KR19990017157A - 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물과 그를 이용한원자력발전소 중.저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강섬유 보강 폴리머 침투 콘크리트(SFPIC)를 이용한 원자력발전소의 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기에 관한 것이다.

본 발명은 SFPIC를 이용한 고건전성 용기를 제조함에 있어, 개발하려고 하는 고건전성 용기의 기본적인 제원을 결정하여 제안하고, 용기 제조에 사용될 주 재료인 최소 목표강도 1,000 ㎏/㎠의 SFPIC를 제조하는 방법을 제안하고, 개발된 SFPIC를 이용하여 제조된 고건전성 용기를 제안하며, 상기 고건전성 용기의 300년이상의 사용수명을 입증키 위해 사용재료의 물성 및 실물용기의 성능평가를 위한 화학저항성, 낙하충격 시험 및 방사선 조사시험등 약 20여종의 입증시험을 행한다. 본 발명의 SFPIC를 이용한 고건전성 용기의 제조방법에 의하면, 고건전성 용기의 국산화 및 표준화 기반을 조성함은 물론 방사성폐기물 처리의 안전성과 건전성을 확보하므로 방사선 물질관리의 신뢰성을 제고할 수 있을 것이며 일반 및 특수산업 폐기물 처용기로도 활용이 가능할 수 있게 된다.

Description

강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물과 그를 이용한 원자력발전소 중.저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기 및 그의 제조방법

본 발명은 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트(SFPIC: Steel Fiber Polymer Impregnated Concrete)를 이용한 원자력발전소의 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기(High Integrity Container)에 관한 것이다.

좀 더 구체적으로, 본 발명은 원자력발전소의 운전, 정기검사시에 발생하는 냉각수를 정화하는 카트리지식 필터, 이온교환수지, 작업원의 작업복, 용품 등의 중·저준위 방사성폐기물의 처리·보관·운반·처분에 사용할수 있는 복합소재 특수 콘크리트인 SFPIC로 제조된 고건전성 용기에 관한 것이다.

원자력발전소에서 발생되는 중·저준위 방사성폐기물의 안전성과 건전성을 확보하기 위한 방법으로는 방사성폐기물을 고형화하는 방법과 고건전성 용기를 사용하는 방법이 있으며, 전자의 고형화 방법은 공정이 복잡하고 발생되는 폐기물량이 많아지는 등의 단점이 있는 반면에 고건전성 용기는 탈수된 폐기물(유리수 1%이내)을 고형화 시키지 않고 처리 및 처분이 가능하여 처리 공정의 단순화와 폐기물의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

한편, 현재까지 국내 원자력발전소에서 사용하고 있는 대부분의 중저준위 폐기물 처리용 용기는 탄소강과 보통 콘크리트로 구성되어 있는 일반용기이며 국내 영구처분장 건설의 지연으로 발전소내 중간저장고에 장기보관중에 있다.

그렇지만, 발전소의 가동년수 증가와 더불어 폐기물의 양이 날로 증가함에 따라 폐기물 처리능력의 증대, 방사성 물질 관리의 신뢰성 향상 및 향후 건설될 영구처분장의 효율적 이용이라는 측면을 고려시 상기한 종래의 일반용기는 안전성 및 사용성 측면에서 한계를 지니고 있다.

본 발명은 종래에 일반적으로 사용되는 중저준위 방사성폐기물 처리용 일반용기의 외부용적이 200ℓ로 제한되어, 그 한도내에서 내부용적이 그 용기의 재료에 따라 변화됨을 참작하여 내부용적을 과다하게 하면 상대적으로 용기의 두께가 얇아지는 점과, 용기의 두께를 두껍게 하면 내부용적이 작아지는 점을 고려하여 최대내부용적과 용기의 견고성을 고려한 용기를 제안하고자 한다.

이에 SFPIC를 이용하여 용기의 부식방지, 작업자의 피폭량 저감, 폐기물 처리능력의 증대, 처리공정의 단순화 및 방사선 안전관리상의 신뢰성 향상 등의 특성을 지닌 고건전성 용기와 그의 제조방법을 제공함에 있으며, 그 용기를 제조하기 위한 SFPIC용 조성물을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 의한 정단면도.

도 2a는 도 1 의 A-A선 단면도.

도 2b는 도 1 의 SFPIC뚜껑에 강재판이 부착된 상태를 보여주는 평면도.

도 3 은 도 1 의 강재뚜껑과 드럼 연결부 상세단면도.

도 4 는 도 1 의 강재뚜껑과 SFPIC 뚜껑의 연결부 상세도.

도 5 는 조임쇠의 상세도.

