KR101621881B1

KR101621881B1 - 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101621881B1
Application number: KR1020150127015A
Authority: KR
Inventors: 신동익; 이빛나; 민지영; 이장화; 이종석; 한상묵
Original assignee: 주식회사 제철세라믹; 한국건설기술연구원; 지에스건설 주식회사
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2016-05-17
Also published as: WO2017043881A1

Abstract

본 발명은 시멘트에서 중성자에 의해 방사화되는 주요 성분인 Eu 및 Co의 함유량을 최소화하여 우수한 저방사화 특성을 갖는 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 저방사화 시멘트 재료는, 석회석 79~81 중량%, 점토질 원료 12~18 중량%, 래들슬래그 2~5중량%, 잔부의 규석을 혼합하여 만들어진 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 만들어지며, Co(코발트)와 Eu(유로퓸)의 함유량이 각각 7ppm 및 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법{Low-activation Cement of Primary Shield Walls for Nuclear Power Plants And Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 원전의 방호벽을 구축하기 위한 저방사화 시멘트 재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트에서 중성자에 의해 방사화되는 주요 성분인 Eu 및 Co의 함유량을 최소화하여 우수한 저방사화 특성을 갖는 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

원전 구조물의 차폐대상 방사선의 종류는 α선, β선, γ선 및 중성자 등으로 구분할 수 있으며, 가압 경수로형 원전(PWR)의 경우 차폐구조체와 관련해서는 감마선(Gamma Ray)과 중성자(Neutron)를 주된 방사선 차폐대상으로 하고 있다. 방사선의 차폐는 차폐물의 밀도와 높은 연관성을 가지며, 차폐물의 밀도가 높을수록 감쇄효과가 높아지게 되므로 일반적으로 고밀도 골재를 사용하는 중량콘크리트가 차폐체로 주로 사용되어지고 있다.

그러나, 방사선 차폐를 목적으로 하는 철근콘크리트 차폐체는 중성자에 오랜 시간 노출이 될 경우 철근콘크리트 자체가 방사선을 방출하게 되는 방사화(activation)가 발생하게 된다. 이 경우 원전 구조물의 수명 종료 후 폐로시 많은 양의 콘크리트가 방사선 폐기물로 분류되어 폐로비용이 큰 폭으로 증가할 수 밖에 없으며, 또한 방사선 폐기물을 저장시설이 부족해 질 수 있는 측면에서 바람직하지 않다고 할 수 있다.

이러한 이유로 국제원자력기구 IAEA는 원전의 설계단계에서부터 폐로시 제염/해체를 고려한 구조물의 설계를 요구하고 있으며, 이러한 방사화에 대응할 수 있는 저방사화 기술은 국내원전뿐만 아니라 해외로의 원전 수출을 대한 선제적이며 효과적인 대응책이라 할 수 있을 것이다.

특히, 시멘트의 경우 시멘트의 원재료에 포함된 Co(코발트)와 Eu(유로퓸)이 중성자에 의해 방사화가 되는 대표적인 물질이기에 이러한 성분을 최소한으로 포함하는 시멘트가 콘크리트의 결합재가 되어야 한다.

이에 일본 공개특허 특개2008-239362호 등에는 Co와 Eu 및 Cs(세슘)의 함유량이 시멘트 전량에 대해서 15㎎/㎏ 이하인 저방사화 시멘트가 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 저방사화 시멘트 재료는 석회석과 함께 철광석을 혼합하여 사용하게 되는데, 종래의 철광석은 Co와 Eu의 함유량이 높기 때문에 상대적으로 Co와 Eu의 함유량이 적은 적철광을 사용하지만 이 경우에도 적철광의 Co와 Eu의 함유량은 비교적 높은 편으로 시멘트 재료 전체적으로 Co와 Eu의 함유량을 저감하는데 한계가 있고, 적철광의 가격이 비싸기 때문에 시멘트 재료의 가격 상승 요인이 되고 있다.

