KR100332712B1 - 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의핵분열성물질 측정방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 납차폐체와 폴리에칠렌 반사체 및 카드뮴을 이용하여 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후 핵연료에 포함된 우라늄-235 및 플루토늄-239 동위원소와 같은 핵분열성 물질의 함유량을 측정할 수 있는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 핵연료에 열중성자를 흡수시켜 유도핵분열을 일으키고, 상기 유도핵분열에 의해 생성된 중성자를 신호로 계측하는 제 1 단계와, 상기 핵연료에 흡수되는 열중성자를 카드뮴판에 흡수시켜 유도핵분열을 방지한 후 중성자를 신호로 계측하는 제 2 단계와, 상기 제 1, 2 단계에 의해 측정된 카드뮴판이 없는 중성자계수율과 카드뮴판이 있는 중성자계수율의 비율을 통해 핵연료내에 있는 핵분열성물질의 농도를 측정하는 제 3 단계를 통해 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후핵연료를 가공하는 과정에서 핵연료 분말, 소결체 및 핵연료봉에 대한 핵분열성 물질을 측정할 수 있는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

Description

중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치{Measuring method for fissile content in nuclear fuel material using cadmium ratio of neutron counts and its equipment}

본 발명은 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후핵연료 물질에 중성자들을 흡수시켜 유도핵분열을 일으킨 다음, 이 유도 핵분열에서 나오는 중성자수의 변화를 계측하여 핵연료내에 포함된 핵분열성 물질을 측정하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 각종 핵연료물질에는 핵분열을 일으킬 수 있는 핵분열성물질이 포함되어 있다. 이러한 핵연료물질을 이용하여 원자로에서 태울수 있는 핵연료를 만들기 위하여 먼저 핵연료물질에 포함되어 있는 핵분열성 물질의 함유량을 정확히 측정해야 한다. 이를 위하여 크게 두 가지 방법이 사용되고 있다. 첫째는 파괴방법으로서 화학분석이 이에 해당되며, 둘째는 비파괴 방법으로서 중성자 혹은 감마선을 측정하여 평가하는 방법이다.

상기 화학분석방법은 분석 시간이 오래 걸리기 때문에 많이 사용되고 있지 않으며, 최근에는 실시간으로 분석이 가능한 비파괴분석 방법이 선호되고 있으나, 기존의 비파괴분석 방법은 신핵연료에 대해서만 감마선 스펙트럼 분석방법이 사용되어 왔으며, 사용후핵연료에 포함된 핵분열성 물질에 대해서는 뚜렷한 측정방법이 없었다.

1990년대에 검출효율이 좋은 중성자 검출튜브가 개발되어 왔으며, 이러한 검출튜브를 사용하여 중성자증배계수 측정방법으로 주로 플로토늄의 함유량을 측정하는 기술에 활용하여 왔다. 1990년대 후반에 감마선 준위가 높은 곳에서 중성자를 측정하기 위한 검출튜브와 전치증폭기의 성능이 떨어지는 사실이 밝혀졌다. 이러한 사실은 감마선이 미량으로 방출되는 핵연료 즉, 신핵연료 및 혼합핵연료에서만 이 검출튜브를 사용해야 하는 문제점이 있었다.

