KR100988574B1 - 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기 - Google Patents

중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 중성자 발생기를 사용함으로써 운용 비용을 절감시키고, 수명을 연장시키며, 관리 및 수리를 용이하게 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기에 관한 것으로서,
상기 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기는, 중성자 발생기와; 상기 중성자 발생기가 내장되는 차폐함과; 상기 중성자 발생기에서 방출된 중성자와 연료봉이 반응하는 영역에서 상기 연료봉을 사이에 두고 상기 차폐함과 마주하는 면에 배치되는 감마선검출기;로 구성되어,
연료봉 탐상기의 설치 및 운용 비용을 절감시키고, 연료봉의 생산성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
원자로, 연료봉, 펄스형 중성자 발생기, 탐상기, 능동형 탐상기

Description

중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기{FUEL ROD SCANNER USING THE PULSED NEUTRON GENERATOR}
본원 발명은 원자로에서 이용되는 핵 연료봉을 검사하는 연료봉 탐상기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 중성자 발생원으로서 252CF를 대체하여 중성자 발생기를 사용함으로써 운용 비용을 절감시키고, 수명을 연장시키며, 관리 및 수리를 용이하게 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기에 관한 것이다.
일반적으로, 원자로 등에 쓰이는 핵연료는 약 6g 정도의 우라늄 산화물을 소결하여 펠릿(pellet)을 형성하고, 소결된 펠릿(pellet) 380여 개와 스프링을 약 4m 길이의 속이 빈 지르칼로이 합금의 관내에 봉입하고 헬륨가스를 충압한 후 봉단마개를 밀봉한 연료봉으로 제작된다.
상술한 바와 같이 제작되는 연료봉은 상하에 냉각재가 지나는 구멍이 뚫린 지지판과, 중간에 연료봉의 간격을 유지하기 위한 지지격자로 이루어지는 골격체에 비등수형 원자로에서는 60개 정도, 가압수형 원자로에서는 약 230개 정도가 장착되어 고정됨으로써 4각 격자 모양의 다발을 이루는 핵연료 집합체(연료 어셈블 리(fuel assembly)라고도 함)로 형성된다. 이렇게 형성된 핵연료 집합체는 일체로 원자로에 장전 및 인출되며, 이에 의해 원자로에 핵연료가 장전되거나 원자로로부터 핵연료가 인출된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 연료봉은 원자로 내에서 안정적인 핵분열을 수행할 수 있도록 연료봉 내의 소결체의 건전성, 농축도, 이탈 여부 등의 결함을 탐상기를 이용하여 사전에 검사하여 결함을 제거한 후 원자로 내에 장입하여야 한다.
이러한 연료봉의 검사를 위한 종래기술의 탐상기의 예로는 NDA-TECH사(미국)의 수동형(passive) 탐상기와 능동형(active) 탐상기를 들 수 있다.
이중 수동형 탐상기는 연료봉에서 방출되는 방사능을 검출하여 이를 분석하는 것에 의해 연료봉의 결함을 검출하는 것으로 중성자원이 불필요하나 연료봉의 결함에 대한 정확한 검출을 위하여 장비가 거대해지며, 과대하게 설치공간을 필요로 하게 되어 자주 사용되지 않고 있다.
이와 달리 능동형 탐상기는 자체 내에서 중성자를 발생시켜 연료봉에 조사한 후 연료봉 내에서 중성자와 반응하는 우라늄에 의해 방사되는 감마선을 검출하여 분석하는 것에 의해 연료봉의 결함을 파악하도록 구성되는 것으로서, 협소한 장소에 설치될 수 있으며, 연료봉 검출의 정확도가 높기 때문에 가장 많이 사용되고 있다.
도 1은 상술한 능동형(active) 탐상기의 단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 종래기술의 능동형 탐상기(1)는 납으로 제작되는 원통형 차폐함(2)과, 원통형 차폐함(2)의 일 측에서 연료봉이 이송되는 위치에 형성되어 소결체의 길이 및 밀도를 측정하는 밀도측정기(3)와, 252CF를 구비하여 차폐함의 내측에 위치되는 252CF선원(4)과, 연료봉(F)이 인출되는 차폐함(2)의 외측면에 형성되어 감마선을 검출할 수 있도록 광검출기 및 BGO 등을 내장한 감마선(γ)검출기(5)와, 연료봉(F)을 차폐함(2) 내측으로 인입하고 검사가 종료된 연료봉을 차폐함(2)으로부터 인출하는 연료봉 이송기(T)를 포함하여 구성된다.