도 6 은 발명에 따른 고건전성 용기의 제조공정을 나타낸 개략적인 흐름도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 콘크리트 바닥판 2: 콘크리트 옆면

3: 콘크리트 뚜껑 4: 강재드럼

5: 강재뚜껑 6: 에폭시 실런트

7: 조임쇠 7: 강재판

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물은 강섬유(steel fiber)를 콘크리트에 고르게 분산시키고 폴리머(polymer)를 콘크리트에 침투시켜 제조된 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물에 있어서, 그 조성비를 1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와; 굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%와; 미량의 폴리머 혼합물 (MMA단량체, AIBN개시제, DMA)발열촉매로 조성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기의 조성비를 가진 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물을 이용하는 본 발명에 의한 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기의 제조방법은 드럼을 설치하고 드럼에 도료를 입힌후 거푸집을 설치하고, 소정의 배합비로 배합하여 비벼진 SFRC로 바닥면을 친후 다지고 내부거푸집을 거치하고 라이닝을 타설하되 콜드조인트가 생기지 않도록 일괄적으로 타설하고 다진후 양생하고 건조시키며 중합하는 과정을 거쳐서 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기를 제조하는 방법에 있어서, 1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와; 굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%로 배합하고, 상기 양생단계에서는 28일간의 표준양생을 기준으로 2일간 대기중 양생후 내부거푸집을 제거하고, 나머지 기간동안 용기에 물을 채워 20℃의 온도에서 실내 수중양생하게 하며, 상기 건조단계에서는 양생이 끝난 용기를 폴리머가 공극에 침투되도록 진공건조로에서 150℃, 24시간 건조시키며, 상기 폴리머 침투단계에서 발열촉매를 혼합한 폴리머 용액에 24시간 함침하여 건조된 SFRC 용기의 공극에 침투시키며, 상기 중합단계에서는 함침된 용기로부터 함침용액을 제거한 후 진공 건조로에서 90℃의 열로 5시간 중합시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상기의 본 발명의 제조방법을 통해 제조된 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기는 1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와; 굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%와; 미량의 폴리머 혼합물 (MMA단량체, AIBN개시제, DMA)발열촉매로 조성되어 제조되고, 뚜껑과 바닥판의 두께가 50mm이고, 옆면의 두께 40mm인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 의한 고건전성 용기는 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기국산화 및 표준화 기반을 조성함은 물론 방사성폐기물 처리의 안전성과 건전성을 확보하게 됨으로 방사선 물질관리와 일반 및 특수산업 폐기물 처리용기에 적합하다.

본 발명에서는 SFPIC를 이용한 고건전성 용기를 제조함에 있어 개발하려고 하는 고건전성 용기의 기본적인 제원을 시뮬레이션하여 결정하고, 용기 제조에 사용될 주 재료인 최소 목표강도 1,000 kg/㎠의 SFPIC를 개발하는 SFPIC개발하여, 개발된 SFPIC를 이용하여 결정된 제원에 따라 고건전성 용기를 제조한다. 이렇게 얻어진 고건전성 용기를 300년이상의 사용수명을 입증키 위해 사용재료의 물성 및 실물용기의 성능평가를 위한 화학저항성, 낙하충격시험 및 방사선 조사시험등 약 20여종의 입증시험을 하는 입증시험단계를 수행하였다.

도 6은 본 발명에서는 SFPIC를 이용한 고건전성 용기를 제조함에 있어 개발하려고 하는 고건전성 용기의 기본적인 제원을 시뮬레이션하여 결정한 후 강섬유보강 콘크리트(SFRC)의 배합설계(S1)를 하고, 강섬유보강 콘크리트(SFRC)용기를 제조(S2)하여, 폴리머를 침투시켜 SFPIC 용기의 제조한(S3) 후 최종적인 성능평가를 거쳐서 완성하는 개략적인 과정을 보여주고 있다.

도시된 바와 같이 강섬유보강 콘크리트(SFRC)의 배합설계(S1)단계에서는 재료의 배합설계를 하여 재료를 비비고 그에 따른 품질평가를하여 수정을 가하며, 강섬유보강 콘크리트(SFRC)용기를 제조(S2)단계에서는 강재드럼내에 innerform을 설치하고, 콘크리트를 친후 양생하고 탈형한 후 품질평가를 통해 수정을 가한다. SFPIC 용기의 제조단계(S3)에서는 양생하고 탈형한 용기를 진공건조시킨후 배합한 침투제를 용기에 침투시키고 중합과정을 거친다. 최종적인 성능평가에 통과하면 비로소 완성된 본 발명에 의한 고건전성 용기가 만들어지게 된다.

이하, 본 발명의 일실시예를 통해 본 발명에 의한 SFPIC 조성물과 상기 SFPIC를 이용한 고건전성용기와 그 제조방법을 첨부된 도면과 이론적 산출식을 통하여 보다 상세하게 설명한다.

1) 용기 제원의 결정

본 발명의 고건전성용기는 현재 가동중인 원자력발전소의 폐기물 처리시설을 고려하여 외부용적 200ℓ 탄소강드럼을 기본으로 하여 개발되었다.

