경수로 구조재 내 불순물 조성 및 함량이 중성자 방사화 핵종 재고량에미치는 영향 분석

차길용,김순영,이재민,김용수 한국방사성폐기물학회 2016 방사성폐기물학회지 Vol.14 No.2

경수로 원전을 대상으로 원전 내 방사화 대상 물질인 스테인리스강, 탄소강 및 콘크리트의 불순물 정보 적용여부에 따른 방사화 핵종 재고량을 계산하였다. 본 연구에서 탄소강은 압력용기 물질에 사용되었고, 스테인리스강은 압력용기 내부 물질에사용되었으며, 일반 콘크리트가 생체 차폐체에 사용되었다. 금속 물질에 대해서는 참고자료 1개의 불순물 함량 정보를 적용하였고, 콘크리트 물질에서는 참고자료 5개의 불순물 함량 정보를 적용하여 평가를 수행하였다. 방사화 핵종 재고량 전산해석 시 중성자속 계산에는 MCNP 전산코드를, 방사화 계산에는 FISPACT 전산코드를 각각 사용하였다. 계산 결과, 금속 물질에서 불순물을 포함한 경우가 그렇지 않은 경우보다 비방사능이 2배 이상 높았으며, 특히 콘크리트에서는 불순물을 포함한경우가 그렇지 않은 경우보다 최대 30배 이상 비방사능이 높게 계산되었다. 방사화 핵종의 생성반응과 재고량을 분석한 결과, 금속 구조물에서는 불순물 중 Co원소와 중성자에 의해 생성되는 방사화 핵종인 Co-60이, 콘크리트에서는 불순물 중 Co, Eu 원소와 중성자에 의해 생성되는 방사화 핵종인Co-60, Eu-152, Eu-154 이 방사성폐기물 준위 결정에 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 원전 해체 계획 수립 시 방사화 핵종 재고량 평가 및 규제에 활용될 수 있을 뿐 아니라, 해체를 고려한 원전 또는 원자력시설의 설계 단계에서도 참고자료로 활용 될 것으로 판단된다. The neutron activation inventories in reactor vessel and its internals, and bio-shield of a PWR nuclear power plant were calculated to evaluate the effect of impurity elements contained in the structural materials on the activation inventory. Carbon steel is, in this work, used as the reactor vessel material, stainless steel as the reactor vessel internals, and ordinary concrete as the bio-shield. For stainless steel and carbon steel, one kind of impurity concentration was employed, and for ordinary concrete five kinds were employed in this study using MCNP5 and FISPACT for the calculation of neutron flux and activation inventory, respectively. As the results, specific activities for the cases with impurity elements were calculated to be more than twice than those for the cases without impurity elements in stainless and carbon steel. Especially, the specific activity for the concrete material with impurity elements was calculated to be 30 times higher than that without impurity. Neutron induced reactions and activation inventories in each material were also investigated, and it is noted that major radioactive nuclide in steel material is Co-60 from cobalt impurity element, and, in concrete material, Co-60 and Eu-152 from cobalt and europium impurity elements, respectively. The results of this study can be used for nuclear decommissioning plan during activation inventory assessment and regulation, and it is expected to be used as a reference in the design phase of nuclear power plant, considering the decommissioning of nuclear power plants or nuclear facilities.

PET 사이클로트론 가동에 따른 콘크리트 차폐벽의 방사화

장동근(Donggun Jang),이동연(Dongyeon Lee),김정훈(Junghoon Kim) 한국방사선학회 2017 한국방사선학회 논문지 Vol.11 No.5

