KR101339115B1 - Method for measuring delayed neutron in high frequency mode using neutron generator and system thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DT(deuterium-tritium) 중성자 발생기를 이용하여 고주파수 모드로 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법은, 중성자 발생부가 조사 중성자(interrogation neutron)를 생성하여 상기 사용후 핵연료 어셈블리에 조사하는 제 1 단계; 상기 조사 중성자가 조사된 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 조사 중성자 및 즉발 중성자(prompt neutron)가 소멸될 때까지 대기하는 제 2 단계; 상기 즉발 중성자 소멸 후 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 발생되는 지발 중성자를 중성자 검출부에서 측정하는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a method and a measurement system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly in a high frequency mode using a deuterium-tritium (DT) neutron generator.
A method for measuring late neutrons in a spent nuclear fuel assembly according to the present invention includes: a first step of neutron generating unit generating interrogation neutrons and irradiating the spent nuclear fuel assembly to the spent nuclear fuel assembly; A second step of waiting for irradiated neutrons and prompt neutrons to disappear from the spent fuel assembly to which the irradiated neutrons are irradiated; And a third step of measuring late neutrons generated in the spent fuel assembly after the instantaneous neutron disappearance in the neutron detector.

Description

중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템{METHOD FOR MEASURING DELAYED NEUTRON IN HIGH FREQUENCY MODE USING NEUTRON GENERATOR AND SYSTEM THEREOF}METHOD FOR MEASURING DELAYED NEUTRON IN HIGH FREQUENCY MODE USING NEUTRON GENERATOR AND SYSTEM THEREOF} Using a neutron generator to measure delayed neutrons in high frequency mode in a spent fuel assembly

본 발명은 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 핵분열성 물질을 분석하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중수소-삼중수소(deuterium-tritium, DT) 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 발생되는 지발 중성자를 고주파수 모드로 측정하는 방법 및 측정 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for analyzing fissile material in a spent fuel assembly using a neutron generator, and more particularly, in a spent fuel assembly using a deuterium-tritium (DT) neutron generator. The present invention relates to a method and a measuring system for measuring a late neutron generated in a high frequency mode.

일반적으로 사용후 핵연료의 물질에서, 핵물질의 양을 정확하게 측정하는 것은 핵 투명성을 보장하기 위해서 매우 중요하고, 이러한 사용후 핵연료 물질에서 핵분열성 물질을 결정하기 위해 중성자 발생기를 사용하여 지발 중성자(delayed neutron, DN)를 측정하고 있다.
In general, in spent fuel material, accurate measurement of the amount of nuclear material is very important to ensure nuclear transparency, and delayed neutrons are used using a neutron generator to determine fissile material in such spent fuel material. neutron, DN) is measured.

지발 중성자는 핵분열 때 방출되는 중성자 가운데서 분열의 순간이 아닌, 분열 후 단시간 내에 핵분열 파편의 방사성 붕괴에 수반되어 방출되는 중성자를 나타낸다.
Late neutrons represent neutrons that are released during nuclear fission, not with the moment of fission, but with the radioactive decay of fission fragments within a short time after fission.

이러한, 지발 중성자의 측정 기술은 지난 수년 동안 새로운 핵연료 검사 및 우라늄 물질 내 235U 물질의 분석을 위해 주로 사용된다. 지발 중성자의 근원으로는 핵분열 단편들의 베타 붕괴이고, 핵분열 직후 핵분열 단편들의 분포는 시간이 지남에 따라 감소한다.
This measurement technique of late neutrons has been used primarily for new fuel tests and analysis of 235 U materials in uranium materials over the past few years. The source of late neutrons is the beta decay of fission fragments, and the distribution of fission fragments shortly after fission decreases over time.

따라서, 핵분열 후 초기에 지발 중상자의 데이터 획득을 수행하는 것이 지발 중성자의 사용효율을 최대화할 수 있다. 지발 중성자 측정을 위한 대표적인 어플리케이션으로 LANL에서 셔플러(Shuffler)를 개발하였고, 이 시스템은『P.M. Rinard, "Shuffler Instrument for the Nondestructive Assay of Fissile Materials," Los Alamos National Laboratory Report, LA-12105 DE91 014281(1991)』에 나타낸 바와 같이, 우라늄 물질에 대한 측정 정확도가 높다.
Therefore, performing the data acquisition of the late heavy box in the early stage after fission can maximize the efficiency of use of the late neutron. Shuffler was developed at LANL as a representative application for delayed neutron measurement, and the system was developed by PM Rinard, "Shuffler Instrument for the Nondestructive Assay of Fissile Materials," Los Alamos National Laboratory Report, LA-12105 DE91 014281 ( 1991), the measurement accuracy for uranium material is high.

이러한 지발 중성자의 측정에 대한 주요 사항으로, (1) 252Cf와 같은 외부 중성자 선원(external neutron source)을 사용하여 중성자를 조사하고, (2) 조사 중성자(interrogation neutron) 및 즉발 중성자(prompt neutron)가 측정 시스템에서 사라질 때까지 대기하며, (3) 이후 지발 중성자의 측정을 시작하고, (4) 적절한 측정 오차가 나올 때까지 상기 측정 방식을 반복한다.
Key points for the measurement of these late neutrons include: (1) investigating neutrons using an external neutron source such as 252 Cf, and (2) interrogation neutrons and prompt neutrons. Wait until is disappeared from the measurement system, start measurement of late neutrons after (3), and (4) repeat the above measurement method until an appropriate measurement error is obtained.

또한, 지발 중성자 측정을 위한 종래의 지발 중성자 측정 시스템은, 252Cf의 붕괴 방식이 잘 알려져 있고, 시장 내 획득이 용이하며, 고 중성자 방사율이 높기 때문에, 252Cf를 활성 중성자 선원으로 사용하고 있다. 특히, 지발 중성자는 즉발 중성자에 비해 낮은 분포를 보이기 때문에, 허용가능한 오차를 획득하기 위하여 조사 선원의 높은 중성자 방사율을 필요로 한다.
In addition, the conventional delayed neutron measurement system for delayed neutron measurement uses 252 Cf as an active neutron source because the collapse method of 252 Cf is well known, easy to obtain in the market, and high neutron emissivity is high. In particular, delayed neutrons exhibit a lower distribution than immediate neutrons and therefore require high neutron emissivity of the irradiated source to obtain an acceptable error.

그러나, 이러한 지발 중성자 측정을 위한 252Cf 조사 선원은, 252Cf 조사 선원의 중성자 방사율이 감소하여 매 5년 단위로 새로운 것으로 교체해야 하는 단점이 있다. 또한, 252Cf 선원을 사용하는 측정 시스템에 있어서, 조사 제어를 위한 별도의 기계적인 구동 시스템이 필요하고, 또한, 252Cf 선원은 무거운 영구 차폐재가 필요하다는 단점이 있다.
However, the 252 Cf radiation source for the measurement of delayed neutron has a disadvantage that the neutron emissivity of the 252 Cf radiation source is reduced and must be replaced with a new one every 5 years. In addition, in a measurement system using a 252 Cf source, a separate mechanical drive system for irradiation control is required, and the 252 Cf source requires a heavy permanent shield.

