에폭시수지계 중성자 차폐재의 제조 및 특성연구

조 수 행, 서 기 석, 도 재 범, 노 성 기

한국원자력연구소

Fabrication and Characteristics Study

on Resin-Type Neutron Shielding Materials

Soo Haeng Cho, Ki Seog Seo, Jae Bum Do, Seung Gy Ro

Korea Atomic Energy Research Institute, Taejeon 305-353, Korea

1. 서   론

방사성물질의 수송 및 저장용기, 핵연료 재처리공장, 원자로, 액체금속로, 싸이클로트론장치등으로 부터 발생되는 중성자는 (n,□)반응에 의한 2차 감마선을 발생시켜 인체에 장애를 주기 때문에 중성자를 안전하게 차폐할 재료가 절실히 요망된다. 중성자는 거의 같은 질량의 수소원자와의 충돌에 의하여 에너지가 흡수되면서 효과적으로 감속되기 때문에 수소원자수밀도가 높은 고분자물질이 기본소재로 많이 사용되고 있으며, 이에 열중성자 포획단면적이 큰 붕소 혹은 붕소화합물, 리튬화합물 등이 첨가되며, 또한 각종 성능향상제가 첨가되여 제조되는 중성자 차폐재는 그 종류가 매우 다양하다[1-2].

사용후핵연료 수송용기의 중성자 차폐재로서 물 혹은 물과 에틸렌글리콜과 같은 혼합물들을 사용할 때는 온도상승에 따른 부피팽창을 대비한 여분의 공간이 필요하다. 이 여분의 공간은 중성자 차폐효과를 고려하여 복잡한 구조로 만들어야 하므로 수송용기의 두께 및 무게는 증가하게 되고 수송용기의 용량이 감소되는 단점이 있다. 이러한 중성자 차폐재들의 단점을 보완하기 위해 최근에는 고분자물질 및 cermet 등의 중성자 차폐재들이 미국, 일본 등지에서 개발중에 있다[3-4].

본 연구에서는 기계적 및 전기적성질, 내약품성, 내후성 및 내부식성 등이 우수한 비스페놀A형 에폭시수지와 경화제에 폴리프로필렌, 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제를 혼합하여 제조하였으며, 제조된 중성자 차폐재들의 경화전의 유동성, 차폐능, 열적 및 역학적특성 등을 비교, 검토하여, 주요 첨가제인 탄화붕소와 폴리프로필렌의 첨가량이 중성자 차폐재의 차폐능에 미치는 영향을 검토하였다.

2. 실   험

2-1. 실험재료

기본물질로 사용된 액상의 프리폴리머인 에폭시수지는 비스페놀A의 diglycidyl ether resin에 butyl glycidyl ether 를 혼합하여 저점도화한 수지이다. 경화제로는 fatty acid, polymerized acid 및 tetraethylene pentamine 의 혼합물을 탈수축합에 의해 제조한 폴리아미도아민과 폴리에테르디아민인 polyoxypropylenediamine을 사용하였다. 중성자 차폐재의 수소원자수밀도를 증가시키기 위한 목적으로 사용된 폴리프로필렌은 입자 크기가 100∼200 mesh인 것을 사용하였다. 저속 혹은 열중성자에 대해 차폐효과가 큰 탄화붕소(B4C)는 325 mesh인 것을 사용하였다. 수산화알루미늄은 차폐재에 유독가스를 발생시키지 않으면서, 난연성을 부여하고 자기소화성을 촉진시키는 것으로 알려져 있으며[5], 결정수형으로 약 35% 의 물을 함유하고 있다.  또한 수소를 함유하고 있어 고속중성자를 열중성자로 감속시키는 작용을 하는 수산화알루미늄은 100 mesh인 것을 사용하였다.

2-2. 실험장치 및 방법

본 연구에 사용한 실험장치는 중성자 차폐재 제조의 기본물질인 액상 에폭시수지와 경화제, 분말형태의 폴리프로필렌, 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제들을 균일하게 혼합하기 위하여 Dispermat VL-C형의 진공혼합기를 사용하였다. 혼합시에는 정해진 무게비율로 각 시료들을 준비하여 액상의 프리 폴리머인 에폭시수지와 경화제를 당량비율로 혼합한 후, 소포제와 분말시료들을 진공혼합기에 넣어 일정시간 동안 진공하에 혼합하였다. 각종의 시편틀에 액상의 혼합물을 넣고 상온에서 경화시켜서 특성시험에 알맞는 시편을 제작하였다.

