KR20030044848A - 중성자 차폐재 및 사용 완료 연료 수납 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 약 150∼200℃의 고온 환경하에서 장기간 사용해도 수소 밀도의 저하가 거의 없는 고분자 재료에 의한 중성자 차폐재를 제공한다.

가열 경화형 에폭시 수지를 채용한다. 주제(主劑)는 비스페놀 A계 에폭시 수지를 비롯한 각종 에폭시 수지, 경화제는 지환식 폴리아민, 폴리아미드 아민, 방향족 폴리아민, 산무수물 등을 이용한다. 이들을 혼합하고, 실온 보다도 높은 온도에서 경화시킨다. 난연성을 부여하는 경우에는 수산화 마그네슘 등의 난연제를 첨가하고, 중성자 차폐 성능을 높이는 경우에는 중성자 흡수재를 첨가한다. 또, 중성자의 감속능을 높이는 경우에는 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 주제로 하거나, 수소화 금속 또는 수소 흡장 합금을 첨가한다. 본 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐 고온 환경하에 있어서도 수소수밀도(水素數密度)가 저하하지 않으므로 중성자 차폐 성능이 저하하지 않고 유효한 차폐재로서 기능한다.

Description

중성자 차폐재 및 사용 완료 연료 수납 용기{NEUTRON SHIELDING MATERIAL AND SPENT FUEL STORAGE CONTAINER}

본 발명은, 중성자 차폐재에 관한 것으로, 특히 원자로 용기, 원자 연료 재처리 시설, 사용 완료 연료 저장 시설 및 가속기 시설 등의 방사성 물질 취급 시설, 방사성 물질의 수송 용기 및 방사성 물질의 저장 용기 등의 방사선 차폐부에 적용하기에 적합한 중성자 차폐재에 관한 것이다.

원자로로부터 취출된 사용 완료 연료 집합체는, 원자력 발전소 내의 냉각 풀에서 일정 기간 냉각하여, 방사선량이나 발열량을 감쇠시킨 후, 연료 재처리 공장 등의 처리 시설로 수송된다. 또, 근래 해외에서는 사용 완료 연료 집합체를 집중 저장 시설(건식 저장 시설)로 수송하여 저장하는 일이 행해지고 있다. 사용 완료 연료 집합체를 원자력 발전소로부터 이들 시설까지 수송하고, 또 저장하기 위해 이용되는 방사성 물질 저장 용기로서, 금속 캐스크가 있다.

금속 캐스크는 용기를 구성하는 외통 내에 내통을 설치하고, 내통의 외면에 열전도성이 높은 동이나 알루미늄 등의 금속판으로 구성되는 전열 핀이 주위 방향으로 간격을 두어 부착되고, 내통의 내측에 금속제 바스켓이 설치된다. 외통과 내통 사이에는 중성자 차폐체인 경화된 레진이 존재한다. 내통은 상방이 개구된 탄소강제의 통이며, γ선 차폐체이다. 금속성 바스켓은 복수의 셀을 구비하고, 각각의 셀 내에 사용 완료 연료 집합체가 충전되어 있다. 금속성 바스켓은 합계 30개 내지 70개의 사용 완료 연료 집합체를 수납한다. 내통의 개구부에는 방사성 물질의 누설을 방지하는 1차 덮개가 부착되고, 또한 그 외측에 2차 덮개가 부착된다.

중성자 차폐체인 레진은 수소 원자를 다수 포함하고, 즉 수소수밀도(水素數密度)가 높은 물질이며, 일반적으로 고분자 화합물이 사용된다. 여러 가지 고분자 화합물 중, 금속 캐스크에서는 내열성과 수소수밀도의 밸런스가 좋다고 하는 특징을 살려서 에폭시 수지가 많이 이용된다. 이 경우에는, 액상의 에폭시 수지 주제(主劑)와 아민계 경화제, 이에 난연성을 부여하는 수산화 알루미늄 및 중성자 흡수체인 탄화붕소를 균일해지도록 혼합하고, 상기 내통, 외통 및 전열 핀에 둘러싸여진 공간에 주입하여 상온에서 경화시켜 사용한다.

다음에, 금속 캐스크 이외에 적용되는 에폭시 수지를 비롯한 열경화성 수지를 이용한 중성자 차폐재에 대하여 설명한다. 일본 특허 공개평6-148388호 공보에는 다관능형 에폭시 수지를 폴리아민 혼합물과 이미다졸 화합물에 의해 상온에서 경화시켜 얻어지는 중성자 차폐재에 대하여 기재되어 있고, 일본 특허 공개평6-180388호 공보에는 페놀수지를 바인더로하여 가압·가열 조건하에서 경화시켜 얻어지는 중성자 차폐재에 대하여 기재되어 있다.

냉각 풀 내에서의 사용 완료 연료 집합체의 보관에 여유를 가지게 하기 위해, 원자력 발전소 내 또는 원자력 발전소 외에 있어서의 건식 저장이 검토되고 있다. 장기적으로는, 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체의 건식 저장, 또는 고연소도(45GWd/톤)의 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 건식 저장이 행해질 가능성도 있다. 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료집합체 및 그 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체는 핵분열 생성 핵종 및 초 우라늄 원소의 붕괴에 수반하는 발열량이 크다. 이와 같은 사용 완료 연료 집합체를 금속 캐스크로 저장하는 경우, 금속 캐스크 1기당 수납하는 개수를 증가시키면, 금속에 비해서 열전도도가 낮은 중성자 차폐재에 걸리는 열부하가 커진다.

본 발명의 목적은, 보다 고온도에서의 사용에 견딜수 있는 중성자 차폐재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 여러 가지의 경화제에 의해, 비스페놀 A형의 에폭시 수지가 경화하여 생성되는 각 경화물의 가열 중량 감소 속도의 실험 결과를 비교한 설명도.

도2는 여러 가지의 에폭시 수지를 가열 경화하여 얻어진 경화물의 가열 중량 감소 속도의 실험 결과를 도시하는 설명도.

도3은 비스페놀 A형 에폭시 수지와 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 혼합한 에폭시 수지 주제(主劑)를 가열 경화하여 얻은 경화물의 가열 중량 감소 속도의 실험 결과를 도시하는 설명도.

도4는 실시예 1의 중성자 흡수재를 적용한 금속 캐스크의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 금속 캐스크

2 : 내통

3 : 외통

4 : 전열 핀

5 : 중성자 흡수재

6 : 금속제 바스켓

상기에서 설명한 목적을 달성하는 본 발명의 특징은, 분자 내에 에폭시기를 두 개 이상 포함하는 화합물을 적어도 하나의 성분으로서 포함하는 주제에, 상기 에폭시기를 개환중합시키는 경화제를 첨가하여, 실온 보다도 높은 온도로 하여 얻어지는 경화물에 의해, 중성자 차폐재를 구성한 것에 있다.