또한, 저주파수 모드 또는 중수소-중수소(deuterium-deuterium, DD) 중성자 발생기를 이용하여 핵분열 물질의 농축도를 측정하는 기술과 관련하여, 공개특허공보 제2010-0119194호는 펄스형 DD 중성자 발생기를 이용한 핵연료봉 농축도 비파괴 검사방법에 관한 것으로, 핵물질 샘플을 수용하는 샘플홀더 모듈, 폴리에틸렌 재질로 이루어진 몸통부, 샘플 홀더 모듈을 싸도록 형성되는 중성자 검출기를 포함하고 있다. 그러나 이러한 종래 기술의 중성자 발생기에서 이용하는 DD(deuterium-deuterium) 반응은 DT(deuterium-tritium) 반응과 비교하여 수득률이 낮고, 또한 저주파수 모드에서의 지발 중성자 신호 획득 시 고주파수 모드에 비하여 손실이 발생된다.
In addition, in connection with a technique for measuring the concentration of nuclear fission material using a low frequency mode or a deuterium-deuterium (DD) neutron generator, Korean Patent Publication No. 2010-0119194 discloses a nuclear fuel rod using a pulsed DD neutron generator. The present invention relates to a nondestructive testing method for concentration, and includes a sample holder module for accommodating a nuclear material sample, a body portion made of polyethylene, and a neutron detector formed to enclose a sample holder module. However, the DD (deuterium-deuterium) reaction used in the neutron generator of the prior art has a lower yield compared to the deuterium-tritium (DT) reaction, and also causes loss compared to the high frequency mode when the delayed neutron signal is acquired in the low frequency mode.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 상기한 바와 같은 종래 기술에 나타낸 문제점을 해결하기 위한 것으로, DT(deuterium-tritium) 중성자 발생기를 조사 중성자 선원으로 사용함으로써, 중성자 발생기의 유지가 상대적으로 복잡하지 않고, 시간 제어가 편리하면서 수득률이 높은 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템의 제공을 목적으로 한다.
Therefore, the technical problem of the present invention is to solve the problems described in the prior art as described above, by using a DT (deuterium-tritium) neutron generator as the irradiation neutron source, the maintenance of the neutron generator is relatively complicated, It is an object of the present invention to provide a method and measurement system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly with convenient time control and high yield.

또한, 본 발명은 저주파수 모드에서의 신호획득에서 발생되는 지발 중성자 신호 손실을 줄이고, 중성자 발생기의 중성자 조사와 지발 중성자 신호 획득 주기를 최대한 작게 하도록 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정함으로써, 신호 획득을 최대화 할 수 있는 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템의 제공을 목적으로 한다.
The present invention also maximizes signal acquisition by reducing delayed neutron signal loss caused by signal acquisition in low frequency mode and measuring delayed neutrons in high frequency mode to minimize neutron irradiation and delayed neutron signal acquisition cycle of the neutron generator. To provide a method and measurement system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법은, 중성자 발생부가 조사 중성자(interrogation neutron)를 생성하여 상기 사용후 핵연료 어셈블리에 조사하는 제 1 단계; 상기 조사 중성자가 조사된 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 조사 중성자 및 즉발 중성자(prompt neutron)가 소멸될 때까지 대기하는 제 2 단계; 상기 즉발 중성자 소멸 후 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 발생되는 지발 중성자를 중성자 검출부에서 측정하는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, the method for measuring the late neutron in the spent nuclear fuel assembly according to the present invention, the neutron generator generates a first interrogation neutron (interrogation neutron) to irradiate the spent nuclear fuel assembly; A second step of waiting for irradiated neutrons and prompt neutrons to disappear from the spent fuel assembly to which the irradiated neutrons are irradiated; And a third step of measuring late neutrons generated in the spent fuel assembly after the instantaneous neutron disappearance in the neutron detector.

또한, 본 발명에 따른 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템은, 조사 중성자를 생성하여 상기 사용후 핵연료 어셈블리에 조사하는 중성자 발생부; 및 상기 조사 중성자가 조사된 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 핵분열 반응이 발생되어 즉발 중성자가(prompt neutron) 발생한 후, 발생되는 지발 중성자(delayed neutron)를 검출하는 적어도 하나의 중성자 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, a system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly according to the present invention includes: a neutron generator for generating irradiation neutrons and irradiating the spent fuel assemblies; And at least one neutron detector for detecting delayed neutrons generated after a nuclear fission reaction occurs in the spent nuclear fuel assembly to which the irradiated neutrons are irradiated to generate prompt neutrons. It is done.

본 발명의 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템에 따르면, DT(deuterium-tritium) 중성자 발생기를 조사 중성자 선원으로 사용함으로써, 중성자 발생기의 유지가 상대적으로 복잡하지 않고, 시간 제어가 편리하면서 수득률을 높일 수 있는 이점이 있다.
According to the method and measurement system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly of the present invention, by using a deuterium-tritium (DT) neutron generator as an irradiation neutron source, maintenance of the neutron generator is relatively complicated, and time control is There is an advantage to increase the yield while being convenient.

또한, 본 발명의 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법 및 측정 시스템에 따르면, 저주파수 모드에서의 신호획득에서 발생되는 지발 중성자 신호 손실을 줄이고, 중성자 발생기의 중성자 조사와 지발 중성자 신호 획득 주기를 최대한 작게 하도록 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정함으로써 신호 획득을 최대화할 수 있는 이점이 있다.
Further, according to the method and measurement system for measuring late neutrons in a spent nuclear fuel assembly of the present invention, it is possible to reduce late neutron signal loss caused by signal acquisition in a low frequency mode, and to reduce neutron irradiation and delayed neutron signal acquisition cycle of the neutron generator. There is an advantage in maximizing signal acquisition by measuring late neutrons in high frequency mode to make them as small as possible.

