Analysis of Radiation Shielding Effect of Soft Magnetic Material applied to Military Facility

경량 연자성 소재의 군 시설물 적용 시 방사선 차폐효과 분석

Abstract

The purpose of this research is to analyze the radiation shielding effect of soft magnetic material to confirm the applicability to the military facilities. The soft magnetic material is known to be effective in shielding EMP. If this material is also effective in radiation shielding, it is expected that it has a lot of applicability in military protection. In particular, this material contains boron, so it will be effective in shielding neutrons. In this research, experiments were conducted using Cs-137 and Co-60 sources to check the gamma ray shielding effect. In addition, the Monte Carlo N-Particle(MCNP) modeling was applied to evaluate the gamma ray and neutron shielding effect of a military command tent. As a result, as the soft magnetic thickness increased, the shielding performance improved according the linear attenuation law of gamma ray and neutron. Therefore, this research verified that the application of soft magnetic material for military purposes in radiation shielding would be effective.

본 연구의 목적은 경량 연자성 소재의 방사선 차폐 효과를 분석하여 군사시설에 대한 적용 가능성을 확인하는 것이다. 연자성 물질은 EMP 차폐에 효과적인 것으로 알려져 있다. 이 물질이 방사선 차폐에도 효과적이라면 군 방호에 효과적으로 적용이 가능할 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 감마선 차폐 효과를 확인하기 위해 Cs-137 및 Co-60 선원을 사용하여 실험을 수행하였으며, 중성자 차폐 효과를 평가하기 위해 Monte Carlo N-Particle (MCNP) 모델링을 적용하였다. 그 결과 연자성 소재의 두께가 증가함에 따라 감마선과 중성자의 선형 감쇠 법칙에 의한 차폐성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 따라서 연자성 소재를 군사용 구조물 등에 적용할 경우에 방사선 차폐에 효과적이라는 것을 확인하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

핵무기 효과에는 폭풍파, 열복사선, 초기 및 잔류 방사선, EMP(Electromagnetic Pulse) 등이 있다. 핵무기로부터 발생되는 에너지 중 14% 정도가 방사선에 의한 것이고, 1%는 EMP에 의한 것이다^[1]. EMP는 핵폭발에 의해 생기는 전자기 충격파로 초기 방사선이 대기 중 분자의 외곽전자를 산란시키면서 발생한다^[2]. EMP는 상대적으로 적은 에너지를 갖지만 광범위한 지역에 군사용 핵심장비에 심대한 피해를 줄 수 있기 때문에 EMP 방호에 많은 국방예산을 투자하고 있다. 또한 핵무기에 의한 방사선도 장기간 동안 외부 및 내부 인체피폭을 유발하여 원활한 군사작전을 제한하기 때문에 이에 대한 방호도 요구된다^[3].

경량 연자성 소재는 높은 자기 포화도와 낮은 보자력을 갖기 때문에 전자기파 차폐에 효과적인 것으로 알려져 있다^[4]. 이에 따라 산업분야에서 그 필요성이 증대되고 있으며 아울러 군사적 활용에 대해서도 검토되고 있다. 특히 EMP 및 전파방해에 대한 차폐 목적으로 군사용 지휘소 및 장비 등에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

이처럼 EMP 방호를 위해서 경량 연자성 복합소재를 사용할 경우 EMP 방호뿐만 아니라 방사선에 대한 일부 차폐성능을 제공할 것으로 기대된다.

이에 본 연구에서는 경량 연자성 복합소재의 방사선 차폐효과를 분석하여 군사적 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 두께가 각기 다른 시험체들을 제작하여 방사선 차폐 실험을 진행하였다. 아울러 실험을 통해 얻어낸 방사능 차폐성능에 대한 물성치를 바탕으로 몬테칼로 모델링을 실시하여 군사용 지휘소의 방사능 차폐효과를 평가하고 군사적 효용성을 규명하였다.

경량 연자성 복합소재는 EMP 차폐소재로서 군사적 용도로 활용될 가능성이 높다. 그리고 앞서 설명하였듯이 핵무기에 의한 EMP는 방사선을 동반하기 때문에 EMP 차폐소재가 방사선 차폐까지 된다면 방호 측면에서 효과적이라고 할 수 있다.

