KR20090011280A - 방사선 차폐재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소나 원자력 설비에서의 방사선 중성자 발생구역의 보수 작업 및 업무 수행시 파라핀을 주입시킨 방사선 차폐재를 제공하여 방사선 및/또는 중성자 피폭을 방지하는 것이다.

본 발명은 위 문제를 해결하고자, 금속 분말 및 초고분자량 폴리에틸렌을 포함한 폴리올레핀 수지와 발포제를 이용하여 미세하고 균일한 기공이 형성된 시이트를 제조하고, 연신 후 상기 시이트에 용융 파라핀을 함침으로써 중성자 차폐층을 형성하는 것이다. 상기 중성자 차폐층은 불투과성 폴리올레핀 수지층들 사이에 개재되어 방사선 차폐재로서 사용된다.

방사선, 차폐재, 중성자

Description

방사선 차폐재 {radioactive ray shield}

방사선이 많이 발생하거나 존재하는 장소, 예로서 원자력발전소의 방사선 구역이나 방사선 투과 시험장비를 취급하는 산업현장에서 근무하는 사람은 항상 방사선에 노출되어 방사선에 피폭될 위험에 직면하고 있다.

엑스선, 감마선과 같은 방사선이 사람에게 피폭될 경우 발암, 유전적 장애, 백내장 등 여러가지 심각한 질병과 장애를 일으킨다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이에 따라, 1934년에는 국제 방사선 방어 위원회가 발족되어 방사선 사용을 제한(0.2R/day)했으며, 1977년에는 국제 방사선 방어 권고문(ICRP-26)이 채택되었고, 이어서 X-선 진단, 치료 및 핵의학에 대한 환자, 종사자 및 보호자의 피폭 감소를 위한 지침서가 발간되었으며, 각국에서는 이에 준하는 방사선 사용규제에 관한 법을 제정하였다.

이와 같이, 방사선에 대한 피폭은 인체에 매우 유해하므로 최대한 제한적으로 이루어져야 하나, 병원의 방사선사와 의사, 원전 관계자 등의 방사선을 직접 또는 간접적으로 다루는 사람들은 업무특성상 지속적으로 방사선에 피폭될 수 있으므로 특히 유의해야 한다

그래서, 원자력 발전소의 수리나 점검 등 방사선이 많은 장소에 작업할 때 작업인원을 보호하기 위하여 방사선 차폐복 등을 착용하여 피폭의 위험으로부터 보호하고 있다.

본 발명은 위와 같이 방사능 피폭을 방지하기 위한 차폐재에 관련된 것이다.

방사선 피폭을 차폐하기 위한 방법으로서, 납 성분을 고무(rubber)에 분산시킨 후 압출하여 성형한 시트상의 가운을 착용하는 것이 일반적이다. 그러나 , 이러한 방법으로 제조된 가운은 방사선 차폐에는 효과적이나, 5 ~ 10Kg 정도로 매우 무거워 착용감이 불량하였다.

좀 더 가벼운 차폐복으로 미국특허 제3,194,239호에는 방사선 흡수를 위해 합금으로 된 와이어를 이용하여 방사선 흡수성 섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 이는 유연성 및 방사선 차폐성이 불량하다는 문제점이 있다.

한편, 중성자를 차폐하기 위한 방법으로 재킷에 물을 충전하여 사용하기도 하지만, 물이 아래로 쏠려서 재킷의 두께가 균일하지 못하고, 누수의 우려가 있으며, 착용이 불편하였다.

종래에 원자력 발전소나 원자력 시설에서 발생되는 방사선 종사자 차폐에게 필요한 작업복의 고안이 계발되지 않아 중성자 발생지역에서 작업시 차폐를 하지 못한채 작업 종사자들이 필요 이상의 방사선 피폭을 받아왔다.

