1. 서    론

콘크리트는 감마선과 중성자선에 대한 차폐효과가 크고 시공이 용이하기 때문에 원자로시설의 차폐재로 주로 사용되며, 따라서 철광석, 중정석 등 중량골재를 첨가한 방사선 차폐용 중량 콘크리트에 관한 연구는 오래전부터 있어왔다.^1-2) 그러나 고속 중성자선 차폐에 있어서는 상당량의 콘크리트 두께를 확보하여야 하며, 원전 격납건물 내 1차 방호벽의 경우 그 두께가 최대 2.4m에 달한다. 또한 철(Fe) 성분을 주로 함유한 중량골재의 경우 주요 장주기 방사성 핵종 중 하나인 코발트(Co)와의 이온반경 유사성으로 인해 방사화(activation)가 되기 쉬운 것으로 알려져 있어 중량 콘크리트의 경우 차폐재로서의 역할은 우수할지라도 수명 종료 시 방사성 폐기물로 분류되어 이의 처리비용이 높다는 문제가 있다.³⁾

미국, 일본 등에서는 Fe와 같은 중량 원소가 아닌 고분자물질 및 신소재를 이용한 중성자 차폐체에 관한 연구가 이루어지고 있으며,^4-6) 국내에서도 한국원자력연구원 등을 중심으로 에폭시 수지, 붕소 등을 액상으로 혼합한 패널 형태의 제품을 개발하여 하나로 연구용 원자로의 보조 차폐체로 사용하고 있다.^7-8) 그러나 이와 같은 에폭시 수지 기반 패널형 제품의 경우 소규모 방사선 취급시설에서는 보조 차폐체로서 용이하게 사용될 수 있으나, 실 규모의 원전 1차 방호벽 등 대면적에 시공될 경우 조립 형태로 시공되어야 하므로 정밀한 작업이 요구될 뿐만 아니라 건설 비용 역시 매우 증가한다.

본 연구에서는 원전과 같은 대형 시설물의 1차 방호벽에 적용 가능하도록, 콘크리트에 합성 고분자 화합물 및 탄화붕소를 혼입하여 경제적이면서 부재의 크기, 형상 등에 제한을 받지 않는 중성자 차폐 콘크리트를 개발하고자 하였다. 지속적인 연구를 통해 최종적으로는 합성 고분자 화합물과 탄화붕소 등 붕소화합물을 혼합 제조한 특수골재를 개발하고자 하며, 이를 위한 선행 연구로서 합성수지 및 탄화붕소 각각을 혼입한 모르타르를 제작하여, 합성 고분자 화합물의 종류 및 형상, 탄화붕소 함량 등에 따라 ²⁵²Cf 선원 기반 고속 중성자 및 ²⁴¹Am/Be 열중성자에 대한 차폐성능을 분석하였다. 본 연구 결과를 기반으로 추후 구조체 두께별 중성자 차폐성능 확보가 가능하도록 다양한 타입의 특수골재를 제작하고 콘크리트 골재 일부를 치환하여 중성자 차폐용도로 사용할 수 있도록 시공성, 내구성 등에 관한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.

2. 연구 배경

원자로에서 발생하는 방사선은 알파선, 베타선, 감마선, 중성자, 핵분열 파편이 있지만, 감마선과 중성자 이외에는 투과거리가 짧기 때문에 차단해야 할 방사선은 중성자와 감마선이다. 그러나 감마선의 경우 콘크리트에 의해 차폐되기 때문에 본 연구에서는 고속 중성자선 차폐를 우선 고려하였다.

