KR101688646B1

KR101688646B1 - 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101688646B1
Application number: KR1020140170686A
Authority: KR
Inventors: 이행기; 장정국; 박수진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-12-22
Also published as: KR20160066377A

Abstract

본 발명은 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트에 관한 것으로, 본 발명의 이중 차폐 콘크리트는, 중성자 선원을 향한 쪽에 배치되며 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층과; 상기 폴리머 콘크리트층의 외면에 적층되며 붕소 또는 붕소화합물이 혼입된 붕소 콘크리트층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따르면, 폴리머 콘크리트층이 중성자와의 충돌을 통하여 에너지를 낮추는 작용을 하며, 붕소 콘크리트층이 폴리머 콘크리트층에 의해 에너지 준위가 낮아진 열중성자를 흡수하는 작용을 하여 중성자를 차폐하여 차폐 효율을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

Description

고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트 및 그 제조방법{Dual Layered Concrete for High-level Neutron Shielding Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 중성자 차폐 콘크리트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중성자 선원을 향한 쪽은 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층이 배치되고, 폴리머 콘크리트층의 외면에는 붕소가 혼입된 붕소 콘크리트층이 적층된 이중 구조로 되어 고준위 중성자를 효과적으로 차폐할 수 있는 이중 차폐 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

중성자는 각종 원자력 시설 등의 연료 사용 중 발생되는 것으로, 매우 높은 에너지와 강한 투과력을 가지고 있으며 다른 핵종에 흡수되면 γ선을 발생시켜 원자력 시설 등의 각종 재료를 손상시키는 등의 문제점이 있다. 따라서 이러한 중성자 및 γ선을 안전하고 확실하게 차폐할 수 있는 중성자 차폐체의 개발이 계속 이루어지고 있다.

핵연료의 수송 저장 용기 차폐체는 중성자 흡수재를 포함한 고분자 물질 차폐체, 금속/금속 합금 차폐체, 콘크리트 차폐체 등으로 분류된다. 이 중 금속/금속 합금 차폐체는, 사용 종료된 핵연료에서 방출되는 방사선 차폐 뿐만 아니라 이의 수송저장 용기의 구조재 역할을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있으나, 금속 용융 및 주조 등의 별도의 제작과정이 필요하여 제작에 어려움이 따르는 단점이 있다. 이에 비하여 고분자 물질 차폐체는 에폭시 수지와 같은 합성수지를 사용하여 패널 형태로 만들어지는데, 금속/금속 합금 차폐체보다 제조가 용이하고, 분자 구조에 수소 원자 함유율이 높은 장점이 있다. 사용 종료된 핵연료에서 방출되는, 취급이 위험한 고속 중성자(핵분열을 포함하여 핵반응으로 방출될 때의 운동에너지가 0.5MeV이상인 중성자)는, 수소 원자와의 충돌에 의하여 에너지가 산란되면서 효과적으로 감속되는 성질이 있으므로, 수소 원자 함유율이 높은 고분자 물질은 차폐체로 활용하기에 적합한 것으로 알려져 있다.

이러한 고분자 물질 차폐체는 에폭시 수지 등을 패널 형태로 제작함에 따라 비용이 고가이고, 제작되는 크기와 형태에 한계가 있는 문제가 있기 때문에 중성자 차폐 기능을 갖는 붕소를 콘크리트에 혼입하여 중성자를 차폐할 수 있는 콘크리트가 만들어지고 있다.

그러나 붕소를 콘크리트에 다량 혼입하게 될 경우 가격의 상승과 콘크리트의 경화 및 내구성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 또한 붕소의 중성자 흡수단면적은 중성자 에너지에 반비례하기 때문에 고준위 중성자의 차폐에는 어려움이 있다.

공개특허 제2012-0132854호 "발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물" 공개특허 제2012-0106191호 "콘크리트 일반 골재 대체용 전기로 산화 슬래그를 포함한 방사능 차폐 콘크리트 조성물" 공개특허 제2001-0079675호 "방사 보호 콘크리트 및 방사 보호 케이싱"

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 중성자 선원을 향한 쪽은 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층이 배치되고, 이 폴리머 콘크리트층의 외면에는 붕소가 혼입된 붕소 콘크리트층이 적층되어 중성자 차폐 효율을 향상시킬 수 있으며, 특히 고준위 중성자도 효과적으로 차폐할 수 있는 이중 차폐 콘크리트 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 이중 차폐 콘크리트는, 중성자 선원을 향한 쪽에 배치되며 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층과; 상기 폴리머 콘크리트층의 외면에 적층되며 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼입된 붕소 콘크리트층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 폴리머 콘크리트층과 붕소 콘크리트층의 두께비는 1:1 ~ 1:5 인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 폴리머 콘크리트층에 혼입되는 폴리머 골재는 일반 골재 무게 대비 50중량% 이하인 것이 바람직하다.