중성자는 열중성자에서 속 중성자에 이르기까지 각각 에너지 분포가 넓어 (O.OleV∼1000MeV)차폐 어려움이 있고, 차폐체 선정 시 여건에 따라 차폐체의 종류 양을 선택하여야 하는데 중성자는 감마와 베타와 달리 기존 및 콘크리트벽에 부딪히면 다시 튀어나오는 성질(Albed 현상)이 있어 납·콘크리트벽은 차폐에 큰 효과가 없었다.

본 발명은 원자력 발전소나 원자력 설비에서의 방사선 중성자 발생구역의 보수 작업 및 업무 수행시 파라핀을 주입시킨 방사선 차폐재를 제공하여 방사선 및/또는 중성자 피폭을 방지하는 것이다.

본 발명은 위 문제를 해결하고자, 직경이 10㎛미만, 특히 5㎛ 미만인 평균 입자크기를 갖는 금, 은, 동, 텅스텐, 몰리브덴, 바륨, 안티몬, 알루미늄, 비스무스, 철, 스트론튬, 지르코늄, 티타늄으로부터 선택되는 원소를 포함하는 1종 이상의 화합물, 및 초고분자량 폴리에틸렌을 포함한 폴리올레핀 수지와 발포제를 이용하여 미세하고 균일한 기공이 형성된 시이트를 제조하고, 상기 시이트에 용융 파라핀을 주입하고 불투과성 폴리올레핀 수지 사이에 개재시켜 중성자 차폐층을 형성하 는 것이다. 상기 중성자 차폐층은 불투과성 폴리올레핀 수지층들 사이에서 밀봉되어 오일의 누수를 방지한다. 본 발명에서 방사선 차폐재는 방사선 중성자 에너지 세기에 따라 중성자 차폐층 및 불투과성 수지층의 두께를 조절하여 선택 폭을 넓혀줄 수 있다.

구체적으로,

본 발명은 제1 불투과성 수지층(1); 중성자 차폐층(2); 및 제2 불투과성 수지층(1)으로 구성되고,

제 1 및 제2 불투과성 수지층은 폴리올레핀 수지 또는 무기물을 포함하는 폴리올레핀 수지로 구성되며,

중성자 차폐층은 3~15 중량부의 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)을 포함한 100 중량부의 열가소성 폴리올레핀에 대해, 10~100 중량부의 직경이 10㎛미만인 평균 입자크기를 갖는 금, 은, 동, 텅스텐, 몰리브덴, 바륨, 안티몬, 알루미늄, 비스무스, 철, 스트론튬, 지르코늄, 티타늄으로부터 선택되는 원소를 포함하는 1종 이상의 화합물과, 0.1∼10중량부의 발포제와, 발포조제 및 가교조제 0.5~50중량부 혼합하고 압출후 발포시켜 시이트를 제조하고, 상기 시이트를 연신하여 망상 기공을 형성한 후, 파라핀 오일을 주입하고 제1 및 제2 불투과성 수지층 사이에 개제시켜 얻어지며, 상기 시이트는 공극율이 30~90%임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 불투과성 수지층이 직경이 10㎛미만인 평균 입자크기를 갖는 가돌리늄，붕소，리튬 중 적어도 1개 이상 원소를 포함하는 폴리올레핀 수지임을 특징으로 한다.

원자력 발전소나 원자력 시설 가동중 발생하는 방사선 종사자에 의한 기기조작·보수 작업 종사자의 중성자 피폭을 사전에 방어할 수 있고 보건상 위험 재해요소를 줄여 원자력 분야 종사자를 안전을 확보할 수 있다.

본 발명의 상세한 실시예가 본원에 개시된다. 그러나 개시된 실시예는 단지 본 발명의 예시로서 다양한 형태로 실시될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 따라서, 본원 명세서에 개시된 상세한 설명은 제한적으로 해석되어서는 안되며, 단지 청구범위를 위한 근거 및 본 발명을 제작 및/또는 사용하는 방법을 본 기술 분야의 숙련자에게 교시하기 위한 근거로써 이해되어야 한다.

