KR101076391B1 - 핵연료봉 비파괴 검사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 핵연료봉 비파괴 검사장치는, 중성자를 대상 핵연료봉과 비교 핵연료봉에 동일하게 조사하여, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교함으로써, 상기 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방식으로 검사하는데, 구체적으로, 펄스형 중성자를 발생시키는 중성자 발생부; 상기 중성자 발생부의 일측에 우라늄이 장입된 대상 핵연료봉을 이송시키는 제1 이송라인과, 상기 중성자 발생부의 타측에 상기 우라늄이 미장입된 비교 핵연료봉을 이송시키는 제2 이송라인을 구비하는 핵연료봉 이송부; 및 상기 핵연료봉 이송부의 양측방향에 각각 배치되며, 상기 중성자 발생부에서 발생되어 조사된 상기 중성자에 의해, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 측정하는 감마선 검출기;를 포함한다.
핵연료봉, 비파괴 검사, 펄스형 중성자, 중성자 백그라운드

Description

핵연료봉 비파괴 검사장치{Apparatus for nondestructive inspection of nuclear fuel rod}
본 발명은 핵연료봉 비파괴 검사장치로서, 중성자 백그라운드를 최소화하면서 핵연료봉 내부의 결함을 검사할 수 있는 핵연료봉 비파괴 검사장치에 관한 것이다.
핵연료봉 내부의 UO2-235, UO2-238 등의 우라늄 소결체는 깨져있거나, 농축도가 균일하지 않아서 핵연료봉 설계 기준을 만족하지 못하는 경우가 있다. 이러한 결함을 비파괴적 방식으로 탐지하기 위하여 중성자 핵분열에 의한 감마선 측정량 변화를 측정하는 비파괴 탐상 장치가 주로 이용되고 있다.
종래에 주로 이용되고 있는 비파괴 핵연료봉 탐상 장치는 중성자 동위원소 선원에서 발생한 중성자를 감속하여 열중성자로 변환시키고 이를 핵연료봉에 입사 하며, 입사된 열중성자와 핵연료봉 내부 우라늄의 핵분열 반응에 의하여 감마선을 발생시키다. 감마선 측정부에서는 감마선 발생 후 수 초 뒤 지발 감마선을 측정하며, 측정된 지발 감마선 선속 변화를 측정하여 핵연료봉 내부 결함을 탐지하게 된다.
중성자 발생 장치는 중성자 동위원소 선원을 대체하여 비파괴 핵연료봉 탐상 장치에 이용될 수 있다. 이때 일반적으로 중성자 발생 장치에서 발생하는 중성자 선속이 중성자 동위원소 선원에서 발생하는 중성자 선속에 비하여 작아서 측정 신호가 미약한 단점이 발생할 수 있다. 이를 보완하기 위하여 핵분열 감마선 발생 후 수 초 후에 측정하는 지발 감마선보다 감마선 선속이 높은 즉발 감마선을 이용한다. 그러나, 이 경우 핵연료봉 산란에 의한 중성자가 감마선 검출 장치에 입사하여 백그란운드로 만드는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 중성자 백그라운드를 최소화하면서 핵연료봉 내부의 결함을 검사할 수 있는 핵연료봉 비파괴 검사장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발명의 명칭은, 중성자를 대상 핵연료봉과 비교 핵연료봉에 동일하게 조사하여, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교함으로써, 상기 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방식으로 검사한다.
구체적으로, 본 발명은, 펄스형 중성자를 발생시키는 중성자 발생부; 상기 중성자 발생부의 일측에 우라늄이 장입된 대상 핵연료봉을 이송시키는 제1 이송라인과, 상기 중성자 발생부의 타측에 상기 우라늄이 미장입된 비교 핵연료봉을 이송시키는 제2 이송라인을 구비하는 핵연료봉 이송부; 및 상기 핵연료봉 이송부의 양측방향에 각각 배치되며, 상기 중성자 발생부에서 발생되어 조사된 상기 중성자에 의해, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 측정하는 감마선 검출기;를 포함하며, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교하여, 상기 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방 식으로 검사한다.
