KR101026236B1 - 레이저유도 플라즈마 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저유도 플라즈마 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로 일차계통 압력경계에서 발생할 수 있는 냉각수 누설을 현장에서 신속하게 감지하고 예측할 수 있는 기능을 가지는 시스템에 대한 것이다. 본 발명은 원격제어가 가능한 레이저분광기술을 이용하여, 원자로 압력경계에서 발생되는 부식생성물 내, 냉각수 의 주성분인 붕소(B)를 탐지함으로써 냉각수 누설여부를 신속하게 감지/예측하는 기능을 가지도록, 새롭게 고안한 “레이저 유도 발광 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지시스템”에 관한 것으로서, 이 감지 시스템은 레이저 발생장치(laser generator), 레이저 초점렌즈 (laser focusing lens), 발광 수집기 (emitted light collector), 발광 스펙트럼 분석기 (emission spectrum analyser)를 포함하는 장치로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 “레이저유도 발광 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지시스템”은 압력경계 지점에서 발생되는 부식생성물 내 붕소(B) 원소를 감지하는 특징을 가지고 있음으로, 원자로 냉각수 누출을 신속하게 감지하고 예측하는 장점을 가지면서, 원자로 냉각재시스템에서 발생하는 다양한 이물질의 성분을 확인하는 용도로 사용할 수 있다.
냉각수 누설, 원격제어, 레이저분광, 부식생성물, 발광 스펙트럼, 이물질

Description

레이저유도 플라즈마 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지 시스템 및 방법 {A reactor coolant leakage detection system and the method for the same by using the laser induced plasma spectra}
본 발명은 원자력발전소에서 발생할 수 있는 원자로 냉각수의 누설을 조기에 감지하고 예측할 수 있도록, 원자로 일차계통 압력경계에서 발생하는 이물질의 성분을 분석하는 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 현재 원자로 주변을 해체하여 육안으로 검사하는 불편함을 개선할 수 있는 기능을 가지도록, 레이저 발생장치(laser generator), 레이저 초점렌즈 (laser focusing lens), 발광 수집기 (emitted light collector), 발광 스펙트럼 분석기 (emission spectrum analyser)를 포함하는 장치로 구성된 “레이저유도 발광 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지 및 예측시스템”에 관한 것이다.
현재 원자력발전소 원자로 냉각수 누설을 감지하는 방법으로는, 대한민국 특허 10-0356153 (2002. 9. 27)와 Kupperman, D.S. Nuclear Engineering and Design,(1),(1985)에서 보고된 음파나 초음파를 이용하는 방법이 있으며, Aoki, K. Nuclear Engineering and Design,(1),(1991)에서 소개된 섬프레벨을 감지를 통한 감지방법, 일본 특허출원 공개 2002-341081A (2002. 11. 27)의 초음파 유량계 간의 유량 차를 이용한 누설 감지시스템, 미국특허 5,345,479 (1994. 9. 6), 일본 특허출원 공개 2008-96345A (2008. 4. 24)의 냉각수 누설시 발생하는 방사선 물질을 감지하는 냉각수 누설방법이나 장치가 보고되고 있다.
이러한 기존의 누설 감지방법에도 불구하고, 냉각수 누설을 사전에 감지하거나 냉각수 누설량이 적은 경우의 감지에는 많은 어려움이 있는 실정이다. 그러므로 현재까지 정확한 누설여부를 확인하기 위하여 원자로 정지 시 원자로 및 원자로 압력경계 주위의 구성품을 제거하여 작업자가 접근할 수 있는 상태를 만든 후, 냉각수 예상 누설지점을 육안으로 검사하고 있다.