본 발명의 열가소성 폴리올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 4-메틸펜텐, 1헥센 등을 중합한 결정성의 단독중합체, 또는 공중합체 및 이들 브렌드물 등의 폴리올레핀, 염화비닐수지, 초산비닐수지, 폴리스틸렌, 불소수지, 폴리아미드수지, 폴리아세탈수지, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리이미드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리페닐렌 살파이드, 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다. 이 중에서는, 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이 성형성이나 경제성상에서 바람직하다.

또한, 폴리올레핀 수지는 6.0X10²²개/cm³ 이상의 수소원자밀도를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 폴리에틸렌 중에서 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이 바람직하며, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)가 특히 바람직하다. 초고분자량 폴리에틸렌은 수지 의 내구성을 증가시키는데 바람직하다. 초고분자량 폴리에틸렌은 3~15중량부를 첨가하는 것이 바람직하며, 3 중량부 미만은 원하는 효과를 미흡하고, 15 중량부를 초과하여 첨가하면 수지의 균일한 구조를 얻기가 곤란하다.

상기 폴리올레핀에 분산되는 금속 분말은, 직경이 10㎛미만, 특히 5㎛ 미만인 평균 입자크기를 갖는, 금, 든, 동, 텅스텐, 몰리브덴, 바륨, 안티몬, 알루미늄, 비스무스, 철, 스트론튬, 지르코늄, 티타늄으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물이다. 예를 들어, 산화알루미늄; 황산 바륨(BaSO4), 탄산바륨(BaCO3), 아철산 바륨(BaFe12O19), 질산바륨(Ba(NO3)2), 메타붕산 바륨(BaB2O4·H2O), 산화바륨(BaO), 바륨실리케이트(BaSiO3), 바륨지르코네이트(BaZrO3), 바륨 아크릴레이트, 바륨 메타크릴레이트, 바륨 알콕사이드, 바륨 이소프로폭사이드 또는 바륨 아이언 이소프로폭사이드와 같은 바륨 화합물; 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드, 중금속 요오드화물의 분말이다. 이 경우 금속 분말은 수지조성물 100중량부에 대해 10~100중량부로 혼입할 수 있다. 10중량부 미만으로 혼입하면 방사선 차폐 효과가 미흡하고, 100중량부 초과로 혼입하면 폴리올레핀의 균일한 기공을 얻기가 곤란하다.

구체적으로, 본 발명의 중성자 차폐층(2)은 발포제를 이용하여 기공이 형성된 폴리올레핀 수지에 용매를 함침하여 제조하고, 이 경우 용매로서는 중성자 차폐능을 가진 것이면 무엇이나 가능하지만, 용융 파라핀과 같은 불휘발성의 용매가 바람직하다.

상기 발포제로서는 분해형의 것을 이용한다. 그 구체예로서는, 아조디카르본 아미드, 아조디카르본산 금속염, 디니트로소펜타메틸렌테트라민, 히드라조디카르본아미드, p-톨루엔 설포닐 세미카르바지드, s-트리히드라지노트리아진 등을 들 수 있다.

이들 발포제의 첨가량은, 통상 열가소성수지 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부정도이다. 또한, 발포제의 분해거동을 조정하기 위해서 발포조제나 기포사이즈를 조정하는 가교조제를 적절하게 첨가할 수 있다. 상기 발포조제나 가교조제의 첨가량은, 통상 열가소성수지 100중량부에 대하여 0.5~50중량부 정도이다.