원자로 노심에서 발생하는 0.5~10MeV 범위의 고속 중성자선은 일반적으로 ‘탄성산란’과 ‘비탄성산란’으로 감쇠하며, 최종적으로 차폐재 내에서 포획된다. 차폐재는 입자 중성자 에너지를 완화시키고 중성자 플루언스를 저감시켜야 하며, 고밀도 물질, 수소 물질, 중성자 흡수 물질을 활용한다.⁹⁾ 철, 납 등 고밀도 물질은 비탄성 산란을 통해 고속 중성자속을 완화시키며, 1MeV 이상의 에너지를 보유한 중성자에 대해 효과가 있다. 반면 고속 중성자가 중성자와 질량이 거의 같은 수소(H) 원자와 충돌할 경우 에너지 손실이 최대가 되기 때문에(탄성 산란) 중성자선의 차폐에 수소를 많이 활용하며, 단위 부피당 수소 원자수가 많을수록 에너지 저감 능력이 크다. 비탄성 산란 및 탄성산란을 통해 감속되어 반응 단면적이 커진 열중성자(2,200m/s 또는 0.0253eV 이하)는 붕소(B), 카드뮴(Cd) 등 포획반응단면적이 큰 원소를 통해 흡수된다. 단 중성자가 흡수되면서 포획감마선(2차 감마선)이 발생하기 때문에 함께 고려하여야 한다.

이러한 중성자 차폐 원리를 활용한 차폐체 개발에 관한 연구는 세계 각국에서 활발히 이루어지고 있다. 독일, 일본, 미국은 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속기지와 폴리머 기지에 붕소화합물을 분산시킨 중성자 차폐용 재료를 개발하고 있으며, 이를 사용후 핵연료 운반 및 저장용기로 사용하고 있다.¹⁰⁾ 일본원자력연구원, 하자마-안도 기술연구소는 방사선 차폐 시뮬레이션을 통해 차폐재의 성분량을 평가한 후 페놀수지와 탄화붕소를 혼합 반죽하여 성형한 소재를 개발하였으며, 차폐체 두께 15cm인 지점에서 중성자 투과율을 1/10 수준으로 감소시켰다.¹¹⁾ 한국원자력연구원은 기계 및 전기적 성질, 내약품성, 내후성, 내부식성 등이 우수한 액상 프리폴리머인 비즈페놀 A형 에폭시수지와 경화제에 분말 형태의 폴리프로필렌, 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제를 혼합한 중성자 차폐체를 개발하였다.⁷⁾ 또한 중성자 차폐 효율성 향상을 위해 나노스케일의 에폭시 기반 나노복합 코팅제를 개발하였으며, 나노입자 표면처리 기술에 관한 연구를 수행하였다.⁸⁾

이와 같이 수소를 다량 함유한 합성수지와 중성자 흡수재인 붕소를 혼합한 수지 패널 형태의 중성자 차폐재에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있으나, 콘크리트에의 적용성에 관한 연구 보고는 없는 실정이다. 따라서 탄소와 수소의 유기물 집합체인 합성수지와 3,838barn의 매우 큰 중성자 흡수단면적을 가진 붕소화합물을 콘크리트에 혼입함으로써 고속 및 열중성자 차폐에 효과적인 차폐재료를 개발하는 것은 운영 중 중성자 차폐 및 폐로시 방사화 저감이라는 두 가지 목적을 달성하는 데에 매우 중요하다. 합성수지의 경우 일반적으로 1미만의 비중을 가지고 있어 콘크리트 타설 시 재료분리가 일어나는 등 작업성이 저하될 수 있으며 일반 골재를 치환 사용하기에 감마선 차폐성능이 감소할 수 있다. 이러한 문제는 합성수지와 붕소화합물 각각 모르타르에의 혼입 함량에 따른 차폐성능 분석 이후 결과를 바탕으로 중성자 차폐용 특수골재를 개발·제조하는 단계에서 개선할 수 있을 것이다. 국내에서는 방사화를 고려하지 않고 감마선 차폐를 목적으로 한 중량 골재 개발 연구가 주로 수행되어 왔기 때문에 관련 연구 결과가 보고된 바 없으며, 따라서 본 연구는 합성수지 및 붕소 기반 특수골재에 대한 연구의 기초단계로 지속적으로 발전시켜야 할 것이다.

3. 실험 개요

3.1 사용 재료

1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 잔골재, 물, 합성수지, 붕소가 주요 사용 재료이며, 붕소류는 순도 99%, 비중 2.51의 탄화붕소(boron carbide, B₄C,)를 사용하였다. Table 1 실험체 제작시 사용된 시멘트의 주요 화학성분을 나타내었다. 잔골재의 경우 비중 2.56, 흡수율 1.09, 조립률 2.62이며, 타설 중 표건상태를 유지하였다.

