1. 서 론

최근 의료 분야를 포함한 다양한 산업 분야에서 방사선의 활용이 확대되고 있다. 의료 분야에서는 CT, 방사선 치료기 등 고에너지 방사선을 이용한 영상 및 치료 장비가 보편적으로 사용되고 있으며, 원자력 산업 분야에서는 원자력 발전 시설과 핵연료 주기 관련 설비가 계속해서 운영되고 있다. 또한 방사성 폐기물의 저장 및 처리를 위한 시설 역시 증가하고 있어, 방사선이 사용되는 환경은 확대되고 있다(Maki and Ohnuma et al., 1992).

특히 전 세계적으로 1970년대 이후 원자력 발전 및 이용량이 지속적으로 증가해 왔으며, 일부 국가들에서는 원자력이 전체 전력 생산 및 발전량의 상당 부분을 차지하고 있고 전력 공급의 주된 에너지 원으로 자리를 잡고 있다^{(Onaizi et al., 2024)}.

국내의 경우에도 원자력 발전 및 이용량이 꾸준히 증가하고 있으며, 2024년 기준 원자력 발전은 전체 발전 에너지원 중 세 번째로 큰 비중을 차지하는 주요 에너지원이다. 이러한 원자력 이용 추세는 향후 미래에도 에너지 수요가 증가함에 따라 지속될 가능성이 높으며, 이에 따라 방사선 발생 및 이용 구조물의 안전성 확보 및 방사선 차폐의 중요성 또한 점차 커지고 있다.

방사선은 에너지를 지닌 핵 입자 또는 전자기파 형태로 방출된다^{(Gunoglu and Akkurt et al., 2021)}. 일반적으로 공간이나 물질의 매질을 통해 에너지가 입자 또는 파동의 형태로 모든 방향으로 전달되며, Fig. 1과 같이 방사선의 종류에 따라 물질과 상호작용하는 방식과 침투 특성이 다르다.

일반적으로 방사선은 전자기 방사선과 입자 방사선으로 존재한다. 전자기 방사선(Electromagnetic radiation)에는 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선 및 감마선 ($\gamma$)이 포함되고, 입자 방사선(Particle radiation)은 알파선($\alpha$), 베타선 ($\beta$), 양성자선, 중성자선 (n) 등이 포함된다. 이러한 방사선은 투과력이 다르므로, 각각의 물질에 대한 유해 성능도 다르다. 알파선과 베타선은 비교적 질량을 가진 입자 방사선으로, 물질 내에서의 침투 깊이가 다른 종류보다 상대적으로 얕다. 알파선은 종이 한 장이나 인체의 피부 표면에서 대부분 차단되며, 베타선 역시 알루미늄과 같은 얇은 금속판 재료로 차폐가 가능하다. 반면 감마선과 중성자선은 질량과 전하를 거의 띠지 않아 알파선과 베타선에 비해 침투 깊이가 깊다^{(Karmaker et al., 2021)}. 특히 감마선은 고에너지 범위의 원자핵에서 방출되는 전자기 방사선으로 종이, 금속과 같은 재료를 쉽게 통과 하는 매우 높은 투과력을 나타내며^{(Reilly et al., 1991)}, 납이나 콘크리트와 같은 차폐 재료를 통해서만 효과적으로 차단할 수 있다^{(Onaizi et al., 2024)}. 중성자선도 마찬가지로 중성 입자로서, 물질과의 직접적인 전기적 상호작용이 거의 없어 쉽게 금속이나 콘크리트를 침투할 수 있으며, 감속과 흡수 메커니즘을 고려한 차폐가 필요하다.

이와 같이 방사선의 종류에 따라 침투 특성이 다르므로, 방사선을 이용하는 구조물의 설계 시에는 방사선의 종류 및 특성을 고려한 적절한 차폐 재료 선택이 필요하다.

방사선을 이용하는 구조물의 설계 기준은 방사선의 종류, 사용 목적 및 구조물의 이용 특성을 고려하여 설정된다. 특히 원자력 발전소, 병원 방사선 치료 시설, 방사성 폐기물 관리 시설과 같은 고에너지 방사선이 사용되는 환경에서는 구조물 설계 시에 구조적 안정성과 방사선 차폐 성능을 동시에 고려하는 것이 필수적이다.