연자성 복합소재의 방사선 차폐 정도를 확인하기 위하여 감마선원인 Co-60, Cs-137 동위원소를 사용하여 감마선 차폐 실험을 진행하였다. 또한 이 소재에는 보론이 함유되어 있어 중성자 차폐에 효과적일 것으로 판단된다. 이에 연자성 복합소재의 두께별 중성자 차폐 정도는 M&S(Moldeing and Simulation)를 통해 확인하였다.

시험체의 방사선 차폐에 대한 실험값과 모델링 값을 정확하게 비교하기 위하여 방사선 측정기의 DRF(Detector Response Function)을 구현하였다. 시험체에 대한 모델링이 검증된 이후에는 군사용 구조물을 실제 크기에 맞게 모델링하여 군사적 적용 가능성도 평가하였다.

Ⅱ. RADIATION SHIELDING EXPERIMENTAL RESULTS

1. 감마선 차폐 이론 및 적용

비정질 연자성 합금의 감마선 차폐는 이론적으로 선형감쇠 법칙 (Linear attenuation law)을 따른다^[5]. 선형감쇠 법칙은 단일 에너지의 감마선이 차폐재를 투과하면서 줄어드는 정도를 Eq. (1)를 이용하여 계산할 수 있다.

Eq. (1)의 수학적 의미는 다음과 같다. 차폐재에 I₀의 세기의 방사선이 입사한다고 가정할 때, 이 차폐재를 투과한 후의 감마선의 강도는 I가 된다. 이때 x는 차폐재의 두께이며, μ는 선형감쇠계수로 감마선이 물질 내의 단위 길이당 반응할 확률을 나타낸다^[5].

\(I=I_{0} e^{-\mu x}\)       (1)

I : 차폐재를 투과한 후의 감마선 강도(counts)

I₀ : 초기 방사선 강도 (counts)

μ : 감마선 선형감쇠상수 (cm^-1)

χ : 차폐재의 두께 (cm)

그런데 혼합물일 경우에는 선형감쇠계수보다 Eq. (2)와 같이 밀도 값이 포함된 질량감쇠계수를 적용해야 정확한 계산이 가능하다. 혼합물의 질량 감쇠계수는 Eq. (3)에서와 같이 각각의 물질의 질량 감쇠계수에 질량비를 곱하여 총합하여 계산한다.

\(I=I_{0} e^{-(\mu / \rho) x \rho} \quad\left[\text { 질량감쇠상수 }=\frac{\mu}{\rho}\right]\)       (2)

\(\frac{\mu}{\rho}=\sum_{i} w_{i}\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{i}\)       (3)

\( w_{i}\) = 혼합물 내 임의의 물질 i의 질량비

중성자 차폐도 Eq. (4)에서와 같이 선형감쇠 법칙 (Linear attenuation law)을 따른다. 이때 혼합물의 총중성자 선형감쇠계수는 Eq. (5)를 이용하여 얻을 수 있다^[6].

\(I=I_{0} e^{-\Sigma_{t} x}\)       (4)

\(\Sigma_{t}=\sum_{i} \Sigma_{i}\)       (5)

\(\Sigma_{t}\) : 총 중성자 선형감쇠계수 (cm^-1)

\(\Sigma_{i}\) : 혼합물 내 임의의 물질 i의 중성자 선형감쇠계수 (cm^-1)

이번 연구에서는 연자성 복합소재의 차폐 효과를 분석하기 때문에 감마선 및 중성자의 질량감쇠 계수를 소재 내 포함된 각 물질의 원소비를 Eq. (3)과 Eq. (5)에 적용하여 계산하였다.

2. 시험체 물성치 및 특성

비정질 연자성 복합소재는 비정질(amorphous) 및 나노결정질(nano-crystalline) 기반 복합소재로 얇고 유연하여 가공이 용이하다. 그리고 80dB(~18GHz) 대역의 전자기파에 대한 차폐가 가능하다는 장점이 있다.

본 소재의 원소 구성비는 철 78%, 실리콘 9%, 보론 13% 등이 함유되어 있으며 밀도는 7.19 g/cm3이다. 시험체 한 장의 두께를 20㎛로 제작할 수 있기 때문에 현장 재단이 가능하여 시공이 용이하고 질김(인성) 특성이 우수하여 블라인드 형태의 창이나 롤러블 출입문뿐만 아니라 바닥재로도 사용이 가능하다는 특징이 있다. 또한 현장 재단을 통해 덧붙임이 가능하기 때문에 여러장 겹쳐 시공하거나 보수가 용이하다는 장점이 있으며, 가연성 소재를 사용하지 않아 화재의 위험성이 적다.

