KR20200061100A - 하프늄 하이드라이드를 포함하는 방사선 차폐재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량의 고효율 방사선 차폐재에 관한 것으로서, 붕소화합물과 산화납 및 고분자 기재가 포함된 방사선 차폐재에 하프늄 하이드라이드가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 방사선 차폐재를 제공한다.

Description

하프늄 하이드라이드를 포함하는 방사선 차폐재{Radiation Shielding Material Comprising Hafnium Hydride}

본 발명은 중성자 및 감마선을 포함한 방사선을 차폐하는 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 중성자와 감마선을 동시에 차폐할 수 있는 붕소화합물과 납 그리고 하프늄 하이드라이드가 함유된 고분자 물질의 차폐재에 관한 것이다.

방사선은 크게 전리 방사선과 비전리 방사선으로 나뉠 수 있으며, 일반적으로 방사선은 전리 방사선을 의미한다.

이때, 전리 방사선은 물질을 통과할 때에 이온화를 일으키는 알파, 베타, 양성자, 중성자, 감마선, X선 등의 방사선을 말한다.

감마선은 핵의 붕괴나 변환으로부터 발생되는 전자기파로서, 투과력이 매우 강한 특징이 있다. 이러한 감마선은 콘크리트, 철, 납과 같은 밀도가 높은 물질을 통해서 차단할 수 있지만, 고밀도로 인하여 차폐재의 중량이 커지는 문제가 있다.

중성자의 차폐는 기본적으로 감속과 흡수에 의해 이루어진다. 에너지가 높아 투과력이 강한 고속중성자 차폐 재료로는 중성자와 질량이 거의 같아 에너지 감쇄 효과가 뛰어난 수소 원자를 다량 함유하고 있는 물질이 적합하다. 또한, 감쇄로 인하여 에너지가 낮아진 중성자를 차폐하기 위해서는 흡수 단면적이 높은 물질을 통하여 차단할 수 있다.

이러한 감마선 또는 중성자는 원자나 분자에 직접 작용하여 DNA나 단백질의 주요 구조물을 변경시킬 수 있고, 생물의 생식세포에 작용하는 경우 돌연변이를 유도하여 기형을 유발할 확률을 증가시킬 수 있으며, 성체에 작용하는 경우 암 등의 질환을 발생시킬수 있고, 더욱이 열 중성자는 주위의 물질을 방사화시켜 주위 환경을 방사능으로 오염시키는 문제가 있다. 따라서 방사선이 적용되는 분야에서는 인체와 환경에 유해한 감마선 또는 중성자를 흡수할 수 있는 방사선 차폐재가 필수적으로 요구된다. 그 중, 원자력 시설이나 가속기 시설 등은 이들 각 시설로부터 발생되는 방사선인 중성자와 감마선의 차폐가 매우 중요하다.

이때, 중성자와 감마선은 각각 물질에 의해 감쇠 특성이 다르기 때문에 단일 물질로는 두 가지 방사선을 동시에 차폐할 수 없고, 각 방사선 차폐 특성에 적합한 물질을 조합하면 효과적인 차폐재를 개발할 수 있다.

일반적으로 방사선에 유효한 차폐재로는 사용 되는 시멘트의 경우, 구조물이나 차폐 재료들의 조합으로 필요한 차폐 효과를 얻을 수 있기는 하나, 사용 장소 및 용도에 따라 필요한 형태로 가공이 용이하지 않은 경우가 있다.

따라서 다양한 형태로 가공이 필요한 경우에는 폴리머 기지의 차폐재를 사용하는 것이 일반적이다.

종래기술에서는 폴리에틸렌에 붕소 화합물이 함유된 보레이트 폴리에틸렌 재료 등이 중성자 차폐재로서 사용되어 왔고 납을 함유한 방사선 차폐재도 공개가 되었지만, 차폐를 성능을 개선시킬 수 있는 첨가물의 조합을 통하여 중성자와 감마선을 동시에 차폐할 수 있는 경량 복합 차폐재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0126933호 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0128996호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0127704호

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 경량의 고효율 방사선 차폐재를 사용자에게 제공하기 위한 것이다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고분자 기재 및 하프늄 하이드라이드를 포함하는, 방사선 차폐재를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 기재는 HDPE(High density polyethlene, 고밀도 폴리에틸렌) 또는 PI(Polyimide, 폴리이미드)인 것이 바람직하다.

본 발명의 방사선 차폐재는 붕소화합물을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 붕소화합물은 B₄C인 것이 바람직하다.

본 발명의 방사선 차폐재는 또한 산화납을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 방사선 차폐재는, 원자로, 방사선 피복의류, 사용후 핵연료 수송 및 저장용기, 사용후 핵연료 저장고, 사용후 핵연료 재처리 시설, 가속기를 포함하는 방사선 발생시설, 방사성 물질의 수송 및 저장용기, 우주 방사선 차폐부 및 무기체계의 방사선 차폐부 중 적어도 하나에 사용될 수 있다.