상술한 바와 같이 구성되는 종래기술의 252CF선원(4)을 사용하는 능동형 탐상기(1)는 252CF가 세기가 큰 중성자 및 감마선을 포함하는 방사선을 지속적으로 방출하기 때문에 작업자의 안전을 위하여 방사선에 대한 완전환 차폐를 수행하여야 하므로 차폐체(2)의 크기가 커지게 되므로, 탐상기의 전체 무게 및 부피가 증가되어 이동성 및 설치시 작업효율이 현저히 저하되는 문제점을 가진다.
그리고 종래기술의 252CF를 사용하는 능동형 탐상기(1)의 경우 252CF가 지속적으로 중성자, 감마선 등을 포함하는 방사선을 방출하기 때문에 수리, 성능 검사 등의 유지 보수 시 중성자 및 감마선 등의 방사선으로부터 작업자를 보호하기 위하여 감마선검출기 등의 검출장치를 차폐함의 외부에 구성하여야 하고, 이 때문에 탐상기의 부피가 더욱 커지게 되며, 또한, 검출장치가 중성자가 연료봉과 반응하는 위치로부터 이탈된 위치에서 연료봉의 핵반응 신호들을 검출하게 되므로 신호량이 감소하여 연료봉의 정확한 결함의 측정하는 것이 어렵게 되어, 이러한 문제점을 소프 트웨어에 의해 보완하고 있다. 따라서 종래기술의 경우에는 연료봉의 정확한 결함의 측정을 위하여 소프트웨어의 개발 등의 많은 부대 비용을 발생시키는 문제점을 가진다.
또한, 252CF의 반감기가 2.65년이기 때문에 2.65년에 한 번씩 252CF를 교체하여야 주어야하므로 고가인 252CF의 교체비용(2008년 10월 현재: 약 3억5천 만원)이 많이 소요되는 문제점을 가진다. 그리고 252CF를 교체하는 경우 252CF의 제조기간을 고려하여 사전에 구매를 해야하는 등의 번거로움이 있고, 구매가 완료된 상황에서도 교체기간이 장기(약 5일 정도)간 소용되어 경수로 연료 생산 중지 기간이 길어지므로 연료봉의 생산성을 현저히 저하시키는 문제점을 가진다.
그리고 상술한 252CF 선원은 미국의 FTC사에서 독점 공급하고 있으나 선원에 대한 안정적 공급을 수행할 수 없음을 통보하여 252CF선원의 안정적 공급이 어려워지게 되었고, 이로 인해 2008년 스페인의 ENUSA가 선원을 구입하는데 어려움을 겪는 등의 문제가 발생하였다. 따라서 연료봉 검사를 위하여 252CF 선원을 사용하지 않는 능동형 탐상기의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
따라서 본원 발명은 상술한 종래기술의 능동형 연료봉 탐상기가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래기술의 능동형 탐상기에 사용되는 252CF 선원을 대체하여 중성자 발생기를 사용함으로써, 252CF의 교체 비용을 절감시키고, 적은 중성자 및 방사능에 적합하도록 차폐체의 중량을 줄이며, 감마선 검출기를 차폐체에서 연료봉이 중성자와 반응하는 위치에 배치함으로써 전체 부피 및 중량을 감소시켜 운반, 설치 및 유지보수를 용이하게 하고, 유지보수 시 중성자 발생기의 구동을 중지시켜 방사능 및 중성자의 발생을 원천적으로 차단하는 것에 의해 작업자의 작업안전성을 향상시키며, 감마선검출기를 차폐함의 내측에서 중성자 발생기의 하부에 배치할 수 있도록 함으로써 연료봉을 이루는 소결체의 건전성, 이탈 여부 등의 결함에 대한 검사의 정확성을 현저히 향상시킬 수 있도록 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기는, 중성자 발생기와; 상기 중성자 발생기가 내장되며, 상기 중성자 발생기에서 발생된 중성자를 열중성자로 변환하는 감속재가 충진된 차폐함과; 상기 중성자 발생기에서 방출된 중성자와 연료봉이 반응하는 영역에서 검사를 위해 이송되는 상기 연료봉을 사이에 두고 상기 차폐함과 마주하는 면에 배치되는 감마선검출기;를 구비하고, 부가적으로 차폐함으로 이송되는 연료봉의 길이, 밀도를 측정하는 밀도측정기, 연료봉 이송기 등의 부가 장비를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 중성자 발생기는 중수소-중수소 중성자 발생기로 구성되며, 펄스제어가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 본원발명의 탐상기는 상술한 중성자 발생기를 적용하는 것에 의해 감마선검출기의 수리, 검사 등의 유지보수 작업 시 중성자 발생기의 동작을 정지시켜 방사선의 생성을 차단함으로써 작업자가 안전한 유지보수 작업을 수행할 수 있으므로, 종래기술과 달리 감마선 검출기가 연료봉을 사이에 두고 차폐함과 마주하는 위치에 인접 배치될 수 있게 되어 연료봉에 대한 검사의 정확성을 향상시키게 된다.
