KR20010107978A - 방사성 물질의 핵반응 시 발생하는 중성자를 흡수하기위한 층을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

경제적이고 간단하게 사용될 수 있고 흡수 효율을 상승시키고 기본 재료 및 차폐 소자의 형태에 있어 큰 다양성을 허용하고 공정기술적으로 양호하게 제어될 수 있고 특히 적어도 동일한 흡수 품질로 가벼운 흡수 소자의 제조를 가능하게 하는, 방사성 물질의 핵반응시 발생하는 중성자의 흡수를 위한 층을 제조하는 방법을 제시하기 위해, 방사성 물질의 핵반응에서 발생하는 중성자의 흡수를 위한 층을 제조하기 위한 방법으로서, 기본 물질로 구성된 차폐 소자의 적어도 일부에는, 분산조 내 그의 소정 표면에, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 전해적 또는 자가 촉매적으로 적층할 수 있는 금속 원소로 구성된 층이 제공되고, 거기에 있어 성층 과정 중에는 적어도 일시적으로 성층하려는 표면과 분산조 사이에 상대 운동이 발생되고(주어지고), 또한 거기에 있어 상기한 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소는 분산조 내에 전기 전도성 화합물로 존재하는 방법이 추천되어 있다.

Description

방사성 물질의 핵반응 시 발생하는 중성자를 흡수하기 위한 층을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING A COATING FOR ABSORPTION OF NEUTRONS PRODUCED IN NUCLEAR REACTIONS OF RADIOACTIVE MATERIALS}

특히 핵반응 공학 분야로부터 유래되는 방사성 재료의 처리를 위해서는, 이들 재료들은 각각 예컨대 교환 및/또는 검사를 위해 및 수송 및/또는 저장을 위해, 과제 설정, 재료 및 상태에 따라, 불가피하게 방사되는 중성자에 의한 추가 핵반응을 방지하기 위해 상호 차폐시킨다. 소망하는 중성자 흡수를 달성하기 위해, 통상적으로 흡수 소자는 여러 샤프트, 통, 관 또는 유사한 구조물 형태로 제조되어 중성자 방출 대상물을 둘러싸서 그 대상물을 차폐시킨다. 그러한 흡수 소자의 사용으로 예컨대 중성자를 방출하는 소자, 특히 원자력 시설로부터의 (방사능 물질) 고농도 소자가 콤팩트하게 저장될 수 있다.

EP 0 385 187 A1로부터 고농도 소자 저장대가 알려져 있는데, 거기에서는 흡수 박판들이 수 개의 샤프트를 형성하고 그것들은 고농도 소자를 그 전체 길이에걸쳐 둘러싼다. 이 흡수 소자는 중성자를 흡수하는 재료, 예컨대 붕소 함량 1 내지 2 %를 가진 고급강인 붕소강으로 되어 있는 샤프트 또는 관을 말한다. 필요한 제조 비용과는 별도로 이들 흡수 소자는 대체로 비용이 높고 효율도 붕소 함량이 한정되어 있기 때문에 한정되어 있다. 붕소 함량을 증가시켜 보려고 붕소-니켈-합금의 적층을 시험해 보았다. 그 결과 사실 붕소 함량은 8%에 까지 상승되었지만 비용도 대략 10 배 상승했고, 그래서 그런 관을 경제적으로 사용한다는 것은 고려될 수 없다.

다른 문제, 예컨대 방사성 물질의 수송 및/또는 저장을 위해서는, 용기의 금속 표면 위에 니켈층을 피복하는 방법이 사용된다.

US-PS 4 218 622에는 조합된 흡수 소자가 기재되어 있는데, 그 흡수 소자는 얇은 지지 포일 또는 얇은 지지 박판을 갖고 있고, 그 위에는 탄화붕소 입자가 매립되어 있는 중합체 매트릭스가 형성되어 있다. 지지 포일 또는 지지 박판의 재료로서는 바람직하게는 유리섬유 강화 중합체가 사용된다. 탄화붕소 입자는 붕소 농도 0.1g/㎠ 이하로 중합체 매트릭스의 표면 위에 균일하게 분포된다. 고농도 소자 저장대에서 조합된 흡수 부재를 사용할 때에는, 이 흡수 소자는 7 mm까지의 두께를 갖고, 포일 또는 박판의 형태로 구성되고 내벽과 외벽 사이에 현가된다. 그러나 이 US-PS 4 218 622로부터는 중합체 매트릭스의 표면에 배치된 탄화붕소 입자들의 균질 분포가 장시간에 걸쳐 보장되는가 하는 것은, 특히 있을 수 있는 표면 마모를 고려할 때에도 그럴 수 있는가 하는 것은 추론하기가 쉽지 않다.

