KR20120132854A - 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발포 금속, 중성자 흡수재 붕소 화합물, 에폭시 수지 및 에폭시 수지 경화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물에 관한 것이다.

Description

발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물{Neutron shielding composition containing metal form}

본 발명은 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물에 관한 것이다.

중성자는 각종 원자력 시설 등의 연료, 또는 사용 종료된 리사이클 연료에서 발생되는 것으로, 매우 높은 에너지와 강한 투과력 때문에 다른 물질과 충돌이 일어나면 γ선을 발생 시켜 원자력 시설 등의 각종 재료를 손상 시키는 등의 문제점이 있다. 따라서 이러한 중성자 및 γ선을 안전하고 확실하게 차폐할 수 있는 중성자 차폐체의 개발이 계속 이루어지고 있다.

핵연료의 수송 저장 용기 차폐체는 중성자 흡수재를 포함한 고분자 물질 차폐체, 금속/금속 합금 차폐체, 콘크리트 차폐체 등으로 분류된다. 이 중 금속/금속 합금 차폐체는, 사용 종료된 핵연료에서 방출되는 방사선 차폐 뿐만 아니라 이의 수송저장 용기의 구조재 역할을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있으나, 금속 용융 및 주조 등의 별도의 제작과정이 필요하여 제작에 어려움이 따르는 단점이 있다. 이에 비하여 고분자 물질 차폐체는 금속/금속 합금 차폐체보다 제조가 용이하고, 분자 구조에 수소 원자 함유율이 높은 장점이 있다. 사용 종료된 핵연료에서 방출되는, 취급이 위험한 고속 중성자(핵분열을 포함하여 핵반응으로 방출될 때의 운동에너지가 0.5MeV이상인 중성자)는, 수소 원자와의 충돌에 의하여 에너지가 흡수되면서 효과적으로 감속되는 성질이 있으므로, 수소 원자 함유율이 높은 고분자 물질은 차폐체로 활용하기에 적합한 것으로 알려져 있다.

에폭시 수지는 대표적으로, 에피클로로히드린과 비스페놀 A를 중합하여 만들어 지는 것으로, 에폭시 수지를 단독으로 사용하기 보다는 이에 경화제를 다시 첨가하여 열경화성의 물질로 변화시켜 주로 사용된다. 내수성, 내약품성, 내마모성 등이 뛰어나고, 접착력 또한 강하여 다양한 용도로 활용되는 고분자 물질이다.

에폭시 수지를 경화시키기 위해서는 별도의 경화제 첨가가 요구된다. 에폭시 수지의 종류에 따라 그에 적합한 다양한 경화제가 존재하고, 이러한 경화제의 종류 및 함량에 따라 경화된 에폭시 수지는 다른 물성을 띠게 된다.

발포 금속(metal foam)은 금속 재료 내부에 수많은 기포를 가진 다공질(porous) 금속으로, 크게 개포형(open cell type)과 폐포형(closed cell type)으로 구분된다. 폐포형 발포 금속의 경우 금속내부의 기포가 연결되지 않고 독립적으로 존재하며, 개포형 발포 금속의 경우 재료 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 기체나 유체의 통과가 용이한 특성이 있다.

본 발명은 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물을 제공한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 발포 금속, 중성자 흡수재 붕소 화합물, 에폭시 수지 및 에폭시 수지 경화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물을 제공한다.

상기 발포 금속은 내부에 많은 기포를 형성하고 있는 신개념의 금속소재로, 특히 개포형 발포 금속은 형태상으로는 인체의 뼈와 유사한 구조로 구조학적 완전 등방성(isotropic)으로서 상당히 안정한 구조를 가지고 있다. 따라서 발포 금속은 구조적으로 안정하고 에너지 흡수 및 차폐능력이 뛰어나며, 제조공정에 따라 기공의 형태, 크기, 분포 및 기공률 등을 제어할 수 있어 중성자 차폐체용 조성물로 활용되기에 바람직한 소재이다.

상기 발포 금속은, 금속의 종류에 있어서 특별히 한정되지 아니하나, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag) 등을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.

발포 알루미늄의 경우, 다른 금속소재에 비해 초경량이면서 에너지 흡수 능력이 뛰어나고 열이나 전기의 전도성이 작고 액상이나 공기 등의 투과성이 뛰어난 기능적 특성을 가지고 있어, 본 발명인 중성자 차폐체용 조성물의 구성 요소로 사용되기에 매우 바람직하다.