본 연구에서는 고속중성자, 저속 및 열중성자의 차폐효과에 관계되는 수소원자수밀도와 붕소원자수밀도, 가공성의 용이성 및 중성자 차폐재의 다른 특성을 고려하여 중성자 차폐재시편의 첨가제의 조성비를 조절하였다.

중성자 차폐재의 특성시험으로 연소특성시험, 열안정성시험, 인장시험 및 굴곡시험 등을 행하였다. 연소 특성시험은 ASTM E136에 의해 30분간 시편의 내·외부온도를 측정하였으며, 열안정성시험은 ASTM E537에 의해 5℃/min로 상온에서 800℃까지 TG-DTA 측정을 하였다.

인장시험과 굴곡시험은 KS M3015에 따라서 Zwick Model 1446로 측정하였다. 원소 분석에서 수소, 탄소 및 질소 원소 분석은 CHN-1000 Elemental Analyzer(LECO Co.)로, 붕소 원소는 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer)로 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 유동적 특성에 미치는 영향

중성자 차폐재를 수송용기와 같은 복잡한 구조물에 직접 주입한 후에 경화시키려면 액상의 혼합물은 어느 정도 이상의 유동성을 가져야한다. 따라서 중성자 차폐재의 성능을 향상시키기 위하여 첨가되는 첨가제의 양은 제한을 받게됨으로 적절한 배합비율의 선택이 중요하게 된다. 탄화붕소 및 폴리프로필렌의 첨가량에 따른 점도를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 130 poise 이하로 나타났다. 130 poise 이하이면 가공성이 매우 좋아 복잡한 구조물에 기포없이 주입할 수 있을 것으로 판단된다.

3-2. 열적 특성에 미치는 영향

미국 NRC규정[6]에 의한 화재조건(800℃, 30분)에서 중성자 차폐재의 연소특성을 평가하기 위하여 ASTM E 136에 따라 연소특성시험을 행하였으며, 중성자 차폐재 시편들의 800℃ 분위기에서 시간에 따른 시편의 내부온도 변화를 Fig. 2 와 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 탄화붕소의 첨가량이 4 wt.%까지 시편의 내부온도가 800℃ 미만으로 나타났다. 그러나 Fig. 3에서 보는 바와 같이 탄화붕소를 3 wt.% 첨가시 폴리프로필렌은 3 wt.%까지 800℃ 미만으로 나타났다. 이들 그림에서 보는 바와 같이 연소특성시험에서 시편의 최고 내부온도가 800℃ 이하로 나타났는데, 이는 화재사고시 연소에 의하여 수송용기 내부로 열유입의 우려가 없어 수송용기에 사용될 때 안전할 것으로 판단된다[7]. 또한 중성자 차폐재들의 열안정성을 평가 하기 위하여 탄화붕소와 폴리프로필렌의 첨가제들을 일정비율로 혼합해여 제조된 차폐재 시편들의 TGA 분석결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 폴리프로필렌 첨가시 첨가량의 범위가 적지만 탄화붕소 및 폴리프로필렌의 첨가량이 열분해온도에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 열분해온도는 260℃ 근처이고 800℃에서의 무게감량은 50% 근처로 나타났다. 사용후핵연료 수송용기의 정상 수송조건에서 중성자 차폐재 부분의 온도는 120℃ 전후이므로 제조된 중성자 차폐재들이 모두 열적으로 안정하다는 것을 알 수 있다.