그리고, 본 발명은, 상기 중성자 발생부를 감싸도록 배치되어, 상기 중성자 발생부에서 발생된 상기 중성자를 감속시켜 열중성자로 변환시키는 감속부;를 더 포함하여, 상기 열중성자가 상기 대상 및 비교 핵연료봉에 조사되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1,2 이송라인에서 상기 중성자 발생부로부터 조사되는 상기 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 입사되는 각각의 입사지점은, 상기 제1 이송라인에서의 상기 중성자 에너지 및 플럭스(flux)와, 상기 제2 이송라인에서의 상기 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 감마선 검출기에는 상기 감마선을 측정하도록 콜리메이터(collimator)가 장착된 것이 바람직하다.
한편, 상기 중성자 발생부는 중양성자-중양성자 또는 중양성자-삼중양성자 반응을 이용하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 두 개의 상기 감마선 검출기로부터 발생한 신호의 발생시간 및 일정크기 이상의 신호에 대한 플럭스를 측정하는 신호처리부;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 신호처리부는, 상기 감마선 검출기에서 발생한 신호를 증폭하는 전치 증폭기; 상기 전치 증폭기에서 발생한 신호를 선형적으로 증폭하는 신호 증폭기; 상기 신호 증폭기에 증폭된 신호 중 일정크기 이상의 신호를 출력하는 단채널 분석기; 상기 전치 증폭기에서 발생된 신호의 발생시간에 대한 정보를 얻는 시간신호 증폭기; 상기 중성자 펄스의 발생시간에 대한 정보를 얻는 중성자 펄스발생 신호부; 상기 중성자 펄스발생 신호부에서 인출되는 중성자 펄스발생 신호를 처리하며, 상기 신호의 시간을 조절하는 펄스신호 처리부; 상기 시간신호 증폭기와 펄스신호 처리부에서 각각 발생한 두 개의 신호가 동시에 들어온 경우 신호를 발생하는 동시 계수기; 및 상기 동시 계수기에서 발생한 신호가 입사한 경우에 일정시간 동안 상기 단채널 분석기에서 발생한 출력신호의 수를 기록하는 카운터;를 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 신호처리부는, 상기 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 상기 중성자 펄스 발생시간과 일정시간차를 두는 신호를 수집하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 신호처리부는, 상기 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 상기 중성자 펄스 발생시간과 상기 신호수집 시작시간 및 신호수집 시간구간을 조절하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 핵연료봉 비파괴 검사장치는, 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교하여 핵연료봉을 비파괴 검사함에 따라, 중성자 백그라운드를 최소화함으로써 핵연료봉 내부의 결함을 효과적으로 검사할 수 있는 장점을 가진다.
중성자를 대상 핵연료봉과 비교 핵연료봉에 동일하게 조사하여, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교함으로써, 상기 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방식으로 검사하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
도 1은 본 발명에 따른 핵연료봉 비파괴 검사장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 핵연료봉 비파괴 검사장치에서 감마선 검출기와 신호처리부를 나타낸 블럭도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 핵연료봉 비파괴 검사장치는, 펄스형 중성자를 발생시키는 중성자 발생부(20), 상기 중성자 발생부(20)의 양측에서 핵연료봉을 이송시키는 핵연료봉 이송부, 상기 중성자 발생부(20)를 감싸는 감속부(30), 및 상기 핵연료봉 이송부의 양측방향에 각각 배치된 감마선 검출기(60)를 포함한다.
상기 중성자 발생부(20)는 펄스형 중성자를 발생시키기 위해, 중양성자-중양성자 또는 중양성자-삼중양성자 반응을 이용할 수 있다.
이때, 중성자 에너지는 중성자 발생 반응에 따라서 2.5 MeV 또는 14 MeV이며, 수십 kHz 이내의 변화가 가능한 초당 펄스수(pulse rate)를 가지며 일정한 오름시간(rise time)과 내림시간(fall time)을 가진다. 이때 중성자 발생부(20)의 초당 펄스수는 조정이 가능하다.