한국 등록특허 제10-0708616호(2007.04.11. 등록) 일본 공개특허 특개2008-239362(2008.10.09. 공개)

"저방사화 결합재 제조를 위한 시멘트 원재료 구성", 이종석 외 3, 한국콘크리트학회 2014 봄 학술대회 논문집, v.26 n.1 (2014년 5월)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 저방사화 시멘트 재료보다 적은 Co(코발트)와 Eu(유로퓸)의 함유량을 갖도록 하여 시멘트의 재료의 저방사화 특성을 향상시킴과 동시에 저렴한 가격으로 생산이 가능하여 경제성이 우수한 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료는, 석회석과 점토질 원료와 래들슬래그(ladle slag)를 혼합하여 만들어진 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 만들어진 것을 특징으로 한다.

더욱 구체적으로 본 발명의 저방사화 시멘트 재료는, 석회석 79~81 중량%, 점토질 원료 12~18 중량%, 래들슬래그 2~5중량%, 잔부의 규석을 혼합하여 만들어진 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 만들어지며, Co(코발트)와 Eu(유로퓸)의 함유량이 각각 7ppm 및 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 저방사화 시멘트 재료를 제조하는 방법은,

(A) 시멘트 원재료를 알루미나 볼 밀을 이용하여 분쇄하는 단계;

(B) 분쇄된 시멘트 원재료를 소성 가공하여 클링커를 제조하는 단계;

(C) 상기 클링커를 석고와 혼합하고, 알루미나 볼 밀을 이용하여 분쇄하여 분말로 만드는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 시멘트 재료의 철질 원료로서 일반 철광석보다 적은 Eu 및 Co 함유량을 갖는 래들슬래그를 사용하므로, 기존의 저방사화 시멘트보다 낮거나 거의 동등한 수준의 Eu 및 Co 함유량을 갖는 저방사화 시멘트 재료를 저렴한 비용으로 제조할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 저방사화 시멘트 재료를 제조할 때 Eu 및 Co가 거의 없는 알루미나 볼 밀을 이용하여 시멘트 원재료 및 클링커를 분쇄하므로 분쇄 과정에서 Eu 및 Co가 증가하는 현상을 방지할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 저방사화 시멘트 재료는 석회석과 점토질 원료와 규석과 래들슬래그(ladle slag)를 혼합한 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 만들어져, Co(코발트)와 Eu(유로퓸)의 함유량이 각각 7ppm 및 0.5ppm 이하인 특징을 갖는다.

여기서 상기 클링커는 석회석 79~81 중량%, 점토질 원료 12~18 중량%, 래들슬래그 2~5중량%, 잔부의 규석으로 이루어진다(표 1의 클링커 배합비 참조).

배합비(중량%)				클링커 특성치 계수			화학성분
석회석	점토질원료	규석	래들슬래그	LSF	SM	IM	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO
79	12	4	5	0.95	2.45	1.61	14.07	3.57	2.18	42.78
80	18	0	2	0.90	2.69	1.33	14.63	3.11	2.33	41.54
81	14	3	2	0.89	2.84	1.62	14.94	3.25	2.01	41.88

광종	Eu(ppm)	Co(ppm)
석회석	0.15	1.47
점토질원료(벤토나이트)	1.02	13.07
규석	0.32	2.01
래들슬래그	tr	3.59

상기 석회석은 Co와 Eu의 함유량이 적은 재료를 선택하여 적용될 수 있는데, 위의 표 2와 같이 본 발명에서 적용된 석회석은 대략 1.5ppm 정도의 Co 와 0.15ppm 정도의 Eu를 포함하는 것으로 분석되었다.

상기 점토질 원료로는 벤토나이트가 적용되는 것이 바람직하다. 상기 벤토나이트는 표 2에서와 같이 Eu 함유량이 1.02ppm 이고, Co의 함유량이 13.07ppm 인 것으로 분석되었다.

상기 규석은 대략 0~4 중량%가 포함된다. 상기 규석은 Eu 함유량이 0.32ppm 이고, Co 함유량이 2.01ppm 인 것으로 분석되었다.