한편, 금속 화합물의 성분을 현장에서 분석할 수 있는 상용화된 방법으로는, 이동형 X선 형광분석법이 있다. 그러나 이 방법은 붕소와 같이 원자량이 작은 원소를 분석하기 어렵다. 원자량이 작은 원소분석을 위해서는 시료와 감지기 사이의 분위기를 제어해야 하는 단점이 있으며, 또한, 원자로 주변과 같이 높은 방사선 환경이나, 방사선 준위가 높은 시료에 대해서는 적용하기 어려운 제한성이 있다.
원자로 냉각수의 주성분은 붕산이므로 냉각수 누설 시, 냉각수는 증발되어 버리지만 붕산은 부식생성물과 함께 누설지점에 침적물 형태로 잔류한다. 본 발명의 목적은 방사선 준위가 높아 접근이 용이하지 않은 원자로 압력경계에서 발생하는 방사성 부식생성물 및 이물질 내 붕소원소를 탐지하여 냉각수 누설을 신속하게 감지하고 누설가능 지점을 사전에 예측하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치는 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈; 상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기; 및 상기 발광 수집기를 통해 수집된 발광 플라즈마를 분석하는 발광 스펙트럼 분석기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 레이저발생장치는 레이저 발생부, 상기 레이저 발생부에서 발생된 레이저의 강도를 조절하는 감쇠기, 상기 감쇠기에서 조절된 레이저의 에너지 강도를 측정하는 에너지 미터, 발생된 상기 레이저의 경로를 바꾸는 굴절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 레이저 발생장치에서 발생되는 레이저는 펄스 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 레이저 발생부는 출력이 0.5 mJ 이상인 레이저인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저의 직경은 0보다 크고 5mm이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저의 직경은 0보다 크고 3mm이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 수집기는 빛을 수집하는 렌즈 또는 광섬유인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 수집기는 상기 분석 대상 물질에서 유도된 상기 발광 플라즈마로부터 0.5 내지 100cm 범위에 위치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 수집기는 상기 분석 대상 물질에서 유도된 상기 발광 플라즈마로부터 1 내지 20cm 범위에 위치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 스펙트럼 분석기에서 붕소분석을 위하여 사용되는 분석 파장 범위는 200 내지 내지 600nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 스펙트럼 분석기에서 붕소분석을 위하여 사용되는 분석 파장 범위는 200 내지 내지 350nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 실시예로서, 원자로 냉각수 누설 감지 장치는 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키 는 레이저 초점 렌즈; 상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기; 상기 발광 수집기를 통해 수집된 발광 플라즈마를 분석하는 발광 스펙트럼 분석기; 및 상기 분석 대상 물질 주변의 물을 일시적으로 제거하는 초음파 발생 레이저 또는 압축공기 분사 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 발광 수집기 주변의 이물질을 제거하는 흡입 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 이물질은 상기 발광 플라즈마 발생시 생성된 휘발성 물질이나 이탈된 미세입자인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 방법은 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈; 상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기; 및 상기 발광 수집기를 통해 수집된 빛을 분석하는 발광 스펙트럼 분석기를 포함하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치 중 적어도 상기 레이저 초점 렌즈 및 상기 발광 수집기를 상기 분석 대상 물질로 접근시키는 이송단계; 상기 이송단계를 거쳐 레이저의 초점 거리를 상기 분석 대상 물질에 대해 조절하는 레이저 초점 렌즈 조절단계; 상기 레이저 초점 렌즈 조절단계 후, 레이저를 상기 분석 대상 물질에 조사하는 조사단계; 상기 조사단계를 통해 상기 분석 대상 물질에서 발생된 발광 플라즈마의 빛을 상기 발광 수집기로 수집하는 수집 단계; 수집된 상기 빛을 분 석하는 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 분석 단계는 발광 스펙트럼 내 철만의 발광라인의 강도와, 붕소(B)와 철의 발광 라인이 중첩된 라인에서의 강도와의 상대 비를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 분석 단계는 249.78nm인 발광라인을 이용하는 것을 특징으로 한다.