상기 발포 금속의 기공률은 특별히 한정되지 아니하나, 바람직하게는 약 30~60%의 기공률을 갖는 발포 금속을 사용할 수 있다.

상기 중성자 흡수재 붕소 화합물은 상기의 발포 금속과 함께 혼합되어 발포 금속의 기공을 채우는 방식으로 사용될 수 있다.

상기 중성자 흡수재 붕소 화합물은, 그 종류에 있어서 특별히 한정되지 아니하나, 보다 바람직하게는 탄화 붕소를 사용할 수 있다.

탄화 붕소는 붕소 화합물 중에서도 특히 붕소함량이 높아, 열중성자 포획면적이 넓고, 중성자로 조사할 때에도 고준위의 2차 방사선이나 장수명(long-lived)의 2차 부산물을 발생시키지 않는 등 중성자 흡수재로서 뛰어난 특징을 많이 갖고 있어, 본 발명인 중성자 차폐체용 조성물의 구성 요소로 사용되기에 매우 바람직하다.

상기 에폭시 수지는, 그 종류에 있어서 특별히 한정되지 아니하나, 보다 바람직하게는 O-크레졸 노볼락 에폭시 수지를 사용할 수 있다.

O-크레졸 노볼락 에폭시 수지는 다관능성 수지로써, 다른 여러 에폭시 수지 중에서도 내수성, 내약품성, 내마모성 등이 우수하다. 또한 분자 구조상 수소 원자의 함량이 높기 때문에 중성자가 수소 원자와 충돌 시 발생하는 중성자의 에너지 흡수 및 감속 효과가 뛰어나, 본 발명인 중성자 차폐체용 조성물의 구성 요소로 사용되기에 매우 바람직하다.

상기 에폭시 수지 경화제는 에폭시 수지를 경화시키기 위해 첨가되는 것으로, 그 종류에 있어서 특별히 한정되지 아니하며, 본 발명에서 사용되는 에폭시 수지의 종류에 따라 그에 적합한 다양한 경화제를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 에폭시 수지를 O-크레졸 노볼락 에폭시 수지로 사용하는 경우에는, 보다 바람직하게는, 폴리아민(Polyamine), 폴리아미노아미드(Polyaminoamide), 카복실기 수지(Carboxylic funtional resin), 페놀 수지(Phenolic resin), 페놀 노볼락 수지(Phenol Novlac resin) 또는 산무수물을 사용할 수 있고, 가장 바람직하게는 방향족 아민 경화제를 사용할 수 있다.

상기 방향족 아민 경화제는 염기성을 적게 띠어 반응이 완만하게 이루어지도록 하고, 그 가용 시간(화학 물질 따위가 성능을 발휘할 수 있는 상태를 유지하는 시간)이 길어, 본 발명에서 에폭시 수지의 경화제로 사용되기에 매우 바람직하다.

상기 방향족 아민 경화제를 사용하여 에폭시 수지를 경화시키는 경우, 바람직하게는 반응의 촉진제로써 페놀류나 산성 촉진제를 사용하여 가용 시간을 조절할 수 있다.

상기 방향족 아민 경화제는, 그 종류에 있어서 특별히 한정되지 아니하나, 보다 바람직하게는 4,4-디아미노디페닐메탄(4,4-diaminodiphenylmethane)을 사용할 수 있다.

4,4-디아미노디페닐메탄을 사용하여 경화된 에폭시 수지는, 다른 방향족 아민 경화제를 사용하여 경화된 에폭시 수지에 비하여 고온에서의 강도가 뛰어나 핵연료 등의 저장 안정성이 높기 때문에 본 발명의 중성자 차폐체용 조성물로 사용되기에 매우 바람직하다.

본 발명의 중성자 차폐체용 조성물은 그 구성 성분의 함유 비율에 있어서 특별히 한정되지 아니하나, 바람직하게는, O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 발포 알루미늄 5~60 중량부, 중성자 흡수재 붕소 화합물 5~50 중량부 및 4,4-디아미노디페닐메탄 10~40 중량부를 함유할 수 있다.

본 발명의 중성자 차폐체용 조성물을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 아니하며, 당해 기술 분야에서 알려진 여러 방법에 의하여 제조될 수 있다.