EP 0 016 252 A1에는 중성자를 흡수하는 흡수 소자의 제조 방법이 기재되어있다. 이 방법에서는 플라즈마 스프레이에 의해 탄화붕소가 금속 물질과 함께 기질 위에 피복되는데, 이때 사용되는 탄화붕소는 금속 기질로 된 매트릭스 내에 내부 결합되어 있다. 그런데 이 공정은 붕소의 산화가 방지되도록 수행된다. 그렇게 하여 제조된 흡수 소자는, 예컨대 고농도 소자 저장 풀 내에 존재하는 것과 같은 액체 매질에 대해 안정하다고 한다. 플라즈마 스프레이에 의해 형성된 금속과 탄화붕소의 층은 적어도 500㎛이다. 탄화붕소의 분량은 약 50 용적 %이다. 금속 물질로서는 알루미늄, 구리 및 스테인레스 강이 고려될 수 있는데, 기질도 분무된 층과 같은 금속 물질을 함유한다. 효과적인 중성자 흡수를 달성하기 위해서는, 탄화붕소계의 비교적 두꺼운 층이 필요한데, 특히 층의 두께는 3 내지 6mm이다.

DE-AS 1 037 302 및 DE 2 361 363로부터 관, 특히 통조림형 통이 알려져 있고, 그 외면에는 전해 방식으로 방사선 조사에 대한 보호를 위해 흡수 물질이 피복된다. 물리 화학적 상태 변화를 기술적으로 야기하기 위한 공정 기술적 절차와 장치 및 흡수 물질을 피복하기 위한 물질 변환에 관해서는 DE-AS 1 037 302 및 DE 2 361 363로부터는 아무 정보도 도출해 낼 수 없다.

EP 0 055 679 A2로부터는 차폐 소자를 제조하는 방법이 알려져 있는데, 그것에 의하면 탄화붕소는 플라즈마 성층 공법으로 차폐 소자의 표면에 형성되거나 또는 차폐 소자의 전해적 또는 화학적 사전 니켈 도금 후 탄화붕소가 분말로서 표면 위에 살포되고 이어서 차폐 소자가 전해적 또는 화학적으로 재 니켈 도금된다. 이들 공정 후에야 표면 위 니켈의 약 20% 정도의 적은 양의 탄화붕소가 겨우 피복될 수 있다. 따라서 이 경우에는 매우 두꺼운 층이 요구되고 그렇기 때문에 이 선행공법은 비경제적이다. 실제에 있어 이 방법은 더 이상 실용되지 못했는데, 그 이유는 이 방법은 공정 기술적으로도 구체적으로 구현될 수 없었기 때문이다. 살포하는 식으로 분말을 표면에 피복하는 것은 확실한 공업적 생산을 보장하는 조치가 되지 못한다.

전체 선행 기술 방법들 및 그것에 의해 제조되는 차폐 소자들은 제조 비용이 높고 재료 가격이 높다는 의미에서 비경제적인 것으로 간주될 수 있다. 그 위에 차폐 소자의 형태의 다양성 및 응용 가능성의 확대가 한정된다.

붕소강의 제조는 극히 비용이 많이 든다. 강을 용융하고 붕소는 고 비용의 공정을 통해 10 가에까지 정광(순도 상승)하고 용융된 강과 혼합한다. 그래서 붕소 1.1 내지 1.4 중량 %를 가진 붕소강을 얻는다. 이 강은 가공성이 대단히 불량하고 극히 취약하고 용접성도 불량하다. 그 위에 제조된 차폐 소자는 평균 흡수성능의 경우 극히 높은 중량을 갖는다. 예컨대 중량 약 10t을 갖고, 붕소강으로부터 제조된 (방사능) 고농도 소자들의 임시 저장을 위한 저장 내부용기, 소위 케이지(바구니)가 알려져 있다.

