개질 및 수첨 Bisphenol-A형 에폭시수지 중성자 차폐재 특성연구

조 수 행, 홍 순 석, 도 재 범, 노 성 기, 박 현 수

한국원자력연구소

A Study on the Characteristics of Modified and Hydrogenated Bisphenol-A Type Epoxy Resin based Neutron Shielding Materials

Soo Haeng Cho, Sun Seok Hong, Jae Bum Do, Seung Gy Ro, Hyun Soo Park

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 첨가되어 제조되는 중성자 차폐재는 그 종류가 매우 다양하다[1-2].

기계적 및 전기적성질, 내약품성, 내후성 및 내부식성 등이 우수한 비스페놀A형 에폭시수지와 경화제에 폴리프로필렌, 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제를 혼합하여 중성자 차폐재를 제조하여, 이들의 경화전의 유동성, 열적 및 역학적특성 등을 고찰하였다[3]. 그러나 본 연구에서는 열적 및 역학적 성질을 향상시키고, 특히 수소원자수 밀도를 높혀 중성자 차폐능을 향상 시키기 위하여 알킬 그리시딜 에테르로 개질한 비스페놀A형 에폭시수지와 수첨된 비스페놀A형 에폭시수지를 기본물질로 중성자 차폐재를 제조하여, 이들의 열적 및 역학적 특성, 내방사선성, 중성자 차폐능 등을 고찰하였다.

2. 실   험

2-1. 실험재료

기본물질로 사용된 액상의 프리 폴리머인 에폭시수지들은 비스페놀A형의 diglycidyl ether resin을 alkyl glycidyl ether로 개질한 저점도형수지이고, 비스페놀 A의 구조식에서 페닐기가 시크로헥산 고리로 된 수첨 비스페놀 A형 에폭시수지이다. 경화제로는 fatty acid, polymerized acid 및 tetraethylene pentamine 의 혼합물을 탈수축합에 의해 제조한 폴리아미도아민과 폴리에테르디아민인 polyoxypropylenediamine을 사용하였다. 중성자 차폐재의 수소원자수밀도를 증가시키기 위해 폴리프로필렌을 첨가하였으며, 저속 혹은 열중성자에 대해 차폐효과가 큰 탄화붕소(B4C)를 첨가하였다. 또한 차폐재에 유독가스를 발생시키지 않으면서, 난연성을 부여하고 자기소화성을 촉진시키는 것으로 알려져 있으며, 결정수형으로 약 35% 의 물을 함유하고 있어, 고속중성자를 열중성자로 감속시키는 작용을 하는 수산화알루미늄을 첨가하였다.

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 차폐재의 조성비를 조절하였다.

제조된 시편에 대한 방사선 조사실험은 대단위 조사시설의 방사선원인 고준위 감마조사에 의해 행하였으며, 중성자 차폐재의 차폐능시험은 자발적 핵분열 중성자선원인 Californium-252에 의해 행하였다.

2-3. 분석

중성자 차폐재의 특성시험으로 열안정성시험, 열전도도시험 및 열팽창시험, 인장시험, 압축시험 및 굴곡시험을 행하였다. 열안정성시험은 ASTM E537에 의해 5℃/min로 상온에서 800℃까지 TG-DTA 측정, 열전도도시험은 ISO 8894-1에 의해 QTM-500으로 열전도도를 측정, 열팽창시험은 ASTM D696에 의해 DuPont 2100으로 열팽창계수를 측정하였다. 인장시험, 압축시험 및 굴곡시험은 KS M3015에 따라서 Zwick Model 1446으로 측정하였다. 중성자 선량율은 Polyethylene 감속재로 된 9″remmeter(Eberline Co.)로 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. 열적 특성

알킬 그리시딜 에테르로 개질한 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재, KNS-201/202와 수첨된 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재, KNS-301/302의 TGA 분석결과 열분해온도는 257 ∼ 264℃로 나타났으며, 이들 중성자 차폐재들의 열분해온도는 외국에서 개발된 중성자 차폐재들보다 거의 비슷하거나 높게 나타났다[3]. 열전도도값은 0.94 ∼ 1.01 W/m·K이며, 이는 외국에서 사용후핵연료 수송용기에 널리 사용되는 중성자 차폐재, NS-4-FR보다 크게 나타났으며, 또한 열팽창계수값은 1.22 ∼ 1.73 x 10-6 ℃-1이고, NS-4-FR보다 낮게 나타나 열치수안정성이 우수함을 나타내었다[4].

3-2. 역학적 특성

중성자 차폐재들의 역학적 특성 시험결과 인장강도, 2.4 ∼ 3.2 kg/mm2, 압축강도, 9.7 ∼ 15.2 kg/mm2, 굴곡강도, 5.5 ∼ 6.4 kg/mm2 이며, 이들 값들은 NS-4-FR보다 크게 나타났다[3].