본 발명의 중성자 흡수재는, 150℃∼200℃의 고온도에서 가열된 경우에도, 수소수밀도의 감소 정도가 현저하게 작으므로, 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다. 본 발명의 중성자 흡수재를 적용한 사용 완료 연료 집합체 저장 용기는, 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 장착 개수를 증가할 수 있다.

본 발명 이외의 특징은, 분자 내에 에폭시기를 두 개 이상 포함하는 화합물을 적어도 하나의 성분으로서 포함하는 주제에, 상기 에폭시기를 개환중합시키는 경화제를 첨가하여 경화할 때, 실온 보다도 높은 온도로 하여 얻어지는 경화물에 의해, 중성자 흡수재를 구성한 것에 있다.

본원 발명자들은, 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 및 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체를 금속 캐스크에 장착한 경우의 문제점을 명확하게 하는 동시에, 그 문제를 해소할 수 있는 대안책을 여러 가지 검토했다. 이 검토 결과를 상세하게 설명한다.

냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 및 그 고연소 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체는, 핵분열 생성 핵종 및 초 우라늄 원소의 붕괴에 수반하는 발열량이 크고, 그들의 사용 완료 연료 집합체의 금속 캐스크 1기당 수납하는 개수를 증가한 경우에는, 중성자 차폐재의 온도는 150℃ 내지 200℃가 되는 것을 알았다.

고분자 화합물을 주성분으로 한 중성자 차폐재는, 온도가 높아지면 열과 산소에 의한 열산화 열화, 혹은 γ선이나 중성자에 의한 방사선 열화에 의해 서서히 분해되어, 수소 원자를 소모해 간다. 이에 수반하여, 중성자의 차폐 성능은 조금씩 저하된다. 열화에 의해 수소 원자를 손실하는 속도는 온도가 높은 쪽이 커진다. 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 및 그 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체(고발열의 사용 완료 연료 집합체라 함)를 금속 캐스크 내에 고밀도로 저장하려면 소정의 기간에 걸쳐서 상기에서와 같은 높은 온도에서 사용하더라도 수소 원자의 손실이 늦어서 차폐 성능이 저하되지 않는 중성자 차폐의 개발이 요구된다. 중성자 차폐재가 상기 온도에 있어서의 수소 원자의 손실 속도가 사용 완료 연료 집합체 내의 중성자 방출 핵종의 감쇠 속도를 하회하면, 금속 캐스크 표면의 방사선량은 낮게 억제할 수 있다. 이들 관점에서, 고발열의사용 완료 연료 집합체를 고밀도 저장하기 위한 과제의 하나는, 수소수밀도가 높은 고분자 화합물이면서, 또 고온 조건에서 사용하는 경우에 수소 원자의 손실이 일어나기 어려운 고분자 화합물을 이용하여 중성자 차폐재를 제조하는 데 있다.

본원 발명자들은, 150℃ 내지 200℃의 온도 범위에서도 수소 원자의 손실이 일어나기 어려운 중성자 차폐재의 실현을 위해 여러 가지의 검토를 행했다. 중성자 차폐재로서 내열성, 차폐 성능 및 성형체의 치수안정성 등의 관점에서 에폭시계 수지를 적용한다는 방침으로 개발을 행했다. 여기서 말하는 에폭시계 수지는 주로, 소위 이액경화형을 생각하고 있다. 이액경화형 에폭시 수지는, 분자 내에 에폭시기를 두 개 이상 포함하는 에폭시 수지 주제에 경화제를 첨가하여 경화시킨다. 에폭시 수지는 경화시킬 때의 조건에 따라서, 상온 경화형, 중온 경화형 및 고온 경화형으로 종류가 구별된다. 중온 경화형 및 고온 경화형 에폭시 수지는 합쳐서 가열 경화형 에폭시 수지라고 칭해지는 일도 있다. 이와 같은 분류는, 하나는 에폭시 수지와 경화제의 조합에 의한 것으로, 대충 일예를 들면, 비스페놀 A계의 에폭시 수지를 경화시키는 경우, 지방족 아민계 경화제는 통상 상온 경화용으로 이용되고, 지환식 폴리아민계 경화제 및 폴리아미드 아민계 경화제는 상온 경화형 및 중온 경화형 에폭시 수지로 이용된다. 또 방향족 폴리아민계 경화제 및 산무수물은 고온 경화형 에폭시 수지로 이용된다. 또, 상기 중온 경화형 에폭시 수지라 함은 대략 1차 경화 온도가 40 내지 80℃인 에폭시 수지이며, 고온 경화형 에폭시 수지라 함은 80℃ 이상인 에폭시 수지이다.

일반적으로는, 경화시의 온도가 높을 수록, 즉 상온 경화 보다도 중온 경화,또 그것 보다도 고온 경화 쪽이, 내열성이 높은 경화물을 얻을 수 있음이 알려져 있다. 여기서 말하는 내열성이라 함은 유리 전이 온도나 열왜곡 온도를 지표로 하고, 기계 강도적인 관점에서 사용 가능한 온도 상한을 정하는 것이다. 한 편, 중성자 차폐재에 특유한 내열성의 지표는, 이와 같은 기계 강도적인 것이 아니고, 수소수밀도의 감소 속도, 근사적으로는 가열 중량 감소 속도이다. 본원 발명자들 자신도 에폭시 수지 주제를 여러 가지의 조건에서 경화시켜, 중성자 차폐재에 적용하는 관점에서의 가열 중량 감소 속도(내열성)를 평가했다. 그 결과, 보다 높은 온도에서 경화한 것일 수록 가열한 때의 가열 중량 감소 속도가 느리다는 새로운 지견을 찾아냈다.

도1에 도시한 바와 같이, 비스페놀 A형의 에폭시 수지를 경화제인 지방족 아민 또는 폴리아미드 아민을 이용하여 상온 경화시켜 생성된 경화물 보다도, 비스페놀 A형의 에폭시 수지를 경화제인 방향족 아민 또는 산무수물을 이용하여 가열 경화시켜 생성된 경화물은 200℃에서 가열한 경우에 있어서의 가열 중량 감소 속도가 훨씬 적다. 또, 비스페놀 A형의 에폭시 수지를 경화제인 지환식 아민을 이용하여 가열 경화시켜 생성된 경화물은 비스페놀 A형의 에폭시 수지를 지환식 아민을 이용하여 상온 경화시켜 생성된 경화물 보다도 가열 중량 감소 속도가 분명하게 적다. 또, 비스페놀 A형 이외의 에폭시 수지(예를 들어, 비스페놀 F형, 페놀 노볼락형 및 글리시딜 아민형의 각 에폭시 수지)를, 경화제로서 산무수물을 이용하여 가열 경화시켜 생성된 각 경화물도, 도2에 도시한 바와 같이 가열 중량 감소 속도를 매우 작게 할 수 있는 것을 본원 발명자들은 확인했다. 본원 발명자들은 이들 시험 결과를 기초로, 고온 환경에서 사용하는 중성자 차폐재로서 중온 경화 및 고온 경화 등의 가열 경화형 에폭시 수지를 적용하면 좋다는 결론을 찾아냈다.