원자로 냉각수에는 다량의 붕산 (H3BO3)이 첨가되어 있다. 원자로 일차계통 압력경계 배관 외부에서 발생하는 부식생성물 내 붕소(B) 원소 유무를 현장에서 분석하여 원자로 냉각수 누출을 신속하게 감지하고 예측한다. 아울러 원자로 냉각재시스템에서 발생하는 다양한 이물질의 성분을 신속하게 확인한다.
본 발명의 장점은 냉각수 누설 감지를 냉각수 주성분인 붕산의 침적물의 탐지로 확인하며, 이 탐지에 원격제어가 가능한 레이저 기술을 이용한 것이다. 따라서 냉각수 누설검사를 위하여 원자로 및 배관 주위를 해체할 필요가 없으며, 방사성 시료 채취 및 취급의 어려움도 없이, 침적물 발생위치에 레이저를 인입시켜 원격조정을 통하여 현장에서 침적물을 분석하고 냉각수 누설 여부를 확인하는 기능을 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 원자로 냉각수 누설 감지 장치를 도시한 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 발생장치(laser generator;200), 레이저 초점렌즈 (laser focusing lens;300), 발광 수집기(emitted light collector;400), 발광 스펙트럼 분석기 (emission spectrum analyser;500)를 포함하며, 압력경계 지점에서 발생되는 방사성 침적물 내 냉각수 주요 화학성분인 붕소원소 감지를 통하여, 원자로 냉각수 누출을 신속하게 감지/예측하는 특징을 가지면서, 원자로 냉각재시스템에서 발생하는 다양한 이물질 성분을 확인하는 용도로 사용가능하다.
본 발명은 구조적으로 작업자의 접근이 용이하지 않은 원자로 압력경계에서 발생하는 침적물 및 이물질, 즉 분석대상물질(100)에 레이저 발생장치(200)에서 나온 높은 에너지를 가지는 레이저(laser)를 집중시켜 분석 대상물질(100) 표면에 플라즈마를 유도시키고, 이 플라즈마의 발광 스펙트럼을 분석하여 침적물과 이물질의 성분을 분석하는 시스템이다. 이 때 레이저 발생장치(100)에서 나오는 레이저로 분석 대상물질(100)에 플라즈마 발생을 용이하게 하기 위하여 레이저는 연속보다는 펄스 형태로 발생시키는 것이 유리하다. 발생된 레이저는 레이저 초점렌즈(300)를 이용하며 분석대상물질 (target material;100)에 레이저를 집중시키고, 이 때 생성되는 플라즈마를 통하여 발생되는 빛은 발광 수집기(400)를 통하여 발광 스펙트럼분석기(500)에서 각 파장에서의 세기를 나타내는 스펙트럼으로 분석된다. 특히, 냉각수 주성분인 붕소원소가 부식생성물과 이물질 내 포함 여부를 탐지하여, 냉각수의 누설을 신속하게 감지하고 예측한다.
레이저가 분석 대상물질(100)에 충돌하면, 분석 대상물질(100)의 일부분이 증발 제거(ablation)되면서, 충격파(shock wave)가 발생하며, 또한 동시에 플라즈마(plasma)가 발생할 수 있다. 본 발명은 레이저에 의해서 유도되는 다양한 현상 중 발생되는 발광 플라즈마를 이용하여 분석 대상물질(100)의 성분, 특히 붕소 성분 유무를 분석하여 냉각수의 누설을 감지한다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 레이저 발생장치는 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(201), 발생된 레이저의 강도를 조절하여 분석 대상물질(100)에 조사하는데 적합하게 감쇠시키는 감쇠기(202), 감쇠기(202)에서 감쇠된 레이저 강도가 분석 대상물질(100)에 조사되어 발광 플라즈마를 발생시키는데 적합한 강도인지를 측정하는 에너지 미터(203), 레이저 발생부(201)에서 발생된 레이저의 경로를 레이저 초점렌즈(300)로 유도하는 굴절부(204)를 포함한다.