또한, 수중에서 사용후핵연료집합체의 핵분열성 물질과 반응도특성만 측정 가능하도록 한 미국특허 4493810호(1985)와, 중성자선원을 시험 물질 주위로 회전구동시켜 핵분열성물질을 측정하는 일본특허 90-190241 호도 있으나, 상기 미국특허는 수중이라는 제한이 있으며, 일본특허는 방사성폐기물내에 있는 핵분열성물질만을 측정하는 장치로 반드시 중성자선원이 있어야 하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 납차폐체와 폴리에칠렌 반사체 및 카드뮴을 이용하여 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후 핵연료에 포함된 우라늄-235 및 플루토늄-239 동위원소와 같은 핵분열성 물질의 함유량을 측정할 수 있는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 핵연료에 열중성자를 흡수시켜 유도핵분열을 일으키고, 상기 유도핵분열에 의해 생성된 중성자를 신호로 계측하는 제 1 단계와, 상기 핵연료에 흡수되는 열중성자를 카드뮴판에 흡수시켜 유도핵분열을 방지한 후 중성자를 신호로 계측하는 제 2 단계와, 상기 제 1, 2 단계에 의해 측정된 카드뮴판이 없는 중성자계수율과 카드뮴판이 있는 중성자계수율의 비율을 통해 핵연료내에 있는 핵분열성물질의 농도를 측정하는 제 3 단계를 통해 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후핵연료를 가공하는 과정에서 핵연료 분말, 소결체 및 핵연료봉에 대한 핵분열성 물질을 측정할 수 있는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

도 1 은 핵분열성물질 측정장치의 개요도

도 2 는 측정장치의 단면도

도 3 은 측정장치의 계측회로도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 본체외통 (2) : 중성자감속체

(3) : 측면납차폐체 (4) : 납차폐체외통

(5) : 측면반사체 (6) : 핵연료장전함

(7) : 측면카드뮴판 (8) : 하부카드뮴판

(9) : 중성자선원통 (10) : 중성자선원보관통

(11) : 하부중성자반사체 (12) : 하부납차폐체

(13) : 신호연결함 (14) : 신호단자

(15) : 신호연결선 (16) : 전치증폭기

(17) : 검출튜브 (18) : 상부외통

(19) : 상부중성자반사체 (20) : 상부납차폐체

(21) : 상부차폐체뚜껑 (22) : 상부차폐체뚜껑고리

본 발명은 핵연료장전함(6)에 핵연료시편을 넣고, 상기 핵연료에 중성자들을 흡수시켜 유도핵분열을 일으키게 한 다음, 상기 유도핵분열에서 나오는 중성자수의 변화를 계측하여 핵연료내에 있는 핵분열성물질(우라늄-235 및 플루토늄-239 동위원소)을 측정하는 것이다.

도 1 은 핵분열성물질 측정장치의 개요도를 도시한 것으로, 본 발명은 본체외통(1)내에 납차폐체(3,12)를 설치하고, 상기 납차폐체(3)와 본체외통(1) 사이에 중성자감속체(2) 및 전치증폭기(16)와 각각 연결·설치되는 다수개의 검출튜브(17)를 설치하며, 상기 납차폐체(3)내면에 반사체(5,11), 카드뮴판(7,8), 핵연료장전함 (6) 및 중선자선원 보관통(10)을 설치하고, 상기 본체외통(1)과 납차폐체(3) 상부에 상부외통(18)을 설치함과 동시에, 납차폐체(3) 상부에 상부중성자반세체(19)와 상부납차폐체(20)가 설치된 상부차폐체 뚜껑(21)을 설치하도록 되어 있다.

상기 납차폐체는 사용후핵연료가 시편으로 사용될 경우, 사용후핵연료에서 방출되는 강한 감마선으로부터 전치증폭기(16)와 검출튜브(17)를 보호하기 위하여 사용되는 것으로, 납차폐체외통(4)에 의해 본체외통(1)내 중앙에 위치하도록 설치되어 본체외통(1)내를 핵연료시편이 삽입되는 부분과 검출튜브(17)가 설치되는 부분으로 분리하는 측면납차폐체(3)와, 상부차폐체 뚜껑(21) 하부에 설치되는 상부납차폐체(20) 및 측면납차폐체(3) 후부에 위치하도록 본체외통(1) 하부에 납으로 주조하여 설치되는 하부납차폐체(12)로 구성되어 있다.

상기 납차폐체외통(4)은 납을 주조 및 보관할 목적으로 만들어 졌으며, 중성자를 적게 흡수하는 알루미늄 재질로 가공되어 있다.