도 1은 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 측정 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 측정 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 0 - 10㎲ 조사 중성자 펄스로 몇몇 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 중성자 검출부의 시간 응답을 나타내는 예시도이다.
도 4는 DDA(differential die-away)와 지발 중성자 어플리케이션에서 조사 중성자 펄스 및 데이터 획득 대한 시간 제어를 나타내는 예시도이다.
도 5는 사용후 핵연료 어셈블리의 몇몇 다른 경우에 대한 시간 영역에서 지발 중성자 분포 변화를 나타내는 예시도이다.
도 6은 지발 중성자 데이터 취득의 반복 주기에 대한 시간 도표를 나타내는 예시도이다.
도 7은 0 - 10㎲의 조사 중성자 펄스로 2개의 다른 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 4개의 주요 관심 악티니드 동위원소의 유도된 핵분열 수의 시간 영역 변화를 나타내는 예시도이다.
도 8은 5%의 초기 농축도, 15GWD/MTU 연소 및 1년의 냉각 시간의 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 2개의 다른 주파수 모드로 획득한 지발 중성자의 축적된 분포를 나타내는 예시도이다.
도 9는 64개의 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 지발 중성자 측정 시스템에서 C1 및 C2 계수를 나타내는 예시도이다.
도 10은 64개의 간소화한 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 지발 중성자 계수율을 나타내는 예시도이다.
도 11은 MCNPX 코드를 사용하여 산출된 64개의 다른 경우에서의 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 지발 중성자 측정 시스템의 지발 중성자 계수율을 나타내는 예시도이다.
도 12는 64개의 다른 경우에서 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 지발 중성자 신호에서 238U의 영향을 나타내는 예시도이다.
도 13은 238U의 영향 정정 이전 및 이후의 64개의 다른 경우에서 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 지발 중성자 계수율을 나타내는 예시도이다.
도 14는 지발 중성자 측정을 위한 52개의 다른 경우에서 사용후 핵연료 어셈블리의 신호 대 배경비를 나타내는 예시도이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a measurement system for measuring late neutrons in a high frequency mode in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention.
2 is a perspective view illustrating a measurement system for measuring late neutrons in a high frequency mode in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention.
Figure 3 is an exemplary diagram showing the time response of the neutron detector to some spent fuel assemblies with 0-10 Hz irradiation neutron pulses.
4 is an exemplary diagram illustrating time control for irradiation neutron pulses and data acquisition in differential die-away (DDA) and delayed neutron applications.
5 is an exemplary diagram showing delayed neutron distribution changes in the time domain for some other cases of spent fuel assembly.
6 is an exemplary diagram showing a time chart for a repetition period of delayed neutron data acquisition.
FIG. 7 is an illustration showing the time domain variation of the induced fission number of the four major actinide isotopes of interest for two different spent fuel assemblies with an irradiated neutron pulse of 0-10 μs.
FIG. 8 is an illustration showing the cumulative distribution of late neutrons obtained in two different frequency modes for spent fuel assembly with an initial concentration of 5%, 15 GWD / MTU combustion, and 1 year cooling time.
9 is an exemplary diagram showing C1 and C2 coefficients in a late neutron measurement system for 64 spent fuel assemblies.
10 is an exemplary diagram showing delayed neutron counts for 64 simplified spent fuel assemblies.
FIG. 11 is an exemplary diagram showing the delayed neutron count rate of the delayed neutron measurement system for spent fuel assemblies in 64 different cases calculated using the MCNPX code.
FIG. 12 is an illustration showing the effect of 238 U on late neutron signals on spent fuel assembly in 64 different cases.
FIG. 13 is an exemplary diagram showing delayed neutron counts for spent fuel assemblies in 64 different cases before and after effect correction of 238 U. FIG.
14 is an illustration showing the signal-to-background ratio of the spent fuel assembly in 52 different cases for late neutron measurements.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 각 도면을 설명하면서 유사하거나 동일한 참조부호를 유사하거나 동일한 구성요소에 대해 사용하였다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In describing the drawings, similar or identical reference numerals are used for similar or identical components.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Also, the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

도 1은 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 측정 시스템을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 측정 시스템을 나타내는 사시도이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a measurement system for measuring late neutrons in a high frequency mode in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention, and FIG. 2 is a high frequency in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention. It is a perspective view which shows the measurement system which measures late neutron in mode.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정하는 측정 시스템은, 사용후 핵연료 어셈블리(10), 중성자 발생부(20) 및 중성자 검출부(30)를 포함할 수 있다.
1 and 2, a measurement system for measuring late neutrons in a high frequency mode in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention includes a spent fuel assembly 10, a neutron generator 20 and The neutron detector 30 may be included.

본 실시형태에서는, 예컨대 사용후 핵연료 어셈블리(10)는 17×17의 크기로, 초기 농축도(IE)의 범위는 2, 3, 4, 5%, 연소도(BU)의 범위는 15, 30, 45 및 60GWD/MTU, 냉각 시간(CT)의 범위는 1, 5, 20 및 80년으로 설정할 수 있다. 또한, 사용후 핵연료 어셈블리(10)의 핵분열성 물질은 유효 239Pu 질량과 관련될 수 있고, 특히 사용후 핵연료 어셈블리(10)의 대부분의 질량이 238U이므로, 본 발명에서는 238U의 핵분열로부터 나타나는 지발 중성자(delayed neutron) 신호의 영향도 고려될 수 있다.
In this embodiment, for example, the spent fuel assembly 10 has a size of 17 × 17, the initial concentration (IE) is in the range of 2, 3, 4, 5%, and the burnability (BU) is in the range of 15, 30. , 45 and 60 GWD / MTU, cooling time (CT) can be set to 1, 5, 20 and 80 years. In addition, the fissile material of the spent fuel assembly 10 may be related to an effective 239 Pu mass, and in particular, since most of the mass of the spent fuel assembly 10 is 238 U, it appears from the nuclear fission of 238 U in the present invention. The influence of delayed neutron signals may also be considered.

중성자 발생부(20)는 조사 중성자를 발생하여 사용후 핵연료 어셈블리(10)에 발생된 조사 중성자를 조사한다. 이 중성자 발생부(20)는 조사 중성자로 DT(deuterium-tritium) 중성자를 발생하는 DT 중성자 발생기(201), DT 중성자 발생기(201)의 외측에 배치되는 제 1 스펙트럼 조절재(202) 및 제 1 스텍트럼 조절재의 외측에 배치되는 제 2 스트럼 조절재(203)를 포함할 수 있다.
The neutron generator 20 generates irradiation neutrons to irradiate the irradiation neutrons generated in the spent fuel assembly 10. The neutron generator 20 includes a DT neutron generator 201 that generates DT (deuterium-tritium) neutrons as irradiation neutrons, a first spectrum control material 202 and a first spectrum regulator disposed outside the DT neutron generator 201. It may include a second strum adjuster 203 disposed outside the spectrum adjuster.

DT 중성자 발생기(201)에서는 14.1MeV의 고 에너지 중성자를 방출한다. DT 반응(deuterium-tritium reaction)은 DD 반응(deuterium-deuterium reaction)에 비하여 수득률(yield)이 50-100배 정도 높다.
DT neutron generator 201 emits a high energy neutron of 14.1 MeV. The DT reaction (deuterium-tritium reaction) is about 50-100 times higher yield (yiield) than the DD reaction (deuterium-deuterium reaction).

또한, DT 중성자 발생기(201)에서 방출되는 방출 에너지가 14.1MeV로 매우 높기 때문에 사용후 핵연료 어셈블리(10)에서 핵분열성 물질을 측정할 수 있도록, DT 중성자 발생기(201)의 외측에는 텅스텐(W) 재질의 제 1 스펙트럼 조절재(202)와 이 제 1 스펙트럼 조절재(202)의 외측에 베릴륨(Be) 재질의 제 2 스펙트럼 조절재(203)가 설치된다. 따라서, DT 중성자 발생기(201)에서 발생되는 DT 중성자 소스가 이 스펙트럼 조절재(202, 203)와 충돌 및 반응에 의해 1MeV 이하로 감소된다. 특히, 238U의 핵분열이 유도되는 확률이 1MeV 이하의 에너지 영역에서는 현저히 감소되기 때문에 방출 에너지를 1MeV 이하로 낮추는 것이 중요하다.
In addition, since the emission energy emitted from the DT neutron generator 201 is very high, at 14.1 MeV, tungsten (W) is disposed outside the DT neutron generator 201 so that the fissile material can be measured in the spent fuel assembly 10. A first spectrum adjuster 202 made of material and a second spectrum adjuster 203 made of beryllium (Be) are provided outside the first spectrum adjuster 202. Thus, the DT neutron source generated in the DT neutron generator 201 is reduced to 1 MeV or less by collisions and reactions with the spectrum modifiers 202 and 203. In particular, it is important to lower the emission energy to 1 MeV or less because the probability of fission of 238 U is significantly reduced in the energy region of 1 MeV or less.

중성자 검출부(30)는 중성자 발생부(20)에서 조사된 조사 중성자가 사용후 핵연료 어셈블리(10)에서 핵분열 반응이 발생하여 즉발 중성자(prompt neutron)가 발생하여 소멸한 후, 발생되는 지발 중성자(delayed neutron)를 검출한다.The neutron detection unit 30 is a delayed neutron generated after the irradiated neutron irradiated from the neutron generator 20 generates a nuclear fission reaction in the spent fuel assembly 10 and promptly neutrons are generated and extinguished. neutron).