굴절부(204)는 복수개의 렌즈, 또는 반사경을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치(1)의 레이저 초점 렌즈(focusing lens; 300)의 기능은 레이저 발생장치(200)에서 나온 레이저를 집속시 켜 분석대상 물질(100)의 표면에서 플라즈마 발생을 용이하게 한다. 분석대상 물질(100)의 표면에 집속된 레이저 직경이 작을수록 레이저 에너지 집중도가 높고, 실험 결과 레이저 발생부(201)를 엔디 야그(Nd:YAG), 266nm, 10 mJ로 사용한 경우, 집속된 레이저의 직경이 1 mm 이하일 때 플라즈마 발생이 용이하였고 분석정확도를 유지하는데 무리가 없었다.
일반적으로 취급되는 고출력 레이저 파워를 고려할 때, 집속된 레이저 직경은 3 mm 이하에서 플라즈마 발생과 분석정확도를 유지하는데 효과적이다.
본 발명에서 발광 수집기 (emitted light collector; 400)는 발광 스펙트럼을 얻기 위하여 플라즈마에서 발생되는 빛(발광; emission light)을 수집하는 장치이고, 빛을 수집하므로 렌즈나 광섬유 형태이다. 일반적으로 센서는 신호발생원에서 멀어질수록 감도는 거리의 3승에 반비례한다. 따라서 분석가능한 감도를 유지하기 위해서는 발광 수집기(400)는 플라즈마 발생위치에서 가급적 가깝게 위치하여야 하며, 0.5 내지 100 cm 이내에 존재하여야 한다. 발광 수집기(400)가 분석대상물질(100)과 가까울수록 분석 감도는 높아지나, 플라즈마 발생시 휘발성 물질이 생성되거나 이탈된 미세입자가 주변으로 튈 경우, 발광 수집기(400)의 광학부품을 손상시켜 수명을 단축시킬 수 있으므로, 바람직하게는 1 내지 20cm 이내에 존재하여야 한다.
또한 분석과정에서 2차 오염을 야기시킬 가능성이 있으므로 발광 수집기(400) 주변에 휘발성 물질이나 미세입자를 제거할 수 있는 흡입 필터(401)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 분석 대상물질(100) 주변의 물을 일시적으로 제거할 수 있는, 초음파 발생 레이저나 압축공기 분사 장치(402)가 수반되면, 분석대상물질(100)이 수중에 존재할 경우에도 분석할 수 있다.
압력경계에서 생성되는 부식생성물, 즉 분석대상물질(100)에 조사된 레이저에 의해 플라즈마가 발생되고 플라즈마의 다양한 파장을 가지는 빛이 발광 수집기(400)를 통하여 발광 스펙트럼 분석기(500)에 들어가면, 여러 광학장치에 의하여 빛의 파장에 따라 강도가 분석된다.
발광 스펙트럼 분석기(500)는 에쉘르 분광기(Echelle;501) 및 분광기(501)에서 분광된 발광 스펙트럼의 데이터를 이용하여 분석대상물질(100)의 붕소(B) 함유 여부를 판별하기 위해 붕소의 상대발광강도를 분석하는 데이터 처리부(502)를 포함한다. 데이터 처리부(502)는 일반적인 PC를 사용가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치의 적용 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이 분석 대상물질(100)인 원자로 압력경계부의 침적물 근처까지 레이저 초점 렌즈(200) 및 발광 수집기(300)를 이송장치(600)를 이용하여 접근시킨다.
이송장치(600)는 레이저 초점 렌즈(200) 및 발광 수집기(300)를 포함하는 일체형 장치이거나 레이저 초점 렌즈(200) 및 발광 수집기(300)를 분리가능하게 탑재하는 형태일 수 있다.