사이클로트론은 양자 또는 중양자를 가속하는 장치로써 의료장비인 양전자방출촬영장치(PET)에 이용 되는 단반감기의 방사성의약품을 생산하는 시설로 이용되고 있다. 사이클로트론에서 방사성의약품을 생산하기 위해선 가속된 양성자와 타켓과의 핵반응이 필요하며 반응 후 불필요한 중성자가 발생하게 된다. 이에 본 연구에서는 사이클로트론에서 발생되는 양성자와 중성자가 콘크리트 차폐벽과 충돌하여 발생되는 방사화에 대해 알아보고자 하였다. 실험은 몬테카를로 모의 모사의 한 종류인 FLUKA를 통해 방사화된 방사성동위원소를 추적하였으며, 콘크리트 차폐벽의 물성은 ppm 단위의 미량의 불순물이 포함된 물성과 불순물이 포함되지 않은 물성을 이용하여 비교 분석하였다. 발생된 방사화 핵종은 RESRAD-Build를 통해 인체에 미치는 피폭선량율 기준으로 비교분석하였으며, 실험결과 불순물이 포함된 콘크리트 물성에서는 총 14개의 방사성동위원소가 생산되었으며, 인체에 미치는 피폭선량을 기준으로 분석 하였을 때, 60 Co(72.50%), 134 Cs(16.75%), 54 Mn(5.60%), 152 Eu(4.08%), 154 Eu(1.07%)이 전체 선량의 99.9%를 차지하였으며, 피폭의 위험도는 60 Co 핵종이 가장 높게 나타났다. 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 총 5개 의 핵종이 나타났으며, 그 중 54 Mn이 피폭선량의 99.9%를 차지하는 것으로 나타났다. 양성자의 유도 핵반응에 따라 불순물이 아닌 56 Fe에서 방사화 과정을 통해 Cobalt가 발생될 가능성이 있으나 콘크리트벽에 도달하는 양성자의 개수가 작아 방사화를 일으키지 못하였다. 불순물의 포함 여부에 따른 피폭선량의 비교 결과 불순물이 포함된 경우가 그렇지 않은 경우 보다 약 98% 높게 나타나 ppm 단위의 미량의 불순물이 방사화의 주요인임을 알 수 있었다. Cyclotron is a device that accelerates positrons or neutrons, and is used as a facility for making radioactive drugs having short half-lives. Such radioactive drugs are used for positron emission tomography (PET), which is a medical apparatus. In order to make radioactive drugs from a cyclotron, a nuclear reaction must occur between accelerated positrons and a target. After the reaction, unncessary neutrons are produced. In the present study, radioactivation generated from the collisions between the concrete shielding wall and the positrons and neutrons produced from the cyclotron is investigated. We tracked radioactivated radioactive isotopes by conducting experiments using FLUKA, a type of Monte Carlo simulation. The properties of the concrete shielding wall were comparatively analyzed using materials containing impurities at ppm level and materials that do not contain impurities. The generated radioactivated nuclear species were comparatively analyzed based on the exposure dose affecting human body as a criterion, through RESRAD-Build. The results of experiments showed that the material containing impurities produced a total of 14 radioactive isotopes, and 60 Co(72.50%), 134 Cs(16.75%), 54 Mn(5.60%), 152 Eu(4.08%), 154 Eu(1.07%) accounted for 99.9% of the total dose according to the analysis having the exposure dose affecting human body as criterion. The 60 Co nuclear species showed the greatest risk of radiation exposure. The material that did not contain impurities produced a total of five nuclear species. Among the five nuclear species, 54Mn accounted for 99.9% of the exposure dose. There is a possibility that Cobalt can be generated by inducive nuclear reaction of positrons through the radioactivation process of 56 Fe instead of impurities. However, there was no radioactivation because only few positrons reached the concrete wall. The results of comparative analysis on exposure dose with respect to the presence of impurities indicated that the presence of impurities caused approximately 98% higher exposure dose. From this result, the main cause of radioactivation was identified as the small ppm-level amount of impurities.

불순물 분리 분석법을 이용한 고순도 구리 불순물 정량 연구

정형근,서태교,김정현,정의철,김재환,이재국 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.0

IT 산업의 발전으로 반도체 디바이스가 고직접화가 되고 있다. 이에 따라 반도체용 원료 소재로 각종 고순도 금속이 요구되고 있다. 그 중 고순도 구리의 경우 PCB 등에 필수적인 소재로서 여기에 존재하는 불순물은 소자의 성능에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 고순도 구리내 존재하는 불순물은 구리 제조 과정에 따라 다르게 나타 날 수 있으며, 그 중에서 폐PCB를 원재료로 사용하여 구리를 제조하는 전해정련 방법은 현재 많은 연구들이 진행되고 있다. 이번 연구에서는 전해정련으로 제조된 구리 제품 내 불순물을 분리 정량하는 방법을 연구하기 위하여 질산란탄공침분리와 전해분리를 이용하여 고순도 구리 내 불순물을 분리 하였고, 분리한 불순물을 정량하는 연구를 진행 하였다.

