중성자 차폐재에 대한 연구가 활발히 일어나고 있다.

특히, 수송용기에 사용하는 중성자 차폐재는 차폐성능이 우수할 것을 요구할 뿐만 아니라, 800℃이상의 고온에서도 타지않는 난연성이 요구된다. 아울러 외부의 충격 등에 의해 구조적 변형이 일어나, 중성자를 효과적으로 차폐하지 못하는 문제를 막기 위해서, 구조적 변형을 최소화할 수 있도록 높은 기계적 강도가 동시에 요구된다.

한편, 상기 중성자 차폐재에 관하여, 종래에는 다음과 같은 기술이 존재한다. 한국 특허공개공보 제1998-0078181호 및 제1998-0078182호에서는 실리콘 고무계 중성자 차폐재 조성물 및 에폭시 수지계 중성자 차폐재 조성물에 대한 기술이 개시되어 있다. 상기 기술 중 실리콘 고무계 중성자 차폐재는 차폐성능이 낮고, 난연성에 대한 문제를 해결하지 못하고, 특히 기계적 강도면에서 다소 취약한 문제가 있다.

또한, 상기 에폭시 수지계 중성자 차폐재는 800℃의 화재시험 및 낙하충격시험조건에서 난연성과 기계적 강도를 충분히 보장할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 우수한 차폐성능을 가지면서, 기계적 강도가 우수하고 난연성을 갖는 중성자 차폐재에 대한 기술이 절실한 실정이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 우수한 중성자 차폐성능을 보유하면서, 화염에 견디는 난연성을 갖는 동시에 기계적 강도를 향상시킨 중성자 차폐재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, 에폭시 수지 50~60%, 수산화 알루미늄 25~35%, 실리카 알루미나 5~8%, 탄화붕소 0.4~1.0%, 경화제 4~6% 및 불가피한 불순물을 포함하는 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재를 제공한다.

또한, 본 발명은 원료로서, 중량%로, 에폭시 수지 50~60%, 수산화 알루미늄 25~35%, 실리카 알루미나 5~8%, 탄화붕소 0.4~1.0%, 및 경화제 4~6%를 혼합조에 투입하는 원료 투입단계;

상기 혼합조에 투입된 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및

상기 혼합물을 경화시켜 중성자 차폐재를 제조하는 단계를 포함하는 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 차폐성능, 난연성 및 기계적 강도가 우수한 중성자 차폐재를 제공하여, 사용후핵연료의 수송 및 저장용기에 활용이 가능하게 됨으로서, 원자력발전소에 저장된 사용후핵연료의 소내 포화상태를 해결할 수 있다.

한편, 종래에 수입에 의존하던 중성자차폐재에 대하여 국산화할 수 있는 효과도 기대된다.

도 1은 본 발명 중성자 차폐재 제조를 위한 혼합장치의 일예를 나타낸 모식도임.
도 2는 중성자 차폐재의 중성자 차폐능을 시험하기 위한 장치의 일예를 나타낸 것으로서, 도 2(a)는 측단면도이고, 도 2(b)는 평단면도임
도 3은 중성자 차폐재 두께에 따른 중성자 계수율 변화를 나타내는 그래프임.
도 4는 중성자 차폐재의 난연성을 측정하기 위한 난연성 측정장치 일예의 측단면도임.

이하, 본 발명인 중성자 차폐재에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 상기 중성자 차폐재의 조성에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%).

본 발명의 중성자 차폐재는 에폭시 수지(resin)를 주재료로 한다. 상기 에폭시 수지는 수소함유량이 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지에 존재하는 수소원자에 중성자가 충돌하여 많은 에너지를 상실하게 되어, 중성자 차폐능을 보유할 수 있다.

상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형, 브롬화 비스페놀, 비스페놀 F형, 페놀 노블락형, 글리시딜 아민형 등 다양한 종류가 사용될 수 있다. 바람직하게는 비스페놀 A형 에폭시 수지 또는 브롬화 비스페놀 에폭시 수지를 사용한다. 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 다른 에폭시 수지에 비해, 많은 수소원자를 함유하여 중성자 차폐능이 우수하며, 상기 브롬화 비스페놀 에폭시 수지는 브롬원소가 불에 타지 않기 때문에 난연성의 측면에서 우수하다.