분석 대상물질(100)과는 이격되어 외부에 위치한 레이저 발생부(200)에서 레이저를 발생시키고, 발생된 레이저는 이송장치(600)에 의해 분석 대상물질(100)에 접근한 레이저 초점 렌즈(200)를 통해 분석 대상물질(100)에 조사된다.
또한, 조사된 레이저에 의해 분석 대상물질(100)에서 플라즈마가 생성되고, 생성된 플라즈마의 빛을 분석 대상물질(100) 인근에 설치된 발광 수집기(300)가 수집한다.
발광 수집기(300)에서 수집된 빛은 분석 대상물질(100)과는 이격되어 외부에 위치한 발광스펙트럼 분석기(500)에서 발광 스펙트럼이 분석되어 분석 대상물질(100)의 붕소 함유 여부를 분석한다.
이상과 같이, 본 발명은 원자로 냉각수 누설을 감지하는데 있어서, 상기 기술한 원자로 압력경계에서 발생하는 침적물 중 냉각수의 주성분인 붕소원소의 존재유무를 레이저를 이용하여 탐지하여, 냉각수의 누설을 신속하게 감지하는 장치이다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 보다 자세히 설명한다. 아래의 실시예는 다만 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아님은 물론이다.
도 3은 본 발명에 따른 다양한 농도의 붕소를 함유하는 철산화물의 레이저 유도 플라즈마 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
다양한 농도를 가지는 붕소 함유 철산화물 분석 대상 물질(100)을 준비한 후, 철산화물 내 붕소(B) 함량의 화학분석 (ICP-AES)을 통하여 확인하였고, 동시에 레이저유도 발광 스펙트럼을 이용하여 철산화물 내 붕소(B) 성분을 측정하였다.
도 3에 도시된 4개의 그래프중 위로 갈수록 분석 대상 물질(100)에 함유된 붕소(B)의 농도가 높은 시편이다.
레이저 펄스에 의한 용발 (ablation) 스펙트럼은, 레이저 입사 각도, 시료 성분 등 측정 조건에 따라 레이저 용발 정도가 변화되므로 발광 강도가 일정하지 않다. 아울러 발광 스펙트럼에서 붕소(B)의 주요 발광 라인은 모두 철 (Fe)의 발광 라인과 중첩 (overlap)되어 발광 스펙트럼 상의 붕소의 발광 라인의 강도만으로는 붕소의 분석이 용이하지 않는 어려움이 있다.
따라서 본 발명에서는 분석대상 물질의 주성분인 철의 발광 라인 하나를 내부기준 (internal reference)으로, 이와 함께 붕소(B)의 특성 발광 라인(249.78 nm)을 각각 선택하여, 철의 피크 강도에 대한 붕소의 피크 강도와의 상대 비를 통하여 붕소)B)의 농도를 결정하고 이와 함께 붕소의 함유 여부를 판단하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 발광 스펙트럼에서 붕소(B)의 분석을 위하여, 철의 한 특성 파장 (249.89nm)의 강도 (화살표 1 위치)를 내부기준으로 삼고, 붕소(B)의 발광 라인 249.78 nm (화살표 2 위치) 강도와의 상대비 (붕소의 피크 강도/철의 피크 강도)를 이용한다. 이 상대비가 붕소가 함유하지 않는 철산화물에서 산출한 값보다 크다면 분석 대상 물질(100)은 붕소(B)를 함유한 것으로 판단가능하다.
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도 4는 본 발명에 따른 철산화물 내 붕소함량과 용발 스펙트럼에서 철 특성 피크의 강도에 대한 붕소의 특성 피크 강도의 비 (피크강도 @249.78 nm/ 피크강도@249.89 nm)와의 상관관계를 도시한 그래프로서, 도 3에서 분석된 249.78 nm에서의 붕소와 철이 중첩된 발광 피크와 철(Fe)만의 발광피크간의 상대비에 따라 철산화물에 함유된 붕소(B)의 함량을 나타낸다.