금속 불순물 오염에 따른 실리콘 기판 및 태양전지 특성의존성 분석

백상훈(Baek, Sang-Hun),이정철(Lee, Jeong-Cheol),조준식(Cho, Jun-Sik),왕진석(Wang, Jin-Seok),송진수(Song, Jin-Soo) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

결정질실리콘 태양전지를 제조함에 있어 실리콘 기판 내의 금속 불순물들은 소자제작 시에 성능 저하의 원인으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 실리콘 기판에 Cr, Cu, Ni 불순물을 강제 오염시킨 후 태양전지를 제작하여 각각의 불순물에 대한 특성을 조사 하였다. p-type 실리콘 기판을 오염시키기 위해 일정 시간동안 표준용액에 담근 후 질소 분위기에서 열처리 하여 불순물을 확산시켰다. 이후 상용 공정을 이용하여 태양전지를 제작하고 기판내 금속불순물 농도에 따른 태양전지의 동작특성을 분석하였다.

이차이온 질량분석기를 이용한 탄탈 박막내의 불순물 분석

임재원,배준우,Minoru Isshiki 한국진공학회 2004 Applied Science and Convergence Technology Vol.13 No.1

본 논문은 탄탈 박막의 증착시 음의 기판 바이어스에 의한 탄탈 박막내의 불순물 농도변화에 대해서 고찰하였다. 탄탈 박막은 실리콘 기판 위에 이온빔 증착장비를 이용하여 기판 바이어스를 걸지 않은 경우와 -125 V의 기판 바이어스를 건 상태에서 증착하였다. 탄탈 박막내의 불순물 농도를 관찰하기 위해서 이차이온 질량분석기(secondary ion mass spectrometry)를 이용하였다. 세슘 클러스터 이온에 의한 깊이분석에서, -125 V의 기판 바이어스를 걸어줌으로써 산소, 탄소, 그리고 실리콘 불순물의 농도가 기판 바이어스를 걸지 않은 경우에 비해 상당히 감소한 것을 알 수 있었다. 또한, 세슘 이온빔과 산소 이온빔을 이용한 전체 불순물의 농도분포에서도, 음의 기판 바이어스가 박막 증착시 각각의 불순물 농도에 영향을 준다는 결과를 얻었고 이에 대한 고찰을 하였다. Ta films were deposited on Si (100) substrates at zero substrate bias voltage and a substrate bias voltage of -125 V ($V_{s}$ = -125 V) using a non-mass separated ion beam deposition system. To investigate the effect of the negative substrate bias voltage on the impurity concentration in the Ta films, secondary ion mass spectrometry (SIMS) was used to determine impurities in the Ta films. By the SIMS depth profiles with $Cs^{+}$ cluster ion beam, high intensities of O, C and Si were clearly found in the Ta film at $V_{s}$ = 0 V, whereas these impurities remarkably decreased in the Ta film at $V_{s}$ = -125 V. Furthermore, from the SIMS result with $Cs^{+}$ and $O_2^{+}$ ion beams, it was found that applying the negative substrate bias voltage could affect individual impurity contents in the Ta films during the deposition. Discussions concerning the effect of the negative substrate bias voltage on the impurity concentration of Ta films will be described in details.

CO₂ 파이프라인 수송에서의 N₂ 불순물이 압력강하에 미치는 영향에 대한 실험적 연구

조맹익,허철,정정열,백종화,강성길,Cho, Meang-Ik,Huh, Cheol,Jung, Jung-Yeul,Baek, Jong-Hwa,Kang, Seong-Gil 한국해양환경•에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회지 Vol.15 No.2