원자력 발전소의 경우, 원자로 건물은 방사선 차폐와 사고 발생 시 방사성 물질의 외부 유출을 방지하기 위한 핵심 구조물로 설계된다. 일반적으로 원자로 건물은 원통형 벽체(cylinder)와 반구형 돔(dome)으로 구성되며, 내부 구조물에는 방사선 차폐를 목적으로 한 1, 2차 콘크리트 차폐벽으로 이루어져 있다^{(Moon and Choi, 2014; Kang et al., 2025)}. 내부 구조물의 외벽과 돔은 철근콘크리트로 시공되며, 방사선 차폐 성능과 내압 성능을 동시에 확보하기 위해 두꺼운 두께의 콘크리트 벽체가 적용된다^{(Kim et al., 2019)}. 예를 들어, 한국 표준형 원전(OPR 1000)의 경우 돔의 높이는 약 67.5m, 직경은 약 46m이며, 방사선 투과를 최소화하기 위해 콘크리트 벽체 두께는 약 1.22m로 설계되어 있다.

한편 방사선 치료 시설 및 방사성 물질 취급 시설의 설계는 ｢방사선 안전 관리 등의 기술기준에 관한 규칙｣에 따른다. 해당 규정에서는 방사선 작업 종사자 및 일반인의 피폭선량이 허용 기준 이하로 유지되도록 시설의 위치, 구조 및 차폐 설계를 요구하고 있다. 시설은 지반이 견고하고 화재나 침수의 영향이 적은 장소에 설치되어야 하며, 구조적으로는 내화 또는 불연 재료의 사용이 권장된다. 차폐 설계 측면에서의 기준은 주로 사람의 상주 여부에 따라 방사선량이 한도 이하가 되도록 설계되어야 하며, 차폐벽 및 차폐체는 출입 공간, 시설 인접 및 경계 구역에 설치하도록 규정하고 있다. 비록 관련 규정에서는 차폐벽의 두께를 직접적으로 수치화하여 언급하지는 않았지만, 실제 대부분의 방사선 치료 장비가 설치되는 공간에서는 벽체와 천장 및 바닥에 대해 약 1.5∼2.5 m 두께의 콘크리트 차폐벽이 일반적으로 적용되고 있다^{(Seo et al., 2004)}.

이와 같이 기존 방사선 이용 시설의 설계 기준은 주로 콘크리트 벽체의 두께 증가를 통해 방사선 차폐 성능을 확보해 왔다. 그러나 이러한 방식은 구조물의 대형화, 시공 비용 증가, 공간 활용성 저하 등의 한계를 가지고 있다. 따라서 차폐 성능을 보다 효율적으로 확보할 수 있는 대안으로 중량 골재를 적용한 방사선 차폐용 콘크리트(KCS 14 20 34)의 필요성이 점차 강조되고 있다.

기존 방사선 이용 구조물의 차폐벽은 주로 납(Lead)과 같은 재료를 사용해 왔다. 납은 방사선 차폐 성능이 우수하여 널리 활용되어 왔으나, 독성이 강한 축적성 유해 물질로 분류되어 인체 건강 및 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 한계를 가진다^{(Rezaei-Ochbelagh and Azimkhani, 2012)}.

이러한 문제로 인해 최근에는 콘크리트 구조체 역할과 방사선 차폐 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 납에 비해 환경적 위험성이 상대적으로 낮은 방사선 차폐 콘크리트(Radiation Shielding Concrete, RSC)가 대안 재료로 사용되고 있다^{(Tyagi et al., 2020)}.

콘크리트에서 골재는 약 70% 이상의 체적을 차지하는 주요 구성 요소로서, 다른 재료에 비해 골재의 종류와 중량은 콘크리트의 밀도, 강도 및 성능에 미치는 영향이 크다. 특히 방사선 차폐용 콘크리트의 경우, 중량 골재의 적용 여부와 종류에 따라 콘크리트의 단위중량과 밀도가 변화하며, 이러한 밀도 변화는 방사선 차폐 성능에 영향을 준다^{(Florez et al., 2019; Binici et al., 2014)}.

방사선 차폐용 콘크리트는 자철석(magnetite), 적철석(hematite), 산화 슬래그(Oxidized slag), 바라이트(barite), 일메나이트(ilmenite)등과 같은 중량 골재를 사용함으로써^{(Shams et al., 2018; Khalaf et al., 2020)} 높은 밀도를 발현할 수 있는 재료로 활용된다. 일반 콘크리트의 밀도는 약 2,400kg/m$^3$ 수준인 반면, 방사선 차폐용 콘크리트는 3,200kg/m$^3$ 이상, 경우에 따라 3,500∼3,900kg/m$^3$ 이상의 밀도를 발현할 수 있다^{(Topçu, 2003)}.

