KR910007461B1 - 방사선 흡수재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

방사선 흡수재

본 발명은 방사선 흡수재에 관한 것이다.

핵 처리 방법의 발달에 따라, 효과적인 우수한 방사선 흡수재를 고안 및 제조할 목적으로, 세계적으로 많은 연구를 거듭해왔다. 상기의 목적을 달성하기 위해, 방사선 흡수재의 제조에 사용되는 재료는 다음과 같은 특성을 갖어야 한다 :

- 상기 재료들은 특수한 핵 특성 : 즉, 방대한 유효포획면적, 낮은 수준의 2차 방사선, 그리고 상기 방사선에 대한 우수한 시간안정성을 가져야 한다:

- 방사선 특히 중성자선의 흡수에 의해 일어나는 가열효과를 견딜 수 있게끔 높은 용융점을 가져야 한다:

- 발생된 열을 신속하게 제거할 수 있게끔 우수한 열전도체이어야 한다:

- 쉽게 성형될 수 있는 기계적 특성을 갖어야 한다:

- 대기 또는 작동 매체내에서 내부식성을 갖어야 한다: 그리고

- 가능한 최소 가격이어야 한다.

중성자 흡수에 사용되는 여러 재료 가운데, 가장 널리 알려진 것으로, 카드뮴, 사마륨, 유로퓸이 있다.

카드뮴은 상당한 중독성의 물질이며 매우 낮은 용융점(321℃)과 매우 낮은 비등점을 갖는 단점이 있고, 그 반면 사마륨과 유로퓸은 상당히 비싸기 때문에 실질적으로 산업상에 사용되기가 어렵다.

상기와 같은 재료가운데 가장 널리 사용되는 재료는 붕소원소, 붕소화물, 탄화붕소, 붕소산등의 여러 가지 형태로 사용되는 붕소이다. 따라서, 상기 붕소에 대해 많은 특허가 출원되어 왔다. 그러나, 상기 물질은 기계적 성질이 매우 빈약하므로 각각의 흡수재형에 필요한 형상을 취하는데 필요한 성질을 획득하기 위해서 예로 알루미늄과 같은 금속매트릭스내에 상당한 정도로 희석되어야 한다. 그러한 경우, 상기 물질의 흡수력은 상당히 감소되므로 그에 따라 사용되는 재료의 양을 증가시켜 감소된 흡수력을 보상해주어야 하므로 그 결과 상기 흡수재의 비용이 상당히 증가하게 된다. 어떤 경우에 있어서는, 붕소가 알루미늄에 거의 불용성이기 때문에 얻어지는 물질이 합성제품이므로, 따라서 제조시 상기 알루미늄 매트릭스내에서 상기 붕소의 균일한 분포를 얻고 그리고 흡수력에 있어서의 불균일성을 피하기 위해서는 매우 복잡한 제조공정에 의지해야 할 필요가 있다.

가돌리늄과 그의 산화물은, 연료와 혼합되어, 감속재의 기능을 수행하도록 여러 가지 핵 설비내에서 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나, 방사선 흡수재 제조에 상기 물질을 적용하는 것은 문제점을 야기시킨다.

일반적으로 분말형태로 이용될 수 있는 상기 산화물에 관하여, 상기 산화물은 반드시 다른 물질과 혼합되어야 하므로 매우 복잡한 기술을 사용해야 하고, 그리고 그의 기계적 성질이 불량하기 때문에 복잡한 형상의 흡수재의 제조를 위해 상기 산화물을 사용하는 것은 섬세해야 하면서도 비용이 많이 든다. 또한, 상기 산화물은 열전도성이 불량하고 그리고 그의 흡수능력도 가돌리늄원소와 비교해 비교적 낮다.

상기 금속 그 자체에 관하여, 그의 가격은 여전히 높고 그리고 그의 산화력이 매우 높기 때문에 사용하기가 어렵다.

그러나, 느린 중성자의 스펙트럼에 있어, 가돌리늄은 종래의 전흡수재중 가장 효과적인 포획면적을 갖는다. 특히, 붕소와 비교하면, 10^-2eV의 에너지 수준의 열 중성자를 위한 가돌리늄의 면적은 100배 더 크다. 빠른 중성자에 있어서, 상기와 같은 가돌리늄의 효과는 붕소와 거의 같다.