상기 차폐함은 내측에 중성자 발생기가 배치되고, 감속재가 충진되는 납 재질의 벽면으로 이루어진 밀폐관으로 형성되며, 이때 상기 연료봉이 이송되는 측의 벽면은 열중성자로 변환하기 위한 감속차폐판으로 형성된다.
또한 상술한 구성을 가지는 본원 발명의 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기는 연료봉 검사의 효율을 향상시키기 위하여 연료봉 이송기, 밀도측정기, 감마선 검출기가 복수열로 배치 구성되는 다중모드 연료봉 탐상기로 구현될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본원발명의 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기는 연료봉의 검사시, 밀도검출기에 의해 연료봉의 길이, 밀도 분포 및 펠릿의 틈새가 검사된다.
그리고 차폐함의 하부로 연료봉이 이송되는 경우 중성자 발생기가 구동되어 중성자가 방출되며, 중성자 발생기에서 방출된 중성자는 감속차폐판에 의해 열중성 자로 변환된 후 연료봉에 조사된다.
열중성자가 조사된 연료봉은 연료봉 내의 핵연료 물질이 열 중성자와 반응하여 감마선을 방출하게 되며, 방출되는 감마선은 연료봉을 사이에 두고 차폐함과 면하는 감마선검출기에 의해 곧바로 검출됨으로써, 연료봉의 펠릿의 구조, 펠릿의 깨짐부, 혼입부 등의 구성을 검사할 수 있게 된다. 이때, 감마선 검출기는 상술한 바와 같이, 연료봉을 사이에 두고 차폐함과 면하는 위치에 배치 구성됨으로써 연료봉에서 발생하는 감마선을 손실 없이 검출할 수 있게 되어 연료봉에 대한 정확한 검사를 수행할 수 있도록 한다.
상술한 구성을 가지는 본원 발명의 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기는,
첫째, 252CF의 교체 비용을 절감시킴으로써 운용 비용을 절감시키고,
둘째, 252CF에 비하여 적은 량의 중성자 및 방사능을 방출되므로 차폐함의 두께를 줄임으로써 연료봉 탐상기의 무게를 줄여 운반 및 설치의 용이성을 제공하며,
셋째, 중성자 발생기를 적용하는 것에 의해 수리 및 성능 검사 등의 유지 보수가 필요한 경우 중성자 발생기를 구동을 정지시켜 작업을 수행할 수 있도록 하여 관리 및 유지보수의 용이성 및 작업자의 작업안전성을 현저히 향상시키고,
넷째, 감마선검출기를 중성자 발생기에서 조사되는 중성자가 연료봉과 반응하는 위치와 인접하는 위치에 장착할 수 있도록 하여 연료봉의 소결체에 대한 건전 성, 이탈 여부 등의 결함에 대한 검사의 정확성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
이하, 본원 발명의 바람직한 일 실시 예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기(이하 "탐상기"라 함)(10)의 단면도이고, 도 3은 중성자 발생기의 일 예로서 펄스형 중성자 발생기(20)를 나타내는 도면이며, 도 4는 종래기술의 252CF 선원을 구비한 탐상기에서의 감마선 검출기(3)의 배치 및 감마선 검출과정을 나타내는 도면이고, 도 5는 감마선 검출기의 신호에 의한 연료봉의 상태 분석 방법을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본원 발명의 탐상기(10)는, 중성자 발생기(20)와, 중성자 발생기(20)를 내장하는 차폐함(11)과, 차폐함(11)의 외부면을 따라 연료봉을 이송시키는 연료봉 이송기(T)와, 차폐함(11) 외부에서 이송되는 연료봉(F)에 중성자가 조사되는 영역에서 연료봉(F)을 사이에 두고 차폐함(11)과 대향되는 위치에 위치되는 감마선검출기(13)를 포함하여 구성된다. 그리고 종래기술에서와 같이 차폐함(11)의 외부의 일 영역에는 Cs 동위원소 등을 이용하여 연료봉(F)의 길이, 밀도 등을 측정하는 밀도측정기(3)가 구비된다.