상기 중성자감속체(2)는 중성자의 속도를 감속시키는 것으로, 본체외통(1)과 측면납차폐체(3) 사이에 설치되고, 고밀도 폴리에칠렌등으로 구성되어 있으며, 다수개의 검출튜브(17)가 중성자를 잘 검출할 수 있도록 고속중성자를 열중성자로 만들어주는 기능을 한다.

상기 검출튜브(17)는 중성자감속체(2)에 의해 감속된 중성자를 포획하는 것으로, 중성자감속체(2)와 연결·설치되고, 본체외통(1)과 납차폐체외통(4) 사이에서 2개의 원을 구비하도록 다수개의 검출튜브(17)가 이중으로 설치되어 있으며, 전치증폭기(16)와 연결되어 있다. 즉, 상기 검출튜브(17)는 내부 및 외부환 형상으로 구성되어 있으며, 내부환 및 외부환은 도 2 에 도시된 바와 같이 각각 일정갯수의 검출튜브로 구성되어 있다.

상기 전치증폭기(16)는 검출된 중성자에 의하여 발생되는 신호를 증폭하는 것으로, 각각의 검출튜브(17)와 연결되어 설치되고, 다수의 신호연결선(15)에 의하여 서로 연결된다. 즉, 상기 내부 및 외부환에 각각 16개, 총 32개의 검출튜브(17)가 설치되어 있을 경우, 검출튜브(17)에 연결되는 전치증폭기(16) 역시 총 32개이므로, 도 3 에 도시된 바와 같이 모두 32개의 전치증폭기(16)를 4개의 그룹으로 분리하고, 각각 8개씩 묶어서 A, B, C, D로 구분한 다음, 상기 A, B, C, D의 출력신호값을 서로 비교하여 신호연결선(15)의 이상발생 유무를 확인하도록 되어 있다.

상기 반사체는 유도핵분열을 일으키게 하는 열중성자를 만드는 기능을 하는 것으로, 고밀도 폴리에칠렌으로 구성되며, 측면납차폐체외통(4)에 연결·설치되는 측면반사체(5)와, 상부차폐체 뚜껑(21)에 설치되는 상부중성자 반사체(19) 및 하부납차폐체(12)에 연결·설치되는 하부중성자반사체(11)로 이루어져 있다.

상기 카드뮴판은 열중성자를 흡수하는 것으로, 반사체(5)와 핵연료장전함(6), 반사체(5)와 중선자선원 보관통(10) 사이에 삽입되는 측면카드뮴판(7)과, 핵연료장전함(6)과 중선자선원 보관통(10) 사이에 삽입되는 하부카드뮴판 (8)으로 구성되어 있다.

상기 핵연료장전함(6)은 반사체(5,11,19)가 설치된 납차폐체(3,12,20)내에 위치하도록 삽입되는 것으로, 내부에 핵연료시편이 장전되어 있다.

상기 중성자선원 보관통(10)은 중선자선원이 저장된 중성자선원통(9)이 저장되는 것으로, 반사체(5,11,19)가 설치된 납차폐체(3,12,20)내에 설치된다. 즉, 상기 중선자선원은 중성자선원통(9)내에 장전되고, 상기 중선자선원통(9)은 중성자선원 보관통(10)내에 장전된다.

상기 상부외통(18)은 중성자감속체(2), 검출튜브(17) 및 전치증폭기(16)가 설치된 본체외통(1)과 측면납차폐체 외통(4) 상부에 설치된다.

상기 상부차폐체 뚜껑(21)은 핵연료장전함(6), 중성자선원통(9) 및 카드뮴판 (7,8)이 삽입되는 측면납차폐체(3) 상부에 위치하도록 설치되는 것으로, 하단면에 상부납차폐체(20)와 상부중성자 반사체(19)가 순차적으로 설치되어 있으며, 상부에 핫셀내에서의 작업이 용이하도록 상부차폐체 뚜껑고리(22)가 설치되어 있다.