본 발명은 경량의 고효율 방사선 차폐재를 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 B₄C의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 2는 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 3은 B₄C의 중량비가 4%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 4는 B₄C의 중량비가 5%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 5는 B₄C의 중량비가 1%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 6은 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 7은 B₄C의 중량비가 9%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 8는 B₄C의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 9은 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.
도 10은 B₄C의 중량비가 7%시 HfH₂의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 구체적인 양태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져있고 통상적으로 사용되는 것이다.

원자력 시설이나 가속기 시설로부터 발생하는 중성자와 감마선을 차폐하기 위해 콘크리트, 납 등의 별도의 구분된 차폐재가 사용되어 왔다.

그리고 고분자화합물을 이용하는 차폐재도 개발되었지만, 감마선에 대해서는 차폐효과가 거의 없으므로, 이를 개량한 새로운 복합 차폐재를 개발하고자 한다.

< 구성 >

본 발명의 일례와 관련된 경량 복합 방사선 차폐재는, 고분자 물질이 포함된 방사선 차폐재에 하프늄 하이드라이드가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때 고분자 물질의 경우, 중성자 중의 고속 중성자가 갖는 에너지를 감쇠하기 위한 것으로서 거의 같은 질량의 수소원자 함유율이 높은 물질을 사용하게 된다. 일례로서, 파라핀, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계의 열가소성 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지, 에폭시 수지, 그리고 고내열 폴리머 재료인 폴리이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 사용되는 붕소화합물은, 중성자의 흡수재로서 기능을 갖는 것이고, 본 기술분야에서 중성자 흡수를 위해 사용되고 있는 것이다.

중성자 흡수기능을 갖는 붕소화합물로서는 저속 및 열중성자에 대하여 큰 흡수 단면적을 갖는 질화붕소, 무수붕산, 붕소철, 정붕산, 탄화붕소 또는 메타붕산 등의 붕소화합물을 들 수 있으며, 이러한 붕소화합물은 1 종류의 붕소화합물을 사용해도 되고, 2 종류 이상의 붕소화합물을 혼합하여 사용해도 된다. 이 중에서, 탄화붕소(B₄C)가 온도에 의해서 변화되지 않고, 수분을 흡수하지 않아 화학적 안정성이 높고, 고분자를 주체로한 방사선 차폐 재료에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 특히 바람직하다.

또한, 본 발명은 감마선 차폐를 위하여 차폐재의 밀도를 증가하기 위한 고밀도 금속을 추가적으로 포함할 수 있다. 구체적으로는, 금속 가루 또는 금속의 산화물 가루 등을 들 수 있다. 밀도 증가제로서, 바람직하게는 융점이 350℃ 이상의 금속인 Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Sb, Bi, U, W 등이 있고 또는 융점이 1000℃ 이상인 금속의 산화물인 NiO, CuO, ZnO, ZrO₂, SnO, SnO₂, WO₂, UO₂, PbO, WO₃, 란타노이드 산화물 등을 들 수 있다. 밀도 증가제는 1종류로 사용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.

실시예

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실험예 1

일반적으로 차폐재의 두께에 따라 방사선의 세기는 기하급수적으로 감소한다. 하지만, 두께가 증가하게 되는 경우, 사용장소 및 방법에 따라서 적절하지 못한 경우가 있으므로, 경량 및 얇은 두께의 차폐재의 방사선 차폐효과가 증가되는 것을 목표로 한다.

그래서, 본 실험의 경우, PI에 첨가한 B₄C의 중량비에 따른 중성자 차폐효과를 검토하고자 한다.

B₄C의 무게비에 따른 중성자 차폐효과를 검토하기 위해 도 1을 참조하면, 차폐재의 두께가 증가할수록 차폐재를 통과하는 중성자 개수는 감소함을 알 수 있고, 미소하게 B₄C의 중량비가 증가할수록 차폐재를 통과하는 중성자의 개수가 감소함을 알 수 있다.

즉, 도 1에 나타난 결과에 의하면, 단순히 차폐재 내의 B₄C의 중량비의 증가만으로는 중성자 차폐의 비약적 효과상승을 얻을 수 없음을 알 수 있다.

실험예 2

PI에 B₄C를 첨가한 방사선 차폐재에 중량비 10%의 PbO(lead oxide)가 첨가되는 경우 HfH₂(Hafnium Hydride)의 중량비에 따라 변화하는 차폐효과에 대하여 검토를 하기 위해 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하고자 한다.

도 2는 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이고, 도 3은 B₄C의 중량비가 4%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이며, 도 4는 B₄C의 중량비가 5%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.

도 2를 검토하면, B₄C의 중량비가 3%로 유지된 상태에서 HfH₂의 중량비가 증가함에 따라 감마선 및 중성자의 차폐효과가 상승됨을 알 수 있다.

도 3을 검토하면, B₄C의 중량비가 4%로 유지된 상태에서 HfH₂의 중량비가 증가함에 따라 중성자의 차폐효과가 상승됨을 알 수 있다.