상기와 같은 이유로, 가돌리늄의 장점뿐만 아니라 단점도 잘 알고 있는 본 출원인은 우수한 방사선 흡수재를 제조하는 방법을 찾고자 노력한 결과 결실을 보게 되었다.

이러한 흡수재는 순수 알루미늄, 합금 알루미늄, 그리고 분산상을 함유하는 순수 또는 합금 알루미늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 알루미늄을 갖는 가돌리늄 합금에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기 흡수재는 가돌리늄과 알루미늄을 중량%로 0.05%와 70%사이의 가돌리늄의 비율로 갖는 합금을 포함한다. 0.05%값 이하에서는, 상기 흡수효과가 지나치게 감소되고, 반면에 70%값 이상에서는 상기 합금을 제조하는데에 어려움이 있다. 상기 표시된 범위는 바람직하게는 0.1과 15%사이로서 흡수될 방사선의 성질과 흐름에 따라 결정된다.

사용된 알루미늄은 3층 전해 또는 부분결정화와 같은 방법에 의해 정제되었거나 또는 철 및 실리콘과 같은 불가피한 불순물과 함께 전해탱크로부터의 배출에서 수집된 것으로서 순수할 수 있다.

그러나, 또한 상기 알루미늄은 제조된 흡수재의 기계적 성질을 증가시킬 수 있는, 알루미늄 협회 기준에 있어 번호 1000, 5000 및 6000으로 표시되는 거와 동일한 종래의 합금이거나, 또는 카드뮴, 사마륨, 유로퓸, 리듐 하프늄 및 탄탈륨과 같이 역시 흡수성질을 갖는 하나이상의 다른 금속을 갖고 또한 타입 1000, 5000 및 6000의 합금으로부터 제조될 수 있는 알루미늄 합금일 수 있다.

그밖에, 합금되거나 또는 되지 않은 상기 알루미늄은 상기 흡수재의 기계적 강도를 증가시킬 목적으로 탄소섬유 또는 그밖의 다른 섬유와 같은 분산상을 함유할 수 있거나 또는 양자택일로, 상기와 같은 섬유와 결합되었거나 또는 되지 않았거나 간에, 사용된 알루미늄량의 30%까지를 나타낼 수 있는 붕소 및 그의 유도체등과 같은 방사선을 흡수하는 물질을 함유할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조되는 가돌리늄- 알루미늄합금들은 그들의 우수한 기계적 성질 덕택으로 모래, 냉각주형, 또는 고압 또는 저압, 열간 또는 냉간 압연, 압출 및 단조, 하에서의 주조로부터 선택되는 하나이상의 제조방법에 의해 어떠한 형상의 흡수재로도 쉽게 변화될 수 있다.

상기와 같은 합금들은 바람직하게는 매우 규칙적인 유효포획면적을 갖는 균질한 구조를 준다. 또한, Gd의 백분율에 따라 변할 수 있는 상기 합금들의 비중은 알루미늄의 비중에 가까운 값을 주고, 이때 Gd의 비율은 매우 가벼운 중성자 장벽을 제조할 수 있도록 30중량%에 까지 이를 수 있다. 다음의 도표 1은 두 2원합금 Al-Gd에 대한 비중값을 제공하는데, 하나는 Gd 11%를 함유하고 나머지 하나는 Gd 23%를 함유한다.

[표 1]

2원 합금 Al-Gd의 비중

알루미늄 매트릭스는 마무리된 제품에 우수한 수준의 열전도성(선택된 알루미늄 매트릭스에 따라 120으로부터 180W/m²K₂까지)을 주므로, 그에 따라 흡수에 의해 발생된 열을 외부 냉각시스템으로 신속하게 제거할 수 있다.

상기 합금 Al-Gd가 녹기 시작하는 점은 대개의 경우 620℃ 이상으로 매우 높고, 한편 이와 같은 특성은 상기와 같은 방법으로 제조되는 상기 중성자 장벽이 중성자 또는 다른 광선을 흡수함에 의해 발생되는 가열효과를 용이하게 견딜 수 있게 해준다.