또한, 상기 감속부(30)는 중성자 발생부(20)를 감싸도록 배치되어, 중성자 발생부(20)에서 발생된 중성자를 감속시켜 열중성자로 변환시킨다.
이러한 감속부(30)는 핵연료봉 비파괴 검사를 위하여 중성자와 핵연료봉 반응에 의하여 발생하는 감마선을 측정해야 하는데, 이를 위하여 중성자 발생부(20)와 핵연료봉 사이에 위치된다.
물론, 핵분열 반응에 의하여 발생하는 감마선을 산란없이 측정하기 위하여 검사가 이루어지는 핵연료봉과 감마선 검출기(60) 사이에는, 감속부(30)가 배치되지 않는다.
이러한 감속부(30)는, 수소를 포함된 화합물로 구성되며, 감속부(30)의 기하학적 구조는 효과적인 열중성자 변환을 위하여 결정된다.
이와 같이 감속부(30)에 의해 변환된 열중성자는, 대상 및 비교 핵연료봉에 각각 조사된다.
그리고, 상기 핵연료봉 이송부는 핵연료봉을 일정한 속도로 이동하여 비파괴 검사하고자 하는 핵연료봉 부분이 열중성자 입사가 이루어지는 위치로 이동시킨 후, 열중성자 입사가 이루어지고, 이후 핵연료봉을 이동시키는 역할을 한다.
이러한, 상기 핵연료봉 이송부는 제1 이송라인(40)과 제2 이송라인(50)을 구비하여, 각각의 라인에서 핵연료봉을 이송시킨다.
여기에서, 상기 제1 이송라인(40)은 중성자 발생부(20)의 일측에 우라늄이 장입된 대상 핵연료봉을 이송시킨다.
아울러, 상기 제2 이송라인(50)은 중성자 발생부(20)의 타측에 상기 우라늄이 미장입된 비교 핵연료봉을 이송시킨다.
이와 같이, 제1 이송라인(40)과 제2 이송라인(50)은 중성자 발생부(20)의 양측에서 중성자 발생부(20)를 지나쳐서 진행되도록 구성되며, 이송시키는 핵연료봉은 서로 다르게 제1 이송라인(40)에서는 우라늄이 장입된 대상 핵연료봉이고, 제2 이송라인(50)에서는 우라늄이 미장입된 비교 핵연료봉이다.
여기에서, 상기 제1,2 이송라인(40)(50)에서 중성자 발생부(20)로부터 조사되는 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 입사되는 각각의 입사지점은, 각각의 라인에서의 중성자 에너지 및 플럭스가 서로 동일한 지점이다.
이를 위해, 상기 핵연료봉 이송부는, 상기 제1 이송라인(40)에서 입사되는 중성자 에너지 및 플럭스(flux)와, 상기 제2 이송라인(50)에서 입사되는 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 동일하게 되는 지점에서, 상기 중성자가 입사되도록 그 구조를 이룬다.
즉, 두 개의 상기 제1,2 이송라인(40)(50)은 중성자 발생부(20)로부터 동일한 기하학적 거리 및 구조를 유지하도록 제작된다.
물론, 이에 한정하지 않고 상기 제1,2 이송라인(40)(50)의 비파괴 검사가 이루어지는 지점에 입사하는 열중성자 플럭스가 다를 경우, 이를 보정할 수 있도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 중성자와 반응하여 두 개의 이송라인에서 발생하는 검출 신호를 비교함으로써 핵연료봉의 비파괴적 검사결과를 얻는다.
즉, 상기 제1 이송라인(40)의 핵연료봉에서는 입사 중성자가 핵연료봉과 반응하여 산란된 중성자와, 중성자와 우라늄 반응에 의하여 발생한 감마선이 발생하며, 상기 제2 이송라인(50)의 핵연료봉에서는 입사 중성자가 핵연료봉과 반응하여 산란된 중성자를 발생한다.