상기한 200ℓ 외부용적을 기본으로 최대의 내부용적을 가지며 고건전성을 유지할수 있는 최적의 SFPIC의 두께를 결정하기 위해서는 실제 용기에 대한 실험을 통한 방법이 최선의 방법이긴 하나 많은 시간과 비용을 필요로 하므로 본 발명에서는 SFPIC를 이용하여 제조한 고건전성 용기의 성능평가 시험중 낙하충격에 관한 시험을 유한요소 충격해석을 통해 시뮬레이션하여 보증강도(guaranted strength) 1,000kg/㎠인 SFPIC 실제용기 각 부분의 두께(SFPIC 복공 옆면과 바닥판, 뚜껑의 두께)를 결정하였다.

상기한 충격해석을 위하여 고건전성 용기의 여러 낙하시험 방법중 가장 불리한 낙하조건인 45°경사낙하로 1.2m 높이에서 콘크리트 바닥에 떨어지는 경우를 상정하고 안전측인 탄소강드럼을 제외한 SFPIC 용기만을 모델링 하였으며 SFPIC 복공의 시공성을 고려하여 40mm를 최소 용기두께로 설정하고, 40-50mm 까지 5mm 씩 증가시켜 모델링한 후 두께의 변화에 따른 용기의 거동을 분석하였다. 이때 용기의 밑면두께는 4개층으로, 옆면은 2개층으로 나누어 모델링하였으며 가장 바깥 접촉층을 1층으로 하고 내부방향으로 진행하여 2,3,4층로 구분하였는 바 옆면과 바닥판의 경우 모두 제1층이 가장 먼저 접촉하는 층이된다.

시뮬레이션은 용기가 낙하후 접촉되는 부분을 중심으로 이 부근의 옆면과 바닥면에서의 x, y 방향의 응력, 바닥판의 소성여부를 나타내는 유효 소성응력(von Miles 응력)을 각 용기 두께별로 해석하여 그 결과를 비교, 분석하였다.

상기한 방법에 의한 분석결과 옆면의 경우 von Miles 응력은 단면의 두께변화에 별다른 차이가 없으나 그 크기는 제1층(외부층)의 경우 항복응력의 75%로 내부층에서 발생한 응력보다 상당히 큰 값이었으며, 바닥판의 경우에는 낙하충격의 크기가 자중에 의해 크게 좌우되므로 단면의 두께가 커질수록 응력이 크게 발생하였으며 특히 가장 바깥층에서 더욱 불리하였다.

표 1 은 상기한 해석에 의해 얻은 결과를 종합하여 낙하후 접촉부의 각 층별 x, y 방향의 최고응력값 및 그 응력으로 인한 SFPIC 용기의 손상여부를 판정한 결과이다.

해석에 의한 저판 접촉부의 x, y방향의 최고응력 및 손상여부 판정 (단위 : kg/㎠)

두 께	층	x( kg/㎠)	y(kg/㎠)	비 고
40mm	1	72.80	-51.98	정 상
	2	-193.68	-4.48	정 상
	3	251.78	124.36	미소손상
	4	-137.60	3.96	정 상
45mm	1	70.40	-53.20	정 상
	2	-187.52	-4.32	정 상
	3	248.35	121.42	미소손상
	4	-135.50	4.25	정 상
50mm	1	71.51	-51.33	정 상
	2	-190.17	-4.38	정 상
	3	250.72	123.37	미소손상
	4	-135.90	4.72	정 상

표 1 의 결과와 같이 낙하충격에 대하여 SFPIC 용기는 바닥판의 중간(제3층) 부분에 가장 많은 충격을 받음을 알수 있으나 그외의 층이 모두 정상이므로 용기 두께 40, 45, 50mm는 모두 낙하충격에 대해 안전한 단면두께이다.

그러나 단면두께의 변화에 따른 응력 비교 측면을 고려시 단면의 두께가 작을수록 작은 응력이 발생하여 낙하충격에 유리하고, 특히 단면의 두께가 작을수록 용기의 내부용적이 증가하므로 용기의 옆면 두께는 40mm가 최적이며, 바닥판 두께는 낙하충격시 용기의 중량 증가에 크게 영향을 끼치지 않으므로 시공성을 고려하여 50mm로 결정하였다.

상기한 해석결과를 기본으로 하여 제조된 본 발명의 구조모형 및 상세제원은 첨부도면 도 1 및 표 2 와 같고, 강제뚜껑과 드럼과의 연결, 강제뚜껑과 SFPIC 뚜껑과의 연결 상세도는 첨부도면 도 2 내지 도 4 와 같다. 다음의 표 2 는 SFPIC 고건전성 용기 제원을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 의한 용기의 콘크리트 바닥판(1)과 콘크리트 옆면(2)과 콘크리트 뚜껑(3)과 드럼(4)과 강재뚜껑(5)을 잘 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 콘크리트 옆면(2)과 콘크리트 뚜껑(3)은 에폭시 실런트(6)에 의해 밀봉되며, 그 위에 드럼(4)과 강재뚜껑(5)이 조임쇠(7)에 의해 조여져 밀봉되도록 하였다. 또한 제조된 용기를 자력에 의해 운반할 수 있도록 콘크리트뚜껑의 중앙에 사각형의 강재판을 부착하도록 하였다.