한 편, 상기 에폭시 수지 경화물의 원소 조성 분석한 결과, 산무수물 또는 방향족 아민을 이용하여 가열 경화하여 생성된 경화물은 대체로 상온 경화에서 얻어지는 경화물에 비해서 수소수밀도가 낮은 것을 알았다. 그 경우에도, 그들의 경화물로 구성되는 중성자 차폐재의 두께를 증가함으로써, 소정의 중성자 차폐 성능이 얻어진다. 그렇지만, 이하에서 어느 것의 대안에 의해, 경화물의 수소수밀도를 높일 수 있고, 중성자 차폐재의 두께를 증가하지 않아도(또는 그 증가량을 억제하여도) 좋음을 알았다. 즉, 제1 대책은, 비스페놀 A형 에폭시 주제를, 보다 수소를 많이 함유하고 있는 지환식 디글리시딜 에테르 등으로 치환하고, 가열 경화함으로써, 높은 내열성을 유지하면서, 수소수밀도를 높이는 것이다. 제2 대책은, 경화제로서 산무수물 또는 방향족 아민을 이용하는 경우에는, 수소화 티탄 등의 금속 수소화합물을 첨가함으로써, 생성된 경화물의 수소수밀도를 높이는 것이다. 또, 경화제로서 지환식 아민을 이용하는 경우에는, 금속 수소 화합물을 첨가함으로써 경화물의 수소수밀도를 더욱 높일 수 있다. 제3 대책은 경화제로서 산무수물을 이용하는 경우에는 산무수물의 일부를, 주제에 대한 소요량이 적어도 좋은 아민계 경화제로 치환하는 것이다. 이에 의해, 수소 함유율이 높은 주제의 수지에 차지하는 아민계 경화제의 비율을 높여 수소수밀도를 증가시킬 수 있다. 본 발명은, 상기에서 설명한 수소수밀도의 증대 대책의 어느 것을 포함하는 것이다. 가열 경화형 에폭시 수지는 내열성이 높고, 수소 원자의 손실이 느리므로, 장기간에 걸쳐 중성자차폐 성능이 거의 열화하지 않는다. 특히, 제1, 제2 또는 제3 대책에 의해 수소수밀도가 낮고, 중성자 차폐재의 두께가 커지는 것을 억제할 수 있다.

생성된 경화물의 수소수밀도를 높게 하기 위해, 지환식의 글리시딜 에테르를 주제로서 사용하는 방안은 내열성이 우수한 가열 경화형 쪽이 수소수밀도는 낮다고 하는 경험칙을 근거로 하면, 내열성을 저하시키는 것으로 이어진다고 예상된다. 그러나, 본원 발명자들이 행한 시험 결과, 지환식의 디글리시딜 에테르를 통상의 비스페놀 A형의 에폭시 주제에 혼합한 경우, 혹은 주제 전량을 지환식의 디글리시딜 에테르로 한 경우에도 산무수물을 이용하여 가열 경화하면, 200℃로 가열되어도 중량 감소율이 매우 작은 것을 알았다. 이 시험 결과를 가지고, 본원 발명자들은 지환식의 디글리시딜 에테르를 사용하여 중성자 차폐 성능이 우수한 고내열성 중성자 차폐재를 생성할 수 있다는 착상에 이르렀다. 또, 금속수소화물을 중성자 차폐재용의 상온 경화형 에폭시 수지에 첨가하는 것은 수소수밀도를 높이는 방책으로서는 잘 알려져 있다. 그러나, 상온 경화형 에폭시 수지와는 다른 가열 경화형 에폭시 수지의 중성자 차폐재로의 적용시에 첨가하는 경우에는 특유한 문제로서 산무수물 등의 경화제와 수소화 금속의 가열 경화 조건하에서의 반응 속도가 매우 커지고, 수소를 분산시킬 가능성이 있음이 우려된다. 이 문제에 대해서는 발명자들이 행한 가열 경화형 에폭시 수지를 경화제로 경화시킬 때 수소화 금속을 첨가하여 경화물을 얻는 시험 평가의 결과, 수소화금속은 경화제나 주제와 반응하지 않음이 판명되었다. 이 시험 결과를 가지고, 발명자들은 가열 경화형 에폭시 수지에 수소화금속을 첨가함으로써, 수소수밀도를 높일 수 있다는 착상에 이르렀다.

에폭시 수지를 중성자 차폐체로서 사용할 때에는 난연성을 부여하기 위해, 금속산화물의 수화물 등을 난연제로서 첨가하는 일이 있다. 예를 들어, 금속 캐스크에 이용되는 중성자 차폐재는 난연제를 첨가한 중성자 차폐재의 일예이다. 통상적으로는 삼수화 알루미나를 상온 경화형 에폭시에 첨가하여 사용하고 있다. 가열 경화형 에폭시 수지를 중성자 차폐재에 적용하는 경우에는 특유한 것으로서, 가열 경화하고 있을 때에 있어서의 난연제로부터의 탈수를 검토할 필요가 있다. 난연제의 탈수도 중성자 차폐재 전체로는 수소 밀도의 저하, 즉 차폐 성능의 저하로 이어진다. 본 발명의 중성자 차폐재는 주로 150℃ 내지 200℃의 온도 조건에서 사용하는 것을 상정하고 있으므로 에폭시 수지의 경화 과정에서는 최고 약 200℃까지 가열하는 일이 있다. 즉, 가열 경화형에 사용하는 난연제로서는 200℃ 이하의 온도에서 탈수를 시작하는 화합물은, 경우에 따라서는 적용할 수 없게 되며, 난연제를 선정할 때의 기준을 명확히 할 필요가 있다.