따라서 두 개의 이송라인에서 발생하는 신호차를 구함으로써, 핵분열 반응에 의하여 발생하는 감마선의 선속을 구하고 중성자 백그라운드를 최소화한다.
한편, 상기 감마선 검출기(60)는 핵연료봉 이송부의 양측방향에 각각 배치되는데, 구체적으로 중성자 발생부(20)의 횡방향에 위치되는 것이 바람직하다.
이러한 감마선 검출기(60)는, 중성자 발생부(20)에서 발생되어 조사된 중성 자에 의해, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 측정한다.
여기에서, 감마선 검출기(60)에는 감마선을 측정하도록 콜리메이터(collimator)(70)가 장착된다.
이때, 상기 콜리메이터는 핵연료봉에서 발생하는 신호 중 비파괴 검사를 하고자 하는 특정 지점에서 발생하는 감마선만이 감마선 검출기(60)에 입사하도록 감마선 검출기(60)의 전면에 위치한다.
이에 더하여, 상기 감마선 검출기(60)는 감마선을 효과적으로 측정하기 위하여 검출 효율이 높고, 반응 시간을 빠르게 하기 위하여 응답 시간이 빠른 검출기가 활용되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 핵연료봉 비파괴 검사장치는, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교하여, 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방식으로 검사할 수 있다.
한편, 본 발명은 두 개의 상기 감마선 검출기(60)로부터 발생한 신호의 발생시간 및 일정크기 이상의 신호에 대한 플럭스를 측정하기 위한 신호처리부를 포함한다.
여기에서, 상기 신호처리부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전치 증폭기(81), 신호 증폭기(82), 단채널 분석기(83), 시간신호 증폭기(84), 중성자 펄스발생 신호 부(91), 펄스신호 처리부(92), 동시 계수기(98), 및 카운터(99)를 구비한다.
상기 전치 증폭기(81)는 감마선 검출기(60)에서 발생한 신호의 크기 및 발생 시간에 대한 정보를 처리하기 쉽도록 변환 상기 신호를 증폭하며, 신호 증폭기(82)는 전치 증폭기(81)에서 발생한 신호를 선형적으로 증폭하는 역할을 한다.
아울러, 상기 단채널 분석기(83)는 신호 증폭기(82)에 증폭된 신호 중 일정크기 이상의 신호를 출력하도록 구성되며, 시간신호 증폭기(84)는 전치 증폭기(81)에서 발생된 신호의 발생시간에 대한 정보를 얻는다.
또한, 상기 중성자 펄스발생 신호부(91)는 중성자 펄스의 발생시간에 대한 정보를 얻으며, 상기 펄스신호 처리부(92)는 중성자 펄스발생 신호부(91)에서 인출되는 중성자 펄스발생 신호를 처리함과 동시에 상기 신호의 시간을 조절한다.
여기에서, 신호처리부는 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 중성자 펄스 발생시간과 일정시간차를 두는 신호를 수집하는 것이 바람직하며, 이를 펄스신호 처리부(92)가 수행한다.
즉, 펄스형 중성자가 핵연료봉 입사시 산란에 의한 중성자와 핵분열 반응에 의한 감마선이 검출기에 신호를 만드는데, 시간이 지남에 따라 산란에 의한 중성자 신호 크기는 빠르게 줄어들고, 핵분열 반응에 의한 감마선 신호는 중성자 신호에 비하여 천천히 작아진다. 따라서, 감마선 검출기(60)에서 발생한 신호 중 펄스 형 중성자의 핵연료봉 입사 후 일정 시간이 지난 후 신호만을 수집할 수 있도록 전자회로, 즉 신호처리부를 구성하여 중성자 산란에 의한 백그라운드를 최소화한다.
