KR20080081476A - 고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능평가방법 - Google Patents

고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능평가방법 Download PDF

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KR20080081476A KR1020070021496A KR20070021496A KR20080081476A KR 20080081476 A KR20080081476 A KR 20080081476A KR 1020070021496 A KR1020070021496 A KR 1020070021496A KR 20070021496 A KR20070021496 A KR 20070021496A KR 20080081476 A KR20080081476 A KR 20080081476A
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주준식
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강희영
김호동
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법에 대한 것으로, 더욱 구체적으로, 본 발명은 복수 개의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중성자 감속재 구조물을 제작하고, 상기 구조물에 다양한 범위의 조사 선량으로 감마선을 조사하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 감마선 조사된 구조물을 대상으로 중성자 선원과 중성자 검출기를 사용하여 실험적으로 중성자를 측정하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2 이후에 얻은 구조물 시편에 대한 원소 함량 및 분자구조 분석을 수행하여 HDPE 중성자 감속재 구조물의 중성자 감속능을 평가하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법을 제공함으로써, 중성자 감속재로 사용되고 있는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 변화를 평가하는 방법을 찾아내고, 실험 및 이론적인 방법으로 감속능 변화의 원인을 규명하여, HDPE가 핵물질 계량을 위한 중성자 감속재로 이용될 때에 그 중성자 검출 시스템은 실험 자료 분석의 정확성을 더욱 높일 수 있다.
고밀도 폴리에틸렌, HDPE, 중성자 감속재, 감속능, 감마선 피폭, 평가방법

Description

고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법{Method for evaluation of neutron moderating power variation due to the gamma-ray exposure of high density polyethylene}
도 1은 HDPE 중성자 감속재에 대하여 중성자 계수율을 측정할 수 있는 중성자 검출 시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속재의 시간경과에 따른 중성자 계수율의 변화 그래프를 나타내고,
도 3은 파수 500~4000 cm-1 범위에서 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속재의 FT-IR 분광법(Fourier Trnsform Infrared Spectrometry) 스펙트럼을 나타내고,
도 4는 파수 500~1000 cm-1 범위에서 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속재의 FT-IR 스펙트럼을 나타내고,
도 5는 파수 1000~1500 cm-1 범위에서 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속재의 FT-IR 스펙트럼을 나타내고,
도 6은 파수 1600~1950 cm-1 범위에서 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속 재의 FT-IR 스펙트럼을 나타내고,
도 7은 파수 1950~2100 cm-1 범위에서 본 발명의 비조사 및 조사 HDPE 감속재의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
본 발명은 고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법에 대한 것이다. 특히, 중성자 감속재로 사용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 변화를 평가하는 방법을 찾아내고, 실험 및 이론적인 방법으로 중성자 감속능 변화의 원인을 규명할 수 있는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법에 대한 것이다.
고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, 이하 HDPE라 함)은 높은 감속능, 낮은 재료 가격, 손쉬운 제조법 등으로 인해 특수 핵물질 계량을 위한 중성자 측정 시스템에서 중성자를 감속시키기 위해 널리 사용되고 있는 중성자 감속재이다. 그러나 HDPE는 방사선 환경에 노출되는 경우, 방사선 에너지 흡수, 방사선 유도 산화 등으로 인한 화학적 구조변화가 일어나게 되고 또한, 그 중성자 감속능도 변하게 된다.
HDPE 중성자 감속재의 방사선 피폭 효과는 습식 재처리와 같이 최종 산출물에 핵분열 생성물이 포함되지 않는 경우의 핵물질 계량에서는 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 건식처리에서와 같이 최종 산출물의 핵물질 내에 핵분열 생성물이 잔존하는 경우, HDPE 중성자 감속재는 핵분열 생성물에서 방출되는 감마선(방사선)에 의해 영향을 받게 된다. 이런 경우, HDPE의 중성자 감속능은 그 분자구조의 변화, 팽윤(swelling), 방사선 유도 산화 등으로 인해 변화될 수 있다. 그러므로, 핵물질 계량 측정에서 얻은 자료를 정확하게 분석하기 위해서는 방사선 피폭에 따른 HDPE의 중성자 감속능 변화량을 확인하는 것이 필요하다.