WO 98/59344로부터 중성자 흡수를 위한 층의 제조가 알려져 있는데, 거기에서는 원소 형태의 붕소 또는 탄화붕소가 분산조 중에 존재하게 하여, 차폐 소자의 해당 표면에 붕소/니켈층이 피복되게 하고 있다. 사실 여기서는, 높은 붕소 적층율이 달성되지만 원소형 붕소를 사용할 경우 적층율은 한정되고 성층은 경도가 높기 때문에 취성이 높다. 탄화붕소는 전도성이 대단히 불량하여 경우에 따라서는 반도체 성질을 갖고 그렇기 때문에 전해적으로는 제어가 대단히 어렵거나 또는 전혀 불가능하다. 그 위에 성층 속도가 느리고 층 형성이 불량하다. 발생되는 상대 운동에 의해 층 형성에는 어느 정도 우연성이 있게 된다. 그럼으로써 공정은 전체적으로 대단히 비용이 많이 드는데, 그 이유는 사용되는 재료, 고정 수행 등에 있어 공정은 까다롭기 때문이다.

본 발명은 방사성 물질의 핵반응 시 발생하는 중성자를 흡수하기 위한 층(코팅)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그 방법에 따라 제조되는 흡수 소자에도 관한 것이다.

상기 선행 기술에 근거하여 본 발명의 목적은, 경제적이고 간단하게 사용될 수 있고 흡수 효율을 상승시키고 기본 재료 및 차폐 소자의 형태에 있어 큰 다양성을 허용하고 공정 기술적으로 양호하게 제어될 수 있고 특히 적어도 동일한 흡수 품질로 가벼운 흡수 소자의 제조를 가능하게 하는, 방사성 물질의 핵반응시 발생하는 중성자의 흡수를 위한 층 및 차폐 소자를 제조하는 방법을 더욱 개선하는 것이다.

상기 목적의 기술적 해결을 위해, 방사성 물질의 핵반응에서 발생하는 중성자의 흡수를 위한 층을 제조하기 위한 방법으로서, 기본 물질로 구성된 차폐 소자의 적어도 일부에는, 분산조 내 그의 소정 표면에, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 전해적 또는 자가 촉매적으로 적층할 수 있는 금속 원소로 구성된 층이 제공되고, 거기에 있어 성층 과정 중에는 적어도 일시적으로 성층하려는 표면과 분산조 사이에 상대 운동이 발생되고(주어지고), 또한 거기에 있어 상기한 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소는 분산조 내에 전기 전도성 화합물로 존재하는 방법이 추천되어 있다.

피복할 표면과 분산조 사이에 시간적으로 상대 운동을 시키면서 분산조 내에서 예컨대 붕소 니켈층을 형성하면 양호한 결과가 얻어진다는 것이 밝혀졌다. 높은 중성자 포획 부분을 가진 원소의 전도성 화합물의 사용에 의해 양호한 전해 제어성이 얻어지고 또한 놀랍게도 적층 속도가 상당히 개선될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한 극히 얇은 층 두께를 형성할 가능성이 생긴다.

높은 중성자 포착 단면적을 가진 원소로서는 원소 형태이기도 한 붕소 또는 탄화붕소, 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨, 유로퓸 또는 디스프로슘 군으로 된 원소들이 고려될 수 있다. 높은 중성자 포획 단면적은 각 원소의 중성자에 대한 포착 단면적의 크기를 나타낸다. 전도성 화합물로서는 특수한 금속 화합물이 특히 적합하게 사용 가능한 것으로 증명되었다. 예컨대 붕소화철, 붕소화니켈 등과 같은 금속 붕소화물이 언급될 수 있다. 상기 열거는 단지 예시적인 것이고 상기 원소들에서 더 확장될 수 있다. 전도성은, 그다지 까다롭지 않은 경계 조건하에서 높은 허용도 및 재현성으로 공정이 수행될 수 있게 하는 양호한 전해 제어성을 나타낸다.

전해적 또는 자가 촉매적으로 적층 가능한 금속 원소로서는 특히 니켈, 카드뮴 또는 구리가 고려될 수 있다. 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 또는 그의 화합물들은 이들 금속 매트릭스(기반) 내에 혼합되어 상응하는 효과를 낸다.