아울러, 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 중성자 펄스 발생시간과 신호수집 시작시간 및 신호수집 시간구간을 조절하도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 동시 계수기(98)는 시간신호 증폭기(84)와 펄스신호 처리부(92)에서 각각 발생한 두 개의 신호가 동시에 들어온 경우 신호를 발생하며, 상기 카운터(99)는 상기 동시 계수기(98)에서 발생한 신호가 입사한 경우에 일정시간 동안 단채널 분석기(83)에서 발생한 출력신호의 수를 기록한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 핵연료봉 비파괴 검사장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 핵연료봉 비파괴 검사장치에서 감마선 검출기와 신호처리부를 나타낸 블럭도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 중성자 발생부 30 : 감속부
40 : 제1 이송라인 50 : 제2 이송라인
60 : 감마선 검출기 70 : 콜리메이터
81 : 전치 증폭기 82 : 신호 증폭기
83 : 단채널 분석기 84 : 시간신호 증폭기
91 : 중성자 펄스발생 신호부 92 : 펄스신호 처리부
98 : 동시 계수기 99 : 카운터

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 펄스형 중성자를 발생시키는 중성자 발생부;
    상기 중성자 발생부의 일측에 우라늄이 장입된 대상 핵연료봉을 이송시키는 제1 이송라인과, 상기 중성자 발생부의 타측에 상기 우라늄이 미장입된 비교 핵연료봉을 이송시키는 제2 이송라인을 구비하는 핵연료봉 이송부; 및
    상기 핵연료봉 이송부의 양측방향에 각각 배치되며, 상기 중성자 발생부에서 발생되어 조사된 상기 중성자에 의해, 상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 측정하는 감마선 검출기;를 포함하며,
    상기 대상 및 비교 핵연료봉에서 발생되는 중성자 및 감마선을 비교하여, 상기 대상 핵연료봉의 우라늄 손상 및 농축도 변화를 비파괴 방식으로 검사하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중성자 발생부를 감싸도록 배치되어, 상기 중성자 발생부에서 발생된 상기 중성자를 감속시켜 열중성자로 변환시키는 감속부;를 더 포함하여,
    상기 열중성자가 상기 대상 및 비교 핵연료봉에 조사되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1,2 이송라인에서 상기 중성자 발생부로부터 조사되는 상기 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 입사되는 각각의 입사지점은,
    상기 제1 이송라인에서의 상기 중성자 에너지 및 플럭스(flux)와, 상기 제2 이송라인에서의 상기 중성자의 에너지 및 플럭스(flux)가 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 감마선 검출기에는 상기 감마선을 측정하도록 콜리메이터(collimator)가 장착된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 중성자 발생부는 중양성자-중양성자 또는 중양성자-삼중양성자 반응을 이용하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  7. 제2항에 있어서,
    두 개의 상기 감마선 검출기로부터 발생한 신호의 발생시간 및 일정크기 이상의 신호에 대한 플럭스를 측정하는 신호처리부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 감마선 검출기에서 발생한 신호를 증폭하는 전치 증폭기;
    상기 전치 증폭기에서 발생한 신호를 선형적으로 증폭하는 신호 증폭기;
    상기 신호 증폭기에 증폭된 신호 중 일정크기 이상의 신호를 출력하는 단채널 분석기;
    상기 전치 증폭기에서 발생된 신호의 발생시간에 대한 정보를 얻는 시간신호 증폭기;
    상기 중성자 펄스의 발생시간에 대한 정보를 얻는 중성자 펄스발생 신호부;
    상기 중성자 펄스발생 신호부에서 인출되는 중성자 펄스발생 신호를 처리하며, 상기 신호의 시간을 조절하는 펄스신호 처리부;
    상기 시간신호 증폭기와 펄스신호 처리부에서 각각 발생한 두 개의 신호가 동시에 들어온 경우 신호를 발생하는 동시 계수기; 및
    상기 동시 계수기에서 발생한 신호가 입사한 경우에 일정시간 동안 상기 단채널 분석기에서 발생한 출력신호의 수를 기록하는 카운터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 상기 중성자 펄스 발생시간과 일정시간차를 두는 신호를 수집하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 중성자에 의한 노이즈를 최소화하기 위해, 상기 중성자 펄스 발생시간과 신호수집 시간구간을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 비파괴 검사장치.
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