방사선 차폐용 콘크리트의 감쇠 거동은 일반적으로 Beer-Lambert 법칙으로 표현되며, 이는 식 (1)과 같다^{(Tekin et al., 2019)}.

여기서, $I_0$는 차폐 재료에 입사하는 감마선의 강도, $I$는 감쇠된 감마선 강도, $\mu$는 선형 감쇠 계수, $x$는 차폐 재료의 두께, $I/I_0$는 방사선 투과율.

선형 감쇠 계수 $\mu$는 차폐 재료의 밀도 및 원자번호에 비례하며^{(Cheah Chee Ban et al., 2021;} Osman Gencel et al., 2011), 식 (2)와 같이 질량 감쇠 계수($\mu/\rho$)와 밀도($\rho$)의 곱으로 표현할 수 있다(Rawheya Ahmed et al., 2023).

여기서, $\rho$는 차폐 재료의 밀도, $\mu/\rho$ 질량 감쇠 계수

따라서 콘크리트의 밀도가 증가할수록 선형 감쇠 계수는 증가하게 되며, 이는 방사선 투과율(I/I$_0$) 감소로 이어져 방사선 차폐 성능이 향상됨을 의미한다.

방사선 차폐용 콘크리트는 감마선과 중성자라는 서로 다른 특성을 갖는 방사선을 동시에 차폐해야 하므로, 설계 시 각 방사선의 물질과의 상호작용 특성 및 차폐 원리를 종합적으로 고려해야 한다.

감마선 차폐는 주로 콘크리트의 밀도 및 원자번호(Z)에 의존하며, 감마선이 물질과 상호작용하는 과정에서 광전 흡수(photoelectric absorption), 콤프턴 산란(Compton scattering), 전자쌍 생성(pair production) 등의 메커니즘을 통해 에너지가 감쇠된다^{(McAlister, 2012)}. 따라서 고중량 골재를 적용하여 콘크리트의 밀도를 증가시킴으로써 감마선 차폐 성능을 향상시킬 수 있다.

반면, 중성자 차폐는 감마선과 달리 단순한 밀도 증가만으로는 충분한 차폐 효과를 확보하기 어렵고, 중성자의 감속(moderation)과 흡수(absorption)라는 두 단계를 고려해야 한다(Daniel, 2016). 고에너지의 고속중성자(fast neutron)는 콘크리트 내부에서 수소와 물과 같은 감속재와의 탄성충돌(elastic scattering)을 통해 에너지를 잃고 열중성자(thermal neutron)로 전환된다. 이 과정에서 2차 감마선이 동반될 수 있으며, 이는 차폐 설계 시 고려해야 할 요소로 보고되고 있다^{(Roslan et al., 2019)}.

감속된 열중성자를 효과적으로 제거하기 위해서는 붕소(B), 카드뮴(Cd)과 같은 중성자 포획 단면적이 큰 원소를 통한 흡수가 필요하다^{(Ahmad et al., 2024)}. 일반적인 방사선 차폐용 콘크리트는 감마선 차폐 성능은 우수하나, 중성자 흡수 능력은 제한적이므로 중성자 포획 성능을 갖는 재료의 추가 혼입이 필요하다. 이 중 붕소(Boron)는 열중성자에 대해 큰 포획 단면적을 가지는 원소로, 중성자 차폐 재료로 널리 활용되고 있다.

기존 연구에 따르면, 붕소를 혼입할 경우, 중성자 질량 감쇠 계수가 증가함에 따라 중성자 투과율이 기준 배합 대비 8∼30% 감소하는 경향을 보였다고 보고하였다. 이러한 결과는 붕소가 열중성자에 대해 효과적인 중성자 흡수체로 작용함을 시사한다^{(Ramli et al., 2025)}. 이에 본 연구에서는 중량 골재 적용을 통해 감마선 차폐 성능을 확보하는 동시에, 중성자 차폐 성능을 보완하기 위한 방안으로 붕소를 혼입하였다.

원자력 시설 및 방사선 이용 인프라에서 방사선 차폐용 콘크리트는 방사선 차폐 재료로서의 역할뿐만 아니라 구조 부재로 사용되므로, 방사선 차폐 성능과 함께 압축강도와 같은 역학적 성능을 함께 확보해야 한다^{(Lee et al., 2021)}. 특히 일반 콘크리트에 비해 높은 밀도와 중량을 가지므로, 중량 골재의 적용이 콘크리트의 강도 발현 및 차폐 성능에 미치는 영향을 함께 검토할 필요가 있다.