삼수화 알루미나는, 일반적으로 탈수 개시 온도는 약 200℃로 되어 있다. 이것은 시차열·열중량 분석법에 의해 매분 수℃의 비율로 비교적 빠르게 승온한 분석에서의 평가이다. 이에 반하여, 발명자들이 보다 신중하고도 정밀한 시차열·열중량 분석을 행한 결과, 약 170℃에서 이미 뜻있는 속도에서 탈수를 시작한 것이 판명되었다. 그 때문에, 가열 경화형 에폭시 수지에는 적용할 수 없는 경우가 있다. 한 편, 수산화 마그네슘은 일반적으로 310℃ 정도부터 탈수를 시작한다고 되어 있지만, 발명자들이 주의깊게 분석한 결과, 이보다도 약간 낮게 290℃ 정도에서 뜻있는 속도로 탈수를 시작하는 것을 알게 되었다. 이 온도는 실제로 가열 경화에제공되는 온도 조건, 즉 최고 약 200℃ 보다도 충분히 높고, 실제 가열 경화 과정에서는 수산화 마그네슘은 거의 탈수하지 않을 것이다. 이것을 확인하기 위해, 수산화 마그네슘을 200℃로 200 시간 보유 지지하여 중량 감소율을 구한 결과, 중량 감소율은 0.1% 이하였다. 이상의 실험 결과로부터, 가열 경화형 에폭시 수지를 중성자 차폐재로서 적용하는 경우, 지환식 폴리아민 및 폴리아미드 아민 등을 경화제로서 이용하여 중온 경화할 때의 난연제는 삼수화 알루미나 및 수산화 마그네슘 중 어느 것을 사용해도 좋고, 방향족 아민 및 산무수물 등을 경화제로서 사용하여 최고 약 200℃의 고온에서 사용할 때의 난연제는 수산화 마그네슘이 적합하다는 난연제 선정 기준이 명확하게 되었다. 수산화 마그네슘이 심하게 탈수하는 온도 단계는 350℃ 부근이다. 상온 경화형 에폭시 수지에는 보다 저온측에서 열분해하는 것이 있으며, 그 경우에는 300℃ 정도에서 가열되는 것을 상정하면 수산화 마그네슘은 난연화재로서의 역할을 다하지 못하는 일이 있다. 이에 반하여, 거의 대부분의 가열 경화형 에폭시 수지가 열분해 하는 온도는 350℃ 부근이다. 따라서, 수산화 마그네슘은 가열 경화형에 적합한 난연제이다. 또, 가열 경화의 과정에서 약간의 탈수가 일어나도 좋은 경우, 예를 들어 탈수하는 만큼을 처음부터 고려하여 차폐 두께를 설정하는 경우에는, 고온에서 가열 경화하는 계에 삼수화 알루미나를 첨가해도 좋다. 또, 일반 산업분야에서 난연제로서 사용되고 있는 인화합물 및 할로겐화물계 난연제를 가열 경화형 에폭시 수지에 첨가하여 중성자 차폐재로서 사용하는 것도 수산화 마그네슘과 마찬가지의 검토에 의해 가능한 것을 확인했다. 이상, 난연제에 관하여 발명자들이 행했던 평가의 결과, 가열 경화형 에폭시 수지를 이용한중성자 차폐재에 첨가하는 난연제의 선정 기준을 명확하게 할 수 있었다.

내열성 고분자재로 만들어진 중성자 차폐재는 중성자 차폐 성능을 보충하기 위해, 중성자 흡수 단면적이 큰 붕산의 화합물 등을 중성자 흡수재로서 첨가하는 일이 있다. 예를 들어, 금속 캐스크에서 사용하는 차폐재는 그 일예이며, 통상, 탄화붕소를 상온 경화형 에폭시 수지에 첨가하여 사용한다. 한편, 가열 경화형 에폭시 수지를 중성자 차폐재로 사용하는 경우에는 특유한 것으로서, 가열 경화할 때 각 성분, 즉 에폭시 수지, 산무수물 등의 경화제, 또는 수산화 마그네슘 등과 중성자 흡수재 성분(탄화붕소 및 질화붕소 등)이 고온 조건에서 반응하는 것이 우려된다. 본원 발명자들이 실험한 결과, 탄화붕소 및 질화붕소는 가열 경화할 때에 가열 경화형 에폭시 수지, 산무수물 등의 경화제 및 수산화 마그네슘 등과 반응하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이상에서 검토한 결과, 가열 경화형 에폭시 수지를 이용한 중성자 차폐재에 중성자 흡수재로서 탄화붕소 및 질화붕소 등의 붕소화합물을 첨가하면, 경화물의 특성을 손상시키지 않고, 중성자 차폐 성능을 개선할 수 있다는 착상에 이르렀다. 마찬가지 검토를 근거로 하면, 붕소화합물 이외에 산화 가돌리늄 및 산화 사마륨 등의 중성자 흡수재도 적용할 수 있다.

이하, 본 발명은 어느 것도 발명자들 자신의 시험 및 평가에 의해, 가열 경화형 에폭시 수지를 중성자 차폐재에 적용할 수 있음을 밝힌 것을 기초로 한다.

또한, 주제는, 비스페놀 A형 에폭시 화합물, 노볼락형 에폭시 수지, 지환식의 글리시딜 에테르형 에폭시 화합물, 각종 글리시딜 에스테르형 에폭시 화합물, 글리시딜 아민형 에폭시 화합물 및 비페닐형 에폭시 화합물을 단독으로 또는 혼합하여 이용할 것이 요구된다.

경화제는 방향족 아민, 지환식 아민 및 폴리아미드 아민 등의 아민계 경화제, 산무수물계 경화제 및 이미다졸계 경화촉진제를 단독으로 또는 혼합하여 이용할 것이 요구된다. 여기서, 경화제의 첨가량에 대하여 이하에 기술한다. 주재료 중의 에폭시 당량과 경화제 중의 활성수소 당량의 비가 0.7-1.3의 범위를 제외하면, 잉여의 주재료 또는 경화제가 다량으로 존재하게 된다. 주재료, 경화제 모두 증기압을 가지고 있으므로 잉여의 주재료 또는 경화제가 존재하는 경화물을 가열하면, 이들이 휘발하여 수소의 감손을 가져오게 된다. 그 때문에, 주재의 에폭시기 당량과 경화제의 활성수소 당량의 비는 0.7 내지 1.3이고, 바람직하게는 1에 가깝도록 함으로써, 가열 중량 감소 속도가 느린 경화물을 얻을 수 있다.

난연제로서는 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄 및 수산화 칼슘 등의 금속수산화물, 그 금속산화물의 수화물, 폴리인산 암모늄 등의 무기 인산 화합물, 인산에스테르 등의 유기 인화합물, 헥사브로모벤젠 및 테트라브로모 비스페놀 A 등의 할로겐 화합물의 어느 것을 단독 또는 몇개 혼합하여 이용하면 좋다. 또, 난연제의 비율을 높임으로써 난연성은 강화되지만, 그것과 트레이드 오프가 되도록 수소수밀도가 감소되고, 또 점도가 높아진다. 그 때문에 난연제의 비율을 30 내지 60 중량%의 범위로 함으로써, 차폐 성능과 내화성 혹은 작업성의 밸런스가 잡힌 차폐재를 얻을 수 있다.

중성자 흡수재로서는 열중성자 흡수 단면적이 큰 동위체를 이용하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 탄화붕소 및 질화붕소 등의 붕소화합물, 산화카드뮴 등의카드뮴 화합물, 산화 가돌리늄 등의 가돌리늄 화합물 및 산화 사마륨 등의 사마륨 화합물이다. 또, 이들은 일반적으로 고가이기 때문에, 중성자 흡수 성능으로부터 최소 비율을 결정하는 동시에, 차페재 비용의 관점에서 최고 비율을 설정할 수도 있다. 발명자들의 차폐 계산 및 비용 평가의 결과에 기초하면 중성자 흡수재의 비율을 0.1 내지 10 중량%의 범위로 함으로써 경제성과 차폐 성능의 밸런스가 잡힌 차폐재를 얻을 수 있다.

