R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201515CTAP-C077471-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 기존 콘크리트의 중성자 차폐능 1.2배 이상 향상시킨 고붕소 비정질 강섬유 강화 콘크리트 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2014-07-11 ~ 2016-07-10 | |||||
| 연구책임자 | 이승훈 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
3명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
5명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 200,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 400,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 경북대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 15-CTAP-C077471-02 | |||||
| ISBN | 000 | |||||
| 주요 내용 |
- 붕소 (B)는 중성자 차폐 효율이 매우 높은 원소로 알려져 있으며, 재료내에 존재하는 붕소의 함량이 증가할수록 중성자 차폐능이 증가한다. - 차폐용 금속재료로서는 Borated Stainless Steel이 있다. 그러나, 결정질 금속에 들어갈 수 있는 붕소 농도는 매우 적으며, 포화농도 이상의 붕소는 다양한 붕소함유 석출물로 존재하고 이로 인해 금속의 내부식성이 급격히 저하된다. 따라서, 현재 상용화된 결정질 Borated Stainless Steel의 최대 붕소 농도는 약 10 at% 정도로 제한된다. - 차폐용 콘크리트는 일반적으로 탄화붕소(B4C) 분말을 혼화재료로 배합하여 제조된다. 그러나, 탄화붕소(B4C) 함량이 증가할수록 콘크리트의 역학적 성능 (강도 등)이 급격하게 저하된다. 특히 후쿠시마 원전과 같이 지진하중이 발생할 경우, 설계 강도보다 현저히 저하된 인장강도로 인하여 균열이 발생할 수 있으며 방사선 차폐 및 구조물의 안전성 등에 큰 문제를 나타낼 수도 있다. - 본 연구에서는 상기 문제들을 동시에 해결할 수 있는 고붕소 강섬유 보강 콘크리트를 개발하고자 한다. 즉, 기존 소재 대비 월등히 높은 붕소 함량을 가지며 (>20 at%), 고강도 (>1.5 GPa),고내식성 및 경제성을 가지는 고붕소 합금을 개발하고, 다양한 붕소함유 물질을 혼화재로 활용한 고붕소 콘크리트를 개발하여 최적의 차폐능과 기계적 특성 조합을 나타내는 새로운 중성자 차폐용 콘크리트의 개발을 추진한다. - 구체적으로는 붕소 포화농도 확대를 위해 비정질 합금 설계 기술과 신금속 공정기술인 급냉응고 기술을 조합하여 고농도의 붕소가 원자상태로 존재할 수 있는 고붕소 비정질 리본 (두께<50μm)형태의 강섬유를 개발한다. 