즉, 상기 상부납차폐체(20)는 상부차폐체뚜껑(21) 내부에 주조하여 채워져 있다.

이와 같이 본 발명은 핵연료장전함(6)과 중성자선원 보관통(10)을 중심으로 카드뮴판(7,8), 반사체(5)와 상부중성자 반사체(19), 측면납차폐체(5)와 상부납차폐체(20)가 순차적으로 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 이용하여 신핵연료와 혼합핵연료의 핵분열성물질을 측정하고자 할 경우, 핵연료장전함에 핵연료시편을 집어넣고, 중성자선원 보관통 내부에 있는 중성자선원통 속에 중성자를 방출하는 중성자선원을 집어 넣는다. 여기서 핵연료장전함에 사용후핵연료를 집어넣을 경우에는 중성자선원을 사용할 필요가 없다. 이것은 사용후핵연료에서는 자체적으로 중성자가 많이 발생하고 있기 때문이다. 중성자선원 혹은 사용후핵연료에서 나오는 고속중성자는 측면반사체, 하부반사체 그리고 상부반사체의 폴리에칠렌 재료속에서 충돌하여 속도가 떨어진 후 열중성자가 된다. 이 열중성자가 다시 핵연료에 돌아와서 핵연료에 포함된 핵분열성물질에 흡수되어 핵분열을 일으키게 되며, 이러한 핵분열 현상을 유도핵분열이라 한다. 이 유도핵분열로 인하여 다시 중성자가 증배하여 생성되고, 상기 생성된 중성자는 측면 납차폐체를 통과하여 폴리에칠렌으로 만들어진 중성자감속체에서 감속되어 검출튜브에 포획되고, 전치증폭기를 통하여 신호로 계측된다.

본 발명은 상기와 같은 방법을 이용하여 유도핵분열을 일어나게 하는 것과 일어나지 않은 비율을 측정하므로써, 핵연료내에 있는 핵분열성물질의 농도를 측정하게 된다.

즉, 핵연료내에 핵분열성물질의 농도가 커지면 이 유도핵분열 비율이 커지게 되므로, 측면카드뮴판과 하부카드뮴판을 내부에 집어넣을 경우, 열중성자가 대부분 이 카드뮴판에 흡수되므로서 유도핵분열이 일어나지 않는다. 카드뮴판을 인출할 경우, 유도핵분열이 다시 일어나게 된다. 이것을 요약하여 관계식으로 나타내면 다음과 같다.

핵분열성물질 함유량 = 실험적 인자 ×카드뮴판이 없는 중성자계수율 / 카드뮴판이 있는 중성자계수율

상기와 같이 본 발명은 중성자계수에서 카드뮴비율 변화라는 새로운 개념을 도입하여 신핵연료, 혼합핵연료 그리고 사용후핵연료에 포함된 우라늄-235 및 플루토늄-239 동위원소와 같은 핵분열성 물질의 함유량을 측정하는 것으로, 중성자선원 취급, 신핵연료 및 혼합핵연료 취급, 강한 방사성물질인 사용후핵연료 취급, 카드뮤판 취급 그리고 중성자 감속 및 계측에 적합하도록 구성되어 있다.