각 부위의 바람직한 치수 및 용량은 다음과 같다. 즉, 높이가 884이고 외경의 지름이 597이고 바닥판의 두께가 50이고 옆면의 두께가 40인 상부가 개방된 타원형 콘크리트 구조물과, 상기 타원형 콘크리트 구조물을 덮도록 외경 지름이 572이고 두께가 50인 콘크리트 뚜껑과, 상기 콘크리트구조물과 콘크리트 뚜껑을 각각 둘러싸며 조임쇠에 의해 조여져 밀봉되는 강재드럼으로 이루어져 외부용적이 200ℓ이고 내부 용적이 141ℓ이고 포장중량이 172㎏이 되도록 하였다. 본 발명의 용기에 대한 상기 치수 및 용량은 표 2에 잘 정리되어 있다.

SFPIC 고건전성 용기 제원으로 H는 SFPIC 용기의 높이, D는 외경의 지름, t1은 라이너의 두께, d는 외경지름, t2는 두께.

구 분	제 원
SFPIC 용기	H (mm)	884
	D (mm)	597
	t1 (mm)	40
SFPIC 뚜껑	d (mm)	572
	t2 (mm)	50
내부용적(ℓ)	141
포장중량(kg)	172

2) SFPIC의 개발

본 발명에 사용된 SFPIC는 콘크리트의 인장강도와 균열에 대한 저항성을 대폭 개선시킬 목적으로 강섬유(steel fiber)를 콘크리트에 고르게 분산시켜 만든 구조용 복합재료에 고분자 화학공업의 생성물인 폴리머(polymer) 일명 수지(resin)를 콘크리트에 침투시킴으로써 콘크리트의 강도, 수밀성, 내방사성, 내화성, 내화학성 등의 물성을 획기적으로 개선시킨 신소재 콘크리트를 말한다.

사용된 강섬유는 섬유자체의 기계적 성질이 뛰어난 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유로서, 강섬유와 보통콘크리트의 배합시 워커빌리티(workability) 증가를 위하여 유동화제를 사용하였다.

그리고 폴리머의 모노모로 사용된 단량체로는 메틸메타아크릴레이트 (Methyl Methacrylate : MMA)를 사용하였으며, 개시제로는 아조비시소 부티로니트릴 (Azobisiso Butyronitrile : AIBN), 발열촉매로는 디메틸 아닐린 (Demethyl Aniline : DMA)를 사용하였다.

상기한 재료를 사용하여 보증강도 1,000kg/㎠의 SFPIC를 제조하기 위한 재료배합비 및 사용재료의 바람직한 실시예는 표3과 같다.

재료배합비 (kg/㎥)

W/C(%)	실리카흄 대체율(%)	S/a(%)	시멘트	물	잔골재	굵은골재	유동화제(ℓ)	실리카흄	강섬유
28	12	37.5	550	154	650	1083	21	66	73.5

ⅰ) 시멘트 : 1종 포틀랜트시멘트

ⅱ) 잔골재 : 모래

ⅲ) 굵은골재 : 자갈 (최대치수 13mm)

ⅳ) 실리카흄 : 시멘트 중량의 12∼15%를 실리카흄으로 대체

ⅴ) 강섬유 :

- 섬유길이 : 30mm

- 섬유지름 : 0.5mm

- 섬유형상비(길이/지름) : 60

ⅵ) 유동화제 : 고강도용 고유동화제

ⅶ) 중합체(폴리머) :

MMA + AIBN + DMA (MMA에 대해 AIBN 2%, DMA 1%를 혼입)

3) 고건전성 용기의 제조공정

SFPIC를 이용한 고건전성 용기의 제조은 크게 세 과정 즉 강섬유보강 콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, 이하 SFRC)의 배합, 용기의 제조, 폴리머 침투제의 침투 및 중합과정으로 구성되어 있으며, 상기한 제조공정의 흐름도는 첨부한 도 5 와 같고 그 상세한 설명은 아래와 같다.

(1) 드럼사양

ⅰ) 몸체 및 하판 : 1.2mm 저탄소강 (KS D 3512)

ⅱ) 뚜껑 : 1.5mm 저탄소강 (KS D 3512)

ⅲ) 뚜껑테두리 : 2.3mm 아연도강판 (KS D 3506)

(2) 드럼도료

ⅰ) 하 도

- 내 부 : 에폭시 수지 프라이머

- 외 부 : 메라민 수지 프라이머

ⅱ) 상 도

- 내 부 : 에폭시 수지 페인트 (색상 : 회색, 표준규격 : N-7)

- 외 부 : 메라민 수지 페인트 (색상 : 황색, 표준규격 : 2.5Y, 4/12)

(3) 거푸집

ⅰ) 외부거푸집은 SFPIC 용기의 외부를 성형하고 용기 제조후에도 계속 용기의 일부로 존재하는 저탄소강의 200ℓ 철제드럼을 사용한다.