또한, 다양한 고붕소 혼화재료의 최적배합비를 산출하고, 고붕소 비정질 강섬유를 강화재로 사용하여 콘크리트의 균열저감, 인장강도 및 인성의 증가, 건조수축 저감 등 역학적 성질을 개선함과 동시에 중성자 차폐성능을 효율적으로 향상시키고자 한다. [최종목표] <연구개발의 최종목표> 기존 콘크리트의 중성자 차폐능 1.2배 이상 향상시킨 고붕소 비정질 강섬유 강화 콘크리트 개발 <연구개발의 세부목표> Fe계 고붕소 비정질 합금개발 - 철계 고붕소 비정질 리본생산 및 중성자 차폐능 개선 - 철계 고붕소 비정질 리본 성능 향상을 위한 합금 조성 조정 및 생산 공정 최적화 중성자 차폐용 혼화재료의 분석 및 평가 - 붕소 계열 재료(붕규산유리, 탄화붕소)의 콘크리트 적용성 평가 - 콘크리트의 역학적 손실을 최소화한 혼화재료의 배합비율 도출 비정질 붕소강섬유 및 혼화재를 혼입한 중성자 차폐콘크리트 - 비정질 붕소강섬유 및 혼화재를 혼입한 콘크리트의 중성자 차폐성능 개선 - 비정질 붕소강섬유 및 혼화재를 혼입한 콘크리트의 최적배합 도출 및 역학적 성질 개선 <고붕소 비정질 강섬유 개발> - 기존의 결정질 차폐용 Borated Stainless Steel 304B7은 붕소 함량이 상대적으로 작고 (8.28~10.45 at%) 기계적 특성 (강도<1 GPa)이 미흡하다. - 비정질 금속은 원자상태로 붕소를 다량 (>20 at%)함유 할 수 있고, 기계적 특성 (강도>1.5 GPa) 및 내부식성이 결정질 금속 대비 월등히 우수하다. - 최근 합금설계 기술의 발달로 우수한 기계적 및 화학적 특성을 나타내는 다양한 비정질 합금이 개발되었으나, 다량의 고가 원소를 함유함으로 경제성 및 대량생산성에 치명적인 약점이 있다. 또한, 중성자 차폐를 위하여 고붕소 함량을 가지는 비정질 합금 연구는 매우 미미한 실정이다. - 본 연구에서 개발될 새로운 고붕소 비정질 합금은 경제적으로 대량생산이 가능한 산업용 철을 활용하고, 제철소에서 산업적으로 사용하고 있는 각종 합금철을 기본 원료로 개발된다. 즉, 산업용 철과 Fe-B, Fe-Si, Fe-Mo 등을 이용한 고붕소 (>20 at%) 비정질 합금을 개발한다. - 본 연구의 결과물은 국내 특허를 통하여 지적소유권을 확보 하고, 재료 관련 Impact factor 상위 20% 이내의 SCI 저널에 논문 출판을 목표로 한다. <중성자 차폐용 콘크리트 혼화재료의 물성평가 및 최적배합 산출> - 탄화 붕소를 포함하는 다양한 붕소 계열 혼화재료의 분석과 평가를 통해 최적의 고붕소 혼화재료를 선정한다. - 선정된 고붕소 혼화재료를 활용하여 콘크리트의 중성자 차폐율을 효율적으로 향상시키는 동시에 콘크리트의 역학적 성질 저하를 최소화 시킬 수 있는 최적 혼입비율을 이론적 및 실험적 결과를 토대로 산출한다. <비정질 섬유 및 혼화재를 이용한 중성자 차폐용 콘크리트의 개발> - 고붕소 비정질 강섬유와 붕소 계열 혼화재료를 혼입하여 기존 차폐용 콘크리트 대비 차폐성능 1.2배 이상 향상을 실현한다. [연구내용 및 범위] <고붕소 비정질 강섬유 개발> 철계 고붕소 비정질 합금설계 및 성능 개선 - 철계 고붕소 비정질 합금 설계: Fe-B-X-Y-Z (X, Y, Z는 합금원소) - 비정질 리본의 생산 공정:melt-spinning 공정 변수 (온도, 냉각속도 등) - 철계 고붕소 비정질 리본의 특성 평가: 비정질 형성능 평가: 유리천이 온도, 결정화 온도, 용융 온도 등 기계적 특성 평가: 인장강도 (>1.5 GPa), 연신율 (>10%) 계면 특성 평가: 고붕소 세멘트/금속섬유 계면 반응, 부식 반응 등 - 철계 고붕소 비정질 합금 설계 - 철계 고붕소 비정질 리본생산 및 중성자 차폐능 이론적 산출 - 철계 고붕소 비정질 리본의 역학적 특성 및 부식 저항성 평가 철계 고붕소 비정질 합금의 최적화 - 철계 고붕소 비정질 리본의 콘크리트 적용 후 물성 변화 측정 - 철계 고붕소 비정질 리본 성능 향상을 위한 합금 조성 조정 및 최적화 - 철계 고붕소 비정질 리본 생산 공정 최적화 <중성자 차폐용 콘크리트 혼화재료의 물성평가 및 최적배합 산출> 중성자 차폐 혼화재료의 반응성 평가 - 붕규산 유리 함유 배합의 포졸란 반응성 평가 - 탄화붕소와 포틀랜드 시멘트 상호 작용 분석 중성자 차폐 혼화재료의 콘크리트 혼합비율 산출 - ASR 반응성 평가 및 포졸란 반응성 평가 - 강도특성, 미세구조의 차이 조사 - 역학적 특성의 손실을 최소화한 배합비율 파악 <고붕소 비정질 강섬유 및 혼화재를 이용한 중성자 차폐용 콘크리트의 개발> 고붕소 비정질 강섬유 보강 콘크리트의 특성 파악 - 차폐용 콘크리트 재료의 선정 및 평가 - 고붕소 비정질 강섬유 형상비 및 혼입율에 따른 콘크리트의 물리적 특성 평가 콘크리트의 역학적 특성 평가 및 중성자 차폐성능 평가 - 콘크리트의 최적 배합비 도출 - 고붕소 비정질 강섬유 및 혼화재를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 평가 - 고붕소 비정질 강섬유 및 혼화재를 혼입한 콘크리트의 차폐성능 평가 <고붕소 비정질 강섬유 개발> - 기존의 결정질 차폐용 Borated Stainless Steel 304B7은 붕소 함량이 상대적으로 작고 (8.28~10.45 at%) 기계적 특성 (강도<1 GPa)이 미흡하다. - 비정질 금속은 원자상태로 붕소를 다량 (>20 at%)함유 할 수 있고, 기계적 특성 (강도>1.5 GPa) 및 내부식성이 결정질 금속 대비 월등히 우수하다. - 최근 합금설계 기술의 발달로 우수한 기계적 및 화학적 특성을 나타내는 다양한 비정질 합금이 개발되었으나, 다량의 고가 원소를 함유함으로 경제성 및 대량생산성에 치명적인 약점이 있다. 또한, 중성자 차폐를 위하여 고붕소 함량을 가지는 비정질 합금 연구는 매우 미미한 실정이다. - 본 연구에서 개발될 새로운 고붕소 비정질 합금은 경제적으로 대량생산이 가능한 산업용 철을 활용하고, 제철소에서 산업적으로 사용하고 있는 각종 합금철을 기본 원료로 개발된다. 즉, 산업용 철과 Fe-B, Fe-Si, Fe-Mo 등을 이용한 고붕소 (>20 at%) 비정질 합금을 개발한다. - 본 연구의 결과물은 국내 특허를 통하여 지적소유권을 확보 하고, 재료 관련 Impact factor 상위 20% 이내의 SCI 저널에 논문 출판을 목표로 한다. <중성자 차폐용 콘크리트 혼화재료의 물성평가 및 최적배합 산출> - 탄화 붕소를 포함하는 다양한 붕소 계열 혼화재료의 분석과 평가를 통해 최적의 고붕소 혼화재료를 선정한다. - 선정된 고붕소 혼화재료를 활용하여 콘크리트의 중성자 차폐율을 효율적으로 향상시키는 동시에 콘크리트의 역학적 성질 저하를 최소화 시킬 수 있는 최적 혼입비율을 이론적 및 실험적 결과를 토대로 산출한다. <비정질 섬유 및 혼화재를 이용한 중성자 차폐용 콘크리트의 개발> - 고붕소 비정질 강섬유와 붕소 계열 혼화재료를 혼입하여 기존 차폐용 콘크리트 대비 차폐성능 1.2배 이상 향상을 실현한다. |
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| 색인어 | 한글 | 비정질 강섬유 | 차폐용 콘크리트 | 섬유보강콘크리트 | 붕소 | 중성자 |
| 영문 | Amorphous Steel Fiber | Shielding Concrete | Fiber Reinforced Concrete | Boron | Neutron | |
| 최종보고서 | 국토부_최종보고서_최종.pdf 국토부_최종보고서_표지.pdf | |||||