상술한 본원 발명의 탐상기(1)의 구성에서 중성자 발생기(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 진공케이스(21)의 내측에 중소수의 이동력을 제공하는 공급기(22)와, 중성자 발생을 위한 이온을 생성하는 이온소스(23)와, 이온소스에서 방출된 이온을 가속시키는 가속단(24)과, 가속된 이온이 충돌하여 중성자를 발생시키는 중성자발생표적(25)으로 구성될 수 있다. 이때, 상술한 구성을 가지는 본원 발명의 중성자 발생기(20)는 중수소-중수소 중성자 발생기(DD 중성자발생기) 또는 중수소-삼중수조 중성자 발생기(DT 중성자발생기) 등으로 구성될 수 있으나, 종래기술의 252CF가 초당 대략 2 MeV의 중성자 109개를 방출하는 것을 고려하여, 대략 14MeV의 중성자를 발생하는 DT 중성자발생기보다는 초당 대략 2.5MeV의 중성자 107개를 방출하는 DD 중성자발생기로 구성되는 것이 바람직하며, 펄스제어가 가능한 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 중성자 발생기(20)는 발생되는 고속중성자가 열중성자로 변환된 후에 연료봉에 조사되도록 하기 위하여, 이송되는 연료봉(F)과 면하는 감속차폐판(12)으로부터 약 5cm 이상의 이격 거리를 두고 배치된다. 상술한 바와 같이 배치되는 중성자 발생기(20)는 펄스 제어에 의해 연료봉 검사시 일정 시간 동안, 일 예로 1nsec 동안만 중성자를 방출하도록 제어됨으로써, 중성자 방사의 지속에 의해 불필요한 핵반응 신호가 검출되는 것을 방지하게 되며, 또한 지연 중성자 및 지연 감마선의 검출 시간을 정확히 제어할 수 있게 된다.
이상과 같이 연료봉 탐상기에 상술한 중성자 발생기(20)를 적용하는 경우에는 중성자 선원의 교체기간을 연장시키게 된다. 즉, 종래기술의 252CF 선원이 적용 되는 경우에는 252CF 선원의 반감기가 2.6년이므로 2.6년 마다 252CF 선원을 구입하여 교체하였으나, 중성자 방생기를 적용하는 경우에는 약 5000Hrs에 1회 수리를 하는 것으로 족하게 되므로, 유지 및 보수를 용이하게 한다.
또한, 종래기술의 252CF 선원을 적용한 탐상기의 가격이 30억원 정도 소요(2008년 10월 현재)되나, 본원발명의 탐상기는 16억원(2008년 10월 현재) 정도 소요되므로 그 설치 비용이 절감되고, 종래기술의 252CF 선원은 교체 시 약 3억5천 만원 가량(2008년 10월 현재)의 고가의 비용이 요구되었으나, 중성자 발생기를 적용하는 경우에는 약 7000 만원의 비용(2008년 10월 현재)만이 소요되므로 탐상기의 운용 비용을 절감시킬 수 있도록 한다.
그리고 수리 및 교체기간에 있어서도 종래기술의 252CF 선원의 경우에는 5일 정도 소요되었으나, 본원 발명과 같이 중성자 발생기를 적용하는 경우에는 그 교체 및 수리를 하루 만에 수행할 수 있도록 함으로써 연료봉 생산 중지 기간을 단축시켜 연료봉의 생산성을 현저히 높일 수 있도록 한다.
다음으로, 상술한 본원 발명의 탐상기(10)의 구성 중 차폐함(11)은 중성자 발생기에서 방출되는 감마선, 중성자를 포함하는 방사선을 차단하기 위한 것으로서, 내측에 중성자 발생기(20)가 위치되며 중성자 발생기에서 방출된 고속 중성자(Fast Neutron)를 감속시키기 위한 감속재(11a)가 충진되는 납 재질의 구조를 가 진다.