본원에 제시된 일 실시예에 따르면,

(1) O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 분말, 경화제인 4,4-디아미노디페닐메탄 분말, 중성자 흡수재인 붕소 화합물 분말 및 발포 알루미늄을 준비하는 단계;

(2) 차폐체용 조성물의 총 중량을 기준으로, O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 분말, 4,4-디아미노디페닐메탄 분말, 중성자 흡수재 붕소 화합물 분말 및 발포 알루미늄을 고르게 혼합한 후 샘플틀에 넣는 단계;

(3) 핫플레이트에서 상기 샘플틀을 가열하여 O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 및 4,4-디아미노디페닐메탄 경화제를 용융시켜 경화시키는 단계(이 때, 경화시의 온도는 90℃~150℃ 사이로 유지되도록 조절함);

(4) 상기 샘플틀을 오븐에 옮겨 약 3시간 동안 약 70~90℃로 유지 시킨 후, 오븐의 전원을 차단하는 단계(이 때, 샘플의 온도가 상온으로 떨어질 때 까지 오븐 안에 그대로 놓아둠); 및

(5) 상기 샘플이 상온에 이른 후, 상기 샘플틀에서 샘플을 분리하는 단계

를 포함하는 방법에 의하여 본 발명의 중성자 차폐체용 조성물을 제조할 수 있다.

상기 중성자 차폐체용 조성물은 이를 단독으로 사용하거나 또는 1 이상의 다른 성분과 혼합된 형태로 사용하여 중성자 차폐체를 제조하는 데에 활용될 수 있다.

본 발명인 발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물은 기존의 차폐체용 조성물 및 이를 활용한 차폐체와 비교하여, 보다 구조적으로 안정하면서도 경량이고, 높은 수소 원자 함유율에 의해 중성자의 에너지 흡수 및 감속에 뛰어난, 효과적인 중성자 차폐능력을 가지는 차폐체용 조성물을 제공하는 이점을 갖는다.

본원에서 사용하는 용어를 하기와 같이 정의한다.

본원에서 사용하는 용어 "발포 금속"은 금속 재료 내부에 수많은 기포를 가진 다공질성 금속을 의미한다.

이하, 실시예를 기술함으로써 본원 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본원 발명의 일 예시에 불과하며, 본원 발명의 내용이 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

실시예1

발포 금속을 함유하는 중성자 차폐체용 조성물의 제조

O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 분말, 경화제인 4,4-디아미노디페닐메탄 분말, 중성자 흡수재인 붕소 화합물 분말 및 발포 알루미늄을 준비하여, 차폐체용 조성물의 총 중량을 기준으로, O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 분말 60 중량%, 4,4-디아미노디페닐메탄 분말 15 중량%, 중성자 흡수재 붕소 화합물 분말 5 중량% 및 발포 알루미늄 20 중량%를 고르게 혼합한 후 샘플틀에 넣었다. 그 다음, 핫플레이트에서 상기 샘플틀을 가열하여 O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 및 4,4-디아미노디페닐메탄 경화제를 용융시켜 경화하였다. 경화시의 온도는 90℃~150℃ 사이로 유지되도록 조절하였다. 이는, 온도를 더 높일 경우, 기포 발생의 우려가 있고 경화 속도가 지나치게 빨라져 성형이 어려워질 수 있기 때문이다.

상기 샘플틀을 오븐에 옮겨 3시간 동안 약 80℃로 유지 시킨 후, 오븐의 전원을 차단하였다. 이 때, 샘플의 온도가 상온으로 떨어질 때 까지 오븐 안에 그대로 놓아두었다. 샘플이 상온에 이른 후, 상기 샘플틀에서 샘플을 분리하여 본 발명의 중성자 차폐체용 조성물을 제조하였다.

Claims (6)

1. 발포 금속, 중성자 흡수재 붕소 화합물, 에폭시 수지 및 에폭시 수지 경화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 발포 금속은 발포 알루미늄인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.
3. 제2항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 O-크레졸 노볼락 에폭시(o-cresol novolac epoxy) 수지인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.
4. 제3항에 있어서, 상기 에폭시 수지 경화제는 방향족 아민 경화제인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.
5. 제4항에 있어서, 상기 방향족 아민 경화제는 4,4-디아미노디페닐메탄(4,4-diaminodiphenylmethane) 경화제인 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.
6. 제5항에 있어서, 상기 조성물은 O-크레졸 노볼락 에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 발포 알루미늄 5~60 중량부, 중성자 흡수재 붕소 화합물 5~50 중량부 및 4,4-디아미노디페닐메탄 10~40 중량부를 함유하는 것을 특징으로 하는 중성자 차폐체용 조성물.