This thesis aimed to investigate an effect of polymer aggregate on the mechanical and neutron perfor-mance of borated low-activation concrete. Computational and experimental studies were conducted to investigate the neutron shielding and activation characteristics. Mechanical properties were also investigated with different boron and polymer contents. The Monte Carlo simulation code MCNP-5 was employed to determine the transmission of neutron through concrete at different energies, from 0.025 eV to 1 MeV, and the result from 0.025 eV was compared with experimental data from HANARO Ex-core Neutron irradiation Facility. It was shown that the replacement of polyethylene in borated concrete greatly enhanced the shielding efficiency of the concrete in high energy neutron shields. The epithermal and fast neutron attenuation property did not highly depend on the boron amount but was improved by the polyethylene replacement.
The activation characteristics of the concretes were estimated with ORIGEN-S code and cross section data from ENDF/B-VI. The radioactivities of concrete were calculated in 1 KeV and 10 KeV neutron sources. Obtained activity of polymer-aggregate replaced borated concretes were sufficiently low comparing to the borated concrete and ordinary concrete. The reduced activity level can be explained by (i) improved neutron shielding effectiveness and (ii) lowered contents of radionuclides as polymer replaces fine aggregates. As hy-drogen and carbon elements of the polyethylene aggregate play a role as a neutron moderator inside the shielding concrete, the neutron-capture performance of elements, particularly the performance of boron could be improved. Furthermore, a double-layered structure, with the first layer of polyethylene aggregate replaced concrete and the second layer of 2 wt% borated concrete, showed significant improvement of shielding efficiency compared to monolithic structure. The mechanical properties of flow, density, absorption rate and compressive strength were measured, and it was found that the addition of polymer aggregate over the certain content negatively affects the mechanical characteristics due to the low frictional force between aggregates. With modification of the size and shape of polymer aggregate, enhanced low-activation performance of borated concrete is anticipated.
방사선 사용 시설의 증가와 사용 방사선 에너지의 고준위화에 따라 해당 시설의 차폐 및 방호기술의 중요성이 증대되고 있다. 일반적으로 감마선에 대하여는 고밀도 재료가, 중성자선에 대해서는 다함수(多含水) 재료가 사용되고 있다. 콘크리트는 고밀도 o 다함수 재료일 뿐만 아니라 가격 또한 저렴하여 방사선 활용 시설에서 차폐재료로 널리 사용되고 있다. 하지만 이러한 차폐 콘크리트는 장시간 중성자선에 노출 될 경우, 내부 핵종의 방사화로 인하여 방사능을 지니게 되고, 이에 따라 시설의 유지보수 시에 긴 냉각시간이 요구될 뿐만 아니라 시설의 해체 시에는 콘크리트를 중저준위 폐기물로 처리함에 따른 막대한 비용과 시간이 소요된다. 이에 콘크리트의 방사화를 저감하기 위한 노력의 일환으로, 중성자 흡수단면적이 큰 붕소를 콘크리트에 혼입하는 방법이 시도되고 있다. 본 연구에서는 기존의 붕소 콘크리트가 갖는 (i)높은 가격 및 콘크리트 경화에 대한 영향으로 인한 치환량의 제한 (5 wt% 이하), (ii)열중성자에 한정된 저방사화 성능 등의 한계점을 재료적 측면에서 해결하고자 폴리머 골재를 혼입한 붕소 콘크리트를 제시하였다. 폴리머의 혼입을 통하여 콘크리트 내부의 수소양을 대폭 증가시킬 수 있으며, 이는 열중성자 범위에 한정되어 있던 붕소 혼입 콘크리트의 저방사화 특성을 보다 넓은 중성자 에너지 범위로 확장할 수 있을 것이라 기대하였다.
본 연구에서는 MCNP 및 ORIGEN 등의 시뮬레이션을 사용하여 폴리머 혼입에 따른 붕소 콘크리트의 중성자 차폐 및 방사화 특성을 예측하였으며, 한국원자력연구원의 노외중성자조사시설과 중성자방사화분석을 통해 시뮬레이션 결과를 검증하였다. 또한, 제시한 재료의 기초적 및 역학적 물성을 평가하여 구조용 차폐 콘크리트로써의 실용성에 대하여 고찰하였다. MCNP 시뮬레이션 결과로부터, 폴리머 골재의 치환을 통해 10 eV 이상의 에너지 준위에서 붕소 혼입 콘크리트의 중성자 차폐성능이 대폭 향상됨을 알 수 있었다. 특히, 폴리머를 치환함에 따라 표면에서 중성자 에너지가 빠른 감속특성을 보이며 이에 따라 붕소의 중성자 포획확률이 높아짐을 알 수 있었다. 0.025 eV 중성자에 대한 차폐시뮬레이션 결과는 HANARO의 노외중성자조사시설에서의 실제 차폐실험 결과와 비교하였으며, 그 신뢰도를 확인하였다. 방사화 시뮬레이션에는 ORIGEN-S 코드를 사용하였으며, 1KeV 및 10KeV 준위의 중성자 선원에 대하여 조사시간과 냉각시간을 각각 60년, 25년으로 설정하였다. 폴리머골재를 치환할 경우, 해당 콘크리트의 방사능이 줄어들 뿐만 아니라 장반감기 주요 핵종인 Eu-152, Co-60 등의 양 또한 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 각 핵종의 방사성 폐기물 처분기준값 (Clearance level)을 고려하였을 때, 폴리머를 골재의 50% 치환한 경우 일반콘크리트 대비 1/100배의 저방사화 성능이 예상된다. 해당 재료의 구조적 성능 확보를 위하여 물리적 성능을 실험한 결과, 특정 혼입률 이상의 폴리머골재 혼입은 콘크리트의 유동성 및 압축강도에 부정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.
결과적으로, 잔골재의 일부를 폴리머로 치환할 경우 붕소콘크리트의 차폐성능은 치환율이 증가함에 따라 향상되며, 폴리머골재가 중성자 감속재 역할을 함에 따라 붕소의 중성자 포획확률이 증가하여 저방사화 성능 또한 향상됨을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 그러나 특정 혼입률 이상으로 폴리머를 혼입할 경우 역학적 성능의 저하가 우려되기 때문에, 혼입량 산정에 주의할 필요가 있다. 사용시설의 역학적 요구성능을 만족시키는 범위에서의 폴리머 골재 치환을 통해 차폐체의 두께감소 및 방사성 폐기물 발생량의 저감이 가능할 것으로 기대되어진다.