그리고 본원 발명의 탐상기(10)의 중성자 발생기(20)가 초당 대략 2.5MeV의 107개의 중성자 및 방사선을 방출시키게 되므로, 본원 발명의 차폐함(11)을 이루는 납재질의 벽은 252CF를 사용하는 종래기술의 능동형 탐상기(1, 도 1 참조)의 차폐함(2)이 252CF에서 초당 대략 2 MeV의 중성자 109개를 방출하는 것을 차폐하기 위한 두께보다 현저히 줄어든 두께를 가지도록 구성될 수 있으며, 이로 인해 탐상기(10)의 무게를 현저히 줄일 수 있도록 하여 운반 및 설치를 용이하게 한다. 이때 본원 발명의 탐상기(10)에 적용되는 차폐함(11)의 두께는 중성자 선원에서 방출되는 중성자의 개수 및 중성자의 에너지에 따라 그래프화되어 있어, 해당 그래프에 의해 용이하게 산출되므로 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 차폐함(11)은 중성자 발생기(2)에서 방출되는 고속 중성자(Fast Neutron)가 연료봉(F)과 반응하는 감속된 열중성자(Thermal Neutron)로 변환될 수 있도록 하기 위하여 내부에 감속재(11a)가 충진됨은 물론 연료봉(F)이 지나는 위치에서 연료봉과 접하는 차폐함(11)의 벽면은 연료봉과 반응할 수 있는 적합한 속도로 중성자를 감속시키는 두께를 가지도록 구성되는 감속차폐판(12)으로 이루어진다. 이에 의해 중성자 발생기(20)에서 발생된 중성자와 연료봉 내의 우라늄 235(U235)의 반응성을 현저히 향상시키게 된다.
상술한 구성을 가지는 본원 발명의 차폐함(11)은 원통형 등으로 한정되는 것은 아니며, 중성자 발생기(20)에서 방출되는 중성자 선원 및 방사선을 차단할 수 있도록 하는 다양한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 도 2의 차폐함(11)은 도 7에 도시된 바와 같이 상부 벽면이 반원형의 원통형으로 구성되고, 하부의 연료봉(F)과 면하는 감속차폐판(12)으로 형성되는 벽면은 판상으로 하여 밀폐 구조를 가지도록 구성될 수 있다. 이때 감속차폐판(12)은 고속 중성자가 우라늄235(U235)와 반응할 수 있도록 고속 중성자의 속도를 지연시켜 열중성자로 변환되도록 하는 적절한 두께를 가지게 됨은 상술한 바와 같다.
다음으로, 감마선검출기(13)는 차폐함(11)의 감속차폐판(12)과 대향되는 위치 중 중성자 발생기(20)에 의해 생성된 중성자가 연료봉(F)에 조사되는 위치의 다음 영역에 위치되며, 도 2에서는 연료봉이 이송되는 방향의 우측에 위치되는 것으로 도시하였다. 즉, 연료봉(F)이 우에서 좌로 이동하는 경우에는 감마선검출기(13)는 차폐함(11)의 감속차폐판(12)과 대향되는 위치 중 중성자 발생기(20)에 의해 생성된 중성자가 연료봉(F)에 조사되는 위치의 다음 영역인 좌측에 위치된다.
상술한 바와 같이 감마선 검출기(13)를 연료봉(F)을 사이에 두고 차폐함(11)과 바로 면하는 위치에 배치하는 것은 첫 번째로 중성자 발생기(20)에서 발생되는 방사선이 종래기술의 252CF에서 방출되는 방사선 및 중성자선원의 세기가 작기 때문에 감마선의 검출 효율을 향상시키기 위한 것이며, 두 번째로 감마선검출기(13)의 수리, 검사 등의 유지 보수 작업시에는 중성자 발생기(20)의 구동을 중지시키는 것에 의해 작업자가 방사선 및 중성자에 노출되는 것을 방지할 수 있어 안전한 작업 을 수행할 수 있기 때문이다.
즉, 본원발명의 감마선 검출기(13)는 종래기술의 252CF를 사용하는 것과 다른 방식으로 배치되고, 감마선 검출의 방식 또한 다른 방식이 적용되어 연료봉 검사의 정확성을 더욱 향상시키게 된다. 도 4는 종래기술의 252CF 선원을 구비한 탐상기에서의 감마선검출기(5)의 배치 및 감마선 검출과정을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하여 본원발명의 감마선 검출기(13)에 의한 감마선 검출과정을 설명하면 다음과 같다.