이 중성자 검출부(30)에는 사용후 핵연료 어셈블리(10)의 외측에 배치되는 납(Pb) 재질의 차폐재(40)에 4개가 설치된다.
Four neutron detectors 30 are provided in the shield 40 made of lead (Pb) material disposed outside the spent nuclear fuel assembly 10.

각각의 중성자 검출부(30)는 사용후 핵연료 어셈블리(10)에서 방출되는 지발 중성자를 검출하도록 직경이 3/4인치, 길이가 2인치로 형성되는 3He 검출기(301)를 포함할 수 있다.
Each neutron detector 30 may include a 3 He detector 301 that is 3/4 inch in diameter and 2 inches in length to detect late neutrons emitted from the spent fuel assembly 10.

3He 검출기(301)는 두께가 0.1㎝인 Cd 라이너(liner)(303)로 덮혀 있는 폴리에틸렌(polyethylene) 재질의 감속재(302) 내에 배치된다. 또한, 차폐재(40) 및 중성자 발생부(20)와 사용후 핵연료 어셈블리(10) 사이에도 Cd 라이너(303')가 배치된다.
The 3 He detector 301 is disposed in a moderator 302 of polyethylene material covered with a Cd liner 303 having a thickness of 0.1 cm. In addition, a Cd liner 303 ′ is disposed between the shield 40 and the neutron generator 20 and the spent fuel assembly 10.

특히, 3He 검출기(301)를 덮고 있는 Cd 라이너(303)는 DDA(differential die-away) 중성자를 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 지발 중성자 측정 시스템에서는 이 DDA 중성자 및 지발 중성자 측정의 이중 또는 결합된 적용을 가질 수 있다.In particular, the Cd liner 303 covering the 3 He detector 301 can measure differential die-away (DDA) neutrons. Thus, the delayed neutron measurement system of the present invention may have a dual or combined application of this DDA neutron and delayed neutron measurement.

또한, 3He 검출기(301)는 사용후 핵연료 어셈블리(10)에서 발생되는 지발 중성자에 대한 신호를 100Hz의 고주파수로 5㎳에서 10㎳동안 획득한다.
In addition, the 3 He detector 301 acquires a signal for the late neutron generated from the spent fuel assembly 10 for 5 to 10 Hz at a high frequency of 100 Hz.

이하, 본 발명에 따른 중성자 발생기를 이용하여 사용후 핵연료 어셈블리에서 고주파수 모드로 지발 중성자의 측정에 대한 일 예에 대해서 설명한다.
Hereinafter, an example of measuring late neutrons in a high frequency mode in a spent fuel assembly using a neutron generator according to the present invention will be described.

도 3은 0 - 10㎲ 조사 중성자 펄스로 몇몇 사용후 핵연료 어셈블리(10)에 대한 중성자 검출부(30)의 시간 응답을 나타내는 예시도이고, 도 4는 DDA(differential die-away)와 지발 중성자 적용에서 조사 중성자 펄스 및 데이터 획득에 대한 시간 제어를 나타내는 예시도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, DT 중성자 조사 펄스(interrogation neutron pulse)의 시간 간격은 0에서 10㎲이다.
FIG. 3 is an illustration showing the time response of the neutron detector 30 to some spent fuel assemblies 10 with 0-10 μs irradiated neutron pulses, and FIG. 4 in differential die-away (DDA) and delayed neutron applications. An illustration showing time control for irradiation neutron pulses and data acquisition. As shown in the figure, the time interval of DT interrogation neutron pulses is 0 to 10 ms.

조사 중성자들은 급격히 소멸되었고, 즉발 중성자의 분포는 3 - 5㎳ 범위에서 지발 중성자의 수준으로 하강한다. 즉발 중성자와 지발 중성자의 중첩 시간은 사용후 핵연료 어셈블리(10)의 핵분열성 물질에 좌우될 수 있다. 또한, 조사 중성자 펄스와 즉발 중성자 및 지발 중성자의 데이터 획득을 위한 적절한 시간 제어를 통해, 중성자 검출부(30)는 DDA와 지발 중성자 두 가지 모두를 위해 사용될 수 있다.
Irradiated neutrons disappeared rapidly, and the distribution of the immediate neutrons dropped to the level of late neutrons in the range of 3-5 ms. The overlapping time of the immediate neutron and the late neutron may depend on the fissile material of the spent fuel assembly 10. In addition, through proper time control for data acquisition of irradiated neutron pulses and immediate neutrons and late neutrons, the neutron detector 30 can be used for both DDA and late neutrons.

시간 제어는 다음과 같다. 조사 중성자 펄스는 0에서 10㎲ 시간 동안 생성되고, 중성자 발생부(20)로부터의 중성자와 238U의 유도된 핵분열이 열 중성자화 될 때까지 대기한다. 이후, DDA를 위해 0.2㎳에서 1㎳까지의 데이터 획득을 수행한다. 이 구간 동안 감지된 중성자의 대부분은 핵분열성 동위원소의 핵분열이 유도되어 나타나는 고속 중성자이다. 이후, 즉발 중성자가 소멸될 때까지 대기하고, 5㎳에서 10㎳동안 지발 중성자에 대한 데이터 획득을 수행하며, 이 시간 구간은 100Hz의 주파수로 300초 동안 반복될 수 있다. 따라서, 총 주기 수는 30,000이 될 수 있다.
The time control is as follows. The irradiated neutron pulses are generated for 0 to 10 ms and wait until the neutrons from the neutron generator 20 and the induced nuclear fission of 238 U are thermal neutronized. Thereafter, data acquisition from 0.2 ms to 1 ms is performed for DDA. Most of the neutrons detected during this interval are high-speed neutrons that are induced by fission of fissile isotopes. Thereafter, it waits for the instant neutron to disappear, and performs data acquisition for the late neutron for 5 kHz to 10 kHz, which may be repeated for 300 seconds at a frequency of 100 Hz. Thus, the total number of cycles may be 30,000.

보통 지발 중성자의 근원은 87Br과 같은 핵분열 파편의 붕괴로 나타날 수 있다. 87Br의 붕괴 딸핵종인 87Kr은 87Br의 붕괴 직후 중성자를 방출하고, 86Kr로 안정화된다. 이것은 핵분열이 일어난 후 다양한 지발 중성자 모핵의 예가 될 수 있다. 지발 중성자 모핵은 6개 또는 8개의 그룹으로 분할될 수 있는데, 각각의 그룹은 고유의 반감기 특성을 갖게 된다.
Usually, the origin of late neutrons can be attributed to the disruption of fission fragments such as 87 Br. Species, the collapse of the 87 Br ttalhaek Kr 87 is released immediately after the collapse of the neutrons 87 Br, and are stabilized with 86 Kr. This may be an example of various late neutron nuclei after fission has occurred. The late neutron nucleus can be divided into six or eight groups, each group having its own half-life characteristics.