ⅱ) 내부거푸집은 SFPIC 용기의 내부를 성형하고 용기 제조후에는 제거하되, 외부드럼과 내부거푸집과의 간격(라이닝 두께)을 균일하게 유지하고 반복사용이 가능토록 유압식 강재 거푸집을 사용한다.

(4) 배합 및 비비기

상기한 배합비에 따른 각 재료를 믹서에 넣고 건비빔(1분)한 후 유동화제는 물에 탄 후 믹서에 투입하여 다시 비빈후 타설하는 순서로 배합 및 비비기를 실시한다.

(5) 타설 및 다짐

운반된 SFRC로 우선 바닥면을 친후 충분히 다지고 나서 내부거푸집을 거치하고 라이닝을 타설하되 콜드조인트가 생기지 않도록 일괄작업으로 실시한다.

(6) 양 생

28일간의 표준양생을 기준으로 2일간 대기중 양생후 내부거푸집을 제거하고, 나머지 기간동안 용기에 물을 채워 20℃의 온도에서 실내 수중양생을 실시한다.

(7) 건 조

양생이 끝난 용기를 폴리머가 공극에 침투되도록 하기 위하여 진공건조로에서 150℃, 24시간 건조시킨다.

(8) 폴리머 침투

MMA 단량체와 개시제 AIBN, 촉진제 DMA를 상기한 비율로 혼합한 폴리머 용액을 24시간 함침하여 건조된 SFRC 용기의 공극에 침투시킨다.

(9) 중 합

함침된 용기에서 함침용액을 제거한 후 진공 건조로에서 90℃의 열로 5시간 중합시켜 SFPIC 용기를 제조한다.

3) 본 발명에 의한 SFPIC 고건전성 용기의 성능평가시험

상기 과정을 거쳐 제조된 고건전성 용기는 처리 및 처분개념까지 도입된 용기로서 미국, 프랑스등과 같이 폐기물 영구처분장을 운영하고 있는 국가들은 대부분 처분장의 행정적 관리기간을 최소 300년으로 규정하고 있으므로 고건전성 용기는 최소 300년 이상의 설계수명을 지녀야 한다.

그러나 이러한 설계수명을 만족시키기 위한 고건전성 용기에 대한 설계제조기준은 각국의 폐기물 관리정책, 처분장 조건 등에 따라 그 기준을 달리하고 있을뿐만 아니라 국내의 경우에는 이에 대한 세부기준이 전무한 상태로서 본 발명에 의한 고건전성 용기는 미국 원자력 규제위원회 (U.S Nuclear Regulatory Committee)의 기준에 적합하도록 재료의 물성평가 및 용기의 성능평가를 통하여 본 발명의 300년 이상의 사용수명을 입증하였다.

(1) 재료의 물성평가

ⅰ) 충격 및 파괴인성

파괴인성시험을 통해 충격과 견고성에 관해 기존의 일반 보통 콘크리트와 비교한 결과 표 4 와 같이 SFPIC가 상대적으로 높은 인성과 충격강도를 갖는 것을 알 수 있었다. 표 4 는 충격 및 파괴인성시험 결과를 나타낸다.

충격 및 파괴인성시험 결과

종 류	상대충격강도	강대파괴 인성시험
보통콘크리트	1	1
SFPIC	10	70

ⅱ) Creep

SFPIC의 지속하중하에서의 장기거동 특성을 SFRC와 비교 실험한 결과 SFRC의 Creep 계수가 0.3, SFPIC의 Creep 계수는 0.22로서 SFPIC가 SFRC에 비해 Creep의 영향이 매우 적음을 알수 있었으며, 이러한 SFPIC의 Creep 계수는 보통콘크리트의 Creep 계수에 비하면 무시할 수 있을 정도로 적은 것이다. 이와 같이 Creep 변동이 적다는 것은 SFPIC가 다른 재료에 비하여 우수한 저장용기로 사용될 수 있다는 근거가 되는 것이며, 또한 용기의 제조후 건조수축변형률값이 매우 작으므로 용기의 고건전성유지에는 Creep 으로 인한 문제는 발생하지 않음을 알수 있었다.

ⅲ) 피 로

반복하중하에서의 피로거동을 보통콘크리트와 비교 실험한 결과 최대응력수준 80%를 중심으로 그보다 높은 응력수준에서는 SFPIC의 휨피로강도가 높고, 낮은 응력수준에서는 보통콘크리트의 휨피로강도가 높은 것으로 나타났다. 최대응력수준 80%보다 낮은 응력수준에서 SFPIC의 휨피로강도가 낮게 나타났으나 이것은 SFPIC의 하중지지능력이 낮다는 것이 아니며 단지 피로를 받는 하중지지능력비가 낮다는 것을 의미한다. 따라서, 동일한 반복 휨응력을 가할 때에는 SFPIC의 휨강도가 보통콘크리트에 비해 2∼3배정도 크므로 절대적인 휨피로강도는 SFPIC가 보통콘크리트보다 훨씬 높은 것으로 판단된다.