본 발명의 시멘트 재료는 소성 온도를 낮출 수 있게 해주는 철질 원료로서 래들슬래그를 포함한다. 래들슬래그는 제철산업 부산물로서 제강공정중 전로 다음공정인 2차정련공정에서 용강의 이물 또는 개재물을 깨끗한(이물질이 없는) 용강을 만들기 위하여 첨가되어지는 물질로서, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO 를 주성분으로 한다.

상기 래들슬래그는 제철산업 부산물로서 가격이 저렴하며, 표 2에 기재된 것과 같이 Eu 함유량은 거의 없고, Co의 함유량은 3.59ppm 로, 일반 철광석의 Co 함유량(약 6~7 ppm)의 대략 50% 수준인 것으로 분석되었다.

이러한 래들슬래그를 본 발명의 시멘트 재료의 철질 원료로서 사용하게 되면, 기존의 저방사화 시멘트보다 낮거나 거의 동등한 수준의 Eu 및 Co 함유량인 0.5ppm 및 7ppm 이하의 저방사화 시멘트를 구현할 수 있다.

아래의 표 3은 국내에서 상용화되어 있는 일반 포틀랜드 시멘트와 표 1의 배합비 중 첫번째 배합비(최상단의 배합비)로 제조된 본 발명의 저방사화 시멘트 재료에 함유되어 있는 Co 및 Eu의 함유량을 비교하여 나타낸 것이다.

종류	Co(ppm)	Eu(ppm)
보통 포틀랜드시멘트 #1	14.70	0.605
보통 포틀랜드시멘트 #2	12.310	0.695
보통 포틀랜드시멘트 #3	19.850	0.960
보통 포틀랜드시멘트 #4	11.330	0.640
보통 포틀랜드시멘트 #5	12.050	0.640
보통 포틀랜드시멘트 #6	11.080	0.600
보통 포틀랜드시멘트 #7	18.850	0.500
본 발명의 저방사화 시멘트 재료	6.280	0.400

상술한 것과 같이 석회석과 점토질 원료(벤토나이트)와 규석 및 래들슬래그(ladle slag)의 배합으로 이루어진 시멘트 클링커는 시멘트 원재료를 분쇄한 후 소정의 온도 범위에서 소성 가공하여 만들어진다. 이 때 상기 시멘트 원재료를 분쇄할 때 코발트(Co) 함유량의 증가를 방지하기 위하여 알루미나 볼 밀을 사용하여 분쇄한다.

상기 클링커는 석고와 함께 혼합되어 분쇄되어 미분화됨으로써 분말상의 최종 시멘트 재료로 만들어진다. 이 때, 상기 클링커와 석고를 혼합하여 분쇄할 때에도 코발트(Co) 함유량의 증가를 방지하기 위하여 알루미나 볼 밀을 사용하여 분쇄한다.

이와 같이 만들어진 본 발명의 시멘트 재료는 Eu 및 Co의 함유량이 적은 골재와 함께 혼합되어 원전의 방호벽을 이루는 저방사화 콘크리트 구조물을 이루게 된다. 즉, 본 발명의 시멘트 재료는 콘크리트의 결합재로서 사용되어 콘크리트 구조물의 저방사화를 구현한다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims

석회석 79~81 중량%, 벤토나이트 12~18 중량%, 래들슬래그 2~5중량%, 잔부의 규석을 혼합하여 만들어진 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 만들어지며, Co(코발트)와 Eu(유로퓸)의 함유량이 각각 7ppm 및 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 하는 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료.
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제1항에 따른 저방사화 시멘트 재료를 제조하는 방법으로,
(A) 석회석과 벤토나이트와 래들슬래그 및 규석을 알루미나 볼 밀을 이용하여 분쇄하는 단계;
(B) 분쇄된 석회석과 벤토나이트와 래들슬래그 및 규석을 소성 가공하여 클링커를 제조하는 단계; 그리고,
(C) 상기 클링커를 석고와 혼합하고, 알루미나 볼 밀을 이용하여 분쇄하여 분말로 만드는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 방호벽용 저방사화 시멘트 재료의 제조 방법.