도 4를 검토하면, B₄C의 중량비가 5%로 유지된 상태에서 HfH₂의 중량비가 증가함에 따라 중성자의 차폐효과가 상승됨을 알 수 있다.

즉 실험예 2에 따르면, B₄C의 중량비의 변화와 관계없이 HfH₂의 중량비가 증가할수록 방사선 차폐 효과가 증가됨을 확인할 수 있다.

실험예 1 및 2를 비교하면, B₄C가 첨가된 PI는 HfH₂가 1%의 중량비만 첨가하여도 차폐성능이 상승됨을 알 수 있었고 중량비 3%에서는 7%, 중량비 7%에는 14%의 차폐성능 개선이 나타났음이 뚜렷이 확인된다. 이는 B₄C에서 붕소의 역할인 중성자 흡수재의 역할보다, 감마선 및 중성자 감속재의 역할이 중성자 차폐에 더 중요한 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.

즉, 수소함량이 많은 HfH₂를 첨가함에 따라 방사선 차폐재내의 수소를 증가시켜 중성자 감속재가 증가하게 되며, Hf가 붕소와 같이 중성자 흡수재 역할을 하기 때문에 방사선 차폐효과가 상승된 것이다. 또한 원자번호가 큰 Hf의 첨가가 감마선 차폐에도 기여하고 있음을 보여주고 있다.

실험예 3

실험 3은 HfH₂(Hafnnium Hydride)의 첨가정도에 따른 차폐효과의 증가여부에 대한 검토를 하기 위해 도 5, 도 6, 도 7을 참조하고자 한다.

도 5는 B₄C의 중량비가 1%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이고, 도 6은 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이며, 도 7은 B₄C의 중량비가 9%시 HfH₂의 중량비 증가에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.

도 5, 도 6, 도 7을 고려하면, HfH₂의 중량비가 증가할수록 방사선 차폐효과가 증가함을 알 수 있다.

즉, 실험 3의 결과를 검토하면 일정한 B₄C의 중량비 하에서는 HfH₂의 중량비가 증가할수록 방사선 차폐효과가 증가됨을 알 수 있다.

이는 수소함량이 많은 HfH₂를 첨가함에 따라 방사선 차폐재내의 수소를 증가시켜 중성자 감속재가 증가하게 되며, Hf가 붕소와 같이 중성자 흡수재 역할을 할 수 있기 때문에 방사선 차폐효과가 상승된 것이다. 또한 원자번호가 큰 Hf의 첨가가 감마선 차폐에도 기여하고 있음을 보여주고 있다.

실험예 4

실험예 4는 B₄C의 농도변화 및 차폐재의 두께 변화에 따른 방사선 차폐효과에 대하여 검토하기 위하여 도 8을 참조하고자 한다.

도 8는 B₄C의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다. B₄C의 농도가 증가하면 차폐효과가 증가됨을 확인할 수 있으나, Hf의 증가에 비해 그 효과가 크지 않음을 알 수 있다.

실험예 5

실험 5는 HfH₂의 농도변화 및 차폐재의 두께 변화에 따른 방사선 차폐효과에 대하여 검토하기 위하여 도 9을 참조하고자 한다.

도 9은 B₄C의 중량비가 3%시 HfH₂의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이고, 도 10은 B₄C의 중량비가 7%시 HfH₂의 농도변화 및 차폐재의 두께에 따른 차폐정도를 도시한 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 차폐재의 두께가 증가할수록 방사선 차폐효과가 증가함을 알 수 있고, 이는 타 조성의 방사선 차폐재의 경우와도 유사한 경향이 인정된다.

한편, 본 발명에 의해 얻어지는 방사선 차폐재는 중성자 흡수 및 감마선 차폐를 위해 첨가되는 물질을 나노화 할 수 있어, 경량의 얇은 차폐재를 얻을 수 있다. 그 결과, 원자로의 반응로 외에도 사용후 핵연료에 대한 수송용기의 중성자 차폐재 제조에 효과적으로 활용될 수 있다.

이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 고분자 기재 및 하프늄 하이드라이드를 포함하는, 방사선 차폐재.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자 기재가 HDPE(High density polyethlene, 고밀도 폴리에틸렌) 또는 PI(Polyimide, 폴리이미드)인 것을 특징으로 하는, 방사선 차폐재.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   붕소화합물을 더 포함하는, 방사선 차폐재.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 붕소화합물은 B₄C인 것을 특징으로 하는, 방사선 차폐재.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   산화납을 더 포함하는, 방사선 차폐재.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   원자로, 방사선 피복의류, 사용후 핵연료 수송 및 저장용기, 사용후 핵연료 저장고, 사용후 핵연료 재처리 시설, 가속기를 포함하는 방사선 발생시설, 방사성 물질의 수송 및 저장용기, 우주 방사선 차폐부 및 무기체계의 방사선 차폐부 중 적어도 하나에 사용되는 것을 특징으로 하는, 방사선 차폐재.

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