이러한 피로강도는 용기의 저장장소의 여건에 따라 검토대상이 될 수도 있고, 고려할 필요가 없는 경우도 발생하는데 이 실험결과로 부터 분석할 때 정상상태의 응력이 피로한도 미만일 것이므로 피로에 대한 문제는 매우 안전측인 것으로 판단된다.

ⅳ) 동결융해

동결융해로 인한 내구성을 보통콘크리트와 비교 실험한 결과 SFPIC는 400회의 동결융해에도 불구하고 거의 중량변화가 없는 반면, 보통콘크리트에서는 2.2%∼2.3%의 중량변화가 관찰되었다. 또한, 보통콘크리트는 동결횟수가 증가함에 따라 동탄성계수가 급격히 떨어진데 비하여, SFPIC의 동탄성계수는 대단히 완만하게 감소되고 있다. 이상의 결과로 볼때 SFPIC는 온도변화에 대한 충분한 내구성을 갖는 것으로 판단된다. 표 5 는 동결융해 시험에 의한 내구성 지수를 나타낸다.

동결융해 시험에 의한 내구성 지수

종 류	내구성지수 (DF)
보통콘크리트	48
SFPIC	98

ⅴ) 수 밀 성

폴리머 침투 전후의 수밀성 변화를 보통콘크리트와 비교 실험한 결과, 200시간 수중에 담은 후에 보통콘크리트에는 300g/㎠의 물이 흡수되었으나, SFPIC는 0.15g/㎠의 물이 흡수되어 SFPIC가 보통콘크리트에 비하여 약 20배의 수밀성을 가지고 있음을 알 수 있었다.

ⅵ) 내화학성

방사성폐기물내에서 생성되는 화학물질이나 폐기물 저장소 주위 환경에서 기인하는 화학물질에 대한 SFPIC와 에폭시 시편의 저항정도를 알고자 각 시편을 화학물질에 노출시킨 뒤 이에 따른 압축강도와 중량의 변화를 측정하고 미국 NRC의 기준과 비교하였다.

실험결과 각 시편의 무게변화는 ±2% 이하로서 화학물질에 대한 내구성이 높은 것으로 나타났으며, 압축강도의 변화는 SFPIC의 경우 2% NaOH 용액에서는 변화가 경미하나 2% H₂SO₄에서는 약 40%가량의 압축강도의 감소가 있었고 그외의 화학물질에 대해서도 Citric Acid를 제외하곤 850㎏/㎠(-15%)이상의 강도가 나왔다. 여기서 H₂SO₄와 Citric Acid에 의한 강도감소가 크기는 하지만 이 값들은 NRC에서 규정하는 최대매장압축깊이의 요구값보다는 훨씬 높으므로 안전한 것으로 판단된다. 그리고 에폭시의 경우는 전 용액에 대하여 압축강도의 변화가 경미한 것으로 나타났다.

ⅶ) 내 화 성

저장·수송하는 동안의 가상 화재사고의 열조건(450℃)하에서 SFPIC의 중량 및 강도변화를 측정한 결과 약 2.56%의 단위중량의 감소를 나타내었고, 시편의 하단에서 micro crack이 약간 발견되었으나 내부까지 진전되지 않았으며 시편 파괴의 징후는 나타나지 않았다. 이러한 실험결과로 볼때 화재사고나 열사고에 의한 상황에 노출된 HIC는 내용물이 문제가 되는 정도의 손실없이 다른 HIC에 다시 포장하여 매장하거나 처분할 수 있다고 판단된다.

ⅷ)방사선 저항성 SFPIC와 에폭시 시편을 방사선(gamma ray)에 노출시킨뒤 이에 따른 강도 변화와 가스발생 정도를 측정 하였다. 방사선 노출에 따른 압축강도의 변화는 표 6 과 같으며 이 값들은 NRC에서 규정하는 최대매장압축깊이(45ft)에서의 요구량을 충분히 만족하는 것으로 매우 안전한 것으로 판단된다. 표 6 은 SFPIC와 에폭시의 압축강도를 나타낸다.

SFPIC와 에폭시의 압축강도

선 량 (MR)	압 축 강 도
	SFPIC (㎏/㎠)	EPOXY (㎏/㎤)
0	1000	840
50	1079	883.5
100	964	809.5
150	879	789.5

또한, 선량 50, 100M rad 일때의 H₂, CH₄, CO 가스의 발생량의 분석 결과는 표8과 같다. 표 7 은 가스발생 분석결과를 나타낸다.