한편, 중성자 감속재 재료의 효력을 나타내는 감속능(Moderating Power, MP)은
Figure 112007018141141-PAT00001
로 정의되는데, 상기 정의는 산란 충돌의 빈도와 충돌당 에너지 손실을 고려한 것이다. 여기서,
Figure 112007018141141-PAT00002
는 산란 충돌 당 평균 대수 에너지 감소이며,
Figure 112007018141141-PAT00003
(=
Figure 112007018141141-PAT00004
)는 거시적 산란 단면적이다. 산란과정에서 탄성 충돌이 지배적이라면,
Figure 112007018141141-PAT00005
는 질량수 A를 갖는 원소에 대해서 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112007018141141-PAT00006
이때, 감속재가 n개의 원소로 구성되어 있다면, 복합물 형태의 감속재의 감속능은 하기 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112007018141141-PAT00007
상기 식에서,
Figure 112007018141141-PAT00008
는 감속재의 밀도,
Figure 112007018141141-PAT00009
는 아보가드로 수,
Figure 112007018141141-PAT00010
은 분자량,
Figure 112007018141141-PAT00011
는 한 분자 내 원소 i의 원자수,
Figure 112007018141141-PAT00012
는 원소 i의 미시적 산란 단면적 및
Figure 112007018141141-PAT00013
는 원소 i의 대수 에너지 감소이다. 따라서, 중성자 감속능은 수학식 2에 나타난 바와 같이, 밀도(
Figure 112007018141141-PAT00014
), 평균 대수에너지 감소(
Figure 112007018141141-PAT00015
)및 감속재를 구성하고 있는 원소의 산란 단면적(
Figure 112007018141141-PAT00016
)에 비례하며, 그리고 분자량에 반비례한다.
따라서, 중성자 감속재의 감속능 변화는 HDPE의 분자구조 변화에 의한 밀도 변화 또는 분자량 변화가 원인일 수 있고, 또한 방사선 유도 가교, 연결고리 절단 및 산화로 생성되는 새로운 원소(및 분자)에 의한 중성자 산란 단면적 변화가 원인일 수도 있다. 그리고 상기 중성자 계수율 감소의 원인으로 예상되는 밀도, 분자량 및 산란 단면적의 변화는 밀도측정, 원소 함량, 분자량 및 구조 분석을 통하여 확인할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 중성자 감속재로 사용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 변화를 평가하는 방법을 찾아내고, 실험 및 이론적인 방법으로 감속능 변화의 원인을 규명하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 핵물질 계량 측정의 정확한 분석을 위하여 방사선 피폭에 따른 HDPE의 중성자 감속능 변화량 평가방법을 제공하는 데 있다.
이상의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수 개의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중성자 감속재 구조물을 제작하고, 상기 구조물에 다양한 범위의 조사 선량으로 감마선을 조사하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 감마선 조사된 구조물을 대상으로 중성자 선원과 중성자 검출기를 사용하여 실험적으로 중성자를 측정하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2 이후에 얻은 구조물 시편에 대한 원소 함량 및 분자구조 분석을 수행하여 HDPE 중성자 감속재 구조물의 중성자 감속능을 평가하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 중성자 감속능 평가방법을 단계별로 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 단계 1은 복수 개의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중성자 감속재 구조물을 제작하고, 상기 구조물에 다양한 범위의 조사 선량으로 감마선을 조사하는 단계이다.
