KR20010067314A

KR20010067314A - 중성자 차폐체 및 그것을 이용한 캐스크

Info

Publication number: KR20010067314A
Application number: KR1020000059665A
Authority: KR
Inventors: 니헤이기요시; 나지마겐지
Original assignee: 마스다 노부유키; 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2001-07-12
Also published as: ATE264536T1; US6605817B1; ES2218045T3; DE60009824T2; DE60009824D1; JP3150672B1; TW452802B; EP1093130A1; KR100401033B1; EP1093130B1; JP2001108787A

Abstract

본 발명은 중성자 차폐체 형성시 저점도화에 의해 작업 효율의 향상을 실현함과 동시에, 중성자 차폐체 형성후 장기간에 걸친 고온 환경하에서도 내열성과 중성자 차폐능을 부여하는 수소 함유율을 유지한다.

반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 주제(主劑)로 하고, 지환식 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물의 배합을 해당 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지의 경화제로 한 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지, 불순물인 소다분이 0.07 중량% 이하인 고순도의 수산화 알루미늄 및 탄화붕소를 배합하여 형성한 중성자 차폐체를 캐스크(100)의 수지(106, 112, 114)로 이용한다.

Description

중성자 차폐체 및 그것을 이용한 캐스크{NEUTRON SHIELD AND CASK THAT USES THE NEUTRON SHIELD}

본 발명은 중성자 차폐체 및 그것을 이용한 캐스크에 관한 것으로, 특히 미경화 상태의 점토를 적게 하여, 충분한 포트 라이프(pot life : 사용 가능 시간)를 확보하여 작업성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 우수한 내열성, 중성자 차폐능을 유지할 수 있는 중성자 차폐체 및 그것을 이용하여 연소가 종료된 사용 완료 핵연료 집합체를 수용, 저장하는 캐스크에 관한 것이다.

최근 원자력 산업의 발전에 따라, 각종 원자력 시설, 예를 들면 원자로, 핵연료 재처리 공장 등이 각지에 건설되고 있지만, 이들 각종 원자력 시설 등은 인체가 받는 방사선량을 극히 감소시키고, 또한 방사선에 의해 구조재나 기기재료가 손상되지 않도록 하지 않으면 안된다. 즉, 각종 원자력 시설 등의 핵연료 또는 사용 완료 핵연료로부터 발생하는 중성자는 에너지가 높고, 강한 투과력을 가지며, 다른 물질과 충돌하면 감마선을 발생하여 인체에 중대한 장해를 주고, 또한 원자력 시설 등의 각종 재료를 손상시키기 때문에, 이 중성자를 안전하고 확실하게 차폐할 수 있는 중성자 차폐체의 개발이 계속하여 실행되고 있다.

종래, 중성자 차폐체로서는 콘크리트가 이용되고 있었지만, 이 콘크리트는 차폐벽으로서 상당한 두께를 필요로 하여, 원자력 선박과 같이 중량 및 용적에 제한이 있는 원자력 시설에 부적합한 중성자 차폐재이어서, 중성자 차폐체의 경량화가 요구되고 있었다.

여기서, 중성자 중의 고속 중성자는 거의 같은 질량의 수소 원소와 충돌함으로써 에너지가 흡수되어 효과적으로 감속되기 때문에, 수소 밀도가 높은, 즉 수소 함유율이 높은 물질이 고속 중성자의 차폐에 유효하므로, 물, 파라핀, 폴리에틸렌 등을 중성자 차폐재로서 이용할 수 있다. 물 등의 액체는 콘크리트에 비하여 경량이지만, 액체이기 때문에 취급이 한정되고, 더욱이 물 등의 액체를 수납하는 용기 자체의 재질의 중성자 차폐능이 문제가 된다.

한편, 경량이며 수소 함유율이 높고, 중성자의 감속재로서 효과가 큰 파라핀, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀(polyolefin)계 열 가소성 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지, 폴리메탈크릴산 등 그 자체, 이들의 혼합물, 또는 저속 및 열중성자에 대하여 큰 흡수 단면적을 갖는 것으로 알려진 붕소 화합물을 이들에 배합한 붕소 화합물 함유 파라핀, 붕소 화합물 함유 폴리에틸렌, 붕소 화합물 함유 폴리메탈크릴산 에스테르 등에 의해서 형성되는 중성자 차폐체가 제안되어 있다.