이러한 지발 중성자의 에너지는 일반적으로 0.5MeV 이하이다. 따라서, 본 발명에서는, 지발 중성자의 모핵 중 8개 그룹의 데이터 모음을 사용하여 4개의 주요 관심 악티니드 동위원소(actinide isotopes)에 대한 각 그룹에서, 그룹 붕괴 정수 및 지발 중성자 비율(delayed neutron fraction), βi를 다음의 표 1에 나타낸다.The energy of these late neutrons is generally below 0.5 MeV. Thus, in the present invention, the group decay constant and delayed neutron fraction, in each group for the four main actinide isotopes using a collection of eight groups of parental neutrophils, βi is shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure 112012006516241-pat00001
Figure 112012006516241-pat00001

여기서, 235U의 지발 중성자 신호에 대한 기여(contribution)가 동일한 양의 다른 핵종의 기여보다 더 큰 것을 알 수 있다. 지발 중성자의 수가 모핵 붕괴와 같이 감소하였는데, 이것은 지발 중성자 모핵과 지발 중성자의 분포가 핵분열 발생 직후 최대가 됨을 나타낸다.
Here, it can be seen that the contribution to the late neutron signal of 235 U is greater than the contribution of other nuclides in the same amount. The number of late neutrons decreased with the collapse of the parental nucleus, indicating that the distribution of the late neutron nuclei and late neutrons peaked immediately after fission.

도 5는 0에서 10㎲의 중성자 조사 펄스와 함께 사용후 핵연료 어셈블리의 각기 다른 3개의 경우에 대한 시간 영역에서 지발 중성자의 분포 변화를 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 지발 중성자의 분포가 시간이 갈수록 낮아진다.
FIG. 5 shows the distribution of delayed neutrons in the time domain for three different cases of spent fuel assembly with neutron irradiation pulses from 0 to 10 Hz. As shown in the figure, the distribution of late neutrons decreases with time.

이러한 지발 중성자 데이터 획득을 수행하는 방식에 대해 종래에는, 단시간 내 중성자를 조사하고 중성자 소스를 제거하며, 즉발 중성자가 소멸되기를 대기한다. 이 후, 1 - 2초 동안 중성자 조사 및 지발 중성자를 측정한 뒤 1초 내 지발 중성자 측정을 시작하고, 적절한 오차를 얻도록 특정 시간 동안 이 주기를 반복한다. 이러한 방식의 종래 방식에서는 235Cf 소스의 기계적 구동 시스템으로 인해 조사와 지발 중성자 측정 시작 사이의 시간 간격이 필요하지만, 본 발명에서와 같이, 중성자 발생기(301)를 채용함으로써 이러한 시간 간격은 1000분의 1의 간격으로 감소될 수 있고, 또한, 지발 중성자에 대한 초기 측정이 이루어지는 것이 가능하다. 이것은 종래의 방식과 비교하여 지발 중성자 측정에 대한 높은 주파수 데이터 획득이 이루어질 수 있음을 의미한다.
Conventionally, for such delayed neutron data acquisition, neutrons are irradiated in a short time, the neutron source is removed, and the immediate neutrons are waited for to disappear. After this, neutron irradiation and late neutron measurement for 1 to 2 seconds, delayed neutron measurement is started within 1 second, and this cycle is repeated for a specific time to obtain an appropriate error. In this conventional manner, the mechanical drive system of the 235 Cf source requires a time interval between irradiation and the start of delayed neutron measurement, but as in the present invention, by employing the neutron generator 301, this time interval is 1000 minutes. It can be reduced at intervals of 1, and it is also possible that an initial measurement for late neutrons is made. This means that high frequency data acquisition for late neutron measurements can be made as compared to conventional methods.

지발 중성자 측정은 지발 중성자가 본질적으로 낮은 분포를 보이기 때문에 적절한 오차를 얻기 위해 반복적인 방법으로 수행된다. 도 6은 지발 중성자 데이터 획득을 반복적으로 수행하는 시간 도표를 나타낸다. 여기에서, Ai는 ith 주기에서 획득된 지발 중성자 신호이다. 따라서, nth 주기 후에 축적된 지발 중성자 신호는 다음 식(1)에 의해 도출될 수 있다.The delayed neutron measurement is performed in an iterative manner to obtain an appropriate error since the delayed neutrons have an inherently low distribution. 6 shows a time chart of repeatedly performing delayed neutron data acquisition. Here, A i is a late neutron signal obtained in the i th period. Therefore, the late neutron signal accumulated after the n th period can be derived by the following equation (1).

[식 1][Formula 1]

Figure 112012006516241-pat00002

Figure 112012006516241-pat00002

도 7은 0 - 10㎲의 조사 중성자 펄스로 사용후 핵연료 어셈블리의 두 개의 다른 경우의 4개의 주요 관심 악티니드 동위원소에 대한 유도된 핵분열의 수의 시간 영역 변화를 나타낸다.
FIG. 7 shows the time domain variation of the number of induced fissions for the four major actinide isotopes of two different cases of spent fuel assembly with an irradiated neutron pulse of 0-10 μs.

여기에서 대부분의 유도된 핵분열은 중성자 조사가 시작되어 즉발 중성자와 지발 중성자가 중첩되는 시간, 약 4 - 5㎳동안 일어난다. 5㎳ 이후에 유도된 핵분열은 지발 중성자로 인해서 나타난다. 지발 중성자 모핵 그룹의 반감기가 5㎳보다 월등히 긴 100㎳를 넘기 때문에 즉발 중성자 소멸 시간 구간, 0 - 5㎳ 동안 즉발 중성자 모핵의 분포가 크게 변하지 않는다고 가정할 수 있다.
Most of the induced fission here occurs during the time when neutron irradiation begins and the instant neutrons and late neutrons overlap, about 4-5 ㎳. Nuclear fission induced after 5 μs is due to late neutrons. Since the half-life of the delayed neutron hair group exceeds 100 ms, which is significantly longer than 5 ms, it can be assumed that the distribution of the immediate neutron nuclei does not change significantly during the instant neutron decay time interval, 0-5 ms.

1주기 동안 획득된 각 악티니드 핵종의 jth 그룹 모핵에 대한 지발 중성자 계수는 다음 식(2)에 의해 도출될 수 있다.The late neutron coefficient for the j th group mother nucleus of each actinide nuclide obtained during one cycle can be derived by the following equation (2).

[식 2][Formula 2]

Figure 112012006516241-pat00003
Figure 112012006516241-pat00003

여기에서 F는 각 악티니드 핵종의 유도된 핵분열의 수이고, ε는 지발 중성자에 대한 검출 효율이고, βj 및 λj는 각각 지발 중성자 비율과 jth 그룹 모핵에 대한 붕괴 정수를 나타낸다. tDA는 지발 중성자에 대한 데이터 획득 시간이다.
Where F is the number of induced fissions of each actinide nuclide, ε is the detection efficiency for late neutrons, and β j and λ j represent the latent neutron ratio and decay constant for the j th group parent, respectively. t DA is the data acquisition time for late neutrons.

또한, 각 악티니드 핵종에 대한 n 주기 후 축적된 지발 중성자 계수는 다음 식(3)에 의해 도출될 수 있다.In addition, the late neutron coefficient accumulated after n cycles for each actinide nuclide can be derived by the following equation (3).

[식 3][Equation 3]

Figure 112012006516241-pat00004
Figure 112012006516241-pat00004

여기에서, T는 한 주기에 대한 구간 시간이다.
Here, T is the edge time for one cycle.