상기 HDPE 중성자 감속재 구조물은 원통 형상 HDPE 내부의 축방향 중심에 중 성자 선원을 삽입하기 위한 1개의 구멍 및 상기 구멍을 동심으로 하는 중성자 검출기를 삽입하기 위한 4개의 구멍을 구비하는 형태로 제작할 수 있다. 또한, 상기 중성자 감속재 구조물은 감마선을 조사한 구조물과 조사하지 않은 구조물 사이의 중성자 감속능을 비교 평가하기 위한 대상이므로, 본 발명에서는 비조사용 표준체 1개를 포함하여 2개 이상의 복수 개의 구조물을 필요로 한다.
본 발명에 따른 상기 단계 1에서 조사되는 감마선은 방사성 동위원소로부터 발생되는 것으로, 상기 감마선원은 Co-60을 사용할 수 있다. 상기 Co-60은 1173 keV 및 1332 keV의 에너지를 갖는 감마선 선원이다. 또한, 상기 단계 1의 감마선 조사 선량은 105~109 rad의 범위인 것이 바람직하다. 상기 범위가 105 rad 미만인 경우, 방사선-유도 산화로 인한 열화가 거의 나타나지 않게 되고, 109 rad를 초과하는 경우에는 연결고리 절단에 의해 분말형태로 부스러질 수 있다.
본 발명에 따른 단계 2는 상기 단계 1에서 감마선 조사된 구조물을 대상으로 중성자 선원과 중성자 검출기를 사용하여 실험적으로 중성자를 측정하는 단계이다.
상기 단계 2의 중성자 측정은 단계 1에서 제조한 HDPE 구조물의 5개 구멍에 중성자 선원과 중성자 검출기를 각각 삽입한 후 수행된다. 상기 중성자 선원은 중성자를 방출하는 물질로, 칼리포르늄(Cf)-252 중성자 선원을 사용할 수 있고, 상기 중성자 측정 검출기로는 질량수 3인 헬륨 가스가 수 기압 정도로 내장된 He-3 중성 자 검출기를 사용할 수 있다.
상기 중성자 측정은 HDPE 구조물과 접해 있는 He-3 검출기와 그에 인접하여 구비되어 감지된 중성자 신호를 데이타 처리 장치로 송신할 수 있는 전치증폭기/증폭기 유니트, 그리고 그와 연결된 데이타 처리 장치(포터블 시프트 레지스터 및 PC 프로그램)의 조합으로 이루어진 중성자 검출 시스템을 이용하여 수행될 수 있다(도 1 참조). 이때, 측정 대상인 중성자는 Cf-252 선원으로부터 발생되고, He-3 검출기에 인가된 고전압은 1600~1800 V이며, 전치증폭기/증폭기에 인가된 전압은 4.5~5.5 V이다.
본 발명에 따른 단계 3은 상기 단계 2 이후에 얻은 구조물 시편에 대한 원소 함량 및 분자구조 분석을 수행하여 HDPE 중성자 감속재 구조물의 중성자 감속능을 평가하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 단계 1에서 감마선의 영향을 받은 구조물 시편을 채취한 후, 그 시편에 대해 원소 함량 및 분자구조 분석을 수행하고 얻은 자료를 이용하여 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 변화를 이론적인 식에 대입하여 평가할 수 있다. 상기 원소분석은 원소분석기를 이용하여 수행되며, 분석 결과, 조사 선량에 비례하여 산소 함량 및 탄소 함량이 증가함을 알 수 있다. 보통의 유기물에 대한 원소분석은 시료 내에 함유되어 있는 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 원소 함량을 분석하기 위하여 이용하는 기술이다.
본 발명에서 상기 산소 함량은 모든 감마선 조사에 대하여 피폭 선량에 비례 하여 증가함을 알 수 있었다. 또한, 탄소 함량은 피폭 선량에 대하여 비례하지는 않았지만, 비조사의 경우에 비하여 조사 HDPE 중성자 감속재에서는 증가하였음을 알 수 있다(표 2 참조).
상기 구조 분석은 FT-IR 분광법을 이용하여 수행되며, 분석 결과 트랜스비닐렌기 등이 감마선 조사로 인해 생성됨을 알 수 있다. FT-IR 분광법은 폴리머 재료에 대한 분자구조의 변화를 분석하기 위해 이용되는 기술이다.