최근에는 에폭시 수지에 내화재(耐火材)로서 대량의 수산화 알루미늄과, 중성자 차폐재로서 미량의 탄화붕소를 배합한 중성자 차폐체가 있다. 이 에폭시 수지는 일반적으로 주제(主劑) 및 경화제로 이루어지는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지가 이용되고, 주제로서는 에폭시 당량 184 내지 194, 분자량 380 정도인 비스페놀 A형 주제(수소 함유량= 7.1중량%)가 이용되고, 경화제로서는 지방족 폴리아민계, 지환식 폴리아민, 폴리아미드아민, 에폭사이드 부가생성물계 단체(單體) 또는 이들의 혼합물이 이용된다.

그런데, 상술한 주제 및 경화제로 이루어지는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 배합한 중성자 차폐재를 형성하는 경우, 에폭시 수지 주제, 경화제, 수산화 알루미늄 및 탄화붕소가 충분히 균질인 중성자 차폐재가 되게 해야하고, 소량 단위로, 또한 30분 정도의 장시간의 혼련(kneading)·충전(filling)작업을 실행했었다. 이 경우, 혼련된 중성자 차폐재는 경화제를 포함하기 때문에, 신속하게 주입하지 않으면 고화해 버리고, 또한 점성이 높기 때문에 작업효율이 나쁘다고 하는 문제점이 있었다. 즉, 높은 점성 때문에 주입시에 있어서 호스내의 유동성이 나쁘고, 단위 시간당 주입량이 감소하는 것 외에, 소량 단위로 혼련을 실행하기 때문에, 대형 중성자 차폐체를 제조하는 경우, 주입 중의 중단 회수가 증대하여 전체 주입 공정에 막대한 시간과 노동력이 걸리게 된다.

또한, 상술한 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 배합한 중성자 차폐체의 사용 가능 시간은 혼련시간의 경과와 함께 변화되지만, 일반적으로 혼련시 초기 온도가 30℃ 정도일 때는 2 시간 정도이다. 이 2 시간에는 혼련·충전작업에 걸린 시간, 예를 들면 상술한 30분의 시간도 포함되어, 점성의 저하에 의한 혼련·충전작업 시간의 단축도 요망된다. 여기서, 사용 가능 시간이란, 중성자 차폐체가 혼련에 의한 유동 상태로부터 주입에 필요한 최저한의 유동성을 남기는 상태까지의 시간을 말한다.

한편, 상술한 중성자 차폐체에 함유되는 수산화 알루미늄은 수소 함유율이 높아, 난연성과 중성자 차폐능을 부여하지만, 고온 환경하에서 장시간 노출되면 수소 함유율이 서서히 감소하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기에 비추어 이루어진 것으로, 중성자 차폐체 형성시 저점도화에 의한 작업 효율의 향상을 실현함과 동시에, 중성자 차폐체 형성후 장기간에 걸친 고온 환경하에 있어서도 내열성과 중성자 차폐능을 부여하는 수소 함유율을 유지할 수 있는 중성자 차폐체 및 그것을 이용한 캐스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1의 중성자 차폐체는 장쇄 지방족(長鎖脂肪族) 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 첨가한 에폭시 수지를 주제로 하고, 이것에 지환식(脂環式) 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물을 경화제로 한 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 반응성 희석제 함입 장쇄지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 주제로 이용함으로써, 구체적으로 20 내지 25 푸아즈 정도의 저점도로 할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 주제의 수소 함유량을, 구체적으로 7.5 내지 8.5 중량%까지 증가시킬 수 있다. 이 주제를 이용한 경우, 경화제로서 유연한 재료를 선택할 수 있고, 사용 가능 시간에 영향을 미치게 하는 경화제로서 지환식 폴리아민, 폴리아미드 폴리아민, 지방족 폴리아민 및 에폭사이드 부가생성물 등, 단체 또는 2종 이상을 조합한 배합 경화제를 이용함으로써, 충분한 사용 가능 시간을 확보할 수 있음과 동시에, 경화시 활성수소의 양을 크게 할 수 있기 때문에, 특히 지환식 폴리아민에 의해서 내열성을 더욱 높인 2액 반응 상온 경화형에폭시를 실현할 수 있다. 상기 사용 가능 시간은, 예를 들면 상기 2액 반응 상온 경화형 에폭시를 함유하는 중성자 차폐재를 혼련할 때의 온도가 30℃ 근방인 경우에는 구체적으로 3 내지 3.5 시간 정도의 긴 사용 가능 시간을 확보할 수 있어, 주입 가능 시간이 증대함과 동시에, 중성자 차폐체를 대량 혼련할 수 있게 하여, 대형 중성자 차폐체의 형성시 중단 회수를 감소시켜, 중성자 차폐체의 형성에 걸리는 시간과 노동력을 현저하게 경감시킬 수 있다.