3. 실험 방법

방사선 차폐 실험을 위해 시험체의 두께를 0.02cm, 0.04cm, 0.08cm, 0.16cm, 0.32cm, 0.64cm, 1.28cm, 1.92cm 등 8가지 샘플로 제작하였다. 이처럼 각기 다른 두께의 시험체에 대하여 감마선 차폐 실험을 진행하였다.

감마선원에는 0.25μCi 강도의 Cs-137와 1μCi 강도의 Co-60이 사용되었다. Cs-137이 방출하는 감마선의 에너지는 661.7keV로 핵무기 효과에 의한 낙진의 감마선 에너지와 유사하다^[1]. 또한 Co-60는 1173.2keV과 1332.5keV 에너지의 감마선을 방출하기 때문에 고에너지 차폐에 대한 효과도 확인할 수 있겠다.

감마 스펙트럼 측정을 위해 NaI(Sodium Iodine) 크리스탈이 사용된 섬광 검출기를 활용하였다. 그리고 다중채널분석기의 (Multi Channel Analyzer, MCA) 채널수는 1,024개로 최대 2,500keV의 에너지를 측정할 수 있도록 설정하였다.

실험간 선원에서 검출기까지 떨어진 거리는 6.5cm로 유지하였고, 선원과 검출기 사이에 8개의 두께가 다른 시험체들을 번갈아 가며 놓은 상태에서 감마선 스펙트럼을 5분간 측정하였다.

4. 실험 결과

Fig. 1과 2는 비정질 연자성 복합소재 시험체의 두께별 감마선 에너지 스펙트럼의 예(두께 0.16cm) 를 보여준다. 그리고 Table 1은 복합소재의 두께별 감마선 에너지의 측정치(Counts) 값을 보여준다. 실험결과에서 보듯이 복합소재의 두께가 증가할수록 선형감쇠법칙에 따라 방사선의 선량이 감소함을 확인할 수 있었다.

Fig. 1. Cs-137 Spectra for Soft Magnetic Composite Material samples (Thickness 0.16cm).

Fig. 2. Co-60 Spectra for Soft Magnetic Composite Material samples (Thickness 0.16cm).

Table 1. Counts on Gamma Energy Peak

감마선원(Cs-137, Co-60)과 NaI 검출기 사이의 이격 거리 및 복합소재 시험체 배치 등을 고려한 실험조건에 맞는 선형감쇠법칙은 Eq. (6)와 같다.

\(I=I_{0} e^{-\left(\mu_{1} x_{1}+\mu_{2} x_{2}\right)}\)       (6)

x₁ = 복합소재의 두께,

µ₂ = 복합소재의 선형감쇠 상수,

x₂ = 선원과 측정기간 빈공간의 거리,

µ₂ = 공기의 선형감쇠 상수

실험에서 얻은 결과 값을 이용하여 복합소재의 선형감쇠계수를 계산하기 위한 Eq. (7)를 Eq. (6)로부터 유도할 수 있다.

\(\mu_{1}=\left[\ln \left(\frac{I_{0}}{I}\right)-\mu_{2} x_{x}\right] / x_{1}\)       (7)

Ⅲ. NUMERICAL ANALYSIS

1. 모델링 최적화

몬테칼로 확률기법이 적용된 MCNP 프로그램은 알파선, 베타선, 감마선, 중성자 등과 같은 방사선의 반응을 모사할 수 있다^[7]. 본 연구에서는 MCNP6 프로그램 사용하여 연자성 복합소재의 감마선 차폐 효과를 확인하고 선형 감쇠 계수를 계산하였다.

우선 시험체에 대한 모델링은 실험과 동일한 두께와 조건을 모사하였다. 감마선원은 원통형의 Cs-137, Co-60 선원 두 가지를 적용하였다. 감마선은 복합소재와 반응하여 차폐되고 반응하지 않은 감마선은 투과하여 검출기에 의해 측정된다.

모델링에 적용한 검출기는 실험 조건과 동일하게 NaI 검출기로 설정되었고 F8 tally를 사용하여 감마스펙트럼을 기록하도록 하였다^[7]. 그런데 모든 검출기는 고유의 DRF가 있다. 특히 검출기는 에너지별로 고유의 에너지 분해능(Energy resolution)을 가지고 있다. 이상적으로는 검출기에서 측정한 에너지 값이 매우 날카로운 델타함수 형태이어야 하나, 실제로는 Eq. (8)과 같이 유한한 폭을 가진 가우스함수 형태의 봉우리가 된다^[8].