본 발명에서 FT-IR 측정 결과, 파수 965 cm-1에서 가교 관련 트랜스비닐렌기(trans vinylene group)와 파수 910 cm-1에서 가교 및 연결고리절단 관련 터미널비닐기(terminal vinyl group)가 관찰되었다. 비조사 HDPE 감속재는 965 cm-1에서의 트랜스비닐렌기 분자 구조가 나타나지 않은 반면, 다른 모든 조사 HDPE 감속재는 이 파수에서 그 분자 구조의 변화가 관찰되었다. 이는 상기 트랜스비닐렌기가 감마선 조사로 인해 생성되었다는 것을 의미하는 것이다(도 4 참조).
이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 중성자 감속능 평가
단계 1. HDPE 중성자 감속재 구조물의 제작 및 감마선 조사
1-1. 구조물의 제작
6개의 구조물들 모두 도 1에 나타난 바와 같이 중성자 선원과 중성자 측정 검출기를 삽입할 5개의 구멍을 갖도록 설계하였다. 구조물을 위에서 보았을 때, 중성자 선원을 넣기 위한 1개의 구멍은 축-방향 중앙에 위치하도록 하였고 그 구멍 바닥은 검출기 실제 길이를 고려하여 제작하였다. 그리고 중성자 검출기를 삽입하기 위한 나머지 4개의 구멍은 중성자 선원 구멍 그 주변에 위치하도록 하였다. 구멍의 직경은 2.54 cm, 길이는 31 cm로 하여 6개의 HDPE 중성자 감속재를 얻었다.
1-2. 감마선 조사
상기 제작한 HDPE 중성자 감속재 구조물들을 한국원자력연구소의 고준위 방사선 조사시설에서 감마선을 조사시켰다. 5개의 구조물은 1173 및 1332 keV의 에너지를 갖는 Co-60으로부터 방출되는 감마선에 의해 105~109 rad 범위까지 조사시켰으며, 1개는 다른 구조물과 측정값을 비교하기 위한 표준체로서 사용하기 위하여 감마선을 조사시키지 않았다. 감마선 조사시 이러한 HDPE 구조물들은 부피가 크기 때문에 모든 부분에서 균일한 피폭을 받도록 하기 위해서 고준위 방사선 조사 시설의 시료 지지대를 회전시켜 수행하였다.
단계 2. 중성자 측정
비조사 및 조사 HDPE 중성자 감속재 구조물에 대한 중성자 감속능 평가를 위하여 도 1에 나타난 바와 같이 로이터 스토크트사(Reuter Stokes)의 1 인치 He-3 검출기, 피디티사(PDT)의 전치증폭기/증폭기 유니트, 포터블 이동 레지스터(portable shift register, PSR) 등의 전자장비와 미국 로스알라모스 국립연구소(LANL)에서 개발된 INCC(IAEA Neutron Coincidence Counter) 소프트웨어를 가지고 중성자 계수율 측정 실험을 수행하였다.
중성자 계수율 측정 실험은 표 1과 같이 Cf-252 중성자 선원을 사용하여 수행하였으며, 측정시간 및 측정횟수는 120초와 10 회였으며, He-3 검출기에 인가된 고전압(High Voltage: HV)은 1700 V이고 전치증폭기/증폭기에 인가된 전압(current circuit voltage: Vcc)은 5 V로 하였다. 실험은 각각의 HDPE 감속재 구조물에 대해서 동일한 조건으로 실시하였으며, HDPE 중성자 감속재에 대한 조사 후 효과 관찰을 위한 중성자 계수율 측정 실험이 임의 시간주기 간격으로 반복 수행되었다. 그 관찰 결과를 도 2에 나타내었다.