Carbon-dioxide capture and storage (CCS) process is consisted by capturing carbon-dioxide from large point source such as power plant and steel works, transporting and sequestrating captured $CO_2$ in a stable geological structure. During CCS process, it is inevitable of introducing impurities from combustion, capture and purification process into $CO_2$ stream. Impurities such as $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$, can influence on process efficiency, capital expenditure, operation expense of CCS process. In this study, experimental apparatus is built to simulate the behavior of $CO_2$ transport under various impurity composition and process pressure condition. With this apparatus, $N_2$ impurity effect on $CO_2$ mixture transportation was experimentally evaluated. The result showed that as $N_2$ ratio increased pressure drop per mass flow and specific volume of $CO_2-N_2$ mixture also increased. In 120 and 100 bar condition the mixture was in single phase supercritical condition, and as $N_2$ ratio increased gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow did not change largely compared to low pressure condition. In 70 bar condition the mixture phase changed from single phase liquid to single phase vapor through liquid-vapor two phase region, and it showed that the gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow varied in each phase. 이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture and Storage, CCS)은 발전소, 제철소 등의 대량의 배출원으로부터 포집된 이산화탄소를 압축공정, 정제공정, 수송공정을 거친 후, 지중의 안전한 지질구조 내에 수백, 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. CCS 공정 중 이산화탄소에는 이산화탄소를 발생시키는 연소공정이나 포집 경제되는 공정에서 유입되는 불순물이 섞임으로서 혼합물을 이루게 된다. 혼합물의 성분으로는 대표적으로 $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$ 등이 있으며 위 공정들에서 이산화탄소 혼합물에 포함된 불순물들은 전 공정에 영향을 미치게 된다. 본연구에서는 이산화탄소 혼합물 내 다양한 불순물이 수송공정에 미치는 영향을 실험적으로 평가할 수 있도록 혼합물이송공정 모의실험장치를 설계 제작하였으며 이산화탄소 혼합물의 이송공정에 질소불순물이 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 각 실험조건 마다 증가율의 차이는 있으나 $N_2$비율이 증가할수록 $CO_2-N_2$ 혼합물의 질량유량당 압력강하량 및 비체적이 증가하는 경향을 보였다. 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 혼합물의 상태가 단상 초임계상태이었으며 $N_2$ 조성비 증가에 따른 비체적 및 질량유량당 압력강하 기울기가 크게 변하지 않음을 확인하였다. 70 bar 실험조건에서는 액상, 이상, 기상으로 혼합물의 상이 바뀌었으며 각 상에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 달라짐을 확인하였다.

저급원유로부터 초임계공정을 통한 불순물 제거공정 기술 개발

조완택,지성화,( Marcel Jonathan Hidajat ),김현효 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

최근 가채매장량이 풍부하고 저가인 저급원유(고산도원유, 초중질원유, 셰일오일)에 포함된 다양한 종류의 불순물(납센산, 납센산칼슘, 무기물, 아스팔텐, 유기중금속, 황)을 제거하여 고품위화 하려는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 저급 원유에 포함된 불순물을 제거하기 위해 초임계 공정을 이용한 공정 기술 개발을 진행하였다. 초임계는 임계점 이상의 온도와 압력인 상태를 뜻하며, 초임계 조건에서는 낮은 유전율, 낮은 점도, 높은 확산도, 고활성 수소 발생 및 라디칼 형성이 가능하다. 초임계 공정을 통해 저급원유에 포함되어 있는 불순물을 제거하기 위해 반응 압력과 온도를 변화 시켜 실험 하였다. 실험을 통해 제조된 시료는 EA, ICP, 아스팔텐 분석을 통해 불순물 함량 변화를 알아보았다. ^** 본 연구는 2015년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No.20152010103120).

SIMS와 GDMS를 이용한 구리와 탄탈 박막내의 주요불순물 분석

임재원,Minoru Isshiki 한국진공학회 2004 Applied Science and Convergence Technology Vol.13 No.2

본 논문은 구리와 탄탈 박막내에 불순물로써 함유되기 쉬운 수소와 탄소, 그리고 산소 원소에 대해 이차이온 질량분석기(secondary ion mass spectrometry)와 글로우방전 질량분석기(glow discharge mass spectrometry)를 이용하여 분석하였고, 이들의 분석결과에 대해서 고찰하였다. 구리와 탄탈 박막은 실리콘 기판 위에 비질량 분리형 이온빔 증착장비를 이용하여 기판 바이어스를 걸지 않은 경우와 -50 V(구리 박막) 또는 -125 V(탄탈 박막)의 기판바이어스를 걸은 상태에서 증착하였다. 세슘 이온빔을 이용하여 분석한 SIMS 결과에서, 기판 바이어스를 걸지 않은 경우, 상당히 많은 피크들이 강하게 관찰되었는데 이는 위의 주요불순물들의 결합에 의한 상태로 검출된 것으로 이들 주요불순물들의 조합에 의해 가능한 질량번호를 산출하여 SIMS 결과의 모든 피크들을 해석할 수 있었다. 또한, 박막 내의 주요불순물들의 정량적인 GDMS 분석에 의해 SIMS 결과와의 일치성을 확인할 수 있었다. Secondary ion mass spectrometry(SIMS) and glow discharge mass spectrometry(GDMS) were used to determine the impurity concentrations of hydrogen, carbon, and oxygen elements in the Cu and Ta films, and the results of SIMS and GDMS analysis were carefully considered. The Cu and Ta films were deposited on Si (100) substrates at zero substrate bias voltage and a substrate bias voltage of -50 V(Cu films) or -125 V(Ta films) using a non-mass separated ion beam deposition method. As a result of SIMS with Cs+ ion beam, in the case of the Cu and Ta films deposited without the substrate bias voltage, many strong peaks were observed, which is considered to be detected as a the cluster state such as CxHx, OxHx, CxOxHx. All the peaks of SIMS results could be interpreted by the combination of these dominant impurities. Moreover, it was confirmed that the quantitative results of GDMS analysis were accordant to the SIMS results.