열가소성수지에 발포제를 첨가함으로써, 기포를 형성하는데에는, 다이의 온도를 발포제의 분해온도이상으로 압출하는 방법 외에, 예를 들면 금형내에서 가압하에 가열하여 발포제를 분해한 후에 감압, 팽창시키는 방법, 금형내에서 성형후, 취출, 재가열하여 분해를 일으키게 함으로써 팽창시키는 방법 등에 의한다. 또한 열가소성수지 발포체의 기포형상을 유지하기 위해서 수지의 가교를 해두는 것이 바람직하다. 가교방법으로서는, 유기과산화물 등의 화학가교제를 이용하는 방법 및 전자선 등의 방사선을 조사하는 방법을 이용할 수 있다.

상기 각 방법에 의한 기포의 마크로형성으로서는, 그 형성방법이나 성형 조건에서 여러가지 형태를 취할 수 있는데, 각각의 기포가 독립된 클로우즈타입 또는 서로 연결된 오픈타입, 또는 그들의 혼재된 타입 중 어느 것이라도 좋으나, 그 중에서도 클로우즈 타입이 바람직하다.

또한, 기포의 경계는, 면형상, 기둥형상 또는 섬유형상 중 어느 것이라도 좋으나, 그 중에서도 면형상이 바람직하다. 또한, 기포의 경계를 구성하는 미크로구 조로서는, 고분자 라멜라결정 또는 그 적층체가, 섬유형상 또는 기둥형상으로 1차원 성장한 것, 면형상으로 2차원 성장한 것, 또한 구형상으로 3차원 성장한 것 중 어느 것으로 이루어진 것이라도 좋다.

발포 후의 젤형상 시트의 공극율은 30 내지 90%인 것이 바람직하다. 공극율이 30% 미만이면 방사선 차폐 효과가 떨어지고, 공극율이 90% 이상이면 시트의 내구성이 악화된다.

본 발명에 있어서, 상기 기포체의 기포경계를 파괴시키는 것이 필요하다. 발포체에 내부의 기포형상변형을 넘는 인장응력을 작용시키거나 압축응력을 작용시킨 후에 인장응력을 작용시켜서, 기포경계자신이 소성변형을 한다. 구체적으로는, 연신 또는, 눌러 늘린 후에 연신한다. 연신은, 통상의 텐터법, 롤법, 인플레이션법, 압연법(壓延法) 또는 이들 방법의 조합에 의해서 소정의 배율로 행한다.

위와 같이 기포 경계가 파괴되어 망상 기공 구조를 갖는 시이트에 용융 파라핀을 주입/함침시키고 불투과성 폴리올레핀 수지 사이에 개재시키며, 상기 시이트와 불투과성 수지층의 접착은 통상의 접착 방법을 이용한다. 불투과성 수지층으로 밀봉된 상기 시이트를 파라핀의 융점(47~65℃) 이하로 냉각하여 파라핀을 고화시켜 중성자 차폐층을 제조한다.

이하에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 사용하여 설명한다.

<실시예>

중량평균분자량(Mw)이 2.5 x 10⁶의 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 10중량부 와 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)밀도 0.955g/cm³, 멜트인덱스(MI, 190℃, 2.16Kg하중) 9g/10분 80중량부와 폴리부텐 - 1 (PB - 1)(M8340, 미쯔이세키유 가가쿠고오교오(주) 제) 멜트인덱스(MI, 190℃, 2.16Kg하중) 4g/10분 10중량부를 배합하여 이루어진 수지성분 100중량부에 대하여, 50중량부의 황산바륨 분말과, 발포제로서 아조디카르본아미드(에이와 가가쿠(주) 제) 5중량부와, 가교조제로서 트리메티롤 프로판 트리메타크릴에이트(신나카무라 가가쿠(주) 제) 1.0중량부와, 산화방지제 1.0중량부를 첨가하고, 헨쉘믹서를 이용하여, 30℃, 500rpm에서 2분간 혼합한 후, T다이를 가지는 50mmφ, 길이/직경(L/D) = 28의 압출기에 공급하고, 압출온도 150℃에서 압출하고, 두께 1 mm의 시이트를 작성하였다.