He-3 검출기에 인가된 고전압 전치증폭기/증폭기에 인가된 전압 중성자 선원 측정시간 측정횟수
1700 V 5 V Cf-252 120초 10 회
도 2에 나타난 바와 같이, 105 rad 조사 HDPE 감속재에 대한 중성자 계수율이 다른 감속재의 계수율과 비교하여 약 7% 감소하였다. 이는 HDPE의 분자구조 변화에 의한 밀도 변화 또는 분자량 변화가 원인일 수 있고, 또한 방사선 유도 가교, 연결고리 절단 및 산화로 생성되는 새로운 원소(및 분자)에 의한 중성자 산란 단면적 변화가 원인일 수도 있다. 또한, 도 2에서 경과시간에 따른 각각의 HDPE 감속재에 대한 중성자 계수율의 감소는 중성자 선원 Cf-252의 반감기(2.464년)로 인한 중성자 세기의 감소 때문이다.
상기 중성자 계수율 감소의 원인으로 예상되는 밀도, 분자량 및 산란 단면적의 변화는 밀도측정, 원소 함량, 분자량 및 구조 분석을 통하여 확인할 수 있다.
단계 3. HDPE 중성자 감속재의 중성자 감속능 평가
3-1. HDPE 중성자 감속재 구조물 내의 원소 함량 분석
비조사 및 조사 HDPE 감속재 구조물에서 절취한 6개 시료에 대하여 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 원소함량을 분석하기 위해서 EA1110 CHNS/O 분석기(CE Instruments사-이탈리아)가 사용되었다. 그 원소분석 결과를 표 2에 나타내었다.
HDPE 원소함량(%)
C H N S O 전체
비조사 84.0122 14.5265 0.1988 0.0975 0.2414 99.0765
105 rad 조사 84.8204 14.6725 0.1951 - 0.2020 99.8900
106 rad 조사 85.8817 14.8416 0.2028 - 0.2697 101.1958
107 rad 조사 85.9485 14.8747 0.1985 - 0.3001 101.3218
108 rad 조사 85.6588 14.8276 0.1719 - 0.5431 101.2014
109 rad 조사 85.8289 14.7482 0.1806 - 0.8815 101.6392
표 2에 나타난 바와 같이, 산소 함량은 모든 감마선 조사 HDPE에 대해 피폭 선량에 비례하는 것으로 나타났으며, 또한 비조사 HDPE가 산소를 소량 포함하고 있는 것으로 나타났다. 탄소 함량은 피폭 선량에 비례하지 않았지만, 비조사 HDPE에 비해 조사 HDPE 감속재에서 증가되었다. 각각의 감속재에 대하여 총 함량이 100%가 아니었는데, 100%를 초과하는 경우는 HDPE 시편이 여름철에 수행한 실험으로 인해 수분으로 오염된 것으로 생각되며, 100% 미만인 경우는 C, H, N, S 및 O 이외의 분석되지 않은 다른 원소가 존재하기 때문인 것으로 판단된다.
3-2. HDPE 중성자 감속재 구조물의 FT - IR 측정
HDPE 중성자 감속재 구조물의 구조를 분석하기 위하여 FT-IR 측정을 수행하였다. 500~4000 cm-1 파수의 광범위한 적외선 선원이 비조사 및 조사 HDPE의 얇은 단면을 통하여 투과되었으며, 시편의 두께는 200~300 μm였다. 구조물에 함유되어 있는 화학종들은 특정 주파수의 빛에 의해 활성화되며, 그 주파수에서 에너지를 흡수하고 투과된 빛의 투과율을 도 3에 나타내었다. 또한, HDPE 내 방사선학적 산출물(radiolytic yields)을 판별하기 위하여 사용되는 주요 파수(wave numbers)는 캠브릿지 폴리머 그룹(Cambridge Polymer Group)의 발표자료를 인용하였다.