한편 기존 연구에서는 콘크리트 배합 조건에서 구조적 성능과 감마선, 고속 중성자 및 열중성자 차폐 성능을 함께 고려하여 평가한 연구는 상대적으로 많지 않다.

이에 본 연구에서는 중량 골재의 종류 및 중량에 따른 콘크리트 밀도 증가로 인한 압축강도, 감마선과 고속 중성자 및 붕소 혼입에 따른 열중성자 차폐 성능을 함께 평가하고자 한다. 이를 통해 방사선 차폐용 콘크리트가 구조적 성능을 만족함과 동시에 감마선 및 중성자 차폐 재료로서 적용 가능성을 검증하고, 중량 골재 적용 시 밀도, 압축강도 및 차폐 성능에 미치는 영향을 분석하는 것을 본 연구의 목적으로 한다.

Fig. 1. Relative penetrating ability of different types of radiation

2. 실험 계획

본 연구에서는 방사선 차폐용 콘크리트의 성능을 평가하기 위하여, 골재의 중량 변화가 콘크리트의 밀도 증가에 미치는 영향을 주요 변수로 설정하였다. 이를 위해 방사선 차폐용 콘크리트에 적용 가능한 중량 골재를 대상으로 각 골재의 물리적 특성을 비교ㆍ검토하였다.

검토 대상 골재는 적철석(Hematite), 자철석(Magnetite), 산화 슬래그(Oxidized slag), 동 슬래그(Copper slag), 페로니켈 슬래그(Ferro-Nickel slag) 등 5종이며^{(Esfahani et al., 2021)}, 이들 재료는 일반 골재에 비해 상대적으로 높은 단위중량을 가져 감마선과 같은 고에너지 방사선에 대한 차폐 성능 향상에 효과적인 것으로 알려져 있다^{(Esen and Dogan et al., 2017)}. 특히 철(Fe) 성분을 다량 포함한 골재는 감마선 감쇠 성능 향상에 유리한 것으로 알려져 있다^{(Mansur Tufekci et al., 2018)}.

중량 골재들의 방사선 차폐용 콘크리트 적용 가능성을 검토하기 위해서 골재 밀도를 평가하였다. 골재의 밀도는 콘크리트 단위중량에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소로서, 골재의 종류에 따른 방사선 차폐 성능 차이를 설명할 수 있는 지표로 활용될 수 있다.

골재의 밀도 측정은 KS F 2510에 따라 수행하였으며 측정된 골재별 밀도는 Table 1에 정리하였다. 측정 결과, 적철석과 자철석의 밀도는 각각 4.8g/cm$^3$ 및 4.5g/cm$^3$로 나타나, 가장 높고 비슷한 수준의 밀도를 보였다. 반면, 산화 슬래그, 동 슬래그, 페로니켈 슬래그의 밀도는 상대적으로 낮아, 콘크리트에 적용 시 밀도 및 방사선 차폐 성능에도 차이가 있을 것으로 예상된다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 가장 높은 밀도를 나타낸 적철석을 중량 골재로 채택하여 이후 실험을 수행하였다.

본 연구에서는 골재–결합재 비(aggregate-to-binder ratio)를 주요 변수로 설정하고, 골재 종류별로 조건을 변화시키며 콘크리트의 밀도변화를 비교하였다. 배합 설계 시 목표 성능은 방사선 차폐용 콘크리트로의 적용 가능성을 고려하여 설정하였으며, 기준은 Table 2에 정리하였다. 기존 연구에 따르면 적철석 콘크리트의 굳지 않은 상태 밀도는 약 3,614 kg/m$^3$ 수준이며, 28일 재령 압축강도는 약 42.29 MPa로 보고된 바 있다(Vidhya et al., 2015). 이를 고려하여 본 연구에서는 목표 콘크리트 밀도는 3,600 kg/m$^3$ 이상, 28일 압축강도를 43.5 MPa 이상으로 설정하였다.

각 골재 종류별 골재–결합재 비 변화에 따른 콘크리트 밀도 비교 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 골재–결합재 비가 증가함에 따라 콘크리트 밀도는 모든 골재 종류에서 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

특히 적철석 및 자철석을 적용한 경우, 상대적으로 골재–결합재 비가 비교적 낮은 범위(약 1.6∼1.9 범위)에도 불구하고 목표 콘크리트 밀도를 3,600 kg/m³를 달성할 수 있었는데, 이는 해당 골재의 높은 단위중량에 기인한 것으로 판단된다.