또한, 청구항 2의 중성자 차폐체는 장쇄지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 첨가한 에폭시 수지를 주제로 하여, 이것에 지환식 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물을 경화제로 한 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지와, 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘을 이용한 내화재와, 탄화붕소 그 밖의 중성자 흡수재를 배합한 것이다.

수산화 알루미늄은 지환식 폴리아민에 의해서 그 내열성이 높아져, 내화재로서 유효하게 작용한다. 한편, 고온시 다량의 수분방출이 일어나는 일반적으로 이용되는 수산화 알루미늄의 열분해 온도는 245 내지 320℃이지만, 수산화 마그네슘의 탈수분 열분해 온도는 340 내지 390℃이기 때문에, 이 수산화 마그네슘을 중성자 차폐체를 조성하는 내화재로서 일부 또는 전부 이용함으로써, 고온 환경하에서 중성자 차폐체의 내열성을 높일 수 있다.

또한, 청구항 3의 중성자 차폐체는, 상기 중성자 차폐체에 있어서, 상기 중성자 흡수재로 탄화붕소를 이용한 것이다. 탄화붕소는 중성자의 흡수에 적합하다. 또한, 청구항 4의 중성자 차폐체는, 상기 중성자 차폐체에서 상기 수산화 알루미늄에 함유되는 소다분을 O.1 중량% 이하로 한 것이다.

본 발명에 따르면, 수산화 알루미늄은 정제시에 불순물로서 소다분이 포함된다. 이 소다분이 높아짐에 따라, 고온시에 있어서도 수산화 알루미늄에 포함되는 결정수 중의 수분의 일부를 열분해하여 방출하는 경향이 커지는 것에 착안하여, 수산화 알루미늄의 불순물로서의 소다분을 O.1 중량% 이하로 함으로써, 150℃ 근방의 고온 상태에 이를 때까지 수분의 일부를 열분해하지 않고 수소 함유량을 유지할 수 있고, 이것에 의해서, 고온시에 있어서도 수산화 알루미늄의 수소 함유율을 감소시키지 않고 유지할 수 있다.

또한, 청구항 5의 중성자 차폐체는, 상기 중성자 차폐체에 있어서, 상기 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분을 0.07 중량% 이하로 한 것이다.

본 발명에 따르면, 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분이 0.07 중량% 이하인 경우, 구체적으로 중성자 차폐체가 장기간 150 내지 160℃의 상태이더라도, 수산화 알루미늄의 수분이 열분해에 의한 감손량이 거의 없기 때문에, 중성자 차폐체는 수소 함유율을 유지할 수 있다.

또한, 청구항 6의 중성자 차폐체는, 상기 중성자 차폐체를 외주에 갖고, 또한 감마선의 차폐를 실행하는 몸통 본체의 캐비티 내를, 중성자 흡수능을 갖는 복수의 각형 파이프(square pipe steel)를 캐비티 내에 삽입한 상태에서 상기 각형 파이프에 의해 구성된 각형 단면형상의 바스켓의 외형과 일치하는 형상으로 하고, 상기 캐비티 내에 삽입한 바스켓의 각각의 셀 내에 사용 완료 핵연료 집합체를 수용하여 저장하도록 한 것이다.