식 (3)을 사용하여 지발 중성자의 축적된 분포를 계산할 수 있다. 고주파수 모드에서 지발 중성자 측정을 위한 데이터 획득 체계는, 먼저 중성자 발생 펄스폭은 10㎲이고, 조사 중성자 및 즉발 중성자가 사라지기까지 4.99㎳동안 대기한다. 이후, 5 - 10㎳동안 지발 중성자에 대한 데이터 획득을 수행하고, 100Hz의 주파수로 300초 동안 이 주기를 반복한다. 따라서, 총 주기 수는 30,000이다.
Equation (3) can be used to calculate the cumulative distribution of late neutrons. In the high frequency mode, the data acquisition system for delayed neutron measurement first has a neutron generation pulse width of 10 ms and waits for 4.99 ms for the irradiation neutron and the immediate neutron to disappear. The data acquisition for late neutrons is then performed for 5-10 Hz, and this cycle is repeated for 300 seconds at a frequency of 100 Hz. Thus, the total number of cycles is 30,000.

지발 중성자 계수를 취득하기 위한 종래 방식은 0 - 0.9초의 중성자 조사, 0.1초의 지연시간, 1초의 지발 중성자 측정과 함께 저주파수 모드로 수행되었다. 이 저주파수 모드에 대한 구간 시간은 2초(예를 들어, 0.5Hz)이고 총 주기 수는 300초 동안 150이다.
Conventional schemes for obtaining late neutron coefficients were performed in low frequency mode with neutron irradiation of 0-0.9 seconds, delay time of 0.1 seconds, and delayed neutron measurements of 1 second. The edge time for this low frequency mode is 2 seconds (eg 0.5 Hz) and the total number of cycles is 150 for 300 seconds.

도 8은 5%의 초기 농축도(IE), 15GWD/MTU 연소도(BU), 1년의 냉각 시간으로 사용후 핵연료 어셈블리에 대한 두 개의 다른 주파수 모드에서 획득된 지발 중성자의 축적된 분포를 나타낸다.
FIG. 8 shows the cumulative distribution of late neutrons obtained in two different frequency modes for spent fuel assembly with an initial concentration of 5% (IE), 15 GWD / MTU burnup (BU), and 1 year of cooling time. .

이 결과는 MCNPX 코드를 사용하여 획득하였다. 이 결과 지발 중성자의 축적된 분포가 150~200초 범위에서 포화되고, 따라서 300초의 전체 데이터 획득 시간이 축적된 지발 중성자의 포화 값을 찾아내기에 충분히 크다는 것을 알 수 있다. 고주파수 모드(100Hz)에서 획득된 지발 중성자의 축적된 분포는 저주파수 모드(0.5Hz)에서 획득된 지발 중성자의 축적된 분포보다 3.25배 높다.
This result was obtained using the MCNPX code. As a result, it can be seen that the accumulated distribution of late neutrons is saturated in the range of 150 to 200 seconds, so that the total data acquisition time of 300 seconds is large enough to find the saturated neutron saturation value. The accumulated distribution of late neutrons obtained in the high frequency mode (100 Hz) is 3.25 times higher than the accumulated distribution of late neutrons obtained in the low frequency mode (0.5 Hz).

이것은, 고주파수 모드에서 지발 중성자 비율의 더 높은값을 획득하고 지발 중성자 데이터 획득 효율을 최대화할 수 있는 것을 나타낸다. 이러한 결과를 위해서 사용된 어셈블리에 포함된 각 핵종의 질량은, 238U- 439,634g, 235U- 15,684g, 239Pu-1,818g, 241Pu-146g이다.
This indicates that in the high frequency mode, higher values of late neutron ratios can be obtained and the late neutron data acquisition efficiency can be maximized. The mass of each nuclide included in the assembly used for this result is 238 U-439,634 g, 235 U-15,684 g, 239 Pu-1,818 g and 241 Pu-146 g.

또한, 235U의 지발 중성자 신호 기여는 지발 중성자 비율이 상대적으로 높은 값이기 때문에 나머지 다른 세 개의 핵종보다 매우 크게 나타남을 알 수 있다. 도 8에서 주목해야 될 사항은 사용후 핵연료 어셈블리 내에 상대적으로 많은 238U의 양으로 인하여 지발 중성자 신호에 대한 238U의 기여를 무시하지 못하고, 239Pu 또는 241Pu의 기여보다 238U의 기여가 크다는 것이다.
In addition, the late neutron signal contribution of 235 U is significantly higher than the other three nuclides because the late neutron ratio is a relatively high value. It should be noted in FIG. 8 that the relatively high amount of 238 U in the spent fuel assembly does not ignore the contribution of 238 U to the late neutron signal, and that the contribution of 238 U is greater than that of 239 Pu or 241 Pu. will be.

이것은, 지발 중성자의 측정에 의해 사용후 핵연료 어셈블리에 포함된 핵분열성 질량의 정확한 양을 결정하기 위해서 지발 중성자 계수에서 238U의 영향이 고려되어야 할 필요가 있다는 것을 의미한다.
This means that the influence of 238 U on the late neutron coefficient needs to be considered to determine the exact amount of fissile mass contained in the spent fuel assembly by measurement of late neutrons.

지발 중성자 신호에 기여하는 3개의 주요한 핵분열성 핵종은 235U, 239Pu 및 241Pu이다. 사용후 핵연료 어셈블리(10)에 포함된 총 핵분열성 물질은 유효 239Pu 질량, 239Pueff로 정의될 수 있다.
The three main fissile nuclides that contribute to late neutron signaling are 235 U, 239 Pu, and 241 Pu. The total fissile material contained in the spent fuel assembly 10 may be defined as an effective 239 Pu mass, 239 Pu eff .

239Pueff _ DN의 개념은 지발 중성자 기술을 사용함으로써 실제 샘플에서 모든 핵분열성 동위원소로부터 획득된 동일한 반응을 주는 239Pu의 질량을 나타내고, 이것은 다음에 식 (4)에 의해 도출될 수 있다.The concept of 239 Pue ff _ DN represents the mass of 239 Pu giving the same reaction obtained from all fissile isotopes in a real sample by using delayed neutron technology, which can then be derived by equation (4).

[식 4][Formula 4]

Figure 112012006516241-pat00005
Figure 112012006516241-pat00005

여기에서, 235U, 239Pu 및 241Pu는 사용후 핵연료 어셈블리(10)에 포함된 각각의 핵분열성 동위원소의 질량이고, C1 및 C2는 각각 235U 및 241Pu에 대한 계수(coefficients)이다. 이들 계수는 239Pu의 단위 질량의 상대적 신호 기여와 비교하여 235U 및 241Pu 동위원소의 단위 질량의 상대적 신호 기여로 정의될 수 있다.
Where 235 U, 239 Pu and 241 Pu are the mass of each fissile isotope included in the spent fuel assembly 10, and C 1 and C 2 are the coefficients for 235 U and 241 Pu, respectively. to be. These coefficients can be defined as the relative signal contributions of the unit masses of the 235 U and 241 Pu isotopes compared to the relative signal contributions of the unit mass of 239 Pu.

각 동위원소의 지발 중성자 신호 기여인, DNSC(Delayed Neutron Signal Contribution)는, 다음 식(5)에 의해 도출될 수 있다.Delayed Neutron Signal Contribution (DNSC), which is a late neutron signal contribution of each isotope, can be derived by the following equation (5).

[식 5][Formula 5]

Figure 112012006516241-pat00006
Figure 112012006516241-pat00006

여기에서, F와 ε은 MCNPX 코드를 사용하여 획득된다.
Here, F and ε are obtained using the MCNPX code.

따라서, C1과 C2계수는 다음 식(6) 및 식(7)을 통해 도출될 수 있다.Therefore, the C 1 and C 2 coefficients can be derived through the following equations (6) and (7).

