원전 구조물에 주로 사용되는 중량 콘크리트의 경우 중성자에 오랜 시간 노출되면 콘크리트 자체가 방사선을 방출하는 방사화가 발생하게 된다. 이러한 경우 원전 구조물 해체시 많은 양의 방사성 폐기물이 발생되고 이를 처리하기 위한 비용이 큰 폭으로 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 원전 해체시 폐기물의 처리비용을 저감하기 위하여 방사화에 밀접한 관련이 있는 Eu 및 Co를 포함하고 있는 시멘트를 대상으로 저방사화 시멘트를 제작하였다. 또한, 저방사화 시멘트 개발을 위하여 원재료 수급부터 제조방법을 제안하였으며 이를 일반 시멘트 및 저발열 시멘트와 비교 분석하였다. 방사화 분석 결과 Eu는 검출되지 않았으며, Co는 3.75ppm으로 보통포틀랜드 시멘트보다 낮게 측정되었으며, 물리적 화학적 특성 역시 1종 보통포틀랜드 시멘트와 4종 저발열 포틀랜드 시멘트 기준에 부합하는 것으로 나타났다.
원전 구조물에 주로 사용되는 중량 콘크리트의 경우 중성자에 오랜 시간 노출되면 콘크리트 자체가 방사선을 방출하는 방사화가 발생하게 된다. 이러한 경우 원전 구조물 해체시 많은 양의 방사성 폐기물이 발생되고 이를 처리하기 위한 비용이 큰 폭으로 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 원전 해체시 폐기물의 처리비용을 저감하기 위하여 방사화에 밀접한 관련이 있는 Eu 및 Co를 포함하고 있는 시멘트를 대상으로 저방사화 시멘트를 제작하였다. 또한, 저방사화 시멘트 개발을 위하여 원재료 수급부터 제조방법을 제안하였으며 이를 일반 시멘트 및 저발열 시멘트와 비교 분석하였다. 방사화 분석 결과 Eu는 검출되지 않았으며, Co는 3.75ppm으로 보통포틀랜드 시멘트보다 낮게 측정되었으며, 물리적 화학적 특성 역시 1종 보통포틀랜드 시멘트와 4종 저발열 포틀랜드 시멘트 기준에 부합하는 것으로 나타났다.
When concrete is exposed to neutron rays for a long time, the concrete tends to become activated. If activated, it is classified as middle or low level radioactive waste. However, the great amount of the activated concrete is hard to dispose. In this study, low-activation cement was developed for de...
When concrete is exposed to neutron rays for a long time, the concrete tends to become activated. If activated, it is classified as middle or low level radioactive waste. However, the great amount of the activated concrete is hard to dispose. In this study, low-activation cement was developed for decreasing the activated waste from shielding concrete around nuclear reactor. Furthermore, the manufactured low-activation was analyzed with activation nuclide Eu, Co. The low-activation cement showed great advantage for low-activation with detecting none of Eu and 3.75ppm of Co while ordinary portland cement showed 0.4~0.9ppm of Eu, 5.5~19.8ppm of Co content. As the results of physical properties of the low-activation cement, it is similar to type 1 ordinary portland cement and accords with type 4 low heat portland cement. Meanwhile, as for the chemical properties of the cement, it accords wite type 1 and 4 at the same time.
When concrete is exposed to neutron rays for a long time, the concrete tends to become activated. If activated, it is classified as middle or low level radioactive waste. However, the great amount of the activated concrete is hard to dispose. In this study, low-activation cement was developed for decreasing the activated waste from shielding concrete around nuclear reactor. Furthermore, the manufactured low-activation was analyzed with activation nuclide Eu, Co. The low-activation cement showed great advantage for low-activation with detecting none of Eu and 3.75ppm of Co while ordinary portland cement showed 0.4~0.9ppm of Eu, 5.5~19.8ppm of Co content. As the results of physical properties of the low-activation cement, it is similar to type 1 ordinary portland cement and accords with type 4 low heat portland cement. Meanwhile, as for the chemical properties of the cement, it accords wite type 1 and 4 at the same time.
특히, 시멘트의 경우 시멘트의 원재료에 포함된 코발트(cobalt, Co)와 유로퓸(europium, Eu)이 중성자에 의해 방사화가 되는 대표적인 물질이기에 이러한 성분을 최소한으로 포함하는 시멘트를 콘크리트의 결합재로 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 본고에서는 원전의 사용기간 이후 방사성폐기물을 줄이기 위한 저방사화 기술개발을 위하여 원전 구조물의 콘크리트 차폐벽에 사용되는 새로운 저방사화 시멘트를 개발하고자 하였다.
제안 방법
저방사화 시멘트를 제조함에 있어 주요 핵종인 Co와 Eu의 함량을 저감하는 방향으로 설계하였다.
이에 본 연구에서는 사용시멘트 중에서 주로 많이 사용되는 시멘트를 선별하여 방사화 핵종인 Co 및 Eu를 분석하였다. 또한, 플라이애시 등의 혼화재의 경우 Co 및 Fe 등의 함량이 높아 저방사화에 부적합하다는 기존문헌(Lee et al. 2014)을 참조하여 본 연구에서는 제외하였다.