본 발명에 따르면, 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 주제로 이용함으로써, 구체적으로 20 내지 25 푸아즈 정도의 저점도로 할 수 있어, 작업성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 주제의 수소 함유량을 구체적으로 7.5 내지 8.5 중량%까지 증가시킬 수 있다. 이 주제를 이용한 경우, 경화제로서 유연한 재료를 선택할 수 있고, 또한 사용 가능 시간에 영향을 미치는 경화제로서, 지환식 폴리아민, 폴리아미드 폴리아민, 지방족 폴리아민 및 에폭사이드 부가생성물 등의 배합제를 이용하면, 충분한 사용 가능 시간을 확보할 수 있음과 동시에, 경화시 활성수소의 양을 증가시킬 수 있고, 특히 지환식 폴리아민에 의해서 내열성을 더욱 높인 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 실현할 수 있다. 이 사용 가능 시간은, 예를 들면 상기 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 포함하는 중성자 차폐재를 혼련할 때의 온도가 30℃ 근방인 경우에는 구체적으로 3 내지 3.5 시간정도의 긴 사용 가능 시간을 확보할 수 있어, 주입 가능 시간이 증대함과 동시에, 중성자 차폐재의 대량 혼련을 가능하게 하여, 대형 중성자 차폐체의 형성시 중단 회수를 감소시켜, 중성자 차폐체의 형성에 걸리는 시간과 노동력을 현저하게 경감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 캐스크의 구성을 도시한 사시도,

도 2는 도 1에 도시한 캐스크의 구성을 나타내는 축 방향 단면도,

도 3은 도 1에 도시한 캐스크의 구성을 나타내는 직경 방향 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 캐스크 101 : 몸통 본체

102 : 캐비티 104 : 바닥판

105 : 외부 통 106 : 수지

107 : 내부 핀 108 : 팽창 영역

109 : 뚜껑부 110 : 1차 뚜껑

111 : 2차 뚜껑 115 : 보조 차폐체

116 : 캐스크 본체 117 : 트러니언(trunnion)

118 : 완충체 131 : 셀

132 : 각(角)형 파이프

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 중성자 차폐체 및 그것을 이용한 캐스크의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.

(실시예 1)

우선, 이 발명이 적용되는 중성자 차폐체에 대하여 설명한다. 이 실시예 1에 있어서, 중성자 차폐체는 주제 및 경화제로 이루어지는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지와, 수산화 알루미늄과, 탄화붕소를 혼합한 것이다. 2액 반응 상온 경화형 에폭시란, 문자 그대로 주제와 경화제가 혼합됨으로써 상온에서 경화하는 에폭시 수지이다. 수산화 알루미늄은 대량으로 배합되고, 수소 함유율이 커서 내화재와 중성자 차폐재로서의 기능을 갖는다. 또한, 탄화붕소는 미량으로 배합되고, 중성자의 감속 및 흡수재로서의 기능을 갖는다.

2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지의 주제로는 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 이용한다. 이 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지는 비스페놀 A형의 에폭시 당량(= 184 내지 194)과 거의 같은 에폭시 당량을 갖지만, 비스페놀 A형의 점도(= 120푸아즈)에 비해 점도가 20 내지 25 푸아즈 정도로 저점도화를 실현한다. 또한, 이 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지의 수소 함유율은 7.6 중량%이며, 비스페놀 A형의 수소 함유율 7.1 중량%에 비하여 큰 값을 갖는다.

따라서, 반응성 희석제 함입 장쇄지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지의 주제로서 이용함으로써, 저점도화에 의해 상온 근방에서 작업효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 혼련에 걸리는 시간을 단축함으로써 사용 가능 시간을 벌 수 있어 대량 혼련을 가능하게 함으로써, 대형의 중성자 차폐체 제조시 중단 시간이 감소되고, 매 회의 주입 작업 자체에 걸리는 시간도 그 유동성으로부터 단축되어 전체적인 작업 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 이 반응성 희석제 함입 장쇄지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지는 수소 함유율이 높기 때문에, 내열성 및 중성자 차폐능을 한층 더 증대시킬 수 있다.

한편, 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지의 주제로서, 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 이용하면, 이것에 대응하는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지의 경화제의 선택 폭이 넓어져, 내열성이나 경화 반응속도를 고려하여 재료를 유연하게 선택할 수 있다. 여기에서는 지환식 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물을 배합한 경화제를 이용한다. 구체적인 배합 비율은, 예를 들면 지환식 폴리아민을 30 중량%, 폴리아미드 지방족 폴리아민을 20 중량%, 에폭시 부가생성물을 50 중량%로 하고 있다.