우선 비교를 위하여 도 4를 참조하여 종래기술의 252CF선원을 사용하는 능동형 탐상기(1)에서의 감마선 검출 과정을 설명하면, 종래기술의 252CF선원을 사용하는 능동형 탐상기(1)의 경우, 방사선의 피폭 위험으로 인해 감마선검출기(5)가 차폐함(2)의 외측에 형성된다. 따라서, 연료봉(F)은 차폐함(2)의 내측에서 252CF선원(4)으로부터 발생되어 납(4a) 차폐벽의 사이의 틈을 통해 조사되는 중성자에 의해 약 0.3초 동안 조사되어 검사를 위한 핵반응을 시작하게 된다. 연료봉에서 중성자에 의한 핵반응이 수행된 후에는 중성자가 조사된 연료봉의 부위가 차폐함(2)의 외부에 위치되는 감마선검출기(5)까지 이송된 후 감마선이 검출된다. 따라서 도 1의 구성을 가지는 종래기술의 능동형 탐상기(1)의 경우에는 연료봉에 중성자가 조사되어 핵반응을 수행한 후 6초간 지연된 감마선을 검출하여 연료봉의 건전성, 결함 등을 파악하게 되므로 연료봉의 검사 시에 많은 시간 지연으로 인해 검사의 정 확성이 낮아짐은 물론 많은 시간이 소요되는 문제점을 가진다.
그러나 중성자 발생기(20)를 사용하는 본원발명의 탐상기(10)의 경우에는 중성자발생기(20)의 구동을 정지시킬 수 있으므로, 수리를 위하여 감마선검출기(13)를 차폐함(11)의 내부에 위치시키지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 차폐함(11)의 하부에서 연료봉(F)에 중성자가 조사되는 영역을 지나는 인접 위치에 직접 배치할 수 있게 된다.
이때, 본원발명의 탐상기(10)에서 차폐함(11)의 내측에 위치되는 중성자 발생기(20)로부터 발생된 중성자가 감속재(11a) 및 감속차폐판(12)에 의해 열중성자로 변환된 후 연료봉(F)에 조사되어 반응을 시작하게 되면, 중성자와의 반응에 의하여 연료봉(F)에서는 즉시 방출되는 감마선과 중성자(prompted Gamma and Neutron) 및 지연된 감마선과 중성자(delayed Gamma and Neutron)가 발생하게 된다. 그리고 1msec가 경과되면 지연된 감마선과 중성자 및 지연된 중성자의 감마선만이 방출된다. 따라서 본원발명의 감마선검출기(13)는본원발명의 탐상기(10)에서 연료봉(F)에 중성자가 조사된 후 1msec 경과된 후에 방출되는 감마선을 검출하도록 하여 불필요한 방사선 성분들을 제거함으로써 연료봉 검사의 정확성을 향상시키도록 구성된다.
본원발명의 탐상기(10)에서 연료봉(F)에 중성자가 조사된 후 1msec 경과된 후에 방출되는 감마선을 검출하도록 하는 방법의 예를 들면, 연료봉에 중성자가 조사된 후 중성자가 조사된 연료봉(F)의 영역이 1msec 동안 이송되는 위치에 감마선 검출기(13)를 배치하거나, 중성자가 연료봉(F)에 조사된 후 1msec 경과된 후에 지연된 감마선과 중성자를 검출하도록 감마선검출기(13)를 구동시킴으로써 연료봉의 결함, 파손 등의 건전성을 검사하도록 하는 방법 등이 적용될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본원 발명의 탐상기(10)의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3의 구성을 가지는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 탐상기(10)를 이용하여 연료봉(F)을 검사하고자 하는 경우, 작업자는 연료봉 이송기(T)를 이용하여 차폐함(11)의 하부에서 연료봉(F)을 좌에서 우로 이송시키게 된다. 이때 연료봉(F)은 Cs 동위원소 등을 방출하는 밀도측정기(3)를 통과하면서, 연료봉(F) 내의 펠릿의 분포, 길이, 밀도, 스프링의 길이 등이 검사된다.
도 5는 본원발명의 감마선 검출기의 신호에 의한 연료봉의 상태 분석 방법을 나타내는 도면이다. 도 5에서 A는 Cs 동위원소에서 발생한 동위원소의 개수를 나타내는 선으로서, 연료봉(F)이 밀도측정기로 인입되기 전에는 Cs 동위원소에서 방사되는 광자(Photon) 개수가 포화 상태를 이루게 되며, 연료봉(F)이 삽입되면 연료봉에 의해 Cs 동위원소에서 방출되는 광자의 이동이 방해되어 검출되는 광자의 개수가 급격히 감소된다. 이렇게 감소된 광자 개수의 그래프 상에서 일정 개수 이상의 광자가 검출되는 경우에는 해당 부분의 펠릿과 펠릿 사이에 틈새가 있는 것으로 파악할 수 있다. 이러한 검사 과정에서 연료봉(F)의 말단부의 스프링(S)이 밀도측정기(3)를 지나는 경우에는 다시 검출되는 Cs 동위원소에서 방사되는 광자의 수가 급격히 증가하게 되며, 이 구간의 길이를 연산하여 산출함으로써 스프링의 길이를 검사할 수 있게 된다. 이때 광자의 수가 급격히 감소하는 시점에서 스프링(S)의 영역 에 의해 광자의 수가 급격히 증가하는 사이의 영역을 연료봉(F)의 이송속도 등을 이용하여 길이를 계산하면 연료봉(F)에 내장되는 펠릿들의 길이가 된다.