상기 에폭시 수지는 액상의 형태로, 중성자 차폐재에 많이 사용되는 것으로서, 내열성 및 내부식성이 우수하고, 경화제와 혼합하면 상온에서의 주형성도 우수한 장점이 있다.

본 발명의 중성자 차폐재는 상기 에폭시 수지를 50~60% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 에폭시 수지의 함량이 50% 미만에서는 점도가 높아지게 되어, 혼합시 기공이 많이 발생하여 균질도에 문제가 있으며, 주형성이 떨어지는 단점이 있습니다. 또한, 그 함량이 60%를 초과하게 되는 경우에는 후술하는 수산화 알루미늄 및 실리카 알루미나의 함유량이 상대적으로 적어지게 되어, 난연성 및 기계적 강도상의 문제가 생기게 되므로, 그 상한을 60%로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 중성자 차폐재는 수산화 알루미늄을 포함하고, 그 함유량은 25~35%가 바람직하다. 상기 수산화 알루미늄은 내열성 및 난연성을 보완하기 위하여 첨가되는 것으로서, 그 함량이 25% 미만에서는 중성자 차폐재의 난연성을 확보하기 어렵고, 그 함량이 35%를 초과하는 경우에는 우수한 난연성을 확보할 수 있으나, 상기 수지의 함량이 상대적으로 저감되어, 차폐 성능이 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 중성자 차폐재는 실리카 알루미나를 포함한다. 상기 실리카 알루미나는 지금까지 중성자 차폐재에는 적용된 사례가 없는 것으로, 본 발명에서 가장 중요한 역할을 한다. 상기 실리카 알루미나는 기계적 강도와 난연성을 동시에 만족시킬 수 있는 재료로 사용된다. 상기 실리카 알루미나는 실리콘과 산화알루미늄의 배합재로서 주형성과 고온강도를 좋게 하는 역할을 한다. 상기 실리카 알루미나는 5~8% 첨가되는 것이 바람직하다. 함량이 5% 미만에서는 요구하는 기계적 강도를 확보하기 어려우며, 그 함량이 8%를 초과하게 되면 실리콘과 알루미늄의 성분이 과다하게 되어, 차폐성능이 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 중성자 차폐재는 탄화붕소를 포함한다. 상기 탄화붕소는 속중성자가 수지에서 충돌하여 감속한 후, 열중성자가 되면 이것을 흡수하는 열중성자의 흡수재로 차폐기능을 보충하는 역할을 한다. 상기 탄화붕소의 첨가량은 0.5~1.0%가 바람직하다. 그 함량이 0.5% 미만에서는 상기 차폐기능을 보충하는 역할을 수행하기 어렵고, 그 함량이 1.0%를 초과하면, 차폐성능은 좋아지나, 수지와의 주조성과 균질성에 문제가 있다.

본 발명의 중성자 차폐재는 경화제를 포함한다. 상기 경화제는 액상의 에폭시 수지를 경화시키는데 사용되는 것으로서, 에폭시 수지는 내열성이나 경화성은 우수하지만 중성자를 감속시키는 수소함유량이 적은 경향이 있기 때문에, 수소함유량이 많은 아민계 경화제를 사용하는 것이 바람직하고, 그 예로는 테트라에칠렌 펜타민 등이 있다.

상기 경화제의 첨가량은 4~6%를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 경화제가 4% 미만에서는 에폭시 수지를 경화시키는데 문제가 있으며, 그 함량이 6%를 초과하는 경우에는 중성자 차폐재 전체의 혼합비율에 영향을 끼치는 문제가 있다.

상기 성분이외에 불가피한 불순물이 첨가될 수 있다. 상기 불가피한 불순물은 원료 및 제조과정상에 불가피하게 들어가는 것을 의미하며, 본 발명의 중성자 차폐재의 특성에 영향을 미치는 것은 아니다.