이 경화제의 배합 선택에 따라서, 아민계 경화제와의 경화 반응속도를 느리게 할 수 있으므로, 충분한 사용 가능 시간을 확보할 수 있다. 예를 들면, 혼련시초기온도를 30℃로 일정하게 유지함으로써, 사용 가능 시간을 3 내지 3.5 시간으로 향상시킬 수 있다. 이 결과, 상술한 주제의 저점도외에 작업성이 한층 더 향상된다. 또한, 선택된 지환식 폴리아민은 내열성이 높기 때문에, 수산화 알루미늄의 내화성도 향상된다. 또한, 이 선택된 배합의 경화제의 수소 함유율은 12 ±0.5 중량%을 확보할 수 있기 때문에, 상술한 주제와 더불어 높은 수소 함유율을 충분하게 확보할 수 있다.

또한, 중성자 차폐체에 미량으로 배합되는 탄화붕소는 중성자 흡수능을 갖는것이면 무방하고, 저속 및 열 중성자에 대하여 흡수 단면적이 큰 질화붕소, 무수 붕산, 붕소철, 정붕산(orthoboric acid), 또는 메타붕산(methaboric acid) 등의 무기붕소 화합물을 배합하도록 해도 무방하지만, 탄화붕소가 특히 바람직하다.

(실시예 2)

다음에, 실시예 2에 대하여 설명한다. 상술한 실시예 1의 중성자 차폐체에서는 주제 및 경화제로 이루어지는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지와, 수산화 알루미늄과, 탄화붕소로 구성되어 있지만, 상기 다량으로 배합되는 수산화 알루미늄은 고온 환경하에서 수소 함유율이 저하하는 것으로 알려져 있다. 수소 함유율의 저하는 중성자 차폐체로서의 내열성 및 중성자 차폐능에 영향을 미친다. 이 수산화 알루미늄의 수소 함유율 저하는 고온 환경하에서 수산화 알루미늄의 일부인 수분이 열분해함으로써 발생하는 것이다.

따라서, 고순도의 수산화 알루미늄을 중성자 차폐체에 배합한 경우, 수산화 알루미늄 정제시에 포함되는 소다(Na₂O)분을 낮게 함으로써, 열분해에 의한 수산화 알루미늄의 일부인 수분의 방출이 고온 영역까지 억제되는 경향이 있는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

일반적으로 수산화 알루미늄이 수분의 방출 개시를 실행하는 탈수분 열분해 온도는 245 내지 320℃이지만, 수산화 알루미늄 정제시에 포함되는 소다분을 적게 함으로써, 이 온도 영역까지 수소 함유율을 유지할 수 있는 것으로 생각된다.

수산화 알루미늄의 고순도화는 보오크사이트(bauxite)로부터의 정제시, 충분한 시간을 들여서 수산화 알루미늄을 석출함으로써 가능하다. 일반적으로 시판되는 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분은 0.2 내지 0.3 중량%이며, 이 경우, 수산화 알루미늄의 탈수분 열분해 온도는 120℃ 이상이지만, 소다분을 O.1 중량%로 함으로써 수산화 알루미늄의 탈수분 열분해 온도를 150℃ 근방 이상까지 유지할 수 있었다. 특히, 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분을 0.07 중량% 이하로 함으로써, 150 내지 160℃까지 탈수에 의한 열중량 감손을 억제할 수 있었다. 상기 소다분이 0.07 중량% 이하인 수산화 알루미늄의 정제에는 상술한 석출 시간을 들이는 외에, 예를 들면 시판하는 수산화 알루미늄을 수세함으로써 용이하게 얻을 수 있다.

이 고순도의 수산화 알루미늄을 중성자 차폐체에 배합함으로써, 고온 환경하에서도 수소 함유율을 유지할 수 있다. 특히, 0.07 중량% 이하의 저 소다분으로 함으로써, 150 내지 160℃ 이상까지 수소 함유율을 유지할 수 있다. 이 150 내지 160℃까지 수소 함유율을 유지하는 것은 후술하는 캐스크에 이용되는 중성자 차폐체로서 충분한 것이다.