한편, 형상과 크기가 서로 다른 5가지 타입의 합성 고분자 화합물-입자 형상 합성수지 PE (polyethylene)와 PP (polypropylene), 미립자 형상 합성수지 UHMW-PE (ultra-high molecular weight PE), PET 합성섬유와 PP 합성섬유-를 사용하였다. 각 화합물의 주요 특성을 합성수지와 합성섬유로 구분하여 Table 2와 3에 나타내었다.

3.2 실험체 제작

합성수지 및 붕소화합물을 모르타르에 혼입할 때 중성자 차폐성능에 미치는 영향을 분석하고자, 합성수지 타입(PE, PP, UHMW-PE, PET), 합성수지 형상(입자, 섬유), 합성수지 함량, 탄화붕소 함량에 따라 Table 4와 같이 총 16개의 배합을 준비하였다.

입자 형상의 PE, PP, UPE는 잔골재 부피의 20, 40, 60%를(R_f), 섬유 타입의 PP와 PET 및 탄화붕소는 전체 부피의 1, 2%(R_t)를 대체하도록 설계하였다. 물-시멘트비는 48.5%이며, 이 값은 모르타르 압축강도 시험을 위한 KSL5105¹²⁾에 규정되어 있다. 모르타르 인장강도 시험을 위한 KSL5104¹³⁾에는 이와 다른 물-시멘트비를 제안하고 있으나, 본 연구에서는 실험 결과의 일관성을 유지하기 위하여 물-시멘트비를 하나로 통일하였다.

실험체는 기본적으로 타설 후 28일째에 모르타르 압축강도 시험(KSL5105) 및 인장강도 시험(KSL5104)을 수행하기 위하여 해당 규격에 맞는 크기로 각각 3개씩 제작하였다. 그리고 중성자 투과시험을 위해 150×150×50mm 크기의 시험체를 배합별 4개씩 제작하였으며, 이는 고속 중성자 투과시험시 유효 중성자 선량당량률을 계산하기 위해 사용되는 쉐도우콘의 크기 등을 고려하여 결정한 것이다.

타설시 시멘트와 잔골재를 믹서에 넣어 2분간 건비빔한 후, 합성수지 및 붕소, 물을 차례로 투입 후 3분 이상 충분히 혼합하였다. PP 및 PET 섬유를 혼입할 경우 작업성이 현저히 저하되기 때문에 나프탈렌계 감수제(WRA)를 추가로 혼입하였다. 타설 후 23±2°C, 50RH%인 공간에 습윤양생 후 1일째에 탈형하였으며, 23±2°C인 수조로 옮겨 28일간 수중양생하였다.

3.3 기본 물성시험

3.3.1 슬럼프 플로우

합성수지 및 붕소 혼입에 따른 작업성을 판단하고자 모르타르 혼합 후 ASTM C143¹⁴⁾에 따라 슬럼프 플로우(S_i)를 측정하였다(Fig. 1(a)).

3.3.2 압축강도

KSL5105에 따라 28일 압축강도(f_c)를 측정하였으며, 준비된 시험체 3개에 대하여 압축강도 측정 후 이들의 평균값으로 데이터를 취득하였다(Fig. 1(b)).

3.3.3 인장강도

KSL5104에 따라 28일 인장강도(f_t)를 측정하였으며, 준비된 시험체 3개에 대하여 인장강도 측정 후 이들의 평균값으로 데이터를 취득하였다(Fig. 1(c)).

3.4 중성자 투과시험

CANDU 타입 가압중수로 원자로가 도입된 월성 원자력발전소에서 원자로 인근 지점별(증기발생기 지점 포함) 중성자 스펙트럼 플루언스(neutron spectral fluence)를 측정한 결과를 보면 0.025eV 이하의 열중성자에서부터 10MeV의 고속 중성자를 모두 포함하고 있음을 알 수 있다.¹⁵⁾ 따라서 본 연구에서는 ²⁵²Cf 선원-선량측정기, ²⁴¹Am/Be 선원-열중성자 검출기의 조합을 이용하여 고속 및 열중성자에 대한 합성수지와 붕소화합물의 영향을 살펴보았으며, 해당 시험은 대전 소재 한국표준과학연구원 방사선표준센터에서 수행되었다.