Gd의 원자량은 매우 높고(156.9ｇ), r와 X-선은 특히 매우 상당한 범위로 흡수된다.

내부식성은, 일반적으로 가돌리늄의 존재에 의해 영향을 받지 않거나 또는 아주 조금 영향을 받고, 그리고 상기 부식특성은 사용된 알루미늄의 부식특성에 매우 유사하다. 1000, 5000 및 6000타입의 합금은 대기 또는 해저분위기에서 우수한 내부식성을 갖는다.

상기 기계적 성질은 높고 그리고 선택된 알루미늄 매트릭스에 따라 달라진다. 2원 알루미늄-가돌리늄합금에 있어서, 기계적 성질은 가돌리늄의 양에 따라 변한다 : 다음의 도표 Ⅱ는 12중량%의 Gd 비율을 갖는 하나와 25중량%의 Gd 비율을 갖는 다른 하나의 주조합금으로부터 얻은 결과를 표시한다.

[표 2]

2원 Al-Gd 합금의 기계적 성질

도표 Ⅲ은 Gd를 11중량% 함유하는 압연된 합금으로부터 얻은 결과를 나타냄.

[표 3]

압연된 Al-Gd 합금에서의 기계적 인장특성

구리, 실리콘, 아연, 마그네슘등과 같은 원소가 첨가된 알루미늄 매트릭스를 사용함으로써, 강도와 탄성한계를 다음의 값으로 크게 증가시킬 수 있다:

Rm 280 내지 320 MPA

Rp0.2 220 내지 260 MPA

A% 3 내지 10%

전술한 최고치의 값은 제한적이지 않고, 따라서 가돌리늄을 포함하는 3원, 4원, 5원등의 합금 조성물은 앞에서 표시된 값보다 더 큰 값을 제공할 수 있다.

상기와 같은 금속합금의 기계가공은 어떠한 문제점을 일으키지 않고, 그리고 고려해야할 매개변수와 작동속도는 알루미늄 합금을 위해 일반적으로 사용되는 거와 동일하다.

본 발명은 모두 방사선(중성자, r-선, X-선)의 흡수에 문제점이 있는 군사 또는 민간 거주구역과 관련된 여러용도에 사용된다.

사용예로 다음과 같은 것들을 들 수 있다. 핵 폐기물을 운반 및 저장하기 위한 플라스크, 원자로 연료성분을 저장하기 위한 수영장형의 랙(rack), 오염방지 설비 보호물, 군사차량에 대한 차폐 또는 장갑, 낙질 차폐물, 원자로요소, 방사선 또는 방사능 물질을 사용하는 모니터링 장치를 위한 차폐물등, 그러나, 상기 용도에 국한되는 것은 아니다.

Claims (11)

1. 방사선 흡수재에 있어서, 순수알루미늄, 합금알루미늄 및 분산상을 함유하는 순수 또는 합금알루미늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 알루미늄을 갖는 가돌리늄 합금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
2. 제1항에 있어서, 상기 가돌리늄의 비율은 중량퍼센트로 0.05 내지 70% 사이인 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
3. 제2항에 있어서, 상기 가돌리늄의 비율은 0.1 내지 15% 사이인 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
4. 제1항에 있어서, 상기 합금된 알루미늄은 알루미늄 협회 기준에 있어 번호 1000, 5000 및 6000으로 표시되는 합금들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
5. 제1항에 있어서, 상기 합금된 알루미늄은 한가지 이상의 방사선 흡수재 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
6. 제5항에 있어서, 상기 금속은 카드뮴, 사마륨, 유로퓸, 리듐, 하프늄 및 탄탈륨으로 형성되는 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
7. 제1항에 있어서, 상기 분산상은 한가지 이상의 방사선 흡수물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
8. 제7항에 있어서, 상기 분산상은 붕소 또는 그의 유도체중 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
9. 제8항에 있어서, 상기 붕소는 알루미늄의 30%중량까지 함유되는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
10. 제1항에 있어서, 상기 분산상은 섬유형태인 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.
11. 제1항에 있어서, 주조, 압연, 압출 및 단조로부터 선택된 제조방법들중 하나이상에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 방사선 흡수재.