또한, 실시예 2에서는 고순도의 수산화 알루미늄이 배합되는 중성자 차폐체를, 실시예 1에서 설명한 중성자 차폐체에 이용하는 것을 전제로 설명했지만, 이것은 수산화 알루미늄이 배합되는 중성자 차폐체에 공통으로 적용되는 것이다.

(실시예 3)

다음에, 실시예 3에 대하여 설명한다. 상술한 실시예 1의 중성자 차폐체는 주제 및 경화제로 이루어지는 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지와, 수산화 알루미늄과, 탄화붕소로 구성되어 있지만, 일반적으로 수산화 알루미늄의 탈수분 열분해 온도는 245 내지 320℃로, 이 온도 이하의 영역에서 수소 함유율을 유지하고 싶은 경우가 있다.

여기서, 수산화 마그네슘의 탈수 열분해 온도는 340 내지 390℃이기 때문에, 이 수산화 마그네슘을 중성자 차폐체를 조성하는 내화재로서 이용함으로써, 한층 더 고온 환경하에서 중성자 차폐체의 내열성을 높일 수 있다.

또한, 이 실시예 3에서는 실시예 1에서 설명한 중성자 차폐체에 배합되는 수산화 알루미늄 대신에 수산화 마그네슘을 이용하는 것을 전제로 설명했지만, 상기 수산화 마그네슘의 배합은 중성자 차폐체에 공통으로 적용되는 것이다.

또한, 이 실시예 3에서는 수산화 알루미늄을 대신해서 수산화 마그네슘을 적용하는 것을 설명했지만, 수산화 알루미늄의 일부를 수산화 마그네슘으로 바꾸는 것도 무방하다.

(실시예 4)

다음에, 실시예 4에 대하여 설명한다. 이 실시예 4에서는 상술한 실시예 1내지 실시예 3에서 설명한 중성자 차폐체를 캐스크의 중성자 차폐체로서 적용하는 것이다. 또한, 캐스크는 연소가 종료된 사용 완료 핵연료 집합체를 수용, 저장하는 용기이다. 핵연료 사이클의 종기(終期)에 있어서 연소를 끝내어 사용할 수 없게 된 핵연료 집합체를 사용 완료 핵연료라고 한다. 사용 완료 핵연료는 FP 등 고방사능 물질을 포함하기 때문에 열적으로 냉각해야 하므로, 원자력 발전소의 냉각 피트에서 소정 기간(3 내지 6개월 간) 냉각된다. 그 후, 차폐용기인 캐스크에 수납되어, 트럭이나 선박 등에 의해 재처리 시설로 반송, 저장된다.

도 1은 캐스크를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시한 캐스크의 축 방향 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시한 캐스크의 직경 방향 단면도이다. 캐스크(100)는 몸통 본체(101)의 캐비티(102) 내면을 바스켓(130)의 외주형상에 맞춰 기계가공한 것이다. 캐비티(102) 내면의 기계가공은 전용 가공 장치에 의해서 밀링 커터 등으로 가공한다. 몸통 본체(101) 및 바닥판(104)은 감마선 차폐기능을 갖는 탄소강제의 단조품(鍛造品)이다. 또한, 탄소강 대신에 스테인레스강을 이용하는 것도 가능하다. 몸통 본체(101)와 바닥판(104)은 용접에 의해서 결합한다. 또한, 내압용기로서의 밀폐성능을 확보하기 위해서, 1차 뚜껑(110)과 몸통 본체(101) 사이에는 금속 개스킷을 설치하여 놓는다.

몸통 본체(101)와 외부 통(105) 사이에는 수소를 많이 함유하는 고분자 재료로 중성자 차폐기능을 갖는 수지(106), 즉 상술한 중성자 차폐체가 충전되어 있다. 또한, 몸통 본체(101)와 외부 통(105) 사이에는 열전도를 실행하는 복수의 구리제 내부 핀(fin)(107)이 용접되어 있고, 수지(106)는 내부 핀(107)에 의해서 형성되는 공간에 유동 상태로 도시하지 않은 파이프 등을 거쳐서 주입되어, 냉각 고화된다. 또한, 내부 핀(107)은 방열을 균일하게 실행하기 위해서, 열량이 높은 부분에 높은밀도로 설치하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 수지(106)와 외부 통(105) 사이에는 수㎜의 열 팽창 영역(108)이 설치된다. 열 팽창 영역(108)은 내측에 고온 용융 접착제(hot melt adhensive) 등으로 히터를 매립한 소실형(extingishing type) 외부 통(105)을 배치하여, 수지(106)를 주입 고화한 후에, 히터를 가열하여 용융 배출함으로써 형성한다.