반면, 산화 슬래그, 동 슬래그, 페로니켈 슬래그를 적용한 경우에는 골재–결합재 비의 증가에 따라 밀도가 증가하였으나 목표 밀도에는 도달하지 못하였다. 또한 일반 골재(Standard sand)를 적용한 경우에는 골재–결합재 비를 최대로 설정하더라도 밀도가 약 2,300 kg/m$^3$ 수준에 머물러, 방사선 차폐용 콘크리트 골재로의 적용에는 한계가 있음을 확인하였다.

이상의 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 목표 성능을 만족할 수 있는 적철석 골재 기반 콘크리트의 배합을 Table 3과 같이 설정하였다. 배합 설계 시 물–결합재 비는 0.28, 결합재 총량은 600 kg/m$^3$로 유지하였다. 결합재는 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시로 구성하여 장기 강도 발현 및 재료의 내구성 향상을 고려하였다. 골재–결합재 비는 1.63, 잔골재율은 45%로 적용하였다. 공기량은 일반 콘크리트 표준 시방서(KCS 14 20 10)에 제시된 일반 콘크리트의 공기량(4.5 ± 1.5%) 범위를 기준으로, 중량 골재 적용으로 인한 유동성 저하를 보완하고 작업성 향상 및 재료 분리 억제를 고려하여 5%로 설정하였다(Wong et al., 2011).

또한 중성자 차폐 성능 보완을 위해 Fig. 3과 같이 탄화 붕소 분말(Boron carbide, B$_4$C)을 적용하였다. B$_4$C 분말을 콘크리트 총중량 대비 0.3% 수준으로 외할 혼입 방식으로 배합에 도입하였으며, 열 중성자 흡수 성능 향상을 목적으로 한다.

Table 1. Density of heavyweight aggregate (g/cm$^3$)

Fig. 2. Concrete Density as a function of aggregate-to-binder ratio

Fig. 3. Boron carbide (B$_4$C) powder

3. 실험 방법

3.2 콘크리트 방사선 차폐 시험

3.2.1 감마선 차폐 시험

방사선 차폐용 콘크리트의 감마선 차폐 성능을 평가하기 위해 □ 200 × 200 × 50 mm 크기의 각주형 콘크리트 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 시편 두께 50 mm는 감마선 차폐 성능 평가를 위해 선행 연구에서 일반적으로 적용되어 온 50∼100 mm 범위 내의 두께이며^{(Ouda, 2015)}, 감마선 감쇠 특성을 정량적으로 평가하기에 적절한 두께로 판단된다.

감마선 차폐 시험은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 방사선원-시편-검출기로 구성된 실험 장치를 이용하였다. 감마선 원으로는 Co-60, Cs-137, Na-22, Eu-152를 사용하였으며, 약 0.3∼1.6 MeV 범위의 에너지 영역에 대한 차폐 특성을 분석하였다^{(Azeez et al., 2019; Gharieb et al., 2021)}.시험 시 콘크리트 시편은 방사선원과 검출기 사이에 위치하도록 배치하였으며, Fig. 5에 나타낸 Sample 1∼3은 동일한 배합 조건으로 제작된 시편으로 시험 결과의 재현성을 확보하기 위해 동일한 조건에서 평가하였다. 시편을 통과한 감마선은 시편 후면에 설치된 고순도 게르마늄 검출기(HPGe detector)를 이용하여 감마선 스펙트럼을 측정하였다^{(Aygün, 2019)}.

측정된 감마선 스펙트럼은 피크 분석을 통해 순 피크 계수(peak count)를 산출하였다. 순피크 계수는 해당 에너지 영역에서의 전체 계수에서 배경 방사선에 의한 계수를 제거한 값으로, 시편을 통과한 감마선의 강도를 정량적으로 나타내는 지표이다. 또한 차폐 효과 비교를 위해 시편이 없는 조건(No Sample)에서도 동일한 계측 조건으로 감마선 스펙트럼을 측정하였다.

감마선 투과율(penetration ratio)은 시편이 없는 조건에서 측정된 순 피크 계수 대비 시편을 통과한 경우의 순 피크 계수의 비로 정의하였으며, 이를 통해 각 에너지 범위에서의 감마선 차폐 성능을 정량적으로 평가할 수 있다.