3.4.1 ²⁵²Cf 중성자 선원

일반적으로 중성자 차폐의 목적은 특정 에너지대의 중성자 플루언스 차폐가 목적이 아니라 ICRP에서 규정한 중성자 유효선량(effective dose)을 낮추는 것을 목적으로 하며, 실제 운용량(operational quantity)으로 중성자 선량당량을 측정하는 중성자 선량당량계를 사용하여 차폐효과를 측정해야 한다. 고속 중성자에 대한 실험체의 차폐성능을 분석하기 위하여, ²⁵²Cf 중성자 선원과 Berthold LB6411 중성자 선량당량계 조합을 이용하여 중성자 투과시험을 수행하였다.

²⁵²Cf 중성자 선원은 ISO8529-1에서 제시한 4개 교정용 표준선원 중 하나로 2.65년의 반감기를 가지며, 매 분열당 평균 3.8개의 중성자와 9.7개의 감마를 발생시킨다. 평균 중성자 선량당량은 385pVscm²이며, 2012년 11월 9일 기준 선원의 방출률은 2.630E8s^-1였다. ²⁵²Cf 중성자 선원은 탄두형상으로 직경 3.4mm, 높이 8mm 크기이다. 해당 선원의 스펙트럼을 Fig. 2에 나타내었으며, 중성자 에너지의 피크가 0.5~1MeV에 위치함을 알 수 있다. 그림에서 검정색 사각형 표식은 조사실 내의 총 중성자(Total) 에너지 스펙트럼, 붉은색 원형 표식은 벽, 천정, 바닥 등에서 산란된 산란 중성자(Scattered) 에너지 스펙트럼, 파란색 삼각형 표식은 ²⁵²Cf 중성자만의 유효 중성자(Net) 에너지 스펙트럼이다. 차폐 효과는 유효 에너지 스펙트럼에 대해서만 고려한다.

본 시험에서는 벽, 바닥, 천정에서 산란되어 선량계에 도달하는 산란 중성자의 영향을 구별하여 측정하기 위하여 Fig. 3과 같이 실험을 구성하였다. 섀도우콘만 위치할 경우와 섀도우콘과 실험체가 함께 위치할 경우의 조합을이용하여 총 중성자 선량당량률과 산란 중성자 선량당량률을 측정하고, 이를 통해 유효 중성자 선량당량률을 계산하였다.

3.4.2 ²⁴¹Am/Be 중성자 선원

붕소는 열중성자 차폐에 효과적인 것으로 알려져 있으나 고속 중성자를 포함한 선량을 차폐하는 측면에서는 효과가 미미하다. 열중성자 차폐에 있어서 붕소 함량에 따른 영향을 살펴보기 위하여 ²⁴¹Am/Be 중성자 선원과 Centronic SP9 He³ 비례계수기 조합을 이용하여 중성자 투과시험을 수행하였다.

²⁴¹Am/Be 중성자 선원 역시 ISO 8529-1에서 제시한 4개 교정용 표준선원 중 하나이며, 반감기가 약 432.2년, 2009년 9월 1일 기준 선원 방출률은 1.227E7s^-1이다. 해당 선원의 스펙트럼을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 5는 시험 구성을 보여준다. 중성자 선원을 폴리에틸렌으로 감싸 Fig. 4에서 나타나는 고속 중성자를 감속, 열중성자로 변환시키고 이를 실험체에 조사함으로써 실험체를 통한 열중성자 개수를 측정하는 방식이다. 한편 검출기를 카드뮴(Cd)으로 감싸 외부에서 들어오는 산란 열중성자를 차단함으로써 실험체를 통과한 열중성자만 검출하도록 하였다.

4. 실험 결과 및 분석

타설시 측정한 슬럼프 플로우, 28일 압축강도 및 인장강도, ²⁵²Cf 및 ²⁴¹Am/Be 중성자 선원에 대한 투과시험 결과를 Table 5에 정리하였다.