3-3. 중성자 차폐능에 미치는 영향

중성자 감속효과가 매우 큰 수소원자와 열중성자 흡수단면적이 큰 붕소원자의 원자수밀도 등이 중성자 차폐능과 밀접한 관계를 가지므로 중성자 차페재의 원자수밀도의 파악이 필요하다[1,2]. 그리하여 탄화붕소와 폴리프로필렌의 첨가제를 일정비율로 혼합하여 제조된 중성자 차폐재들의 원자밀도를 Table 1에 나타내었다. 이들 차폐재를 가압경수로 사용후핵연료 28다발을 장전할 수 있는 수송용기에 두께가 150 mm인 중성자 차폐재를 사용할 경우의 차폐해석 결과를 Table 2에 나타내었다. 수송형태는 방사선 차폐계산에서 보수적인 결과를 나타내는 장전통에 물이 없는 공냉식(dry cavity)으로 하여 계산하였다. 수송용기의 반경방향의 최대 방사선량율을 1 차원 차폐계산코드인 ANISN 코드를 사용하여 표면, 표면으로부터 1 m 지점에서의 선량율을 계산하였다. 수송용기에 대한 선량율 허용 기준치는 국내 과학기술처고시 제 85-8호 제 22조, IAEA safety series No. 6 para. 465 그리고 미국의 10 CFR 71.47에서 수송용기의 표면에서 200 mrem/hr, 용기 표면으로부터 1 m 거리에서 10 mrem/hr로 규정하고 있다. Table 2에서 보는 바와 같이 이들 차폐재들을 수송용기에 적용할 경우 모두 허용 기준치를 만족하는 것으로 나타났다.

Table 1. Atomic number densities of shielding materials

Shielding material	Atomic number density (x1022 atoms/cm3)
	C	H	N	O	Al	B
Type A	2.23	6.05	0.09	2.82	0.79	0.15
Type B	2.25	6.02	0.09	2.79	0.77	0.22
Type C	2.27	5.97	0.09	2.75	0.76	0.29
Type D	2.36	6.15	0.09	2.61	0.72	0.14
Type E	2.46	6.25	0.09	2.49	0.68	0.14
Type F	2.35	6.12	0.09	2.66	0.73	0.22
Type G	2.39	6.14	0.09	2.58	0.71	0.21

Table 2. Dose rates of shielding materials for spent fuel shipping cask

Shielding material	Dose rate (mrem/hr)
	Cask surface	1 m from cask surface
Type A	14.0	4.8
Type B	14.0	4.8
Type C	14.0	4.9
Type D	14.6	5.0
Type E	14.8	5.1
Type F	14.2	4.9
Type G	14.3	4.9
Allowable value	200	10

4. 결  론

1) 수송용기와 같은 복잡한 구조에 사용될 중성자 차폐재의 경화전의 점도가 130 poise 이하이면 작업성이 매우 좋아 기포없이 주입할 수 있을 것으로 판단된다.

2) 열분해온도가 260℃ 근처이므로 사용후핵연료 수송용기의 정상조건에서 중성자 차폐재 부분의 온도가 120℃ 전후이므로 열적으로 안정하다고 판단된다. 또한 화재조건(800℃, 30분)에서의 차폐재의 시편내부 최고온도가 모두 800℃ 이하로 나타났으며, 이는 화재사고시 연소에 의하여 수송용기 내부로 열유입의 우려가 없어 수송용기에 사용될때 안전한 것으로 판단된다.

3) 제조된 중성자 차폐재를 사용후핵연료 수송용기에 적용할 경우 수송용기 표면에서부터 1 m 거리에서의 수송용기에 대한 선량율 허용기준치인 10 mrem/hr 이하로 나타났으므로 수송용기의 정상수송시에 방사선차폐측면에서는 규정을 만족할 것으로 판단된다.

참 고 문 헌

1. Taniuchi, H., Iida, T., Matsuda, F. and Nagahama, H.: IAEA-SM-286/135,     123(1987).

2. Iida, T., Taniuchi, H. and Fujisawa, K.: RAMTRANS, 2, 79(1991).

3. Aleksander, J. P. and Ilhan, A. A.: J. Am. Ceram. Soc., 72(5),                775(1989).

4. Blakely, K. A., Gaffney, M. F. and Shaffer, P. T. B.:Trans. Amer. Nucl.       Soc., 34, 199(1980).

5. Japan Kokai Tokkyo Koho,  JP 82147095 A2(1982).

6. "Packaging and Transportation of Radioactive Materials", Code of              Federal Regulations, Title 10, Part 71(1983).

7. Boonstra, R. H.: GA-A19897 (1990).