가스발생 분석결과 (단위 : 10^-6mol/g)

선 량 (MR)	H2	CH4	CO
50m	시편 1	2.85	6.33	10.94
	시편 2	3.29	3.56	7.42
100m	시편 1	4.18	9.02	5.10
	시편 2	4.43	13.36	8.08

여기서, 200ℓ 용기의 SFPIC 무게를 150㎏으로 산정하여 계산하면 100MR에서의 수소 발생량 4.31 × 10^-6g-mol/g는 300년동안 100MR의 방사능 노출에 의해 0.65 g-mol이 되며, 용기의 공극부피를 1.5 ft³으로 가정하면 결과적으로 수소 발생량은 300년동안 0.431 g-mol/ft³이 된다. 이 값을 운송과 저장을 위해 사전에 소모되는 100일의 값으로 환산한다면 0.000394 g-mol/ft³으로 이 값은 NRC 기준값 0.063 g-mol/ft³의 약 0.62% 정도로 매우 안전측의 값임을 알수 있다

ⅸ) 생물학적 저항성

SFPIC와 에폭시 시편의 세균을 배양한 뒤 일정 기간 경과후의 세균의 증가여부와 압축강도 및 중량의 변화정도를 측정하였다.

측정결과 37℃에서 21일 배양후 각 시편의 표면과 접촉면 모두에서 세균의 성장이 없었으며, 압축강도 및 중량의 증감비율은 각각 2% 및 1% 내외로 모두 기준치의 표준편차 이내에 드는 값으로 거의 변화가 없다고 보아도 무방하다.

ⅹ) 자외선 물분사 저항성

자외선에 의한 SFPIC의 품질 저하 정도를 검토하기 위하여 시편에 자외선을 쐬이면서 물분사를 하는 조건하에서 3000시간동안 실험을 수행하였다.

실험결과 시편은 외관상 심각한 영향을 받지 않았으며, 압축강도는 자외선을 조사한 SFPIC 시편이 원래의 SFPIC 시편에 비해 10%의 감소를 보였으나 전체적인 용기의 저항력에는 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.

(2) 실물 고건전성 용기의 성능평가

ⅰ) 자유낙하시험

운송이나 취급과정에서 발생할수 있는 낙하충격에 대한 안전성을 평가하고자 실물 용기에 모래를 가득채우고 1%의 자유수를 담은 상태에서 1.2m(낙하면 : 0.5m 두께의 콘크리트 슬래브)와 7.5m(낙하면: 0.5m 모래층 + 0.3m 쇄석층)의 높이에서 실증시험을 실시하였다.

시험결과, 45。 기울여서 바닥 접촉시 외부드럼에 약간의 손상이 있었으나 내용물의 유출없이 건전성을 유지하였으며, 상부 접촉시에는 외부 드럼 상부 Lid부의 시건장치에 약간의 손상이 있었으나 용기는 고건전성을 유지하였다. 또한 용기 측면 접촉시에는 외부드럼 상부 Lid부의 시건장치에 손상이 발견되었으나 역시 콘크리트부에는 균열이 없이 건전성을 유지하였다.

ⅱ) 관통시험

운송이나 취급과정에서 운송장비나 다른 고건전성 용기등에 의한 충격하중에 의한 안전성을 평가하고자 길이 1m, 지름 3.2cm, 단부가 반구체, 무게가 6㎏인 원통형 막대를 1m 높이에서 떨어뜨린후 균열이나 파괴상태를 조사하였는바, 균열 및 파괴의 징후가 전무한 것으로 나타났다.

ⅲ) 운송진동시험

운송 및 취급과정에서의 진동에 의한 안전성을 평가하고자 수분 함유의 모래를 가득담은 고건전성 용기를 지게차에 수직, 수평으로 단단히 묶고 지면에 0.5m간격으로 배치된 정방향 목재(40mm x 40mm) 위를 1.6∼2.5g의 가속도로 주행하여 이때의 진동가속도와 균열이나 파손여부를 조사한 결과 용기의 건전성에는 어떠한 영향도 없었다.

ⅳ) 승강시험

용기 승강중 사고에 대한 안전성을 평가하고자 크레인에 자유수 1%를 포함한 모래를 가득 채운 용기를 크레인에 들어 올려진 상태에서 1m 정도 떨어뜨린후 Wire, 용기,승강장비를 점검한 결과 균열 및 파손없이 건전성을 유지하였다.

ⅴ) 매장압축 시험

방사성폐기물을 담고있는 용기가 바로 세워져 있는 상태로 매장되어 있을때 토압에 의해 발생하는 균열이나 파손에 대한 안전성을 평가하기 위한 것으로 고강도 보통 콘크리트, SFRC, SFPIC의 축소용기를 500 ton급 만능시험기를 이용하여 균열하중(cracking load)과 파괴하중(ultimate strength)을 측정한 결과 SFPIC용기가 최대 매장깊이(45ft)에서 균열 및 파괴에 대하여 가장 안정한 것으로 나타났다. 다음의 표 8 는 균열 및 파괴하중 결과를 나타낸다.

균열 및 파괴하중 결과

종 류	균열하중(kg)	파괴하중(kg)
보통 콘크리트	3,660	3,800
SFRC	7,200	7,600
SFPIC	11,608	12,240

ⅵ) 누수밀착시험

용기l의 누수밀착성을 평가하기 위하여 공기압과 수압을 가하여 시험 하였다.