뚜껑부(109)는 1차 뚜껑(110)과 2차 뚜껑(111)으로 구성된다. 1차 뚜껑(110)은 감마선을 차폐하는 스테인레스강 또는 탄소강으로 이루어지는 원반형상이다. 또한, 2차 뚜껑(111)도 스테인레스강제 또는 탄소강제의 원반형상이지만, 그 상면에는 중성자 차폐체로서 수지(112), 즉 상술한 중성자 차폐체가 봉입되어 있다. 1차 뚜껑(110) 및 2차 뚜껑(111)은 스테인레스강제 또는 탄소강제의 볼트(113)에 의해서 몸통 본체(101)에 장착되어 있다. 또한, 1차 뚜껑(110) 및 2차 뚜껑(111)과 몸통 본체(101) 사이에는 각각 금속 개스킷이 설치되어, 내부의 밀봉성을 유지하고 있다. 또한, 뚜껑부(109)의 주위에는 수지(114)를 봉입한 보조 차폐체(115)가 설치되어 있다.

캐스크 본체(116)의 양측에는 캐스크(100)를 매달기 위한 트러니언(117)이 설치되어 있다. 또한, 도 1에서는 보조 차폐체(115)를 설치한 것을 도시했지만, 캐스크(100)의 반송시에는 보조 차폐체(115)를 분리하여 완충체(118)를 장착한다(도 2 참조). 완충체(118)는 스테인레스강재로 구성된 외부 통(120)내에 레드우드재(redwood) 등의 완충재(119)를 조합한 구조이다. 바스켓(130)은 사용 완료 핵연료 집합체를 수용하는 셀(131)을 구성하는 69개의 각형 파이프(132)로 이루어진다.각형 파이프(132)로는 Al 또는 Al 합금 분말에 중성자 흡수 성능을 갖는 B 또는 B 화합물의 분말을 첨가한 알루미늄 복합재 또는 알루미늄 합금을 이용한다. 또한, 중성자 흡수재로는 붕소 외에 카드뮴을 이용할 수 있다.