Fig. 4. Experimental setup for gamma-ray shielding measurement

Fig. 5. Test specimens for gamma-ray shielding experiments

3.2.2 고속 중성자 차폐 시험

방사선 차폐용 콘크리트의 고속 중성자 차폐 성능을 평가하기 위하여 고속 중성자 조사 시험을 수행하였다. 시험 구성은 Fig. 6에 나타낸 바와 같으며, 고속 중성자 원으로는 Cf-252를 사용하였다. 시험 시 콘크리트 시편은 중성자원과 검출기 사이에 배치하여 시편 유무에 따른 중성자 투과 거동을 평가하였다.

고속 중성자 계측은 동일 배합 조건으로 제작된 Sample 1∼3에 대해 Indium-115 중성자 활성화 분석법(Indium-115 Neutron Activation Analysis, NAA)을 적용하여 수행하였다. 일정 시간 동안 중성자를 조사한 후, 중성자와의 상호작용으로 활성화된 인듐 시편에서 방출되는 방사선을 계측하여 고속 중성자에 의해 유도된 순계수(Net count)를 산출하였다. 이후 시편이 없는 조건(No Sample)에서 측정된 순계수를 기준값으로 설정하고, 시편을 통과한 경우의 순 계수비를 투과율(Ratio)로 환산하여 고속 중성자 차폐 성능을 평가하였다. 고속 중성자 조사 및 측정 개념도는 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 6. Experimental setup for fast neutron shielding measurement

Fig. 7. Diagram of fast neutron irradiation test

3.2.3 열 중성자 차폐 시험

열 중성자 차폐 성능 평가는 Cf-252 중성자원을 이용하여 수행하였다. 열중성자의 계측을 위해 HDPE 감속체를 적용하였으며, Fig. 8에 나타낸 중성자 검출기를 이용하여 열 중성자 플럭스를 계측하였다. 여기서 열 중성자 플럭스는 단위 시간당 단위 면적을 통과하는 열 중성자의 개수를 의미하며, 시편을 통과한 열 중성자의 양을 정량적으로 평가하기 위한 지표이다.

시험은 Fig. 9와 같이 시편을 중성자원과 검출기 사이에 배치한 조건과, 시편이 없는 조건을 설정하여 동일 배합 조건의 Sample 1-3에 대해 수행하였다. 검출기로 측정된 신호로부터 순계수를 산출하였으며, 이를 시편이 없는 조건 대비 투과율로 환산하여 열 중성자 차폐 성능을 평가하였다.

Fig. 8. Experimental setup for Thermal neutron shielding measurement

Fig. 9. Test specimens for thermal neutron shielding experiments

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 콘크리트 밀도 및 압축강도

적철석 골재를 적용한 방사선 차폐용 콘크리트의 밀도 측정 결과, 콘크리트 밀도는 3,687 kg/m³로 나타나 본 연구에서 설정한 목표 밀도를 안정적으로 달성했음을 확인할 수 있다. 또한 개별 공시체들의 밀도가 비교적 좁은 범위 내에서 분포하여, 배합 과정에서 혼합 및 다짐이 균일하게 이루어졌음을 보여준다.

Fig. 10에 재령에 따른 압축강도 측정 결과를 나타내었다. 재령 3일, 7일, 28일에서의 압축강도는 각각 35.0 MPa, 38.9MPa, 46.8MPa로 측정되어, 재령 증가에 따라 압축강도가 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 시멘트 페이스트와 적철석 골재 사이의 상호작용으로 인해 접착력이 향상된 결과로 판단된다^{(Gencel et al., 2011)}. 특히 28일 재령압축강도는 목표 강도인 43.5 MPa 이상으로 측정되어, 본 연구에서 설정한 목표 강도를 만족하는 것으로 확인되었다. 이를 통해 본 연구의 배합은 방사선 차폐용 콘크리트에 요구되는 고밀도와 충분한 압축강도를 동시에 확보할 수 있는 배합 설계임을 확인하였다. 콘크리트구조 해석과 설계 원칙(KDS 14 20 10)에 제시된 압축강도 발현 예측 식을 적용하여 목표 압축강도 43.5MPa에 대한 강도 발현을 예측한 결과, 28일 재령에서 측정된 압축강도는 예측된 강도 발현 곡선을 상회하는 경향을 보였다.