다음으로 이 시이트에, 750KV의 전자선을 8Mrad의 선량으로 조사하고, 가교를 하였다. 그 후 250℃의 에어오븐에 1.0분간 넣어서 발포제를 분해하여, 약 5 배로 발포시켰다. 발포후의 외관상의 밀도는 0.25g/cm²이었다.

이 시이트의 단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한 결과 고분자 조성물이 기포경계를 구성하는 폼이 형성되어 있는 것을 알았다. 또한, 본 샘플을 엑폭시수지로 포장하여 메운 매우 얇게 자른 조각을 투과형 전자현미경으로 관찰한 결과 기포경계의 미크로구조의 구결정으로 이루어진다는 것을 알았다. 이 기공 크기는 30.2μm이고, 공간율은 80.1%이었다. ASTN D882에 준거하여 인장파단강도를 측정한 결과, 통상의 고밀도 폴리에틸렌보다 큰 122kg/cm² 이었다.

다음으로, 상기 시이트를 3X3배 연신하여 기포 경계를 파괴시켜 두께 1.8mm 부터 5mm까지의 시이트를 성형하였다. 감압 컨베이어 벨트 위에서 기포 경계가 파괴되어 망상 구조를 갖는 시이트에 용융 파라핀을 주입/함침시켜 오일이 함침된 시이트를 제조한 후 20℃의 냉각롤 위에서 불투과성 폴리에틸렌 수지층(1) 사이에 개재시켜 밀봉한 후 파라핀을 고화시킨 형태의 중성자 차폐층(2)을 제조하였다.

불투과성 폴리에틸렌 수지는 0.2 mm부터 10mm까지 두께로 사용하였다. 불투과성 수지는 중성자 차폐층으로부터 오일 등의 누수를 방지하기 위한 것이다.

이 경우 불투과성 수지는 폴리올레핀 수지 또는, 직경이 10㎛미만, 특히 5㎛ 미만인 평균 입자크기를 갖는 가돌리늄，붕소，리튬중, 적어도 1개 이상 원소를 포함할 수 있다. 위 원소를 포함하는 물질은，산화 가돌리늄 Gd₂O₃，가돌리늄·갈륨·석류석 Gd₃Ga₅O₁₂，가돌리늄·페라이트 GdFeO₃,Gd₃Fe₅O₁₂，수산화 가돌리늄 Gd(OH)₃，세륨으로 활성화한 규산 가돌리늄 Gd₂SiO₅:Ce，유로피움으로 활성화한 붕산 가돌리늄 GdBO₃:Eu，유로피움으로 활성화한 산화 가돌리늄 Gd₂O₃:Eu，유로피움으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Eu，유로피움으로 활성화한 알루민산 가돌리늄 Gd₃Al₅O₁₂:Eu，유로피움으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Eu，유로피움으로 활성화한 바나진 산 가돌리늄 GdVO₄:Eu， 및 세륨 또는 크롬으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Ce，Cr，테르븀으로 활성화한 산화 가돌리늄 Gd₂O₃:Tb，테르븀으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Tb，푸라세오짐으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Pr，테르븀으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Tb，테르븀으로 활성화한 알루민산 가돌리늄 Gd₃Al₅O₁₂:Tb，탄화 붕소 B₄C，질화 붕소 BN，인화 붕소 BP，황하 붕소 B₂S₃，인산 붕소 BPO₄，산화 붕소 B₂O₃，산화 리튬 Li₂O，과산화리튬 Li₂O₂，알루민산 리튬 LiAlO₂，메타 붕산 리튬 LiBO₂，테트라 붕산 리튬 Li₂B₄O₇，게르만 산 리튬 Li₂GeO₃，몰리브덴 산 리튬 Li₂MoO₄，니오브산 리튬 LiNbO₃，메타규산리튬 Li₂SiO₃，탄타륨산 리튬 LiTaO₃，티탄산 리튬 Li₂TiO₃，바나진 산 리튬 LiVO₃，텅스텐산 리튬 LiWO₄，지르콘산 리튬 Li₂ZrO₃，질화 리튬 Li₃N，수산화 리튬 LiOH·H₂O，메톡시 리튬 LiOCH₃을 포함할 수 있다.