또한 상기 붕소 콘크리트층에 혼입되는 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상은 시멘트 무게 대비 5중량% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 이중 차폐 콘크리트를 제조하기 위한 방법은, (a) 거푸집에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하여 폴리머 콘크리트층을 형성하는 단계; (b) 상기 폴리머 콘크리트층에 이음부재를 설치하고 설정된 시간동안 양생하는 단계; (c) 거푸집에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 폴리머 콘크리트층의 외면에 붕소 콘크리트층을 적층 형성하는 단계; 그리고, (d) 붕소 콘크리트층의 양생이 완료되면 탈형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이중 차폐 콘크리트를 제조하기 위한 다른 방법은, (a) 거푸집에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼합된 콘크리트를 타설하여 붕소 콘크리트층을 형성하는 단계; (b) 상기 붕소 콘크리트층에 이음부재를 설치하고 설정된 시간동안 양생하는 단계; (c) 거푸집에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 붕소 콘크리트층 상에 폴리머 콘크리트층을 적층 형성하는 단계; 그리고, (d) 폴리머 콘크리트층의 양생이 완료되면 탈형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이중 차폐 콘크리트는 폴리머 골재가 혼입되어 수소함량이 높은 폴리머 콘크리트층과 붕소 또는 붕소화합물이 혼입된 붕소 콘크리트층이 적층된 이중 구조로 되어 중성자의 에너지를 효과적으로 감쇄시키고, 에너지 준위가 낮아진 중성자를 효과적으로 흡수하여 기존의 동일한 두께를 갖는 단일층 차폐 콘크리트에 비하여 월등히 우수한 차폐 효과를 제공할 수 있으며, 동일한 고준위 중성자의 차폐에 필요한 콘크리트의 소요 두께를 일반 콘크리트 대비 절반 수준으로 줄일 수 있고, 특히 고준위 중성자 차폐에 탁월한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 차폐 콘크리트를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 차폐 콘크리트의 성능을 검증하기 위한 이중 차폐 콘크리트의 2가지 유형(Type-I, Type-Ⅱ)과 단일층 콘크리트를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 Type-I 이중 차폐 콘크리트와 Type-Ⅱ 이중 차폐 콘크리트에서 폴리머의 함량에 따른 중성자 차폐 성능을 기존의 일반 콘크리트와 붕소 혼입 콘크리트 등의 중성자 차폐 성능과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 차폐 콘크리트의 제조방법을 순차적으로 설명하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 차폐 콘크리트를 나타낸 도면으로, 본 발명의 이중 차폐 콘크리트는, 중성자 선원을 향한 쪽에 배치되며 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층(1)과, 상기 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 적층되며 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼입된 붕소 콘크리트층(2)을 포함한다.

상기 폴리머 콘크리트층(1)은 중성자를 차폐하는 구조물의 내측면을 이루게 되는데, 폴리머 콘크리트층(1)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올 등의 폴리머로 된 골재를 일반 골재(모래, 자갈, 파쇄석 등) 등과 함께 시멘트에 혼입하여 콘크리트로 만들어진다. 상기 폴리머 콘크리트층(1)에 혼입되는 폴리머 골재는 일반 골재 무게 대비 50중량% 이하인 것이 바람직하다. 상기 폴리머 골재가 일반 골재 무게 대비 50중량%를 넘게 되면 콘크리트의 작업성이 나빠지고 강도가 현저하게 저하되기 때문에 폴리머 골재의 함량은 일반 골재 무게 대비 50중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.

상기 붕소 콘크리트층(2)은 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 적층되어 중성자 차폐 구조물의 외측면을 이룬다. 상기 붕소 콘크리트층(2)은 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상을 일반 골재 등과 함께 시멘트에 혼입하여 콘크리트로 만들어진다. 상기 붕소 콘크리트층(2)에 혼입되는 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상은 시멘트 무게 대비 5중량% 이하인 것이 바람직한데, 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 시멘트 무게 대비 5중량% 를 넘게 되면 시멘트의 응결 지연 및 강도 감소가 유발되고, 가격이 과도하게 증가하게 된다.