또한, 금속수소 화합물로서는 수소화 티탄, 수소 흡장 합금으로서는 마그네슘·니켈합금을 이용하는 것이 바람직하다.

(발명의 실시 형태)

(실시예 1)

비스페놀 A형 에폭시 수지의 주제와 여러 가지의 경화제와의 조합에서는, 산무수물 및 방향족 아민 등을 이용하여 가열 경화시켜 생성된 경화물은, 가열 중량 감소 속도가 작고. 내열성이 우수한 한 편, 수소수밀도가 작은 것은 도1을 이용하여 전술한 바와 같다. 내열성을 유지한 채 수소수밀도를 높이기 위해서는, 주제로서 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 사용한다. 비스페놀 A형 에폭시 수지와 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 여러 가지의 비율로 혼합한 주제를 산무수물 또는 방향족 아민을 이용하여 가열 경화한 경화물에 대하여 200℃에 있어서의 가열 중량 감소 속도를 평가한 실험 결과를 도3에 도시한다. 이 실험에서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지로서는 에폭시 당량이 180∼190g/eq이고, 실온에서의 점도가 약 100dPa·s인 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용하였다. 또, 지환식디글리시딜 에테르형 에폭시 수지로서는, 시판되고 있는 에폭시 당량이 약 240g/eq이고, 실온에 있어서의 점도가 약 35dPa·s인 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용한다. 산무수물계의 경화제로서는, 메틸시클로펜타디엔의 무수말레인산 첨가물을 극소량의 이미다졸 화합물과 혼합하여 사용한다. 방향족 아민계의 경화제로서는 메틸렌디아닐린계의 것을 사용한다.

방향족 아민으로 경화시킨 경우, 주제 중의 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지의 비율이 높아짐에 따라서, 가열 중량 감소 속도가 커진다. 한 편, 산무수물을 이용하여 경화시킨 경우, 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지의 비율이 100%인 경우에서도 가열 중량 감소 속도는 작다. 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지의 비율이 높아짐에 따라서, 경화물 중의 수소수밀도는 높아지고, 중성자 차폐 성능은 높아진다. 이와 같은 지견을 근거로 하여, 본 실시예에서는 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 산무수물로 경화하여 생성된 경화물을 이용한 중성자 차폐재에 대하여 설명한다. 본 실시예의 중성자 차폐재는 주제, 경화제, 경화촉진제로서 상기에서 설명한 물질을 사용하여 제조된다. 본 실시예의 중성자 흡수재는, 이하에서와 같이 하여 제조된 것이다.

주제로서, 에폭시 당량이 약 240g/eq인 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용한다. 주제 100 중량부에 대하여, 경화제로서 산무수물, 예를 들어 메틸시클로펜타디엔의 무수말레인산 첨가물을 약 65 중량부와, 경화촉진제인 2-메틸 4-메틸이미다졸을 0.1 내지 2 중량부를 가한다. 또한, 난연제로서 1차 입자의 평균 입경이 대략 1㎛ 내지 2㎛인 수산화 마그네슘을, 주제 100 중량부에 대하여 130 내지 200중량부를 가한다. 또한, 평균 입경이 100㎛ 이하인 탄화붕소 분말을 주제 100 중량부에 대하여 약 3 중량부를 가한다. 이상의 각 성분을 70℃ 내지 100℃의 범위의 온도에서 일정하게 유지하면서 충분하게 혼련하여 균일화한 후, 미리 가온하여 둔 금형에 주입한다. 이것을 처음에는 약 80℃ 내지 130℃에서 2시간 내지 4시간 정도 가열하여 1차 경화시킨다. 다음에, 약 140℃ 내지 170℃에서 4시간 내지 12시간 정도 유지하여 2차 경화시키고, 그 후 필요에 따라서 약 200℃까지 승온하고, 비교적 단시간의 최종 경화를 행한 후, 서냉한다. 이와 같이 하여 제조된 경화물을 중성자 차폐재로서 사용한다.

이상에서와 같이 제조된 본 실시예의 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐서 150℃∼200℃의 고온으로 가열된 경우에도 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다.

본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크를 도4를 이용하여 설명한다. 금속 캐스크(1)는 용기를 구성하는 외통(외측 용기, 3) 내에 내통(2)을 설치하고, 내통(내측 용기, 2)의 외면에 알루미늄으로 구성되는 전열 핀(4)을 주위 방향으로 간격을 두어서 부착하고 있고, 내통(2)의 내측에 격자형으로 형성된 금속제 바스켓(6)이 설치된다. 상기에서와 같이 제조된 본 실시예의 중성자 흡수재(5)가, 외통(3)과 내통(2) 사이에서 전열 핀에 의해 형성된 각 공간 내에 배치된다. 내통(2)은 상방이 개구된 탄소강제의 통이며, γ선 차폐체이다. 금속성 바스켓(6)은 복수의 셀을 구비하고, 각각의 셀 내에 사용 완료 연료 집합체가 충전된다. 내통(2)의 개구부에는 방사성 물질의 누설을 방지하는 1차 덮개(7)가 부착되고, 또한 그 외측에 2차 덮개(8)가 부착된다. 중성자 흡수재(5)가 1차 덮개(7) 내에도 배치된다. 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체가 금속 캐스크(1)의 금속성 바스켓(6) 내에 70개 장착된 경우에는, 중성자 흡수재(5)의 온도가 그 사용 완료 연료 집합체로부터 방출되는 열에 의해 150℃∼200℃로 상승한다. 그렇지만, 중성자 흡수재(5)는 장기간에 걸쳐서 150℃∼200℃의 고온도에서 가열된 경우에도 중성자 차폐 성능이 저하되지 않기 때문에, 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 열료 집합체의 사용 완료 연료 집합체가 70개 장착된 경우에도 금속 캐스크(1)의 중성자 차폐 성능은 저하되지 않는다. 이와 같이, 금속 캐스크(1)는, 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 장착 개수를 약 60개 이상으로 증가할 수 있다. 본 실시예의 중성자 흡수재는 원자로 용기, 원자 연료 재처리 시설, 사용 완료 연료 저장 시설 및 가속기 시설 등의 방사성 물질 취급 시설의 150℃∼200℃의 고온부의 차폐재로서도 적용 가능하다. 이들의 시설에의 적용은 후술하는 실시예 2∼5에서도 가능하다.

에폭시 수지 주제는 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지 단독이 아니라, 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지와 비스페놀 A형 에폭시 수지와의 혼합이어도 좋다. 또, 혼합하는 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지뿐만 아니라, 비스페놀 F형 에폭시 수지이어도 좋고, 비스페놀 에폭시형 에폭시 수지 및 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지이어도 좋다. 또, 글리시딜 에테르형 에폭시 수지 이외에도 글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 비페닐형에폭시 수지 및 나프탈렌형 에폭시 수지의 어느 것이라도 좋다. 한 편, 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지에 대해서는, 그 이외의 에폭시계 화합물로 분자내에 포함되는 수소수가 많은 지환식 등의 각종 에폭시계 화합물로 변경해도 좋다. 가열 경화에 적합한 주제와 경화제의 조합이라면 경화물 중의 수소수밀도가 5 ×10²²개/㎤ 이상이 되도록, 주제와 경화제의 조합을 결정해도 좋다.