4.1 슬럼프 플로우

입상형 합성수지인 PE와 PP를 혼입할 경우 잔골재 치환율이 증가함에 따라 일반 모르타르 대비(209mm) 플로우값이 증가하는 경향을 보이는데, 이는 구형 입자인 PE와 PP가 모르타르 내에서 볼베어링 효과를 증진시키기 때문인 것으로 추측된다. 반면, 120um 크기 분말형 합성수지인 UPE의 경우 잔골재의 비표면적 증가 및 이로 인한 시멘트와 접하는 배합수량 저감으로 인해 플로우가 감소하였다. 또한 UPE는 다공성 재료이며 내부에 미세 공극이 분포하고 있어 배합수량 일부가 흡수되었을 가능성이 있다. 한편, PP 및 PET 합성섬유의 경우 고성능 감수제를 혼입하였음에도 130mm 이하의 플로우만이 확보되어 작업성이 상대적으로 저하되었으며, 이는 다수의 문헌을 통해 확인된 결과와 같다. 반면, 분말형인 탄화붕소의 경우 UPE와 마찬가지로 일반 모르타르 대비 플로우값이 저하되었으나 감소량이 크지 않아 추후 고성능 감수제 등의 혼화제 첨가로 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

4.2 압축 및 인장강도

Fig. 7과 8에서 보듯이 중성자 차폐를 위한 첨가물이 모르타르에 혼입되면서 강도가 저하되었다. 단, 합성섬유를 혼입한 PPF 시편의 경우 치환율이 증가하면서 강도가 다소 증가하였다. 이는 합성섬유 혼입에 따라 굳지 않은 콘크리트의 작업성이 상대적으로 저하되면서 발생한 오차로 판단되며, 추후 실험시 이를 보완할 계획이다.

합성수지 PE와 PP가 60% 혼입될 경우 압축강도는 최대 52% 감소한 반면, 탄화붕소 혼입시에는 모르타르 강도와 큰 차이가 없었다. 합성수지는 비친수성 물질로 입자 표면이 둥글고 매끄러워 합성수지-모르타르 계면 부착력이 약한데다, 5mm의 규격화된 크기로 생산되기에 잔골재의 입도분포에도 영향을 준다. 따라서 추후 합성수지를 콘크리트에 혼입시에는 에폭시 코팅, 표면 거칠기 조절 등 표면 개질 작업이 필요할 것이다. 한편 합성수지 자체의 강성이 일반 골재에 비해 낮기 때문에 콘크리트 배합에서 치환비율을 결정할 때 이를 고려할 필요가 있으며, 이에 대한 연구도 지속적으로 수행할 계획이다.

인장강도의 경우 전반적으로 합성수지 및 붕소화합물 혼입량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으나, 합성수지 PE와 PP가 60% 혼입될 경우에는 오히려 40% 혼입 대비 강도가 다소 증가하였다. 치환율이 40% 이상일 때, 인장력에 가장 취약한 시험체 중간 파단부(25.4×25.4mm)에서 합성수지가 차지하는 비율은 큰 차이가 없었으며, 이로부터 파단면에서의 합성수지 비율이 인장강도에 더 영향을 미침을 확인하였다.

합성수지 및 붕소화합물 혼입에 의한 모르타르의 기본 물성 및 강도 저하는 추후 합성수지 입자 자체의 표면 개질뿐만 아니라 강도를 증진시킬 수 있는 재료(플라이애쉬 등) 및 특수혼화제 등을 첨가함으로써 개선시킬 계획이며, 합성수지별 중성자 차폐성능 분석이 주요 목표인 본 논문에서는 다루지 않는다.