상기 붕소 콘크리트층(2)의 두께는 폴리머 콘크리트층(1)의 두께보다 같거나 두껍게 형성되는 것이 바람직한데, 상기 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)의 두께비는 1:1 ~ 1:5 인 것이 바람직하다. 통상적으로 중성자 차폐 콘크리트는 30~150㎝ 의 두께를 갖는데, 이중 차폐 콘크리트의 두께비가 상기 범위를 벗어나게 되면, 구조적인 안전성이 저하되고 중성자 차폐 효율을 감소시키는 것으로 확인되었다.

상기 폴리머 콘크리트층(1)은 폴리머 골재에 의해 수소함량이 높아져 중성자와의 충돌을 통하여 에너지를 낮추는 작용을 하며, 상기 붕소 콘크리트층(2)은 폴리머 콘크리트층(1)에 의해 에너지 준위가 낮아진 열중성자를 흡수하는 작용을 하여 중성자를 차폐한다.

본 발명의 이중 차폐 콘크리트의 성능을 검증하기 위하여 도 2에 도시한 것과 같이 폴리머 콘크리트층(1)의 두께가 10㎝이고 붕소 콘크리트층(2)의 두께가 20㎝인 이중 차폐 콘크리트(Type-I)와, 폴리머 콘크리트층(1)의 두께가 20㎝이고 붕소 콘크리트층(2)의 두께가 10㎝인 이중 차폐 콘크리트(Type-Ⅱ), 상기 2가지 타입의 이중 차폐 콘크리트의 전체 두께와 동일한 두께(30㎝)를 갖는 기존의 단일층 콘크리트를 이용하여 중성자 차폐 성능 실험을 수행하였다.

도 3 및 도 4는 각각 Type-I 이중 차폐 콘크리트와 Type-Ⅱ 이중 차폐 콘크리트에서 폴리머의 함량에 따른 중성자 차폐 성능을 나타내고 있다.

도 3 및 도 4에서 REF는 단일층으로 된 일반 콘크리트(비교예 1)를 나타내고, B2는 붕소가 시멘트 무게 대비 2중량% 혼입된 단일층 콘크리트(비교예 2), REF/B2는 일반 콘크리트와 시멘트 무게 대비 2중량%의 붕소가 혼입된 붕소 콘크리트의 이중 구조로 된 콘크리트(비교예 3)를 나타낸다. 그리고, PE4/B2, PE10/B2, PE50/B2는 각각 폴리머 콘크리트층(1)의 폴리에틸렌 골재(펠릿)를 일반 골재 무게 대비 4중량%, 10중량%, 50중량% 씩 각각 혼입하고, 붕소 콘크리트층(2)의 붕소를 시멘트 무게 대비 2중량% 혼입한 본 발명의 이중 차폐 콘크리트의 실시예(순서대로 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3이라함)들이다.

도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 비교예 1~3의 경우 두께에 따른 중성자 플럭스(flux)는 일정하게 감소하지만, 본 발명의 이중 차폐 콘크리트(실시예 1~3)는 소정의 깊이 이상에서부터 현저하게 중성자 플럭스(flux)가 감소하는 것을 볼 수 있다.

실시예 3(PE50/B2)의 경우 단일층으로 된 일반 콘크리트(비교예 1)의 30㎝ 깊이에서 달성할 수 있는 중성자 플럭스를 14㎝ 깊이에서 달성할 수 있었고, 붕소가 혼입된 단일층 콘크리트(비교예 2)의 30㎝ 깊이에서 달성할 수 있는 중성자 플럭스를 22㎝ 깊이에서 달성할 수 있음을 확인하였다.

또한 본 발명의 이중 차폐 콘크리트의 경우 폴리머 콘크리트층(1)의 두께가 붕소 콘크리트층(2)의 두께보다 상대적으로 얇은 Type-I이 더 효율적임을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 이중 차폐 콘크리트는 폴리머 골재(펠릿, 또는 분말이나 액상의 수지)가 혼입되어 수소함량이 높은 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼입된 붕소 콘크리트층(2)이 적층된 이중 구조로 되어 중성자를 이중으로 차폐하여 기존의 동일한 두께를 갖는 단일층 차폐 콘크리트에 비하여 월등히 우수한 차폐 효과를 제공할 수 있으며, 특히 고준위 중성자 차폐에 탁월한 효과를 갖는다.

본 발명의 이중 차폐 콘크리트는 다음과 같이 제조될 수 있다.

도 5에 도시한 것과 같이, 먼저 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하여 폴리머 콘크리트층(1)을 형성한다.

그리고, 폴리머 콘크리트층(1)이 완전히 양생되기 전에 폴리머 콘크리트층(1)에 이음부재(3)를 설치하고 설정된 시간동안 양생한다. 상기 이음부재(3)로는 디웰바 또는 철근 등을 사용할 수 있다.