따라서, 붕소의 함량과 철 피크의 강도를 내부기준 (internal reference)을 이용한 상대발광강도와의 관계로부터 레이저유도 발광 스펙트럼을 이용하여 철 산화물 내 붕소의 함량을 측정할 수 있음을 확인하였다.
249.78 nm 파장은 붕소(B)의 대표적인 발광 (emission) 파장이고, 이를 발광 라인이라고도 한다. 붕소(B)의 다른 발광 라인은 많지 않으며, 더구나 넓은 파장범위에서 큰 발광 강도를 가지는 철 라인들과 겹치므로, 실험을 통하여 249.78 nm의 붕소의 발광라인이 붕소분석에 가장 적합함을 확인하였다.
원자로의 압력경계에 조금이라도 결함이 생기면, 고온 고압의 냉각수는 결함을 통하여 나와 수증기 형태로 누설되는데 원자로 냉각수에는 다량의 붕산이 함유되어 있어 수증기 형태로 누설시, 누설지점 주변에 침적물 형태로 잔류하게 된다. 반면에 누설이 안 된 지점에서 생성된 부식생성물에는 붕소가 검출되지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치 및 방법으로 붕소가 조금이라도 검출되는 양이라면 냉각수 누설이라고 유추할 수 있을 것입니다.
냉각수 누설 여부는 붕소의 유무만 확인되면 충분하다. 그러나, 도 3 및 4의 그래프를 이용하면, 분석한 시편, 즉 분석 대상 물질(100)의 붕소파장의 강도로부터, 냉각수 누설속도나 누설량을 예측하는데도 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 방법의 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 방법은, 도 1에 도시된 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치(200), 레이저 발생장치(200)에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈(300), 레이저 초점 렌즈(300)에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질(100)에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기(400); 및 발광 수집기(400)를 통해 수집된 빛을 분석하는 발광 스펙트럼 분석기(500)를 포함하는 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치(1) 중 적어도 레이저 초점 렌즈(300) 및 발광 수집기(500)를 분석 대상 물질(100) 근처로 접근시키는 이송단계(S100); 이송단계(S100)를 거쳐 레이저의 초점 거리를 분석 대상 물질(100)에 대해 조절하는 레이저 초점 렌즈 조절단계(S200); 레이저 초점 렌즈 조절단계(S200) 후, 레이저를 분석 대상 물질(100)에 조사하는 조사단계(S300); 조사단계(S300)를 통해 분석 대상 물질(100)에서 발생된 발광 플라즈마의 빛을 발광 수집기(400)로 수집하는 수집 단계(S400); 수집된 빛을 분석하는 분석 단계(S500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이송단계(S100)에서 적어도 레이저 초점 렌즈(300) 및 발광 수집기(500)는 분석 대상 물질(100) 근처에 있어야 레이저 집속에 유리하고, 유도된 발광 플라즈 마의 빛을 수집하는데 유리하며, 이를 위해 휠, 캐터필러, 또는 레일등을 이용한 소형의 유선 또는 무선으로 작동가능한 이송장치(600)가 사용될 수 있고, 이송장치(600)에 레이저 초점 렌즈(300) 및 발광 수집기(500)등이 부착될 수 있다.
이송장치(600)에 레이저 초점 렌즈(300) 및 발광 수집기(500)의 부착방식은 탈착식이거나 일체형일 수 있다.
레이저 발생 장치(200) 또는 발광 스펙트럼 분석기(500)는 분석 대상 물질(100)과 떨어져 압력 경계부 외부에 위치해도 무관하다.