<중성자 차폐능 평가>

본 발명에 따라 제조된 차폐재로 행한 차폐능 시험 결과이다. 일정 크기의 중성자빔 출구를 만들고 중성자의 세기를 측정할 수 있는 검출기를 출구와 일정한 거리(5cm)에 배치하고 차폐재를 투과하는 중성자의 세기를 측정하였다. 이 때 차폐재의 두께를 변화시키면서 검출기로 측정하였다. 측정된 세기를 중성자 흡수 단면적 계수로 계산하였다.

중성자 흡수 단면적 계수의 계산 방법은 다음과 같다.

I/I₀ = L^-μx 또는 μ= [log (I₀/I)] / x

(I₀:입사빔, I:투과빔, x:투과두께, μ:흡수단면적계수)

시험결과

두께(cm)	카운트	μ(cm-1)
0.3	27,324	7.667
0.4	14,015	7,464
0.5	7,854	7.148
0.7	2,854	7.030
0.9	1,123	6.864
1.5	546	6.304
2.0	422	5.137
2.5	339	4.242

상기 시험결과는 초고분자량 폴리에틸렌을 사용하여 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)를 사용할 때보다 방사선 차단 효과가 증가하고, 내구성이 증가하였다. 한편, 균일한 기공을 가진 방사선 차폐재가 비공극상에 비해 방사선 차폐능이 증가하는 이유는 정확히 알 수 없으나, 공극에서 방사선이 산란함으로써 에너지가 감쇠하여 차폐 효과가 증가하는 것으로 보인다. 금속 분말을 분산시킨 폴리올레핀 수지는 폴리올레핀 수지만을 사용한 경우에 비해 중성자 차폐효과는 크게 증가하지 않지만, 중성자 이외의 방사선을 차단하는데는 효과적이었다.

도 1은 본 발명의 방사선 차폐재의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 방사선 차폐재의 기공 구조를 설명하기 위한 단면도.

* 도면 부호의 설명*

A : 기공 B : 폴리올레핀 수지층

Claims (2)

1. 제1 불투과성 수지층(1);

   중성자 차폐층(2); 및

   제2 불투과성 수지층(1)으로 구성되고,

   제 1 및 제2 불투과성 수지층은 폴리올레핀 수지 또는 무기물을 포함하는 폴리올레핀 수지로 구성되며,

   중성자 차폐층은 3~15 중량부의 초고분자량폴리에틸렌(UHMWPE)을 포함한 100 중량부의 열가소성 폴리올레핀에 대해, 10~100 중량부의 직경이 10㎛미만인 평균 입자크기를 갖는 금, 은, 동, 텅스텐, 몰리브덴, 바륨, 안티몬, 알루미늄, 비스무스, 철, 스트론튬, 지르코늄, 티타늄으로부터 선택되는 원소를 포함하는 1종 이상의 화합물과, 0.1∼10중량부의 발포제와, 발포조제 및 가교조제 0.5~50중량부 혼합하고 압출후 발포시켜 시이트를 제조하고, 상기 시이트를 연신하여 망상 기공을 형성한 후, 용융 파라핀을 주입/함침하고 냉각시키면서 상기 불투과성 수지층 사이에서 밀봉시켜 얻어지며, 상기 시이트는 공극율이 30~90%임을 특징으로 하는 방사선 차폐재.
2. 제 1항에 있어서, 불투과성 수지층이 직경이 10㎛미만인 평균 입자크기를 갖는 가돌리늄，붕소，리튬 중 적어도 1개 이상 원소를 포함하는 폴리올레핀 수지임을 특징으로 하는 방사선 차폐재.

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