\(f(E)=C e^{-2 \sqrt{\ln 2}\left(\frac{E-E_{0}}{F W H M}\right)^{2}}\)       (8)

MCNP 모델링에서도 실제 측정값과 일치하도록 가우스함수 분포의 에너지 분해능을 적용할 수 있는 기능이 있다. 이는 Eq. (9)의 GEB(Gaussian Energy Broadening) 함수를 F8 tally에 적용하여 얻어낼 수 있다^[9].

\(F W H M(E)=a+b \sqrt{E+c E^{2}}\)       (9)

Eq. (9)의 상수 a, b, c를 얻기 위해서 Cs-137, Co-60의 에너지 피크 실험값에 대한 가우스함수에서의 FWHM(Full Width Half Maximum) 값을 얻어야 한다. 이를 위해 Fig. 3과 같이 각 에너지 피크에 대해 가우스함수를 피팅하여 상수 a, b, c를 계산하였다.

Fig. 3. Gamma Energy Peak and Gaussian Fitting.

GEB의 상수 값 a, b, c를 MCNP input에 입력한 후 시험체에 대한 모델링을 하였다. 그리고 오차를 1%이하로 낮추기 위하여 각 모델링 당 10억 개의 경우에 대해서 진행하였다. 그 결과 Fig. 4에서 보는 바와 같이 몬테칼로 모델링에 GEB함수를 적용하여 백그라운드 측정값을 더한 것이 실제 실험값과 가장 유사함을 확인할 수 있었다.

Fig. 4. Comparison of Experimental Spectrum and Monte Carlo Modeling Spectra.

2. 모델링 결과

GEB 및 백그라운드 측정값 등이 포함된 최적화 된 모델링 방법을 바탕으로 실험 및 모델링 결과를 비교하여 보았다. 감마 에너지에 따른 시험체의 두께별 차폐정도를 Fig. 5에서 보는 바와 같이 확인할 수 있었다.

Fig. 5. Relative Counts of Experimental and Monte Carlo Modeling Results by Changing Thickness of Soft Magnetic Composite Material.

실험 및 모델링의 차폐결과를 바탕으로 Eq. (7)을 이용하여 선형감쇠계수를 계산하였다. Table 2에서는 661.7keV, 1173keV, 1332keV 에너지에 대한 실험 및 모델링의 선형감쇠계수를 보여준다. Table 2에서 보는 바와 같이 실험 및 MCNP 수치해석으로부터의 감마 에너지별 선형감쇠계수가 유사한 값을 보였다.

 Table 2. Linear Attenuation Coefficient (cm^-1)

또한 실험 및 MCNP 수치해석 결과에서 시험체의 두께가 증가할수록 일반적으로 감마선에 차폐 효과는 증가함을 확인할 수 있었다.

연자성 복합소재 시험체에는 보론이 13%정도 함유되어 있다. 보론의 열중성자에 대한 선형감쇠계수(흡수 및 산란)는 97.69 cm^-1로 대단히 좋은 중성자 흡수 및 차폐재로 알려져 있다. 따라서 보론은 원자로의 제어봉의 원료가 되기도 하고, 후쿠시마 원전사고시와 같이 원자로에 대한 통제를 상실 하였을 때 물과 섞어 주입하여 원자로를 안정화하는데 사용되기도 하였다^[10].

군사적으로 보론이 함유된 복합소재를 차폐재로 사용하였을 경우 중성자에 대한 차폐성능이 좋을 것으로 기대하여 이에 대한 모델링을 진행하였다. 모델링은 0.025eV의 열중성자 선원을 적용하였고, 차폐재의 두께는 Table 1의 감마선 실험과 동일하게 8개의 경우로 진행하였다. 그 결과 Table 3과 Fig. 6에서 보는 바와 같이 복합소재의 두께가 증가할수록 중성자 차폐성능이 상당히 향상됨을 알 수있었다. 이를 Eq. (4)을 이용하여 계산한 결과 선형 감쇠계수가 8.89 ± 2.61 cm^-1를 보이며, 중성자 차폐에 효과적임을 확인하였다.

Table 3. Relative Neutron Flux of Soft Magnetic Composite Material.

Fig. 6. Relative Neutron Flux of Soft Magnetic Composite Material.

