고분자의 중성자 열화에 의한 전기안전 특성 평가에 관한 연구 = A Study on the Evaluation of Electrical Safety Characteristics by Neutron Degradation of Polymers

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 핵융합 장치（KSTAR）에서 발생하는 실제 저선량 중성자 환경이 대표적인 고분자 절연재료인 실리콘 고무（Silicone rubber）, 폴리염화비닐（PVC） 및 폴리에틸렌（PE）의 전기적 안전성에 미치는 영향을 종합적으로 분석하였다. 금번 연구에서는 KSTAR 핵융합 장치에서 약 13.8 Gy의 저선량 중성자를 조사한 고분자 시료와 미조사 시료와의 교류 체적저항률（volume resistivity）을 다양한 온도（실리콘 고무 : 40, 60, 80, 100, 120, 140℃, 폴리에틸렌 : 30, 45, 55, 65, 75, 85 ℃, 폴 리염화비닐 : 30, 40, 55, 60, 65℃）와 주파수 조건（0.1, 0.3, 1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000 kHz）에서 비교 측정하였다. 세 재료 모두 온도 증가 에 따라 감소하는 경향을 보였으며, PVC는 온도와 주파수 의존성이 가 장 크게 나타났고, 폴리에틸렌의 경우 전반적인 체적저항률이 10배 가 량 감소하는 경향을 보였다. 또한 재료 내부의 구조적 변화를 확인하기 위해서 SEM, FTIR, XRD, DSC 및 TGA 분석을 함께 수행하여, 표면 형상 변화, 화학 결합 변화, 결정성 변화, 열적 안정성과 열분해 특성을 평가 하였다. 실험 결과, 모든 재료에서 흡수선량이 비교적 낮았기 때문에 급격한 열화는 관찰되지 않았지만, SEM 측정에서 폴리염화비닐과 폴리에틸렌에서 미세한 표면 변화가 관찰되었고, XRD측정에서 실리콘 고무의 회절신호 피크가 관찰 되었으며, DSC 측정에서 폴리염화비닐의 경우 고온영역에서 급격한 열유량 변화를 보이는 등 체적저항률 변화와 일정한 상관관계를 보였다. 따라서 초기 중성자 열화는 폴리에틸렌과 폴리염화비닐에서 거시적인 물성 변화보다 전기적 특성 변화와 국부적인 손상이 먼저 나타날 가능성이 있음을 확인하였다. 본 연구의 가장 큰 의의는 실제 핵융합 장치에서 발생한 저선량 중성자를 이용하여 여러 종류의 절연재료를 동일한 조건에서 비교 평가 하여 안전성을 확인하였다는 점이다. 또한 전기적 특성 평가와 물성 특성 분석을 통합적으로 수행함으로써 초기 열화 메커니즘을 규명하려는 새로운 접근을 제시하였다. 연구 결과는 향후 핵융합 발전소와 원자력 시설에서 사용되는 절연재료의 선정, 설비 수명예측, 예방정비 및 방 사선 안전관리 기준 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 3
• Ⅱ. 관계 이론 5
• 1. 고분자 화합물의 특징 5
• 1） 폴리염화비닐 5
• 2） 실리콘 고무 7
• 3） 폴리에틸렌 8
• 2. 온도에 따른 체적저항률의 특징 11
• 1） 폴리염화비닐 11
• 2） 실리콘 고무 12
• 3） 폴리에틸렌 12
• 3. 방사선 13
• 1） 원자의 구조 13
• 2） 중성자 14
• 3） 감마선 20
• 4） X-선 21
• 4. 방사선의 측정 24
• 1） 전자기파 방사선의 측정원리 24
• 2） 중성자선의 측정원리 25
• 5. 방사선의 흡수선량 27
• 1） 정의 27
• 2） 흡수선량의 특징 27
• 3） 흡수선량의 계산 34
• 6. 통계적 신뢰성 분석 39
• Ⅲ. 시료 및 실험방법 42
• 1. 시료 42
• 2. 중성자 조사 43
• 3. 체적저항 측정 44
• 1） 측정 장비 48
• 2） 측정 조건 45
• 4. 물성 측정 47
• 1） SEM 측정 47
• 2） FTIR 측정 48
• 3） XRD 측정 50
• 4） DSC 측정 52
• 5） TGA 측정 54
• Ⅳ. 결과 및 검토 56
• 1. 중성자 조사 56
• 2. 체적저항률 73
• 1） 시험결과 58
• 2） 체적저항률 분석 74
• 3. 물성 측정 결과 및 분석 77
• 1） SEM 결과 및 분석 77
• 2） FTIR 결과 및 분석 83
• 3） XRD 결과 및 분석 88
• 4） DSC 결과 및 분석 93
• 5） TGA 결과 및 분석 99
• 6） 종합 검토 104
• Ⅴ. 결론 107
• 참고문헌 110
• Abstract 117
• 감사의 글 119