상기 폴리머 콘크리트층(1)이 양생되면, 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 또는 붕소화합물이 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 붕소 콘크리트층(2)을 적층 형성한다. 이 때, 상기 붕소 콘크리트층(2)은 상기 이음부재(3)에 의해 견고하게 접합된 상태를 유지할 수 있게 된다.

상기 붕소 콘크리트층(2)이 완전히 양생되어 거푸집(10)에서 탈형하면 이중 차폐 콘크리트가 완성된다.

한편 이 실시예에서는 거푸집(10)에 먼저 폴리머 콘크리트층(1)을 형성하고, 그 외측면에 붕소 콘크리트층(2)을 적층 형성하는 방식으로 이중 차폐 콘크리트를 제조하였지만, 이와 반대로 붕소 콘크리트층(2)을 먼저 형성하고 그 내측면에 폴리머 콘크리트층(1)을 적층하는 방식으로 이중 차폐 콘크리트를 제조할 수도 있을 것이다.

즉, 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 또는 붕소화합물이 혼합된 콘크리트를 타설하여 붕소 콘크리트층(2)을 형성하고, 상기 붕소 콘크리트층(2)에 이음부재(3)를 설치하고 설정된 시간동안 양생한 다음, 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 붕소 콘크리트층(2) 내면에 폴리머 콘크리트층(1)을 적층 형성한다. 그리고, 폴리머 콘크리트층(1)의 양생이 완료되면 거푸집(10)에서 일체화된 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)을 탈형한다.

또한 전술한 실시예에 따른 이중 차폐 콘크리트 제조방법은 거푸집에 콘크리트를 순차적으로 타설하여 현장 타설하는 방식이나, 프리캐스트 콘크리트를 사용하여 시공할 경우, 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)에 미리 중공관을 설치하고, 포스트텐션 또는 강재 볼트에 의해 두 콘크리트층을 접합시키는 방식으로 이중 차폐 콘크리트를 제조할 수도 있을 것이다.

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.

1 : 폴리머 콘크리트층 2 : 붕소 콘크리트층
3 : 이음부재 10 : 거푸집

Claims

중성자 선원을 향한 쪽에 배치되며 폴리머 골재가 혼입된 폴리머 콘크리트층(1);
상기 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 적층되며 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼입된 붕소 콘크리트층(2); 그리고,
봉 형태로 되어 상기 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)의 경계면에 대해 수직하게 매립되도록, 상기 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)의 경계에서 일부가 폴리머 콘크리트층(1)에 매립되고 나머지 일부가 붕소 콘크리트층(2)에 매립되게 설치되는 복수의 이음부재(3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트.
제1항에 있어서, 상기 폴리머 콘크리트층(1)과 붕소 콘크리트층(2)의 두께비는 1:1 ~ 1:5 인 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트.
제1항에 있어서, 상기 폴리머 콘크리트층(1)에 혼입되는 폴리머 골재는 일반 골재 무게 대비 50중량% 이하인 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트.
제1항에 있어서, 상기 붕소 콘크리트층(2)에 혼입되는 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상은 시멘트 무게 대비 5중량% 이하인 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 이중 차폐 콘크리트를 제조하기 위한 방법으로서,
(a) 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하여 폴리머 콘크리트층(1)을 형성하는 단계;
(b) 상기 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 이음부재(3)를 수직하게 설치하고 설정된 시간동안 양생하는 단계;
(c) 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 폴리머 콘크리트층(1)의 외면에 붕소 콘크리트층(2)을 적층 형성하는 단계; 그리고,
(d) 붕소 콘크리트층(2)의 양생이 완료되면 탈형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 이중 차폐 콘크리트를 제조하기 위한 방법으로서,
(a) 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 붕소 및 붕소화합물 중 어느 하나 이상이 혼합된 콘크리트를 타설하여 붕소 콘크리트층(2)을 형성하는 단계;
(b) 상기 붕소 콘크리트층(2)의 내면에 이음부재(3)를 수직하게 설치하고 설정된 시간동안 양생하는 단계;
(c) 거푸집(10)에 물과 시멘트와 일반 골재와 폴리머 골재가 혼합된 콘크리트를 타설하고 설정 시간 동안 양생하여 붕소 콘크리트층(2)의 내면에 폴리머 콘크리트층(1)을 적층 형성하는 단계; 그리고,
(d) 폴리머 콘크리트층(1)의 양생이 완료되면 탈형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고준위 중성자 차폐를 위한 이중 차폐 콘크리트의 제조방법.