3-3. 내방사선성 특성

방사선 조사선량이 중성자 차폐재의 인장강도에 영향을 미치게 되며, 이 결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 방사선 조사선량이 0.1 MGy까지 증가함에 따라, KNS-202, KNS-301 및 KNS-302 중성자 차폐재들의 인장강도는 증가하다가, 0.1 MGy 이상에서는 조사선량의 증가에 따라 인장강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같이 방사선 조사선량의 증가에 따라 초기의 인장강도값이 증가하는 이유는 가교결합수가 증가하기 때문으로 해석할 수 있으며[5], 감소하는 이유는 불균등화반응으로 절단되는 반응이 활발해져 인장강도가 감소하는 것으로 생각된다. 방사선 조사선량이 중성자 차폐재의 압축강도에 미치는 영향을 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 방사선 조사선량이 0.1 MGy까지 증가함에 따라 KNS-202 및 KNS-302 차폐재들의 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으나, 0.1 MGy 이상에서는 KNS-302가 변화폭이 거의 없는 반면에 KNS-202는 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 방사선 조사선량이 중성자 차폐재의 굴곡강도에 미치는 영향을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 방사선 조사선량이 0.1 MGy까지 증가함에 따라 KNS-301과 302 차폐재들의 굴곡강도가 증가하다가, 0.1 MGy 이상에서는 감소하는 경향을 나타내었으나, KNS-201과 202는 방사선 조사선량의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.

3-4. 중성자 차폐능 특성

중성자 감속효과가 매우 큰 수소원자와 열중성자 흡수단면적이 큰 붕소원자의 원자수 밀도가 중성자 차폐능과 밀접한 관계를 가지므로 중성자 차페재의 원자수 밀도의 파악이 필요하다[1]. Table 1은 중성자 차폐재들의 원자수 밀도를 나타낸 것이며, 이는 중성자 차폐재의 화학조성비와 ″Reactor Physics Constants″(ANL-5800)의 자료를 사용하여 계산한 결과를 나타낸 것이다. Table 1에서 보는 바와 같이 이들 중성자 차폐재들의 수소원자수 밀도는 외국산 중성자 차폐재, NS-4-FR보다 높게 나타났다. 또한 중성자 차폐능시험 결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이 수소원자수 밀도가 높은 KNS-301의 거시적 제거단면적이 KNS-201보다 크게 나타났으며, 또한 NS-4-FR보다 크게 나타났다. 이들 중성자 차폐재들을 가압경수로 사용후핵연료 28다발을 장전할 수 있는 수송용기에 사용할 경우의 차페해석 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 차폐해석은 수송용기의 정상수송조건에서 수행하였으며 수송용기는 사용후핵연료를 전용 적재하는 것으로 하고 내부장전통은 물이 없는 공냉식(dry cavity)인 것으로 하였다. 수송용기의 반경방향의 최대 방사선량율을 1 차원 차폐계산코드인 ANISN 코드를 사용하여 표면에서의 중성자 선량율을 계산하였다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 수소원자수 밀도가 높은 중성자 차폐재인 KNS-301과 302의 중성자 선량율은 KNS-201과 202 및 NS-4-FR의 중성자 선량율보다 낮게 나타났다.

Table 1. Atomic number densities of shielding materials

Shielding material	Atomic number density (x1022 atoms/cm3)
	C	H	N	O	Al	B
KNS-201	2.29	6.04	0.09	2.70	0.76	0.22
KNS-202	2.42	6.16	0.09	2.49	0.70	0.21
KNS-301	2.11	6.58	0.09	2.74	0.76	0.22
KNS-302	2.25	6.68	0.09	2.54	0.69	0.21
Bisco Products NS-4-FR, Hydrogen atomic density : 6.07

Table 2. Macroscopic removal cross section of shielding materials

Description	Shielding material
	KNS-201	KNS-301
Neutron energy, E (MeV)	0.524	0.524
Shield thickness, T (cm)	2.5	2.5
Source to detector distance (cm)	50	50
Source to shield distance (cm)	35	35
Attenuated(Di) / Unattenuated(Do)	0.6629	0.6337
Macroscopic removal cross section, □R (cm-1)	0.16	0.18
Bisco Products NS-4-FR(Fire Resistant Shielding) : 0.13 cm-1

4. 결  론

1) 개질 및 수첨된 비스페놀-A형 에폭시수지계 중성자 차폐재는 열적 및 역학적, 중성자 차폐능 특성 측면에서 외국산 차페재보다 우수한 것으로 나타났다.

2) 수첨된 비스페놀-A형 에폭시수지계 중성자 차폐재인 KNS-301과 302는 알킬 그리시딜 에테르로 개질한 비스페놀-A형 에폭시수지계 중성자 차폐재인 KNS-201과 202보다 관련 특성들에서 우수한 것으로 나타났다.

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. Cho, S. H., Do, J. B., Ro, S. G. and Do, C. H.: J. of Korean Ind. & Eng.     Chemistry, 7, 597(1996)

4. Technical Bulletin, Bisco Products, Inc., 1986

5. Burn, R. R. and Blessing, G. R.:Trans. Amer. Nucl. Soc., 39, 429(1981).