또한, 높은 방사선을 방출하는 사용후핵연료의 핵분열성 물질의 함유량 측정은 핫셀내부에서 작업해야 하므로, 핫셀내에서의 작업은 사용후핵연료 시편을 시험장치에 인출 및 삽입 그리고 카드뮴판의 설치 및 인출이 용이하도록 구성되어 있으며, 중성자수의 계측변화는 시험장치에 연결된 신호연결선을 통하여 핫셀 외부에서 계측하도록 되어 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 핵분열성물질의 함유량 변화에 따른 유도핵분열로 기인된 중성자계수의 카드뮴비율값 변화를 보다 정밀하게 계측하고, 이를 이용하여 핵연료 내부에 포함된 핵분열성물질의 농도를 측정하도록 되어 있어, 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후핵연료에 포함된 핵분열성 물질의 양을 비파괴적인 방법으로 신속하게 분석할 수 있으며, 핵연료 분말, 소결체 그리고 핵 연료봉등 모든 종류의 핵연료내에 핵분열성물질을 함유량을 정밀하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 이동가능하도록 되어 있어, 다양한 조건에서 핵연료의 핵분열성 물질을 측정할 수 있으며, 중성자선원이 없이 사용후핵연료의 핵분열성물질을 측정할 수 있고, 고정 중성자선원을 사용하여 신핵연료의 핵분열성물질의 함유량을 측정할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같이 본 발명은 최근에 세계적으로 각광을 받고 있는 신개념의 핵연료주기 기술(경중수로연계 핵연료주기기술) 주기와 같은 사용후핵연료를 취급/처리해야 하는 시설에서 반드시 필요하며, 사용후핵연료 재활용에 새로운 전기를 가져올 것으로 기대되는 등 많은 효과가 있다.

Claims (5)

1. 핵연료에 열중성자를 흡수시켜 유도핵분열을 일으키고, 상기 유도핵분열에 의해 생성된 중성자를 신호로 계측하는 제 1 단계와,

   상기 핵연료에 흡수되는 열중성자를 카드뮴판에 흡수시켜 유도핵분열을 방지한 후 중성자를 신호로 계측하는 제 2 단계와,

   상기 제 1, 2 단계에 의해 측정된 카드뮴판이 없는 중성자계수율과 카드뮴판이 있는 중성자계수율의 비율을 통해 핵연료내에 있는 핵분열성물질의 농도를 측정하는 제 3 단계를 통해 신핵연료, 혼합핵연료 및 사용후핵연료를 가공하는 과정에서 핵연료 분말, 소결체 및 핵연료봉에 대한 핵분열성 물질을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정방법.
2. 본체외통 중앙부에 납차폐체외통에 의해 설치되는 측면납차폐체와,

   상기 본체외통과 측면납차폐체 사이에 설치되는 중성자감속체와,

   상기 중성자감속체와 연결·설치되는 다수개의 검출튜브와,

   상기 검출튜브와 연결·설치되는 전치증폭기와,

   상기 다수개의 전치증폭기와 신호연결선에 의해 연결되는 신호단자 및 신호연결함과,

   상기 중성자감속체, 전치증폭기 및 신호연결선이 설치된 본체외통과 측면납차폐체 상부에 설치되는 상부외통과,

   상기 측면납차폐체 상부에 설치되는 상부차폐체 뚜껑과,

   상기 상부차폐체 뚜껑하단면에 연결·설치되는 상부납차폐체와,

   상기 측면납차폐체 하부에 위치하도록 본체외통 하단면에 설치되는 하부납차폐체와,

   상기 측면납차폐체, 상부납차폐체, 하부납차폐체에 각각 연결·설치되는 측면반사체, 상부중성자반사체, 하부중성자반사체와,

   상기 반사체가 설치된 납차폐체내에 삽입되고 중선자선원이 장전되는 중성자선원통과,

   상기 중성자선원통이 장전되는 중성자선원 보관통과,

   상기 반사체가 설치된 납차폐체내에 삽입되고 핵연료시편이 장전되는 핵연료장전함과,

   상기 중성자선원 보관통과 반사체 사이, 핵연료장전함과 반사체 사이, 중성자선원과 핵연료장점함 사이에 위치하도록 설치되는 카드뮴판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정장치.
3. 제 2 항에 있어서;

   상기 검출튜브는 2중의 환배열로 설치된 것을 특징으로 하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정장치.
4. 제 2 항에 있어서;

   상기 측면반사체, 하부중성자 반사체, 상부중성자 반사체는 폴리에칠렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정장치.
5. 제 2 항에 있어서;

   상기 납차폐체외통은 알루미늄재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 중성자 계수의 카드뮴 비율값 변화를 이용한 핵연료의 핵분열성물질 측정장치.