분석 단계(S500)는 철산화물 발광 강도와 붕소(B)를 함유한 철산화물 발광 강도의 상대비를 이용하여 구하고, 이 상대비가 양의 값을 가질 때 분석 대상 물질(100)이 붕소(B)를 함유한 것임을 유추할 수 있다. 붕소의 발광라인은 249.78nm일 때 가장 적합하므로, 분석 단계(S500)에서 바람직하게는 249.78nm인 발광라인을 사용한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저유도 발광 스펙트럼을 이용한 원자로 냉각수 누설 감지의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 장치의 적용 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다양한 농도의 붕소를 함유하는 철산화물의 레이저 유도 플라즈마 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 철산화물 내 붕소함량과 플라즈마 스펙트럼에서 철(249.89 nm)에 대한 붕소 (249.78 nm)의 상대 발광강도와의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 원자로 냉각수 누설 감지 방법의 순서도이다.

Claims (17)

  1. 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치;
    상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈;
    상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기; 및
    상기 발광 수집기를 통해 수집된 발광 플라즈마를 분석하는 발광 스펙트럼 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저발생장치는 레이저 발생부,
    상기 레이저 발생부에서 발생된 레이저의 강도를 조절하는 감쇠기,
    상기 감쇠기에서 조절된 레이저의 에너지 강도를 측정하는 에너지 미터,
    발생된 상기 레이저의 경로를 바꾸는 굴절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발생장치에서 발생되는 레이저는 펄스형태인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 발생부는 출력이 0.5 mJ 이상인 레이저인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저의 직경은 0보다 크고 5mm이하인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저의 직경은 0보다 크고 3mm이하인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 수집기는 빛을 수집하는 렌즈 또는 광섬유인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광 수집기는 상기 분석 대상 물질에서 유도된 상기 발광 플라즈마로부터 0.5 내지 100cm 범위에 위치한 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발광 수집기는 상기 분석 대상 물질에서 유도된 상기 발광 플라즈마로부터 1 내지 20cm 범위에 위치한 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광 스펙트럼 분석기에서 붕소분석을 위하여 사용되는 분석 파장 범위는 200 내지 600nm인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 발광 스펙트럼 분석기에서 붕소분석을 위하여 사용되는 분석 파장 범위는 200 내지 350nm인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  12. 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치;
    상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈;
    상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기;
    상기 발광 수집기를 통해 수집된 발광 플라즈마를 분석하는 발광 스펙트럼 분석기; 및
    상기 분석 대상 물질 주변의 물을 일시적으로 제거하는 초음파 발생 레이저 또는 압축공기 분사 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발광 수집기 주변의 이물질을 제거하는 흡입 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이물질은 상기 발광 플라즈마 발생시 생성된 휘발성 물질이나 이탈된 미세입자인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치.
  15. 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치;
    상기 레이저 발생장치에서 발생된 레이저를 집속시키는 레이저 초점 렌즈;
    상기 레이저 초점 렌즈에 의해 집속된 레이저가 집중되어 분석 대상 물질에서 발광플라즈마가 유도되고, 유도된 상기 발광 플라즈마에서 빛을 수집하는 발광 수집기; 및 상기 발광 수집기를 통해 수집된 빛을 분석하는 발광 스펙트럼 분석기를 포함하는 원자로 냉각수 누설 감지 장치 중 적어도 상기 레이저 초점 렌즈 및 상기 발광 수집기를 상기 분석 대상 물질로 접근시키는 이송단계;
    상기 이송단계를 거쳐 레이저의 초점 거리를 상기 분석 대상 물질에 대해 조절하는 레이저 초점 렌즈 조절단계;
    상기 레이저 초점 렌즈 조절단계 후, 레이저를 상기 분석 대상 물질에 조사하는 조사단계;
    상기 조사단계를 통해 상기 분석 대상 물질에서 발생된 발광 플라즈마의 빛 을 상기 발광 수집기로 수집하는 수집 단계;
    수집된 상기 빛을 분석하는 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 분석 단계는 발광 스펙트럼 내 붕소(B)와 철(Fe)의 발광 라인 강도와의 상대 비를 이용하는 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 분석 단계는 붕소의 249.78nm인 발광라인을 이용하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각수 누설 감지 방법.
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