유리하게는 확대된 중성자 포획 단면적을 가진 각 원소의 동위원소를 사용할 것이 추천된다. 그래서 예컨대 11B의 이용은 0.005 반(barn)의 중성자 포획 단면적을 의미하고 한편 동위원소 10B를 사용하는 것은 3837 반의 중성자 포획 단면적을 의미한다는 것이 알려져 있다. 그럼으로써 최대한 얇은 층 두께가 얻어질 수 있다.

그래서 높은 적층 속도로 인해 극히 높은 효율이 달성된다. 흡수층 두께는800㎛까지의 정도이다. 더욱이 특별한 이점은 공정은 기초 재료에 의존하지 않는 점이다. 유리한 방식으로 무기 기초 재료, 예컨대 강, 고급강, 붕소철, 티탄, 알루미늄, 동, 니켈 등이 그 대응 합금과 함께 사용될 수 있다. 탄소섬유 재료는 그의 유기적 특성에도 불구하고 고려될 수 있다. 탄소섬유 재료는 흡수 소자를 전해기법적으로 제조할 수 있다는 특별한 이점을 갖는다.

또한 본 발명에 따라 흡수 소자를 완성 조립 상태로 또는 개별 부품별로 제작할 수 있는 방법도 있다. 기초 재료에는 의존하지 않기 때문에 대단히 간단히 취급할 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 다른 한편 대단히 복잡한 형태의 흡수 소자, 용기, 케이지 등이 완전히 미리 만들어지고 거기에 이어서 본 발명적 방법으로 피복될 수 있다.

높은 적층 속도로 인해 차단성은 극히 효과적이기 때문에 층은 극히 얇을 수 있다. 따라서 통상적 방법으로 제조될 수 있는 차폐 소자에 대해 50 % 까지의 중량 감소가 달성될 수 있다. 종전 고농도 물질 저장을 위한 용기 프로그램에서 사용되던 저장 내부 용기(케이지)는 종래의 약 10톤으로부터 본 발명에 의한 방법에 따라서는 이제 4 내지 6 톤으로 제작 가능하다.

기초 재료는 완성 부품으로 또는 단위 부품으로 미리 제작될 수 있고 따라서 단위 부품들로부터 완성된 흡수 소자가 형성될 수 있다. 흡수 소자들 또는 부품들을 흡수 소자들로부터 완성된 저장품 또는 지지 케이지에까지 조립하는 것은, 마찰 결합적으로 및/또는 형태(적극) 결합적으로 행해질 수 있다. 본 발명은 또한 완성된 저장품 및 지지 케이지를 피복할 수 있게 한다. 분산조에서의 피복은 화학적으로 또는 전기 분해적으로 행해질 수 있다.

피복하려는 표면과 분산조 사이의 상대적 운동은 예컨대 분산조 내에서 피복하려는 소자를 이동시킴에 의해 이루어진다. 붕소등과 같은 원자는, 종래 방법에 따라서는 분산액의 회전 또는 펌핑 순환이 실제적으로 비경제적으로 행해질 수밖에 없는 성질의 것이다. 각 회전장치 또는 펌핑 순환 장치는 아주 짧은 시간 내에 마모될 것이다. 그러나 상대 운동에 의해 한편으로는 분산액의 추가의 양호한 혼합 또는 반복된 혼합이 달성되고 다른 한편으로는 분산액이 피복할 표면으로 맞는 방향으로 공급되는 것이 달성된다는 것이다. 소자 자체의 운동 외에 전체 피복 장치가 상대 운동을 달성시킬 목적으로 움직일 수도 있다. 그래서 예컨대 드럼을 이용하여 피복을 행하는 방식을 고려해 볼 수 있다. 상대 운동은 처리조의 기계적 동작, 기체, 특히 공기의 취입, 초음파 지원 및 그것들의 조합에 의해 수행될 수도 있다.

추가의 이점이 얻어지도록 본 발명에 따라서는, 분산조 내에 피복할 표면을 위를 향하게 배치할 것이 추천된다. 그래서 중력으로 인해 분산액 내에 입자들이 표면 위에 침강하도록 피복 표면을 분산액 조 내에 배치하는 것을 고려해 볼 수 있다. 이들 본 발명에 의한 배치 방법은, 특히 표면과 처리 욕조 사이의 상대 운동의 시간적 발생과 더불어 피복 결과를 현저하게 양호하게 한다.