Fig. 10. Compressive strength development with curing age

4.2 콘크리트 방사선 차폐 시험

4.2.1 감마선 차폐 시험

감마선 차폐 시험 결과, Fig. 11과 같이 0.3∼1.6 MeV의 에너지 범위에서 모든 콘크리트 시편은 일반 콘크리트에 비해 감마선 투과율(penetration ratio)이 약 30% 감소하는 경향이 보였다.

선행 연구에 따르면, 0.66∼1.33 MeV의 에너지 범위에서 일반 콘크리트의 선형 감쇠 계수($\mu$)는 약 0.3∼0.6 cm$^{-1}$ 수준인 반면, 적철석 골재를 적용한 콘크리트의 경우 약 0.5∼0.9 cm$^{-1}$ 수준으로 나타내는 것으로 보고되었다. Beer-Lambert 법칙에 따르면 선형 감쇠 계수 ($\mu$)는 방사선 투과율과 반비례 관계를 가지므로, 이는 동일한 에너지 조건에서 적철석 콘크리트의 투과율이 일반 콘크리트 대비 약 33% 감소한 것으로 해석될 수 있다. 이러한 결과는 본 연구에서 관찰된 실험 결과와 정량적으로 잘 일치한다^{(Ibrahim et al., 2021)}.

한, 실험 데이터의 타당성을 검증하기 위해 동일한 조건에서 MCNP 시뮬레이션을 수행하였으며, Fig. 12에 실험 결과와 시뮬레이션으로 도출된 투과율 곡선을 비교하였다. 그 결과 Sample 2 및 Sample 3의 경우 실험값과 시뮬레이션 결과 간의 오차는 3% 미만으로 거의 유사함을 보였으며, Sample 1에서도 최대 약 10% 이내의 오차 범위로 나타났다. 이러한 결과는 실험 데이터의 타당성을 뒷받침하며, 감마선 차폐 성능 향상이 중량 골재의 높은 원자번호 특성과 콘크리트 차폐체의 밀도 증가에 기인함을 시사한다^{(Bashter, 1997)}.

Fig. 11. Gamma-ray penetration of normal and heavyweight concrete

Fig. 12. Comparison of experimental data and MCNP-simulated gamma-ray penetration curves

4.2.2 고속 중성자 차폐 시험

Table 4는 고속 중성자 차폐 시험을 통해 측정된 순 계수와 이를 기반으로 산출된 투과율을 나타낸 것이다. 시편이 없는 조건(No sample)에서 측정된 순 계수는 7,562로 나타났으며, 이를 기준값(100%)로 설정하였다. 이에 비해 방사선 차폐용 콘크리트 시편을 배치한 경우 Sample 1, Sample 2, Sample 3의 순 계수는 각각 3,610, 3,893, 4,094로 감소하였다.

이에 따라 계산된 고속 중성자 투과율은 Sample 1∼3 각각 47.7%, 51.5%, 54.1%로 계산되었으며, 일반 콘크리트(Normal concrete)의 투과율(71.1%)에 비해 약 17.0∼23.4% 수준으로 감소하였다. 이는 일반 콘크리트에 비해 방사선 차폐용 콘크리트에서 고속 중성자 투과가 줄어들었음을 의미한다.

이러한 결과는 콘크리트 밀도 증가에 따른 중성자 감쇠 효과와 밀접한 관련이 있다. 선행 연구에 따르면, 콘크리트 밀도가 약 2,300∼2,400 kg/m³ 수준인 일반 콘크리트의 중성자 감쇠 계수는 0.06∼0.07 cm$^{-1}$ 범위인 반면, 밀도가 3,300–3,600 kg/m$^3$ 수준인 콘크리트에서는 중성자 감쇠 계수가 약 0.07∼0.08 cm$^{-1}$ 까지 증가하는 것으로 보고되었다. 이에 따라 방사선 차폐용 콘크리트의 고속 중성자 투과율이 일반 콘크리트에 비해 약 8∼15% 정도 감소하는 경향을 보이며, 본 연구에서 관찰된 실험 결과와 잘 부합한다. 이러한 차폐 성능 향상은 밀도 증가에 따라 중성자와 물질 간 충돌 빈도 및 에너지 손실이 증가하기 때문으로 해석된다^{(Daungwilailuk et al., 2022)}.