본 발명의 중성자 차폐재의 밀도는 1.60~1.73g/㎤인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 중성자 차폐재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 중성자 차폐재는 상기 조성을 만족하는 원료를 준비하고, 상기 원료를 혼합조에 투입하는 원료 투입단계; 상기 혼합조에 투입된 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 경화시켜 중성자 차폐재를 제조하는 단계를 거쳐 제조된다.

본 발명의 중성자 차폐재를 제조하는데 사용될 수 있는 혼합장치의 일예가 도 1에 나타나 있다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다.

먼저 상기 조성을 만족하는 원료를 혼합조(101) 내부에 투입하고, 회전 모터(102)를 이용하여 회전하는 혼합기(104)에 회전을 주어 원료들을 혼합한다. 상기 혼합은 원료들의 균질한 혼합을 이루도록 하기 위한 것이다.

상기 혼합공정은 경화시간과 경화 후의 강도를 높이기 위하여 20~30℃에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 혼합시의 온도는 차폐재의 품질과 주조성을 높이는데 매우 중요하다. 상기 온도가 20℃ 미만으로 너무 낮으면, 혼합조에서 차폐재의 균질화에 문제가 생길 수 있고, 주조시 경화시간이 길어지고 기공이 발생하는 단점이 있습니다. 상기 온도가 상승하면, 수지와 첨가재 혼합물의 점도가 증가하여 혼합이 용이하나, 그 온도가 30℃를 초과하게 되면, 대형 수송용기를 위한 중성자 차폐재의 주조시 온도 유지설비가 문제되므로, 그 상한을 30℃로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 혼합된 혼합물을 균질하고 조밀하게 구성하기 위해서 경화시키는 단계를 거친다. 이때 경화과정에서 발생하는 기포와 가스를 제거하기 위하여, 진공상태에서 행하는 것이 바람직하다. 이때, 도 1에 나타난 바와 같이, 진공장치(103)을 이용하여 혼합물이 장입되어 있는 혼합조(101)의 내부를 진공상태로 만들어 준다.

즉, 상기 혼합 및 경화공정은 진공상태에서 행하는 것이 바람직하다. 혼합 및 경화시에는 발생되는 가스가 기포를 형성하지 않도록 하기 위해서, 진공상태를 유지하는 것이 필요하다. 상기 기포로 인하여, 경화재에 기공이 형성되면, 균일한 중성자 차폐능을 확보하기 어려워, 중성자 차폐재의 품질의 균일성을 확보할 수 없다. 따라서, 혼합 및 경화시 진공상태를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 경화된 중성자 차폐재는 가공단계을 통해 수송용기 또는 저장용기의 다양한 형상 및 용도로 응용된다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

1, 중성자 차폐능 평가

비스페놀 A형 에폭시 수지 55wt%, 수산화 알미늄 33wt%, 실리카 알루미나 6wt%, 경화제로 테트라 에틸렌 펜타민 5wt% 그리고 탄화붕소 0.7wt%의 혼합비 갖고, 나머지 불가피한 불순물로 이루어진 중성자 차폐재 원료를 도 1의 혼합조에 투입하고, 혼합하고, 경화한 후 가공하여 중성자 차폐재(발명예)를 제조하였다.

중성자 차폐재의 차폐능을 조사하기 위하여, 중성자 선원을 사용하여 다른 중성자 차폐재와 비교하면서 차폐성능 시험을 수행하였다.

중성자 차폐재는 수소, 탄소, 산소밀도가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하나, 이들 중 차폐효과가 높은 것은 수소밀도이다. 본 실시예에서는 중성자자폐재로 일반적으로 사용되는 탄소와 수소로 구성된 폴리에틸렌(비교예 1), 파라핀(비교예 2)를 준비하였다.