도 3은 차이점을 명확하게 관찰하기 위해서 여섯 개의 비조사 및 조사 HDPE 감속재 시편으로부터 얻은 FT-IR 분광법 결과 자료 셋트를 하나의 그래프로 그린 것이고, 도 4에서 도 7까지 차이점을 상세하게 관찰하기 위한 확대 FT-IR 스펙트럼을 나타내었다.
도 4에서는 파수 965 cm-1에서 가교 관련 트랜스비닐렌기(trans vinylene group)와 파수 910 cm-1에서 가교 및 연결고리절단 관련 터미널비닐기(terminal vinyl group)가 관찰되었다. 비조사 HDPE 감속재는 965 cm-1에서 트랜스비닐렌기의 분자 구조가 관찰되지 않은 반면, 다른 모든 조사 HDPE 감속재는 이 파수에서 그 분자 구조의 변화가 관찰되었다. 이것은 트랜스비닐렌기가 감마선 조사로 인해 생성되었다는 것을 의미한다.
도 5 및 도 7에 나타난 바와 같이, 파수 1303 cm-1(및 2020 cm-1)에서 메틸기 스트레칭(methyl group stretching)(-CH3-)의 피크가 관찰되었으며, 또한 비정질 구역(amorphous region) 관련 피크가 1370 cm-1 파수에서 관찰되었다. 이러한 피크들은 조사 HDPE뿐만 아니라 비조사 HDPE에서도 나타나는 것으로 보아, 폴리에틸렌 분말로부터 HDPE를 제조하는 과정에서 열변형에 의해 생성된 것으로 판단된다. 또한, 도 6에 나타난 바와 같이, 파수 1700 cm-1에서 산화 관련 카보닐기(carbonyl group)(C=O)가 형성되었으며, 결정구역 관련 피크가 1897 cm-1에서 나타났다.
3-3. 감속능의 평가
하기 표 3에 상기 3-1의 분석에서 측정된 값과 상기 수학식 2에 의해 계산된 중성자 감속능(MP)을 나타내었다. 하기 표 3에서의 비조사 및 조사 HDPE의 밀도(
Figure 112007018141141-PAT00017
), 분자량(
Figure 112007018141141-PAT00018
), 원소(
Figure 112007018141141-PAT00019
)의 원자수는 밀도측정 및 원소분석에 의한 측정값이며, 미시적 산란 단면적(
Figure 112007018141141-PAT00020
) 자료는 원자로 이론(Nuclear Reactor Theory)에서 인용하였다. 그러나, 계산된 MP는 중성자 에너지에 의존하는 산란 단면적에 따라 변할 수 있으며, 상기 계산에서는 1 eV에서의 산란 단면적 자료를 사용하였다.
HDPE
Figure 112007018141141-PAT00021
Figure 112007018141141-PAT00022
Figure 112007018141141-PAT00023
Figure 112007018141141-PAT00024
 MP
비조사 0.9551 6.02×1023 99.08 362.15×10-24 2.10
105 0.9550 " 99.89 309.58×10-24 1.78
106 0.9550 " 101.19 372.54×10-24 2.12
107 0.9552 " 101.32 373.29×10-24 2.12
108 0.9543 " 101.20 372.17×10-24 2.11
109 0.9580 " 101.64 370.82×10-24 2.10
*산란 단면적은 1 eV 중성자 에너지에서의 값을 적용하였으며, 분자량은 각 원소조성의 합을 사용하였다.
표 3에 나타난 바와 같이, 105 rad 조사 HDPE 중성자 감속재에 대한 중성자 감속능은 다른 조사 선량의 감속재보다 낮은 값을 갖는다는 것을 보여준다. 이러한 경향은 He-3 검출시스템에 의한 중성자 측정으로부터 얻은 측정값과 거의 같다. 이는 HDPE의 중성자 감속능이 특정 피폭 선량에서 주로 변하며, 이 현상은 감마선 피폭이 HDPE의 분자구조 변화를 유발한다는 것을 의미한다.