특별한 이점으로 본 발명은 피복 공정이 세라믹 용기 또는 유리 용기에서 수행될 것을 추천하고 있다. 이에 의해 분산조의 높은 순도가 보장된다.

본 발명에 의해, 중성자 흡수를 위한 흡수 소자의 제조를 위한 간단히 수행될 수 있고 대단히 효과적인 방법이 얻어지는데, 이 방법에 의해 비슷한 흡수 효율의 경우 공지의 차폐 소자 보다 훨씬 가벼운, 특히 기초 재료 비의존적 흡수 소자가 제조될 수 있다.

그 위에 본 발명은 상기 방법으로 제조된 흡수 소자에도 관한 것이다. 이 소자는 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 니켈로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 피복된 층은, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 또는 그것의 화합물의 분율 60 용적 % 까지, 또는 약 40 용적 %를 갖는다. 층 두께는 350 내지 500㎛로부터 800㎛까지이고, 이 층은 강, 티탄, 구리 등과 같은 무기 기초 재료 위에 형성된다. 2000㎛까지의 층 두께가 실현 가능하다. 성층은 화학적 또는 전해적으로 행해진다. 차폐 소자는 완성 형태로 성층될 수도 있고 또는 개별적으로 성층된 단위 부품들로부터 조립될 수도 있다. 전해질로서는 예컨대 외부 전류 없는 니켈-인 또는 전해 니켈이 고려될 수 있다.

실험 실시에 있어서는, 통상적인 강판을 니켈/탄화수소 분산조에서 전해적으로 피복했다. 그리고 판들을 모두 반 시간씩 욕조 내에 배향되게 하고 시간에 따라 그 판들을 상방 및 하방으로 움직여서 한편으로는 표면과 분산욕조 사이에 상대 운동을 일으키고 다른 한편으로는 매순간 성층하려는 표면이 욕조 내에서 상향 배향되게 하였다. 나중의 분석으로 밝혀진바 탄화붕소는 40 용적 %의 범위에서 니켈 매트릭스 내에 혼입될 수 있었다.

Claims (15)

1. 방사성 물질의 핵반응에서 발생하는 중성자의 흡수를 위한 층을 제조하기 위한 방법으로서, 기본 물질로 구성된 차폐 소자의 적어도 일부에는, 분산조 내 그의 소정 표면에, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 전해적 또는 자가 촉매적으로 적층할 수 있는 금속 원소로 구성된 층이 제공되고, 거기에 있어 성층 과정 중에는 적어도 일시적으로 성층하려는 표면과 분산조 사이에 상대 운동이 발생되고(주어지고), 또한 거기에 있어 상기한 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소는 분산조 내에 전기 전도성 화합물로 존재하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 소자로서, 붕소, 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨, 유로퓸 또는 디스폴륨 군으로 된 원소들 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 전해적 내지 자가촉매적으로 적층될 수 있는 금속 원소로서 니켈, 카드뮴 또는 구리 군으로 된 원소들 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 높은 중성자 포획 단면을 가진 원소의 전도성 화합물로서 금속 화합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소의 전도성 화합물로서 금속 붕소화물이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소는 높은 중성자 포획 단면적을 가진 동위 원소의 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상대 운동이 피복할 소자의 움직임에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항 내지 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상대 운동이 기체의 취입 및/또는 초음파 전송에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 층 형성이 화학적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항 내지 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 층 형성이 전해적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 800 ㎛까지의 두께의 층이 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 그의 화합물이 60 용적 %까지로 금속 매트릭스 내에 혼입되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 분산조가 피복 과정이 행해지는 동안 적어도 일시적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 상기 각 항 중의 어느 한 항에 있어서, 공정이 세라믹 용기 또는 유리 용기 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 흡수 소자가, 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소 및 전해적 및 또는 자가 촉매적으로 적층될 수 있는 금속 원소로 구성되어 그 위에 형성되어 있는 층을 가진 무기 기초 재료로 구성되어 있고, 그 층 내에는 높은 중성자 포획 단면적을 가진 원소가 20 용적 % 이상으로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는, 상기 각 항 중의 한 항에 의한 방법에 따라 제조된 흡수 소자.