본 실시예에서는 경화제로서 메틸시클로펜타디엔의 무수말레인산 첨가물을 사용하는 예를 설명했지만, 그 이외의 경화제로서 무수프탈산, 무수말레인산, 무수메틸나딕산, 무수호박산, 무수피로메리트산, 무수크로렌딕산 등, 이들의 변성물 등의 공지 산무수물을 이용할 수도 있다. 또, 각종 공지의 무수물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 또, 경화에 충분한 시간을 들이는 것이라면, 상기한 이미다졸계를 비롯한 경화 촉진재는 첨가할 필요는 없다.

또, 본 실시예에서는 난연제로서 수산화 마그네슘을 사용하고 있지만, 난연성을 부여할 필요가 없는 용도로 이용하는 중성자 차폐재이면 난연제를 첨가할 필요는 없다. 난연제를 첨가하는 경우에는 가열 경화에 따른 수소수밀도의 저하를 고려한 중성자 차폐재를 제조하는 경우에는 수산화 마그네슘 대신에 수산화 알루미늄을 이용해도 좋다. 또, 난연제로서는 수산화 칼슘 및 하이드로가네트 등도 사용 가능하다. 또, 수산화 마그네슘의 첨가량에 대해서는 상기에서는 약 80℃ 정도에서 혼련하는 것을 전제로 한 경우의 점성과 가사시간(可使時間), 게다가 난연성 부여의 관점에서 첨가량을 결정한 것이지만, 반대로 점성이 최대라도 200g/eq·s을넘지않는 것이라면, 그 범위에서 혼연 온도에 맞추어 첨가량을 변경해도 좋다. 마찬가지로, 점도가 200g/eq·s 이하인 시간이 적어도 1시간 이상 계속되는 관점에서 첨가량을 결정해도 좋고, 경화물의 산소 지수가 20을 초과하는 관점에서 난연제의 첨가량을 결정해도 좋다.

또 중성자 흡수재는, 탄화붕소 이외에 질화붕소 등의 붕소화합물을 첨가해도 좋다. 용도에 따라서는 중성자 흡수재를 첨가하지 않아도 좋다. 붕소화합물을 산화 카드뮴, 산화 가돌리늄 혹은 산화 사마륨으로 대체해도 좋다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 주제로서 이용하고, 경화제로서는 산무수물과 아민계의 경화제를 혼합해서 이용하여 얻어지는 가열 경화형 에폭시 수지를 중성자 차폐재로서 사용하는 예를 설명한다.

주재료인 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지로서는, 실시예 1과 마찬가지의 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용한다. 경화제 중 산무수물에 대해서는 실시예 1과 마찬가지의 메틸시클로펜타디엔의 무수말레인산 부가물을 이용한다. 본 실시예에 있어서의 경화제는 메틸시클로펜타디엔의 무수말레인산 부가물과 지환식 폴리아민을 혼합하여 이용한다. 또한, 이미다졸 화합물을 경화촉진제로서 사용한다. 난연제 및 중성자 흡수재는, 실시예 1과 마찬가지로 각각 수산화 마그네슘과 탄화붕소를 사용한다.

산무수물을 단독으로 사용하는 경우, 주제에 대한 산무수물의 첨가량은, 주제의 에폭시 당량과 산무수물 당량과의 화학량론적인 관계로 결정된다. 산무수물의 수소 함유율은 비교적 적고, 단독경화계에서는 주제 중에 많이 포함되는 수소를 산무수물을 첨가함으로써 희석시키고 있는 상황이 되고 있다. 그래서 본 실시예에서는 산무수물의 첨가량을 감소하고, 경화제로서 부족한 부분을 아민계의 경화제를 가함으로써 유지한다. 소정량의 주제를 경화하는 데 필요한 경화제의 양은 산무수물에 비하면 아민계의 경화제는 일반적으로 절반 내지 3분의 1이다. 따라서, 산무수물의 일부를 아민계 경화제로 변경함으로써, 수지 중의 주제의 비율을 상대적으로 높일 수 있고, 그 만큼 수소수밀도를 높이는 것이 가능해진다. 본 실시예에서는 주제 중의 전 에폭시기의 약 30%를 아민계의 경화제와 반응시키고, 나머지를 산무수물과 반응시키는 배합비를 일예로서 기재한다. 주제인 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 100 중량부, 경화제 중 산무수물은 45 중량부, 또 지환식 폴리아민은 약 8 중량부, 난연제인 수산화 마그네슘은 약 150 중량부 및 중성자 흡수재인 탄화붕소의 첨가량은 약 3 중량부로 한다. 이들을 약 80℃에서 혼련하여 균일화하고, 얻어진 혼련물을 금형에 주입하여 실시예 1과 마찬가지로 가열 경화한다. 가열 경화에 의해 얻어진 경화물을 중성자 차폐재로서 사용한다.

이상에서와 같이 제조된 실시예의 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐서 150℃∼200℃의 고온도에서 가열된 경우에도, 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다. 본 실시예의 중성자 차폐재는 실시예 1 보다도 더욱 수소수밀도를 높게 할 수 있다. 본 실시예의 중성차 차폐재를 적용한 금속 캐스크는 본 실시예의 중성자 차폐재를 중성자 흡수재(5, 도4 참조)로서 이용하고 있다. 본 실시예의 중성차 차폐재를 적용한 금속 캐스크(1)는 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 장착 개수를 약 60개 이상으로 증가할 수 있다.

주제, 무수물, 난연제 및 중성자 차폐재에 대해서는 실시예 1과 마찬가지로 다른 물질로 변경할 수 있다. 또 경화제 중 지환식 폴리아민에 대해서는 가열 경화가 가능한 것이면, 어느 공지 화합물을 사용해도 문제는 없다.

(실시예 3)

본 실시예에서는, 산무수물 등을 이용한 가열 경화계에 수소화 티탄을 첨가하여 얻어지는 수지를 중성자 차폐재로 하는 예에 대하여 설명한다.

비스페놀 A형 에폭시 수지를 주제로 하고, 산무수물을 경화제로서 사용한다. 경화 반응을 1일 정도로 종료시키는 경우에는 이미다졸 화합물 등의 경화촉진제를 사용한다. 이들에 난연제로서 수산화 마그네슘, 중성자 흡수재로서 탄화붕소, 또한 수소화 티탄을 첨가한다. 이들의 혼합물 중에서, 수산화 마그네슘의 비율은 약 30%, 탄화붕소의 배합비는 약 3% 이하, 수소화 티탄의 비율은 20% 내지 30%로 하고, 나머지를 비스페놀 A형 에폭시 수지로 한다. 이들을 약 80℃에서 혼련하여 균일화한 후에 금형에 주입하고, 실시예 1에 기재한 경화 조건에 있어서 제조된 경화물을 중성자 차폐재로서 사용한다.