<실험예 1> HDPE 중성자 감속재 구조물의 분자량 분포 측정
6개 HDPE의 분자량 분포를 알아보기 위하여 고온 GPC(gel permeation chromatography) 분석을 수행하였다. 비조사 및 조사시료는 175 ℃의 TCB(trichlorobenzen) 용액에서 용해시켰으며, GPC 분석을 위해 PL-GPC 220(Polymer Laboratories사)이 사용되었다.
표 4는 수-평균 분자량(Mn), 질량-평균 분자량(Mw), 평균 분자량(Mz) 및 다분산성(PDI: Mw/Mn)에 대하여 고온 GPC 분석으로부터 얻은 결과를 보여준다. 108~109 rad 조사 HDPE 시료는 높은 가교수율로 인해 TCB 용액에 용해되지 않았기 때문에 GPC 분석에서 배제시켰다.
HDPE Mn Mw Mz Mw/Mn
비조사 23750 229400 1162000 9.66
105 rad 조사 24880 234600 1265000 9.43
106 rad 조사 24100 223600 1065000 9.28
107 rad 조사 24730 264500 1099000 10.70
표 4는 다분산성이 감마선 조사 선량의 증가함에 따라 일관된 값을 갖지 않는다는 것을 보여준다. 이것은 분자량 분포 변화가 감마선 조사 선량율에 의존하지 않는다는 것을 나타낸다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 중성자 감속재로 사용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 변화를 평가하는 방법을 찾아내고, 실험 및 이론적인 방법으로 감속능 변화의 원인을 규명함으로써, HDPE가 핵물질 계량을 위한 중성자 감속재로 이용될 때에 그 중성자 검출 시스템은 실험 자료 분석의 정확성을 더욱 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 복수 개의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중성자 감속재 구조물을 제작하고, 상기 구조물에 다양한 범위의 조사 선량으로 감마선을 조사하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 감마선 조사된 구조물을 대상으로 중성자 선원과 중성자 검출기를 사용하여 실험적으로 중성자를 측정하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2 이후에 얻은 구조물 시편에 대한 원소 함량 및 분자구조 분석을 수행하여 HDPE 중성자 감속재 구조물의 중성자 감속능을 평가하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중성자 감속재 구조물은 원통 형상 HDPE 내부의 축방향 중심에 중성자 선원을 삽입하기 위한 1개의 구멍 및 상기 구멍을 동심으로 하는 중성자 검출기를 삽입하기 위한 4개의 구멍을 구비하는 구조물인 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 감마선원은 Co-60인 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 감마선 조사 선량은 105~109 rad인 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 중성자 선원은 Cf-252 선원인 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 중성자 검출기는 He-3 검출기인 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 원소분석은 원소분석기를 이용하여 수행되며, 분석 결과 조사 선량에 비례하여 산소 함량 및 탄소 함량이 증가하는 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 구조 분석은 FT-IR을 이용하여 수행되며, 분 석 결과 트랜스비닐렌기가 감마선 조사로 인해 생성되는 것을 특징으로 하는 HDPE의 감마선 피폭에 의한 중성자 감속능 평가방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101037212B1 (ko) * 2008-11-07 2011-05-26 한국표준과학연구원 열중성자검출기의 성능 시험장치
KR102416660B1 (ko) * 2021-11-30 2022-07-05 주식회사 스탠더드시험연구소 회전 구조를 이용한 사용후핵연료 계측 시스템
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101037212B1 (ko) * 2008-11-07 2011-05-26 한국표준과학연구원 열중성자검출기의 성능 시험장치
KR102416660B1 (ko) * 2021-11-30 2022-07-05 주식회사 스탠더드시험연구소 회전 구조를 이용한 사용후핵연료 계측 시스템
CN116978500A (zh) * 2023-09-20 2023-10-31 西安交通大学 基于一声子修正的化合慢化材料非弹性散射截面计算方法
CN116978500B (zh) * 2023-09-20 2023-12-19 西安交通大学 基于一声子修正的化合慢化材料非弹性散射截面计算方法

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