대상 데이터
한편, 시멘트를 만들기 위하여 사용되는 원재료의 방사화 물질분석을 위하여 Fig. 1와 같이 국내 광산의 광물을 지역 및 생성지층별로 분류한 65개소에서 샘플을 채취하였으며, 일부 광물은 수입광물을 포함하였다. 방사화 분석 결과는 Tables 2~6과 같으며 자세한 사항은 다음과 같다.
데이터처리
시멘트 원료를 분쇄할 때 주로 철제 볼밀을 사용하게 되는데 이때 철제 볼밀로부터 Co가 유입될 가능성이 있다. 따라서, 분쇄법에 따른 방사화 유발 원소 함량을 비교하고자 철제 볼밀과 알루미나 볼밀을 사용하여 콘크리트를 분쇄한 시료를 대상으로 핵종 원소인 Eu과 Co, 그리고 이들과 밀접한 관련이 있는 화합물로 보고된 Al2O3와 Fe2O3 함량을 비교분석을 실시하였다.
제조된 저방사화 시멘트를 대상으로 모르타르 및 콘크리트의 역학적 특성 분석을 수행하였으며 이를 일반 시멘트 및 저발열 시멘트와 비교 분석하였다.
이론/모형
방사화 핵종의 분석은 유도결합플라즈마 발광분광법(inductivelycoupled plasma-optical emission spectrometer, ICP-OES)을이용하였으며, 이 방법은 플라즈마 안으로 들어온 시료 내의 원소들에 의해 방출되는 빛을 측정하여 원소를 분석하는 방법으로써 매우 낮은 농도(수 ppb 이하) 수준의 미량 원소까지 분석할 수 있다.
성능/효과
1. 국내 상용 시멘트를 사용한 콘크리는 방사화 핵종인 Eu와 Co가 많아 저방사화에 불리하였으며, 시멘트의 원재료가 되는 광물들에 대한 방사화 핵종 분석 결과, 동일 광물에서도 지역적인 편차가 크게 나타나는 것을 확인하여 원재료 선정에 유의할 필요가 있다고 판단된다.
3. 저방사화 시멘트를 제조하기 위한 설계법을 제시하였으며, 이에 따라 제작된 저방사화 시멘트를 분석한 결과, Eu는 검출되지 않았으며, Co는 3.75ppm으로 나타나 보통포틀랜드시멘트(Eu 0.4~0.9ppm, Co 5.5~19.8ppm)에 비해 저방사화에 매우 유리한 것으로 나타났다.
4. 또한 제조된 저방사화 시멘트의 물리적 특성은 1종 보통포틀랜드시멘트와 유사하였으며, 4종 저열포틀랜드 시멘트의 기준에 부합하는 것으로 나타났으며, 화학적 특성은 1종과 4종 모두에 적합한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원전 구조물의 차폐대상 방사선의 종류에는 무엇이 있는가?
원전 구조물의 차폐대상 방사선의 종류는 α선, β선, γ선 및 중성자 등으로 구분할 수 있으며, 가압경수로형 원전(pressurized-waterreactor, PWR)의 경우 차폐 구조체와 관련해서는 감마선(gammaray)과 중성자(neutron)를 주된 방사선 차폐대상으로 하고 있다. 방사선의 차폐는 차폐물의 밀도와 높은 연관성을 가지며, 차폐물의 밀도가 높을수록 감쇄효과가 높아지게 되므로 일반적으로 고밀도 골재를 사용하는 중량콘크리트를 차폐체로 주로 사용한다.
방사선의 차폐에 고밀도 골재를 사용하는 중량콘크리트를 차폐체로 사용하는 이유는 무엇인가?
원전 구조물의 차폐대상 방사선의 종류는 α선, β선, γ선 및 중성자 등으로 구분할 수 있으며, 가압경수로형 원전(pressurized-waterreactor, PWR)의 경우 차폐 구조체와 관련해서는 감마선(gammaray)과 중성자(neutron)를 주된 방사선 차폐대상으로 하고 있다. 방사선의 차폐는 차폐물의 밀도와 높은 연관성을 가지며, 차폐물의 밀도가 높을수록 감쇄효과가 높아지게 되므로 일반적으로 고밀도 골재를 사용하는 중량콘크리트를 차폐체로 주로 사용한다. 그러나 방사선 차폐를 목적으로 하는 철근콘크리트 차폐체가 중성자에 오랜 시간 노출될 경우 철근콘크리트 자체가 방사선을 방출하게 되는 방사화(activation)가 발생하게 된다.
방사화가 발생하면 어떤 문제를 초래할 수 있는가?
그러나 방사선 차폐를 목적으로 하는 철근콘크리트 차폐체가 중성자에 오랜 시간 노출될 경우 철근콘크리트 자체가 방사선을 방출하게 되는 방사화(activation)가 발생하게 된다. 이 경우 원전 구조물의 수명 종료 후 폐로시 많은 양의 콘크리트가 방사선 폐기물로 분류되어 폐로비용이 큰 폭으로 증가할 수 밖에 없으며, 또한 방사선 폐기물 저장시설이 부족해 질 수 있는 측면에서 바람직하지 않다고 할 수 있다.
참고문헌 (8)
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