공기압의 경우 약 10분간 0.2㎏/㎠의 공기압을 air compressor로 유지하며 관측 하였으나 epoxy resin부에서 공기의 누출은 발견되지 않았으며, 수압의 경우에는 1㎏/㎠의 압력이 작용하도록 압력을 점진적으로 증가시키어 관측한 결과에서도 sealing부에서의 누수 현상이 발견되지 않아 전반적으로 누수밀착에 대한 건전성을 유지 하였다.

ⅶ) 물분사 시험

강우의 영향으로 인한 안전성을 검토하기 위하여 용기에 대하여 shower기를 사용하여 5cm/hr의 강우강도로 1시간의 강우에 노출 시킨후 조사한 결과 가시적인 손상의 영향은 나타나지 않았다.

ⅷ) 내화성 시험

취급 및 수송시 일어날수도 있는 화재사고시의 안전성을 평가하기 위한 것으로 600∼800℃의 온도에서 SFRC와 SFPIC의 축소용기를 사용하여 실증시험을 한 후의 중량비교결과 모두 3.9% 정도의 중량감소가 나타났다.

또한 실증시험 후의 외관조사 결과 SFRC의 경우에는 용기의 상부에 균열과 국부 손상이 발생하였으나, SFPIC의 경우에는 균열이 발생하지 않아 건전성을 유지하였다.

ⅸ) 밀봉성능시험

용기의 뚜껑과 몸체를 접착시키는데 사용하는 epoxy resin의 밀착성을 평가하기 위한 것으로 용기안에 oil jack과 load cell을 설치, 하중을 재하하여 epoxy resin의 접착력을 측정하였다. 다음의 표 9은 밀봉시험결과를 나타낸다.

밀봉시험결과

하 중	200ℓ 용기
최대접착저항력 (㎏)	2480
접착강도 (㎏/㎠)	4.24

시험결과 200ℓ용기의 내용물의 무게는 약 260㎏인데 반하여, 접착최대하중은 2480㎏이므로 내용물의 건전성유지를 위한 충분한 접착력을 가지고 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 SFPIC를 이용한 고건전성 용기를 활용하면, 고건전성 용기의 국산화 및 표준화 기반을 조성함은 물론 방사성폐기물 처리의 안전성과 건전성을 확보하므로서 방사선 물질관리의 신뢰성을 제고할 수 있을 것이며 일반 및 특수산업 폐기물 처리용기로도 활용이 가능하다.

Claims (3)

1. 강섬유(steel fiber)를 콘크리트에 고르게 분산시키고 폴리머(polymer)를 콘크리트에 침투시켜 제조된 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물에 있어서,

   1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와;

   굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%와; 미량의 폴리머 혼합물 (MMA단량체, AIBN개시제, DMA)발열촉매로 조성된 것을 특징으로 하는 강섬유 보강 폴리머침투 콘크리트용 조성물.
2. 드럼을 설치하고 드럼에 도료를 입힌후 거푸집을 설치하고, 소정의 배합비로 배합하여 비벼진 SFRC로 바닥면을 친후 다지고 내부거푸집을 거치하고 라이닝을 타설하되 콜드조인트가 생기지 않도록 일괄적으로 타설하고 다진후 양생하고 건조시키며 중합하는 과정을 거쳐서 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 소정의 SFRC 배합비는,

   1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와; 굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%로 하고,

   상기 양생단계에서,

   28일간의 표준양생을 기준으로 2일간 대기중 양생후 내부거푸집을 제거하고, 나머지 기간동안 용기에 물을 채워 20℃의 온도에서 실내 수중양생하게 하며,

   상기 건조단계에서,

   양생이 끝난 용기를 폴리머가 공극에 침투되도록 진공건조로에서 150℃, 24시간 건조시키며,

   상기 폴리머 침투단계에서,

   발열촉매를 혼합한 폴리머 용액에 24시간 함침하여 건조된 SFRC 용기의 공극에 침투시키며,

   상기 중합단계에서,

   상기 함침된 용기로부터 함침용액을 제거한 후 진공 건조로에서 90℃의 열로 5시간 중합시키는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기의 제조방법.
3. 원자력발전소에서 중·저준위 방사성폐기물 처리하는데 사용되는 통상의 고건전성 용기에 있어서,

   1종 포틀랜트 시멘트 20∼21.5wt%와; 물 5∼7wt%와; 잔골재(모래) 24∼26wt%와;

   굵은 골재(자갈:최대치수 13mm) 40∼42wt%와; 유동화제 0.5∼1.5wt%와; 실리카흄 2.5∼3wt%와; 길이 30mm, 지름 0.5mm, 섬유형상비(길이/지름) 60인 평형 강섬유 2.5∼3.5wt%와; 미량의 폴리머 혼합물 (MMA단량체, AIBN개시제, DMA)발열촉매로 조성되어 제조되고,

   뚜껑과 바닥판의 두께가 50mm이고, 옆면의 두께 40mm인 것을 특징으로 하는 원자력발전소 중·저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기.