주제는 비스페놀 A형 에폭시 수지 이외에 그 변성물이나 각종 노볼락형 에폭시 수지 등의 글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지 등이어도 좋다. 또, 실시예 1과 마찬가지로 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 혼합한 것이라도 좋다.또, 경화제는 산무수물 이외에서는 가열 경화용의 각종의 공지 아민계 경화제로 변경해도 좋다.

난연제나 중성자 흡수재는 실시예 1과 마찬가지로 변경할 수 있다. 수소화 티탄은 마그네슘·니켈합금 등의 수소 흡장 합금 등으로 변경해도 좋다.

이상에서와 같이 제조된 본 실시예의 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐 150℃∼200℃의 고온도에서 가열된 경우에도, 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다. 이상, 본 실시예에 따르면, 장기간에 걸쳐 가열을 받은 경우에도, 차폐 성능이 저하되지 않는 중성자 차폐재를 얻을 수 있다. 금속 수소화물을 사용하여 차폐재의 수소수밀도를 높게 하고 있으므로, 내열성과 차폐 성능이 우수한 중성자 차폐재를 얻을 수 있다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크는 본 실시예의 중성자 차폐재를 중성자 흡수재(5, 도4 참조)로서 이용하고 있다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크(1)는 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체를 약 60개 이상으로 증가할 수 있다.

(실시예 4)

도3에 도시한 결과에서, 방향족 아민계의 경화제를 사용하는 경우, 주제(비스페놀 A형 에폭시 수지와 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지와의 혼합물) 중의 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지의 비율이 높아지면, 수소수밀도가 높아지는 반면, 가열 중량 감소 속도가 커진다. 그렇지만, 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지가 50 중량% 정도의 비율까지라면, 150℃ 이상이라고 하는 고온 조건에 있어서도 충분하게 사용가능하다. 본 실시예에서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지와 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 혼합한 주제를 방향족 아민에 의해 가열 경화하여 얻어지는 경화물을 중성자 차폐재로서 사용하는 예에 대하여 설명한다.

본 실시예에서 사용하는 소재는, 도3의 결과로 얻어진 실험에 이용한 소재와 같은 것을 사용한다. 즉, 주재료로서 에폭시 당량이 180 내지 190g/eq 정도의 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 에폭시 당량이 240g/eq 정도의 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 이용하고, 방향족 아민으로서는 메틸렌디아닐린계의 것을 사용한다.

주제는 비스페놀 A형 에폭시 수지를 50 중량부와 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지를 50 중량부를 혼합하여 이용한다. 이에 방향족 아민을 약 30 중량부 첨가한다. 이에 난연제로서 수산화 마그네슘을 100 내지 160 중량부를 첨가하고, 또 탄화붕소를 약 3 중량부 첨가한다. 이들을 70℃ 내지 100℃의 온도에서 일정하게 하여 충분하게 혼련하고, 균일화한다. 그들의 혼련물인 그 액상수지를 금형에 주입한다. 그 후, 금형에 주입한 혼련물을 처음에 80℃ 내지 120℃에서 약 2시간 정도 가열하여 1차 경화시킨다. 다음에, 그 혼련물을 또 120℃ 내지 180℃에서 4시간 내지 12시간 가열하여 2차 경화시키고, 그 후, 필요에 따라 약 200℃까지 승온하여 비교적 단시간의 최종 경화를 행한 후 서냉한다. 이와 같이 하여 제조된 경화물을 중성자 차폐재로서 사용한다.

이상에서와 같이 제조된 본 실시예의 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐 150℃∼200℃의 고온도에서 가열시킨 경우에도 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크는 본 실시예의 중성자 차폐재를중성자 흡수재(5, 도4 참조)로서 이용하고 있다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크(1)는 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 장착 개수를 약 60개 이상으로 증가할 수 있다.

주제로서 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지와 조합시킨 에폭시 수지로서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지 이외에, 실시예 1에 있어서 열거한 노볼락형 에폭시 수지를 비롯한 등의 각종 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 또, 수첨 비스페놀 A형 에폭시 수지는, 분자 내에 다수의 수소원자를 포함하는 지환식 에폭시 등의 각종 에폭시 화합물로 변경해도 좋다. 경화물의 수소수밀도가 5 ×10²²개/㎤로 하는 관점에서 주제나 경화제를 결정할 수 있다.

경화제는 가열 경화용이면, 어느 공지 방향족 아민계 경화제라도 문제없이 사용할 수 있다. 난연제 및 중성자 흡수재에 대해서도, 실시예 1과 마찬가지로 다른 물질로 변경할 수 있다.

(실시예 5)

다음에 비스페놀 A형 에폭시 수지를 지환식 폴리아민계 경화제 단독으로 경화시켜 얻어지는 중성자 차폐재에 대하여 설명한다. 주재료인 범용 비스페놀 A형 에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 지환식 폴리아민을 약 30 중량부 첨가하고, 또, 삼수화 알루미나를 150 내지 200 중량부를 가한다. 또, 탄화붕소 분말을 예를 들어 3 중량부 첨가하고, 당온에서 충분하게 혼합하고 균일화한다. 이 혼합물인 액상수지를 금형에 주입하여 실온에서 1일 이상, 바람직하게는 7일 정도에 걸쳐 경화시킨다. 그 후, 약 120℃ 내지 150℃에서 2차 경화시킨다. 또, 180℃ 내지 200℃까지 상온하여 비교적 단시간의 최종 경화를 행하고 서냉한다. 경화 조건은 1차 경화 온도를 약 40℃로부터 서서히 승온시켜 약 90℃로 하고, 그 후 상기 조건에서 2차 경화시키도록 해도 좋다.

이와 같이 하여 얻어진 경화물을 금속 캐스크의 내통의 외측에 부착한다.

이상에서와 같이 제조된 본 실시예의 중성자 차폐재는 장기간에 걸쳐 150℃∼200℃의 고온도에서 가열시킨 경우에도, 중성자 차폐 성능이 저하되지 않는다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크는 본 실시예의 중성자 차폐재를 중성자 흡수재(5, 도4 참조)로서 이용하고 있다. 본 실시예의 중성자 차폐재를 적용한 금속 캐스크(1)는 냉각 풀에서의 냉각 기간이 짧은 사용 완료 연료 집합체 또는 고연소도 연료 집합체의 사용 완료 연료 집합체의 장착 개수를 증가할 수 있다. 또, 이상 본 실시예에 따르면, 장기간에 걸쳐 가열을 받는 경우에도 차폐 성능이 저하되지 않는 중성자 차폐재를 얻을 수 있다. 실온에서 1차 경화를 행함으로써, 시공시의 열부하를 작게할 수 있다. 또, 전열 시험을 행할 때 2차 경화를 행하는 것도 가능해진다.