또한, 상술한 과정에서 연료봉(F)이 밀도측정기를 통과하게 되면, 다시 밀도측정기(3)에서 검출되는 광자의 수가 포화 상태를 나타나게 되므로, 광자의 수가 증가를 시작하여 포화 상태를 이룬 후 감소되는 영역을 연료봉(F)의 이송속도 등을 이용하여 길이로 환산하면 연료봉(F)의 길이가 되어 연료봉(F)의 길이를 검출할 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 밀도측정기(13)의 검사 과정과 함께 밀도측정기(13)를 관통하여 이송되는 연료봉(F)은 차폐기(11)의 하부로 진입되어 중성자 발생기(20)에서 발생되고 감속재(11a) 및 감속차폐판(12)에 의해 감속된 열중성자가 조사되어 반응하게 된다. 이때, 중성자 발생기(20)는 펄스 제어에 의해 일정 시간 동안만 중성자를 방출하는 것을 주기적으로 반복 수행하게 된다. 일 예로 상술한 중성자 발생기(20)는 연료봉(F)이 차폐함(11)의 하부에서 중성사 조사 위치에 위치되면, 약 1nsec 동안 중성자를 방출한다. 방출된 중성자가 연료봉의 U235와 핵반응을 함으로써 다양한 핵 반응 생성물을 발생시킴과 아울러, 감마선을 방출한다. 상술한 바와 같이 중성자 및 감마선이 방출되면 연료봉(F)의 하부에 위치되는 감마선검출기(13)는 연료봉(F)에 열중성자가 조사된 후 일정 시간(약 1msec) 경과 후에 연료봉(F)에서 방출되는 감마선 및 중성자를 검출한 후 분석 작업에 의해 연료봉(F)의 상태 정보를 출력한다. 이때 연료봉(F)에 열중성자가 조사된 후 일정 시간 경과 후 연료봉(F)에서 방출되는 감마선을 검출하는 것은, 중성자가 조사된 후 1msec가 경과하 면 초기의 다양한 핵종에 의해 방사되는 불필요한 방사선들은 모두 사라지고, 연료봉 검사에 필요한 지연 감마선과 지연 중성자 및 지연 중성자의 감마선만이 방출되기 때문이다. 이러한 연료봉 검사 과정은 주기적으로 반복 수행되어 전체 연료봉의 정보를 출력하게 되며, 도 5는 연료봉에 대한 정보의 일 예로서 연료봉에서 방출되는 감마선 세기의 그래프로서 연료봉 정보를 나타낸 도면이다.
도 5에서 B선은 감마선의 광자 개수를 나타내는 도면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 연료봉(F)의 지르칼로이 합금 관으로만 이루어진 영역에서는 열중성자에 의한 반응이 없으므로 감마선 광자가 검출되지 않게 된다. 이 후, 연료봉 내에서 우라늄235(U235)등의 핵연료 물질을 포함하는 펠릿이 중성자와 반응하도록 이송된 경우에는 펠릿에 포함되는 우라늄235 등의 핵연료물질의 농도에 따라 감마선이 방출된다.
또한, 도 5에서 초기 감마선의 광자 수가 증가된 후 포화되는 영역은 2%의 우라늄235 등의 핵연료 물질로 이루어지는 펠릿을 나타낸다. 그리고 감마선의 광자 수가 더욱 급격히 증가되는 영역(e)과 가장 높은 감마선 광자를 방출하도록 포화상태를 이루는 영역(f)은 평균농축도가 대략 4.5%의 우라늄235 등의 핵연료 물질로 이루어지는 펠릿들의 배열을 나타내게 된다. 이때, 감마선 광자수의 미소 감소 영역이 발생하게 되는데, 감마선 광자의 미소 감소 영역의 크기에 따라 펠릿의 깨짐, 펠릿의 혼입을 판별할 수 있게 된다. 펠릿의 깨짐이 발생한 깨짐부(c) 및 다른 종류의 펠릿이 혼입된 혼입부(a)는 광자의 수가 포화상태에 비하여 10% 정도 감소된 영역으로 확인할 수 있으며, 그 감소된 영역의 폭에 따라 깨짐부(c) 및 혼입부(a) 를 식별하게 된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본원 발명의 탐상기(10)는 연료봉(F)의 검사 효율을 향상시킬 수 있도록 연료봉(F) 검사를 위한 밀도측정기(3)와 감마선검출기(13) 및 연료봉 이송기(T)가 다중으로 구성될 수 있다.