[식 6][Formula 6]

Figure 112012006516241-pat00007

Figure 112012006516241-pat00007

[식 7][Equation 7]

Figure 112012006516241-pat00008

Figure 112012006516241-pat00008

도 9는 사용후 핵연료 어셈블리의 64개의 다른 경우에 대한 지발 중성자 측정 시스템의 C1 및 C2계수를 나타낸다. 도 9에 나타난 바와 같이, 239Pu의 상대적인 기여와 비교하여 235U 및 241Pu의 상대적인 기여는 높은 연소도, 낮은 초기 농축도, 그리고 긴 냉각 시간의 경우에 대해 더 중요하다는 것을 알 수 있다.
9 shows the C 1 and C 2 coefficients of the delayed neutron measurement system for 64 different cases of spent fuel assembly. As shown in FIG. 9, it can be seen that the relative contribution of 235 U and 241 Pu compared to the relative contribution of 239 Pu is more important for the case of high burnup, low initial concentration, and long cooling time.

C1 및 C2 계수의 개념을 규정하기 위해서, 사용후 핵연료 어셈블리(10)에서 238U, 3개의 주요한 동위원소들 및 산화물을 제외하고 다른 나머지 핵종을 제거함으로써 간소화한 사용후 핵연료 케이스들이 만들어진다. 이렇게 함으로써, 지발 중성자 신호에 다른 악티니드 또는 핵분열 생산 핵종의 영향을 배제할 수 있다.
To define the concept of the C 1 and C 2 coefficients, simplified spent fuel cases are made by removing 238 U, the three major isotopes and the other remaining nuclides in the spent fuel assembly 10. By doing so, it is possible to exclude the influence of other actinides or fission producing nuclides on late neutron signals.

간소화한 사용후 핵연료 어셈블리의 64개의 경우에 대한 지발 중성자 계수율을 도 10에 나타낸다. 여기에서 DT 중성자 발생기(301)의 강도는 1010n/s, 조사 펄스의 폭은 10㎲, 지발 중성자 측정 시간 폭은 5㎳(조사 펄스 이후 지연 시간이 4.99㎳), 한 주기의 기간은 10㎳이다.
The delayed neutron counts for 64 cases of the simplified spent fuel assembly are shown in FIG. 10. Here, the intensity of the DT neutron generator 301 is 10 10 n / s, the width of the irradiation pulse is 10 ms, the delayed neutron measurement time width is 5 ms (the delay time after the irradiation pulse is 4.99 ms), and the period of one cycle is 10 .

이 주기는 300초 동안 반복하여, 총 주기 수는 30,000이다. 여기에서, 세 개의 핵분열성의 동위원소가 다양하게 구성된 여러 다른 경우에 대해 239Pueff _ DN의 비교량이 지발 중성자 계수 비율과 유사한 규모임을 확인할 수 있다. 이것은 C1 및 C2계수에 대한 개념과 Pueff _ DN의 정의가 유효하다는 것을 의미한다.
This cycle is repeated for 300 seconds, with a total number of cycles of 30,000. Here, it can be seen that, for several different cases of three fissile isotopes, the comparative amount of 239 Pu eff _ DN is similar to the late neutron count ratio. This means that the concept of the C 1 and C 2 coefficients and the definition of Pu eff _ DN are valid.

<MCNPX 시뮬레이션 결과><MCNPX Simulation Results>

도 11은 MCNPX 코드를 사용하여 산출된 사용후 핵연료 어셈블리의 64개의 다른 경우에 대한 지발 중성자 측정 시스템의 지발 중성자 계수율을 나타낸다. 조사 중성자의 강도 및 데이터 획득 상태는 간소화한 경우와 동일하다.
FIG. 11 shows the delayed neutron counts of the delayed neutron measurement system for 64 different cases of spent fuel assembly calculated using the MCNPX code. The intensity and data acquisition state of the irradiation neutron are the same as in the simplified case.

도 11에 나타낸 바와 같이, 간소화된 경우는 5% 초기 농축도, 45 GWD/MTD의 연소도, 그리고 1년의 냉각 시간을 포함한다. 이 간소화한 사용후 핵연료 어셈블리의 지발 중성자 신호는 사용후 핵연료에 다른 악티니드 및 핵분열 생산 핵종의 삽입에 의해 현저하게 감소될 수 있다. 지발 중성자 계수율에서 이러한 큰 감소는 240Pu, 241Am, 155Gd 등과 같은 이들 동위원소의 중성자 흡수 효과에 기인한다.As shown in FIG. 11, the simplified case includes a 5% initial concentration, a burnup of 45 GWD / MTD, and a 1 year cooling time. The delayed neutron signal of this simplified spent fuel assembly can be significantly reduced by the insertion of other actinides and fission producing nuclides into the spent fuel. This large decrease in late neutron count is due to the neutron absorption effects of these isotopes such as 240 Pu, 241 Am, 155 Gd, and the like.

지발 중성자 신호에 미치는 238U 핵종의 영향은 식 (5)를 사용하여 산출될 수 있다.
The effect of the 238 U nuclide on the late neutron signal can be calculated using Eq. (5).

사용후 핵연료 어셈블리의 64개의 다른 경우에 대한 결과를 도 12에 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 이들 영향은 사용후 핵연료의 238U의 상대적으로 높은 함량 때문에 낮은 초기 농축도, 높은 연소도, 그리고 긴 냉각 시간의 경우들에 대해 더 크게 나타난다.
Results for 64 different cases of spent fuel assembly are shown in FIG. 12. As shown in the figure, these effects are greater for cases of low initial concentration, high burnup, and long cooling time due to the relatively high content of 238 U of spent nuclear fuel.

238U의 영향에 대해 정정된 지발 중성자 계수율을 도 13에 나타낸다. 이 정정 처리는 지발 중성자 측정에 의해 사용후 핵연료 어셈블리의 전체 핵분열의 물질을 결정하기 위해 필요하다. 그러나, 사용후 핵연료 어셈블리는 자체가 매우 강한 중성자 방출 선원이고, 이 배경 중성자(background neutron)의 대부분이 Cm 동위원소의 자발적인 핵분열에 기인한다.
The delayed late neutron count is corrected for the effect of 238 U in FIG. 13. This correction process is necessary to determine the material of the total fission of the spent fuel assembly by delayed neutron measurements. However, spent fuel assemblies are themselves very strong neutron emitters, and most of this background neutron is due to spontaneous fission of the Cm isotope.

사용후 핵연료 어셈블리 경우에 대한 배경 계수율(background count rates)은 MCNPX 코드를 사용하여 산출되고, 1010n/s 강도의 조사 중성자와 함께 지발 중성자 측정을 위한 사용후 핵연료 어셈블리의 52개의 경우의 배경비(background ratio)에 대한 신호를 도 14에 나타낸다.Background count rates for the spent fuel assembly case are calculated using the MCNPX code, and the background ratios of 52 cases of the spent fuel assembly for late neutron measurements with irradiation neutrons of 10 10 n / s intensity The signal for (background ratio) is shown in FIG.