4.3 고속 중성자 차폐성능

Fig. 9는 ²⁵²Cf 고속 중성자 선원에 대한 배합별 차폐성능을 보여주며, 선량당량 계측에 있어서의 기본 불확실도는 2%였다. 사각형과 원형 표식으로 표현된 PP와 PET 합성섬유의 경우 혼입량이 증가함에도 고속 중성자 선량은 모르타르(267uSv/h)와 비교시 차이가 없었다. 반면 입자형 합성수지를 혼입한 경우, 치환율 40%까지는 합성수지 종류(PP, PE, UPE)의 영향 없이 선량 투과율이 유사한 비율로 감소하였으며(즉, 중성자 차폐율이 증가하였으며), PE 혼입율이 60%인 경우(PE60) 모르타르 대비 선량 투과율은 최대 38.5% 감소하였다. 공기(648uSv/h)와 비교시 선량은 최대 26.3% 차폐되었다. PE의 경우 PP와 UPE에 비하여 수소 원소 함량이 높은 것으로 알려져 있으나 정확한 H수 계산이 어렵기 때문에 H수와 차폐성능간 직접적인 비교는 어려운 실정이다. 반면, 붕소를 혼입한 경우 투과율에 큰 차이가 없어 고속 중성자의 포획에 있어서는 효과가 미미한 것을 알 수 있다.

4.4 열중성자 차폐성능

Fig. 10은 ²⁴¹Am/Be 열중성자 선원에 대한 배합별 차폐성능을 보여주며, 중성자수 계수 시 기본 불확실도는 2%였다. 그림에서 보듯이 붕소가 혼입된 모르타르의 경우 일반 모르타르 대비 최대 90.3%의 차폐율을 보였으며, 합성수지의 경우 열중성자에 대해서는 효과가 미미하였다.

그러나 높은 열중성자 차폐성능을 보여주는 탄화붕소의 경우 고가이기 때문에(800,000원/kg) 경제성 확보가 어려워 탄화붕소 외의 붕산, 붕사와 같은 저렴한 붕소화합물(4,000원/kg)로의 대체를 함께 고려하고 있다. 이 경우 붕소의 함량이 저하되고 불순물이 추가되는 등의 변수가 존재하기 때문에 이러한 변수의 영향을 각각 분석하고 실제 토목구조물에 적용하기 위한 데이터베이스를 구축할 필요가 있다.

5. 결    론

본 논문에서는 고속 중성자 및 열중성자를 차폐하는 데에 있어 합성 고분자 화합물 및 붕소화합물을 혼입한 모르타르의 성능을 검증하는 연구를 수행하였다. 중성자 차폐시험에 앞서 모르타르의 기본 특성인 슬럼프 플로우, 28일 압축 및 인장강도를 측정하였으며, 합성수지 및 붕소화합물 혼입시 작업성이 저하되면서 강도 역시 감소함을 확인하였다. 그러나 차폐시험 결과, 입자형 합성수지 60% 혼입 모르타르의 선량 차폐율은 일반 모르타르 대비 최대 37%까지 증가하였으며, 탄화붕소 혼입 모르타르의 경우 열중성자에 대하여 일반 모르타르 대비 최대 90.3%의 차폐성능을 보여주었다. 본 논문에서 사용한 시험체 두께가 5cm로 실 구조물에 비해 상당히 얇다는 것을 고려하면, 합성수지가 다량 혼입되어 발생하는 물성, 시공성 및 역학적 특성, 내구성 저하 등의 문제는 합성수지 혼입량을 줄이고 시험체의 두께를 증가시키거나, 혹은 다양한 타입의 시험체 조합을 통하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 예를 들어, (1)합성 고분자 화합물 혼입 콘크리트-(2)붕소화합물 혼입 콘크리트-(3)일반 콘크리트의 3중 레이어드 형태의 차폐체를 사용할 경우, 중성자원에 가깝게 위치한 합성 고분자 화합물 혼입 콘크리트에서 중성자속이 감소하고, 붕소화합물 혼입 콘크리트에서 감속된 중성자가 포획되며, 일반 콘크리트에서 2차 감마선을 차폐하는 원리이다. 지속적으로 관련 연구를 수행하여 최종적으로는 방사화에 대한 저항성이 우수한 저방사화 시멘트와 합성수지·붕소화합물 기반 특수골재를 함께 사용한 ‘중성자 차폐용 저방사화 콘크리트’를 개발할 수 있을 것으로 기대한다.