주제는 비스페놀 A형 에폭시 수지 이외의 각종 글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지 및 비페닐형 에폭시 수지의 어느 것으로 변경해도 좋다. 또, 비스페놀 A형 에폭시 수지는 가교도를 작게하거나 희석제 등을 이용하여 점성을 낮추어 사용해도 좋고, 탄성을 낮추도록 변성된 타입의 것을 이용해도 좋다. 또, 지환식 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지 등의 수소 함유율이 높은 에폭시 화합물을 비스페놀 A형 에폭시 수지를 비롯한 각종 에폭시 수지와 혼합하거나 또는 단독으로 주제로 하는 등에 의해 수소수밀도의 높은 경화물이 얻어진다. 어느 에폭시 수지를 이용하는 경우에도, 가열한 후 경화함으로써 장기간에 걸쳐 차폐 성능이 열화하지 않는 차폐재를 얻을 수 있다.

난연제나 중성자 흡수재는, 실시예 1과 마찬가지로 변경하는 것이 가능하다.

본 발명의 중성자 차폐재는 150℃∼200℃의 고온도로 가열시킨 경우에도 중성자 차폐 성능이 저하하기 어렵고, 그 온도 범위에 있어서의 중성자 차폐 능력을 향상할 수 있다.

Claims (23)

1. 에폭시 수지를 주성분의 하나로 하는 중성자 차폐재에 있어서,

   분자 내에 에폭시기를 두 개 이상 포함하는 화합물을 적어도 하나의 성분으로서 포함하는 주제에, 상기 에폭시기를 개환중합시키는 경화제를 첨가하여, 실온 보다도 높은 온도로 하여 얻어지는 경화물로 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
2. 에폭시 수지를 주성분의 하나로 하는 중성자 차폐재에 있어서,

   분자 내에 에폭시기를 두 개 이상 포함하는 화합물을 적어도 하나의 성분으로서 포함하는 주제에, 상기 에폭시기를 개환중합시키는 경화제를 첨가하여 경화할 때, 실온 보다도 높은 온도로 하여 얻어지는 경화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주제는 피스페놀 A형 에폭시 화합물, 노볼락형 에폭시 수지, 지환식 글리시딜 에테르형 에폭시 화합물, 각종 글리시딜 에스테르형 에폭시 화합물, 글리시딜 아민형 에폭시 화합물 및 비페닐형 에폭시 화합물을 단독으로 또는 혼합하여 이용하고, 상기 경화제는 방향족 아민, 지환식 아민 및 폴리아미드 아민 등의 아민계 경화제, 산무수물계 경화제 및 이미다졸계 경화 촉진제를 단독으로 또는 혼합하여 이용하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주제에 첨가되는 난연제가 상기 경화물에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
5. 제4항에 있어서, 상기 난연제는 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 수산화 칼슘 등의 금속 수산화물, 상기 금속 산화물의 수화물, 폴리인산 암모늄 등의 무기 인산 화합물, 인산 에스테르 등의 유기 인화합물, 헥사브로모벤젠 및 테트라브로모 비스페놀 A 등의 할로겐 화합물 중 어느 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주제에 첨가된 중성자 흡수재가 상기 경화물에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
7. 제6항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 붕소화합물, 카드뮴 화합물, 가돌리늄 화합물 및 사마륨 화합물 중 어느 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주제에 첨가된 금속 수소 화합물 또는 수소 흡장 합금이 상기 경화물에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
9. 제3항에 있어서, 상기 경화제로서 아민계 경화제를 이용하는 경우에 있어서, 상기 주제에 포함되는 에폭시기의 당량에 대하여, 상기 아민계 경화제에 포함되는 활성수소기의 당량의 비율이 또는 아민계 경화제와 산무수물계 경화제를 혼합할 때에는 활성수소기의 당량과 산무수물의 당량의 합계의 비율이 0.7∼1.3의 범위가 되는 상기 주제와 상기 경화제의 배합비인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
10. 제5항에 있어서, 상기 난연제로서 금속 수산화물 또는 그 금속 산화물의 수화물을 사용할 경우, 그 비율이 30 내지 60 중량%이 되도록 상기 주제에 첨가하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
11. 제7항에 있어서, 상기 중성자 흡수재로서 탄화붕소 또는 질화붕소를 이용할 경우, 그 비율이 0.1 내지 10 중량%가 되도록 상기 주제에 첨가하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 성분의 배합비는 30℃ 내지 100℃에 있어서의 상기 주제 및 상기 첨가물의 액상혼합물의 점도가 적어도 첨가 직후에 있어서 200dPa·s를 초과하지 않는 배합비인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중성자 차폐재에서, 각 성분의 배합비는 30℃ 내지 100℃에 있어서의 상기 주제 및 상기 첨가물의 혼합물의 점도가 200dPa·s를 초과하지 않는 시간이 적어도 1시간 이상 계속되는 배합비인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중성자 차폐재에서, 각 성분의 배합비는 상기 주제와 상기 첨가물의 경화물에 있어서의 수소수밀도가 5 ×10⁵수소원자/㎤ 이상이 되는 배합비인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
15. 제4항에 있어서, 상기 난연제의 배합비는 가열 후 상기 경화물의 산소 지수가 20을 초과하는 배합비인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
16. 제4항에 있어서, 상기 난연제로서 수산화 마그네슘을 이용하는 경우에는 수산화 마그네슘의 평균 입경이 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 첨가물이 첨가된 상기 주제를, 처음에 30℃ 내지 130℃에서 반응시켜 1차 경화시키고, 그 후, 130℃ 내지 180℃에서 2차 경화시켜 얻어진 상기 경화물에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 첨가물이 첨가된 상기 주제를 처음에 실온에서 반응시켜 1차 경화시키고, 그 후, 60℃ 내지 180℃에서 2차 경화시켜 얻어진상기 경화물에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
19. 외측 용기와, 상기 외측 용기 내에 설치된 내측 용기와, 상기 내측 용기 내에 설치되고, 사용 완료 연료 집합체를 수납하는 바스켓과, 상기 외측 용기와 상기 내측 용기 사이에 배치된 청구항 제1항 또는 제2항에 따른 중성자 차폐재를 구비한 것을 특징으로 하는 사용 완료 연료 집합체 저장 용기.
20. 제4항에 있어서, 상기 주제에 첨가된 중성자 흡수재가 상기 경화물에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
21. 제4항에 있어서, 상기 주제에 첨가된 금속 수소 화합물 또는 수소 흡장 합금이 상기 경화물에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐재.
22. 제19항에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 중성자 흡수재를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용 완료 연료 집합체 저장 용기.
23. 제19항에 있어서, 상기 차폐재는 난연제를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용 완료 연료 집합체 저장 용기.