중성자 차폐능은 도 2에 나타난 바와 같이, 차폐능 시험장치를 제조한 후 측정하였다. 도 2(a)는 차폐능 시험장치의 측단면도이고, 도 2(b)는 평단면도를 나타낸 것이다. 상기 중성자 차폐능은 외벽(201)으로 둘러싸인 차폐능 시험장치의 내부에 중성자원으로는 Cf-252 중성자 선원(203)과 시편(202)을 위치시키고, 중성자 계측관(205)으로는 측정효율이 우수한 He-3 개스관 3개를 사용하여, 상기 중선자 선원(203)으로부터 나오는 중성자를 상기 시편에서의 흡수정도를 측정하여, 이를 신호처리 및 전원공급 모듈(206)을 통해 관찰하였다. 도 2에서 미설명 부호 204는 클라케타를 나타낸다. 상기 중성자 차폐능의 시험은 직경이 일정한 여러종류의 중성자 차폐재를 다양한 두께로 만들어서 시험하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

중성자 계수율 분포가 낮은 값으로 분포하는 것이 중성자 차폐가 잘되는 것인 바, 도 3에 나타난 바와 같이, 발명예는 비교예 1 및 2에 비하여 우수한 차폐성능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

2. 난연성 평가

본 발명의 중성자 차폐재의 난연성을 평가하기 위하여, 상기 발명예, 비교예 1 및 2를 도 4에 나타낸 난연성 시험장치를 이용하여 800℃에서 30분간 시험하였다. 이때 외벽(401)으로 둘러싸인 난연성 시험장치 내부에 투입한 시편(402)들은 그 직경을 57㎜, 두께가 40㎜로 하였다. 한편, 도 4에서 미설명 부호 403은 제어판을 나타낸다.

우선, 폴리에틸렌(비교예 1)과 파라핀(비교예 2)에 대하여 난연성 시험을 행한 결과, 비교예 1은 약 3분후에 타기 시작하여, 6분만에 완전히 연소되었고, 비교예 2는 약 1분도 지나지 않아, 완전히 연속되어 타버렸다.

그러나, 발명예는 두께가 10㎜이내로 연소 손실되어, 약 30㎜ 이상 잔존하고 있음을 확인할 수 있어, 난연성이 우수한 것으로 평가하였다.

3. 기계적 강도 평가

본 발명의 중성자 차폐재의 기졔적 강도를 측정하기 위하여, 상기 발명예와 현재 많이 사용되는 미국산 NS-4-FR(Nuclear Assurance Co.)(비교예 3)를 준비하고, 만능재료 시험기를 이용하여, 압축시험결과를 행한 결과, 상기 발명예는 282,577N이고, 상기 비교예 3은 214,273N이었다.

즉, 본 발명예의 강도가 약 32% 정도 더 우수한 것을 확인할 수 있었다.

101.....혼합조 102.....회전 모터
103.....진공장치 104.....혼합기
201.....차폐능시험장치 외벽 202.....시편
203.....중성자 선원 204.....클라메타
205.....중성자 계측관 205.....신호처리 및 전원공급 모듈
401.....난연성 시험장치 외벽 402.....시편
403.....제어판

Claims (7)

1. 중성자 차폐를 위한 중성자 차폐재에 있어서,
   중량%로, 에폭시 수지 50~60%, 수산화 알루미늄 25~35%, 실리카 알루미나 5~8%, 탄화붕소 0.4~1.0%, 경화제 4~6% 및 불가피한 불순물을 포함하되;
   상기 에폭시 수지는 비수페놀 A형 에폭시 수지 또는 브롬화 비스페놀 에폭시 수지를 사용하며,
   상기 경화제는 테트라에칠렌 펜타민을 사용하는 것을 특징으로 하는 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 중성자 차폐를 위한 중성자 차폐재의 제조방법에 있어서,
   원료로서, 중량%로, 에폭시 수지 50~60%, 수산화 알루미늄 25~35%, 실리카 알루미나 5~8%, 탄화붕소 0.4~1.0%, 및 경화제 4~6%를 혼합조에 투입하는 원료 투입단계;
   상기 혼합조에 투입된 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
   상기 혼합물을 경화시켜 중성자 차폐재를 제조하는 단계; 를 포함하되,
   상기 혼합은 20~30℃의 온도범위로 행하며,
   상기 혼합 및 경화는 진공상태에서 행하는 것을 특징으로 하는 차폐성능이 우수한 고강도 난연성 중성자 차폐재의 제조방법.
6. 삭제
7. 삭제

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