연구개요
사용후핵연료 수송/저장과 관련하여 방사선에 대한 저항성이 있으며 동시에 안전성이 확보된 소재는 매우 중요하며 특히 수송용기용 중성자 차폐/흡수 소재는 중성자 차폐 효율성과 화재에 대한 안전성을 동시에 확보해야 한다. 현재, 사용후핵연료 수송용기용 중성자 차페재는 물 또는 물과 에틸렌글리콜 등을 혼합하여 사용하므로 온도상승 시 부피팽창 등 여분공간이 필요하여 수송용기의 두께 및 무게 증가와 함께 용량 감소가 문제이다. 사용후핵연료 수송용기 내 중성자 차폐재인 에폭시수지 복합재는 이러한 관점에서 전 세계적으로 많이 사용 중이며 현재 우리나라의 경우도 미국의 NAC Int.사의 NS-4-FR 제품을 기준으로 수송용기를 개발하고 있다. 향후, 사용후핵연료 수송/저장과 관련하여 수송/저장 시스템의 수요가 급격히 증대할 것으로 예상하고 있지만 현재 이와 관련하여 국내에서 확보하고 있는 기술은 미약한 실정이며 특히 특수성이 있는 중성자 차폐/흡수재와 같은 부가가치가 높은 소재의 경우에는 좀 더 심각한 상태이다. 이러한 관점에서 본 과제에서 제안하는 기술 및 제품은 현재 해외에서 사용 중인 기술을 답습하여 따라가는 것이 아니라 나노기술을 응용하여 성능이 기존의 제품보다 우수한 소재를 개발하여 국내는 물론 UAE 원전에도 적용이 가능하며 동시에 해외시장에서도 인정받는 소재 및 이의제조 핵심기술을 개발하는데 중요한 의미가 있다고 할 수 있다.
최종목표
- 사용후핵연료 수송-저장용기 및 시스템의 중성자 차폐 안전성 및 효율성 향상을 위한 나노복합재 기반 중성자 흡수 및 차폐재 개발
- 나노입자가 균일 분산된 중성자 차폐능, 난연성 및 기계적 물성이 동시에 향상된 나노복합재 개발
주요 연구내용
- 중성자 흡수 보론 및 보론화합물의 나노화 기술개발
- 나노입자 표면처리 및 고분자(에폭시) 수지 나노입자 균일분산 기술개발
- 고분자(에폭시) 복합재 제조 및 성형기술개발
- 고분자(에폭시) 나노복합 중성자 차폐재 차페능 및 물성 평가기술개발
- 중성자 차폐/흡수재 장기안정성 평가기술 개발
주요 연구성과
본 과제에서는 초음파 직접 여기를 이용한 나노입자 표면처리 기술과 초임계 유체를 이용한 나노입자 표면처리 기술을 다양한 나노 소재에 대하여 적용하였고 차별화된 연구를 통해 고분자 분산성 및 접착성 향상을 확인하였다. 특히 초음파 직접여기를 이용한 나노입자 표면처리 기술을 발표한 논문(그림 1 참조)은 에너지 관련 기구(Global Renewable Energy Innovation)로부터 Key Scientific Article로 추천받아 우수성을 입증하였다. 현재 본 과제에서 개발하고자 하는 새로운 개념의 사용후핵연료 수송용기용 에폭시 기반 나노복합 중성자 차폐재는 원천성이 있으며 국내 특허출원과 PCT출원(미국, 일본, 중국)이 완료된 상태로 (PCT 출원의 경우, 05/12) 기술에 대한 지적재산권이 확보된 상태이다. 본 과제에서 개발하는 중성자 차폐소재는 기존의 차폐재(미국 NAC사의 NS4FR)과 비교하여 유사한 기계적 특성을 보유하면서 열적안정성이 뛰어나고, 수소농도가 상대적으로 높고 가벼우며 차폐성능이 우수할 것으로 예상하고 있다.
그림 1. Renewable Energy Global Renovation Key Scientific Article [1]
참고문헌
- J. Jeon et al., J. Nucl. Mater. 416 (2011) 293.