β-Ga2O3 단결정 내에 첨가된 Gd3+ 상자성 불순물 이온에 대한 전자 자기 공명

오청식,염태호 한국물리학회 2018 새물리 Vol.68 No.5

A single-domain $\beta$-Ga$_2$O$_3$ single crystal doped with the Gd$^{3+}$ ions was grown in an O$_2$ atmosphere by using a floating zone method. Electron magnetic resonance (EMR) spectra of the Gd$^{3+}$ impurity ions were recorded using an X-band EMR spectrometer at room temperature. From the analysis of the rotation patterns of the Gd$^{3+}$ ions in the crystallographic planes, the spectroscopic splitting tensor g and the zero-field splitting parameters $B_k^q$'s were determined using an effective spin Hamiltonian. The Gd$^{3+}$ impurity ions replace the Ga$^{3+}$ ions in the oxygen octahedron rather than in the oxygen tetrahedron. The actual local site symmetry of the Gd$^{3+}$ impurity ion substituting at the Ga$^{3+}$ site is unequivocally monoclinic. The energy levels of the ground state for Gd$^{3+}$ ions embedded in $\beta$-Ga$_2$O$_3$ crystals were calculated. 부유대 용융법을 사용하여 산소 분위기에서 Gd$^{3+}$ 상자성 불순물을 첨가시킨 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 단결정을 성장시켰다. X-밴드 전자 자기 공명 장치를 사용하여 상온에서 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 단결정 내 불순물인 Gd$^{3+}$ 상자성 이온에 대하여 전자 자기 공명 스펙트럼을 얻었다. 결정 평면에서 얻은 상자성 공명 스펙트럼을 유효 스핀 해밀토니안을 사용하여 분석함으로써 분광학적 분리 인자 g-텐서와 영 자기장 갈라지기 상수인 $B_k^q$를 얻었다. 그리고 결정성장 시 첨가시킨 상자성 불순물인 Gd$^{3+}$ 이온은 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 단결정 내의 산소 팔면체로 둘러싸인 Ga$^{3+}$ 이온을 치환하고 들어가는 것을 알 수 있었다. 또한 Ga$^{3+}$ 이온을 치환하고 들어간 Gd$^{3+}$ 이온은 약간 찌그러진 산소 팔면체 내에 있게 되는데 이 Gd$^{3+}$ 이온의 국소 대칭성은 단사정계로 나타났다. 치환하고 들어간 Gd$^{3+}$ 불순물 이온의 바닥 상태 에너지 준위도 또한 계산하였다.

합성 다이아몬드의 불순물 특성분석

정정인,김희수,김종헌 공주대학교 과학교육연구소 2004 과학교육연구 Vol.35 No.-

합성 다이아몬드는 일반적으로 색을 띠고 있는데, 그것은 질소, 붕소 등의 불순물의 혼입에 의한 것이다. 합성 다이아몬드 내의 불순물의 결함은 다이아몬드의 물리적 특성에 영향을 미친다. 이러한 물리적 특성을 제어하기 위해서는 CVD방법 및 고온·고압에서 합성한 다이아몬드에 혼입되는 불순물의 구조나 기능을 해명하여 제어기술을 개발하는 것이다. 이것은 차세대 초경질 물질의 개발에 있어 중요하며, 고체물리, 지구과학의 발전에도 기여할 것이다. Synthetic diamonds have specific colors characterized by impurities incorporated in diamonds and such impurities include nitrogen, boron, nickel and so on. Physical properties such as thermal conductivity are determined by degree of defects of impurities in synthetic diamonds. The physical properties could be controlled by incorporation techniques of impurities in a diamond synthesised at high pressure or by CVD method, which could be developed by studying structures and functions of each impurities. These research could lead to the development of super hard materials of next generation and contribute to sold physics and earth science.