상술한 캐스크(100)는 100 톤급의 대형 장치로, 실시예 1 내지 실시예 3에서 설명한 중성자 차폐재를 수지(106, 112, 114)로서 이용함으로써, 현저한 경량화와, 충분한 중성자 차폐능 및 내열성을 유지할 수 있음과 동시에, 내부 핀(107)을 갖는 것과 같은 복잡한 구성을 갖는 곳에서도 그 유동성과 사용 가능 시간의 증대에 의해서 수지(106, 112, 114)의 주입 작업에 걸리는 시간과 노동력을 현저하게 저감할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 중성자 차폐체(청구항 1) 및 그것을 이용한 캐스크(청구항 6)에 의하면, 반응성 희석제 함입 장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시를 주제로 이용함으로써, 구체적으로 20 내지 25 푸아즈 정도의 저점도로 할 수 있으므로, 작업성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 주제의 수소 함유량을 구체적으로 7.5 내지 8.5 중량%까지 증가시킬 수 있다. 이 주제를 이용한 경우, 경화제로서 유연한 재료를 선택할 수 있고, 사용 가능 시간에 영향을 미치는 경화제로서, 지환식 폴리아민, 폴리아미드 폴리아민, 지방족 폴리아민 및 에폭사이드 부가생성물 등, 단체 또는 2종 이상 조합한 배합 경화제를 이용함으로써, 충분한 사용 가능 시간을 확보할 수 있음과 동시에, 경화시 활성수소의 양을 많게 할 수 있어,특히 지환식 폴리아민에 의해서 내열성을 더욱 높인 2액 반응 상온 경화형 에폭시를 실현할 수 있다. 이 사용 가능 시간은, 예를 들면 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 포함하는 중성자 차폐재를 혼련할 때의 온도가 30℃ 근방인 경우에는 구체적으로 3 내지 3.5 시간 정도의 긴 사용 가능 시간을 확보할 수 있어, 주입 가능 시간이 증대됨과 동시에, 중성자 차폐재의 대량 혼련을 가능하게 하여, 대형 중성자 차폐체의 형성시 중단 회수를 감소시켜, 중성자 차폐체의 형성에 걸리는 시간과 노동력을 현저하게 경감시킬 수 있다. 이 결과, 중성자 차폐체의 내열성, 중성자 차폐능 및 주입에 걸리는 작업효율을 높일 수 있는 중성자 차폐체 및 캐스크를 실현할 수 있다고 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 중성자 차폐체(청구항 2)에서는 수산화 알루미늄을 배합함으로써 고온 환경하에서 중성자 차폐체의 내열성을 높일 수 있다. 또한, 고온시 다량의 수분방출이 일어나는, 일반적으로 이용되는 수산화 알루미늄의 열분해 온도는 245 내지 320℃이지만, 수산화 마그네슘의 탈수분 열분해 온도는 340내지 390℃이어서, 이 수산화 마그네슘을 중성자 차폐체를 조성하는 내화재로서 일부 또는 전부 이용함으로써, 고온 환경하에서 중성자 차폐체의 내열성을 더욱 높일 수 있기 때문에, 한층 더 고온 환경하에서도 내열성을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 중성자 차폐체(청구항 3)에서는 중성자 흡수재로 탄화붕소를 이용함으로써 바람직한 중성자 흡수 성능을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 중성자 차폐체(청구항 4)에서는, 수산화 알루미늄은 정제시에 불순물로서 소다분이 포함되고, 이 소다분이 높아짐에 따라서, 고온시에 있어서도 수산화 알루미늄에 포함되는 결정수 중의 수분의 일부를 열분해하여 방출하는 경향이 커지는 것에 착안하고, 수산화 알루미늄의 불순물로서의 소다분을 0.1 중량% 이하로 함으로써, 150℃ 정도 근방의 고온 상태에 이를 때까지, 수분의 일부를 열분해하지 않고 수소 함유량을 유지할 수 있어, 이것에 의해서 고온시에서도 수산화 알루미늄의 수소 함유율을 감소시키지 않고 유지할 수 있다. 이 결과, 중성자 차폐체로서의 수산화 알루미늄 본래의 역할인 난연성과 중성자 차폐능을 장기간에 걸친 고온 상태에서도 유지할 수 있는 중성자 차폐체를 실현할 수 있다고 하는 효과를 가진다.

또한, 이 발명의 중성자 차폐체(청구항 5)에서는 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분이 0.07 중량% 이하인 경우, 구체적으로 중성자 차폐체가 장기간 150 내지 160℃의 상태이더라도, 수산화 알루미늄의 수분의 열분해에 의한 감손량이 거의 없고, 중성자 차폐체는 수소 함유율을 유지할 수 있기 때문에, 안정된 난연성과 중성자 차폐능을 유지하는 중성자 차폐체를 실현할 수 있다고 하는 효과를 가진다.

Claims

장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 첨가한 에폭시를 주제(主劑)로 하고, 이것에 지환식 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물을 경화제로 한 2액 반응 상온 경화형 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체.
장쇄 지방족 글리시딜 에테르계 에폭시 수지를 첨가한 에폭시 수지를 주제로 하고, 이것에 지환식 폴리아민, 폴리아미드 지방족 폴리아민 및 에폭시 부가생성물을 경화제로 한 2액 반응 상온 경화형 에폭시와, 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘으로 이루어지는 내화재와, 중성자 흡수재를 배합한 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체.
제 1 항에 있어서,

상기 중성자 흡수재는 탄화붕소인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분을 0.1 중량% 이하로 한 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수산화 알루미늄에 포함되는 소다분을 0.07 중량% 이하로 한 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 중성자 차폐체를 외주에 갖고, 또한 감마선의 차폐를 실행하는 몸통 본체의 캐비티 내를, 중성자 흡수능을 갖는 복수의 각형 파이프를 캐비티 내에 삽입한 상태에서 상기 각형 파이프에 의해 구성되는 각형 단면 형상의 바스켓의 외형과 일치하는 형상으로 하여, 상기 캐비티 내에 삽입한 바스켓의 각각의 셀 내에 사용 완료 핵연료 집합체를 수용하여 저장하도록 한 것을 특징으로 하는 캐스크.