Table 4. Net count and experimental penetration ratio of fast neutrons

	No Sample	Normal	Sample 1	Sample 2	Sample 3
Net count	7,562	5,377	3,610	3,893	4,094
Ratio (%)	100.0	71.1	47.7	51.5	54.1

4.2.3 열 중성자 차폐 시험

Table 5에 나타낸 열 중성자 차폐 시험 결과, 시편이 없는 조건에서 측정된 순 계수는 280,383으로 나타났으며, Sample 1, Sample 2, Sample 3의 순 계수는 각각 87,578, 88,864, 87,544로 감소하였다.

이를 바탕으로 산출된 열 중성자 투과율은 Sample 1이 31.2%, Sample 2가 31.6%, Sample 3이 31.2%로 나타났으며, 일반 콘크리트의 투과율에 비해 약 51% 수준으로 감소하였다. 또한 세 시편 간 투과율 차이는 거의 없어, 열 중성자 차폐 성능이 시편 간 일관되게 발현하였음을 확인하였다.

한편, 일반 콘크리트의 경우 열 중성자 투과율이 82.5%로 나타나, 방사선 차폐용 콘크리트에 비해 열 중성자 차폐 성능이 낮은 것으로 나타났다. 이는 중량 골재 적용에 따른 밀도 증가 효과와 더불어, 본 연구에서 혼입한 붕소가 열중성자 감속 및 흡수에 기여한 결과로 판단된다.

기존 연구에 따르면, 약 2,350∼2,380 kg/m$^3$ 밀도 범위의 일반 콘크리트의 열중성자 감쇠 계수는 0.06∼0.07 cm$^{-1}$ 범위인 반면, 밀도 약 3,600 kg/m$^3$의 방사선 차폐용 콘크리트에서는 0.08∼0.10 cm$^{-1}$로 열 중성자 투과율이 약 30∼50% 감소하는 경향을 보인다고 보고되었다^{(Piotrowski et al., 2015)}.

Table 5. Net count and experimental penetration ratio of thermal neutrons

	No Sample	Normal	Sample 1	Sample 2	Sample 3
Net count	280,383	231,316	87,578	88,864	87,544
Ratio (%)	100.0	82.5	31.2	31.6	31.2

5. 결 론

본 연구에서는 적철석 골재를 적용한 방사선 차폐용 콘크리트의 역학적 성능 및 방사선 차폐 성능을 분석 및 평가하였으며 실험 결과를 바탕으로 본 연구의 범위 내에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 적철석 중량 골재를 사용한 콘크리트는 높은 밀도를 확보할 수 있었으며, 방사선 차폐 성능이 요구되는 구조물에서의 적용 가능성을 확인하였다.

2) 압축강도 시험 결과, 재령 3일, 7일 및 28일에서 각각 35.0 MPa, 38.9 MPa, 46.8 MPa로 재령 증가에 따라 점진적인 강도 발현 특성을 나타내었으며, 특히 28일 압축강도는 목표 강도인 43.5 MPa를 도달하여 구조적 요구 성능을 만족하였다.

3) 방사선 차폐 시험 결과, 방사선 차폐용 콘크리트 시편은 일반 콘크리트보다 감마선 및 고속 중성자, 열중성자에 대해 전반적으로 우수한 차폐 성능을 보였다. 감마선 차폐 시험에서는 약 0.3∼1.6 MeV 에너지 범위에서 콘크리트의 투과율이 약 30% 감소하여, 중량 골재의 적용에 따른 감마선 차폐 효과를 확인할 수 있었다. 고속 중성자 차폐 시험에서는 일반 콘크리트 대비 투과율이 약 17.0∼23.4% 감소하였다.

4) 열중성자 차폐 시험에서는 일반 콘크리트에 비해 약 51%의 투과율 감소가 확인되어 붕소 혼입에 따른 중성자의 감속 및 흡수 효과 및 중성자 차폐 효과를 확인하였으며, 적철석 기반 방사선 차폐용 콘크리트가 차폐재료로서의 활용가능성을 확인하였다.

종합적으로, 본 연구에서 제안한 적철석을 적용한 방사선 차폐용 콘크리트는 높은 밀도로 인한 역학적 성능을 만족하고, 감마선 및 열중성자, 고속 중성자 등 방사선 차폐가 요구되는 핵시설 및 핵융합 관련 구조물에 적용 가능성이 높은 재료임을 확인하였다. 향후 연구에서는 다양한 중량 골재의 종류에 따른 역학적 성능 및 방사선 차폐 성능을 비교하고, 방사선 이용 시설에서 발생할 수 있는 고온 노출 환경을 고려하여 고온 조건에 따른 방사선 차폐용콘크리트의 성능 변화를 평가할 예정이다.