3. 오차분석

실험으로부터 얻은 측정값(Counts)에 대한 오차는 일반적으로 푸아송 분포를 따른다^[5]. 따라서 오차 σ_I는 측정값 I의 제곱근이다. 그리고 몬테칼로 모델링은 오차 σ_I에 대한 값을 결과에서 측정값과 함께 제공한다. MCNP 측정값의 오차는 중심극한 정리(Central Limit Theorem)에 의해 계산된 통계학적 불확실도이다^[7].

선형감쇠계수(μ₁)에 대한 오차(σμ₁)는 오차 전파 분석(Error Propagation)을 적용하여 Eq. (10)과 같이 계산할 수 있다. 그에 따른 오차 결과는 Table 2에 결과값과 함께 나와 있다.

\(\sigma_{\mu_{1}}=\sqrt{\left(\frac{\partial \mu_{1}}{\partial I}\right)^{2} \sigma_{I}^{2}+\left(\frac{\partial \mu_{1}}{\partial I_{0}}\right)^{2} \sigma_{I_{0}}^{2}}\)       (10)

Ⅳ. MILITARY APPLICATION

지상군은 작전지역의 변경에 따라 신속하게 기동하여 해당지역에서 지휘를 위한 천막을 설치하여 운용하기도 한다. 그리고 연자성 복합소재가 유연하고 인성이 뛰어나기 때문에 군사용 지휘천막에 적용하는 상황을 가정하여 군사적 적용성을 평가하였다. 이를 위해 지휘소 내 통신장비 등에 대한 EMP차폐를 위하여 복합소재를 천막 겉면에 덧씌운 방식을 가정하였다. 그리고 해당 천막 구조물에 복합소재가 적용되었을 경우 방사선 차폐 성능을 몬테칼로 모델링을 통해서 확인하였다.

군사용 지휘천막의 크기는 가로 4.9m, 세로 10m, 중앙 높이 3.1m, 벽면 높이 1.6m이다^[11]. 실제 크기의 지휘천막을 Fig. 7과 같이 모델링을 위하여 설정하였다. 그리고 Fig. 8에서는 선원으로부터 나온 감마선이 주변 물질과의 충돌하는 모델링 결과를 가시화한 것이다.

Table 4. Relative Counts of Experimental and Monte Carlo Modeling Results by Changing Thickness of Soft Magnetic Composite Material

Fig. 7. MCNP Modeling of Personal Protective Structure.

Fig. 8. Collision Modeling of Gamma Rays and Concrete Sample.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 연자성 복합소재의 방사선 차폐 성능을 확인하였다. 이를 위해 두께가 각각 다른 복합소재 시험체들을 준비하여 방사선 차폐실험을 진행하였다. 그리고 몬테칼로 모델링과 실험값을 비교하고 분석하였다.

이번 연구에서 확인된 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 연자성 복합소재의 두께가 증가함에 따른 감마선 차폐성능이 선형감쇠법칙과 일치하였다. 이에 핵·방사능 전시 상황에 맞게 군사용 시설물의 방사선 방호를 위한 복합소재의 두께를 최적화하여 적용 가능함을 확인하였다.

둘째, 복합소재에 보론이 약 13% 함유되어 있어 모델링을 통해 중성자 차폐에 효과적임을 확인하였다. 따라서 핵무기 폭발 초기에 발생하는 중성자에 대한 방호를 보장받을 수 있을 것으로 기대한다.

셋째, 복합소재의 유연성 및 질김 등이 좋아 군사용 지휘천막에 적용하였을 경우에 대한 방사선 차폐 모델링을 하였다. 지휘천막 특성상 복합소재를 두껍게 적용하지 않고 천막에 얇게 덧씌우는 형태를 가정하였다. 이때에도 어느 정도 방사선 차폐 효과를 얻을 수 있었으며, 두께가 증가함에 따라 방사선 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있었다. 다만, 복합소재를 EMP 차폐만을 위해 적용할 경우에는 얇게 적용할 수 있겠으나 방사선 차폐도 염두할 경우에는 요망하는 차폐수준에 맞게 복합소재를 두껍게 하여 시설물에 적용할 필요가 있겠다.

본 연구에서는 복합소재의 방사선 차폐효과에 대해 분석하였다. 그 결과 복합소재가 방사선 차폐에도 효과적임을 확인됨에 따라 군사적 적용에 대한 활용성이 클 것으로 판단된다.