도 6은 다수의 연료봉에 대한 동시 검사를 수행할 수 있도록 구성되는 본원발명의 다중 모드 탐상기의 일 실시 예에 따르는 이중 모드 탐상기(10')의 사시도로서, 이중 모드 탐상기(10')는 두 개의 연료봉(Fa, Fb)을 동시에 검사할 수 있도록 이중의 연료봉 이송기(Ta, Tb)가 구비되고, 차폐함(11)의 전단부에서 연료봉(Fa, Fb)이 차폐함의 중성자 조사 위치로 이송되는 입구측에 각각의 연료봉(Fa, Fb)의 길이, 밀도, 틈새 측정을 위한 한 쌍의 밀도측정기(3a, 3b)가 각각 구비되며, 연료봉(Fa, Fb)을 사이에 두고 차폐함(11)의 감속차폐판(12)과 면하는 위치에 각각의 연료봉(Fa, Fb)에서 열중성자와 반응하여 방출되는 감마선을 검출하기 위한 감마선 검출기(13a, 13b)가 구비되는 구성을 가진다.
이때 감마선 검출기(13a, 13b)는 인접되는 연료봉에서 방출되는 감마선에 의해 간섭되므로 이에 대한 간섭신호를 제거한 후, 검사 대상 연료봉에서 방출되는 감마선만을 선별하여 분석할 수 있도록 구성된다. 이는 3개 이상의 모드를 가지도록 구현되는 경우에도 동일하게 적용된다.
도 1은 상술한 능동형(active) 탐상기의 부분 단면도,
도 2는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기(이하 "탐상기"라 함)(10)의 단면도,
도 3은 펄스형 중성자 발생기(20)의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 종래기술의 252CF 선원을 구비한 탐상기에서의 감마선 검출기(3)의 배치 및 감마선 검출과정을 나타내는 도면,
도 5는 감마선 검출기의 신호에 의한 연료봉의 상태 분석 방법을 나타내는 도면,
도 6은 복수의 연료봉을 동시에 검사할 수 있도록 하는 다중 모드 탐상기 중 이중 모드 탐상기의 사시도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *]
1: 능동형 탐상기, 2, 11: 차폐함, 3: 밀도측정기, 4: 252CF선원
4a: 납 5, 13, 13a, 13b: 감마선검출기
12: 감속차폐판
10: 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기(탐상기)
20: 펄스형 중성자 발생기(중성자 발생기)
11a: 감속재 F, Fa, Fb: 연료봉
T, Ta, Tb: 연료봉 이송기 c: 깨짐부
a: 혼입부, P1: 2% 펠릿, P2: 4.5% 펠릿, S: 스프링

Claims (5)

  1. 중성자 발생기와;
    상기 중성자 발생기가 내장되며, 상기 중성자 발생기에서 발생된 중성자를 열중성자로 변환하는 감속재가 충진된 차폐함과;
    상기 중성자 발생기에서 방출된 중성자와 연료봉이 반응하는 영역에서 검사를 위해 이송되는 상기 연료봉을 사이에 두고 상기 차폐함과 마주하는 면에 배치되는 감마선검출기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 중성자 발생기는 펄스형 중성자 발생기인 것을 특징으로 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 중성자 발생기는 발생된 중성자가 열중성자로 변환되어 상기 연료봉에 조사되도록 상기 차폐함의 내측에서 상기 연료봉과 마주하는 벽면으로부터 일정 간격 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감마선 검출기는, 상기 연료봉에 열중성자가 조사된 후 지연 감마선을 제외한 방사선이 소멸되는 일정 시간 경과 후에 검사를 위해 이송되는 연료봉의 영역 중 상기 열중성자가 조사된 연료봉의 영역이 위치하는 위치에 설치되어 상기 연료봉에서 방출되는 지연 감마선을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 감마선검출기가 복수열로 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 발생기를 이용한 연료봉 탐상기.
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