도 14에서는, 2% IE의 8개의 경우와 3% IE의 4개의 경우는, 실재하지 않으므로 이 분석을 위해 제외되었고, 도면을 통하여 사용후 핵연료 어셈블리의 여러 경우에 대해 배경 중성자를 능가하기 위한 보다 강한 중성자 선원이 필요하다는 것을 알 수 있다.
In FIG. 14, eight cases of 2% IE and four cases of 3% IE were excluded for this analysis because they do not exist, and are shown to exceed background neutrons for several cases of spent fuel assembly through the figure. It can be seen that a strong neutron source is needed.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 DT(deuterium-tritium) 중성자 발생기를 조사 중성자 선원으로 사용하고, 고주파수 모드로 지발 중성자를 측정함으로써 신호 획득을 최대화할 수 있는 특징이 있다.
As described above, in the present invention, a DT (deuterium-tritium) neutron generator is used as an irradiation neutron source, and the delayed neutron is measured in a high frequency mode to maximize signal acquisition.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 사용후 핵연료 어셈블리 20 : 중성자 발생부
30 : 중성자 검출부 40 : 차폐재
201 : DT(deuterium-tritium) 중성자 발생기
202 : 제 1 스펙트럼 조절재 203 : 제 2 스펙트럼 조절재
301 : 3He 검출기 302 : 감속재
303, 303' : Cd 라이너
10: spent fuel assembly 20: neutron generator
30: neutron detection unit 40: shielding material
201: DT (deuterium-tritium) neutron generator
202: first spectrum modifier 203: second spectrum modifier
301: 3 He detector 302: moderator
303, 303 ': Cd Liner

Claims (14)

사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법에 있어서,
중성자 발생부가 조사 중성자(interrogation neutron)를 생성하여 상기 사용후 핵연료 어셈블리에 조사하는 제 1 단계;
상기 조사 중성자가 조사된 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 핵분열 반응이 발생하여 즉발 중성자가(prompt neutron) 발생하는 제 2 단계;
상기 조사 중성자 및 발생된 즉발 중성자(prompt neutron)가 소멸될 때까지 대기하는 제 3 단계;
상기 즉발 중성자 소멸 후 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 발생되는 지발 중성자(delayed neutron)를 중성자 검출부에서 측정하는 제 4 단계;
를 포함하며,
상기 중성자 검출부는, 상기 지발 중성자 신호 손실을 줄이고 상기 중성자 발생부의 중성자 조사와 상기 지발 중성자 신호 획득 주기를 작게 하는 주파수로 상기 지발 중성자에 대한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는, 사용 후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
In a method for measuring late neutrons in a spent fuel assembly,
A first step in which a neutron generator generates interrogation neutrons and irradiates the spent fuel assembly;
A second step in which a nuclear fission reaction occurs in the spent fuel assembly irradiated with the irradiated neutrons to generate prompt neutrons;
A third step of waiting for the irradiation neutron and generated prompt neutron to disappear;
A fourth step of measuring a delayed neutron generated in the spent fuel assembly after the instantaneous neutron disappearance at the neutron detector;
Including;
The neutron detection unit, the delay in the spent nuclear fuel assembly, characterized in that to acquire the data for the late neutron at a frequency that reduces the delayed neutron signal loss, and the neutron irradiation of the neutron generator and the delayed neutron signal acquisition period How to measure neutrons.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계에서 조사되는 상기 조사 중성자는 중수소-삼중수소(deuterium-tritium, DT) 중성자인 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
The method of claim 1,
The irradiation neutron irradiated in the first step is a deuterium-tritium (DT) neutron, characterized in that the method for measuring late neutrons in spent nuclear fuel assembly.
제 1 항에 있어서,
상기 제 4 단계에서 중성자 검출부는 100Hz의 주파수로 상기 지발 중성자에 대한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
The method of claim 1,
In the fourth step, the neutron detector is a method of measuring the late neutron in the spent nuclear fuel assembly, characterized in that for obtaining the data for the late neutron at a frequency of 100Hz.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계에서 상기 조사 중성자의 펄스는 0 내지 10㎲의 시간 동안 발생되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
The method of claim 1,
And wherein said pulse of irradiation neutron in said first step is generated for a time of 0 to 10 ms.
제 3 항에 있어서,
상기 지발 중성자에 대한 데이터 취득은 5㎳ 내지 10㎳동안 수행되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
The method of claim 3, wherein
Obtaining data for the late neutrons is a method for measuring late neutrons in a spent fuel assembly, characterized in that performed for 5 ~ 10㎳.
제 5 항에 있어서,
상기 지발 중성자에 대한 데이터 취득은 300초 동안 반복되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 방법.
The method of claim 5, wherein
Acquiring data for the late neutrons is repeated for 300 seconds.
사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템에 있어서,
조사 중성자를 생성하여 상기 사용후 핵연료 어셈블리에 조사하는 중성자 발생부; 및
상기 조사 중성자가 조사된 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 핵분열 반응이 발생하여 즉발 중성자(prompt neutron)가 발생되어 소멸한 후, 발생되는 지발 중성자(delayed neutron)를 검출하는 적어도 하나의 중성자 검출부;
를 포함하고,
상기 중성자 검출부는, 상기 지발 중성자 신호 손실을 줄이고 상기 중성자 발생부의 중성자 조사와 상기 지발 중성자 신호 획득 주기를 작게 하는 주파수로 상기 지발 중성자에 대한 데이터를 취득하고, 상기 사용후 핵연료 어셈블리의 외측에 배치되는 차폐재에 설치되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
In a system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly,
A neutron generator for generating irradiation neutrons and irradiating the spent fuel assembly; And
At least one neutron detector for detecting delayed neutrons generated after a nuclear fission reaction occurs in the spent nuclear fuel assembly to which the irradiated neutrons are irradiated and prompt neutrons are generated and extinguished;
Lt; / RTI &gt;
The neutron detector is configured to acquire the data for the late neutron at a frequency that reduces the delayed neutron signal loss and decreases the neutron irradiation of the neutron generator and the delayed neutron signal acquisition period, and is disposed outside the spent nuclear fuel assembly. A system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly, characterized by being installed in a shield.
제 7 항에 있어서,
상기 중성자 발생부는,
상기 조사 중성자로 중수소-삼중수소(deuterium-tritium, DT) 중성자를 발생하는 DT 중성자 발생기;
상기 DT 중성자 발생기의 외측에 배치되는 제 1 스펙트럼 조절재;
상기 제 1 스텍트럼 조절재의 외측에 배치되는 제 2 스펙트럼 조절재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
The method of claim 7, wherein
The neutron generator,
DT neutron generator for generating deuterium-tritium (DT) neutron as the irradiation neutron;
A first spectrum modulator disposed outside the DT neutron generator;
And a second spectrum modulator disposed outside of the first spectrum modulator.
제 8 항에 있어서,
상기 DT 중성자 발생기는 14.1MeV의 에너지를 방출하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
The method of claim 8,
And the DT neutron generator emits 14.1 MeV of energy. 15. A system for measuring late neutrons in a spent fuel assembly.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 스펙트럼 조절재는 텅스텐 재질로 이루어지고,
상기 제 2 스팩트럼 조절재는 베릴륨으로 이루어져 상기 DT 중성자 발생기에서 발생되는 DT 중성자의 방출 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
The method of claim 9,
The first spectrum control material is made of a tungsten material,
And said second spectrum modulator is comprised of beryllium to reduce the release energy of DT neutrons generated in said DT neutron generator.
제 7 항에 있어서,
상기 사용후 핵연료 어셈블리와 상기 차폐재 사이에 Cd 라이너가 배치되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
The method of claim 7, wherein
And a Cd liner disposed between the spent fuel assembly and the shield.
제 7 항에 있어서,
상기 중성자 검출부는,
상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 방출되는 지발 중성자를 검출하는 3He 검출기를 더 포함하고,
상기 3He 검출기는 Cd 라이너로 덮혀있는 폴리에틸렌 재질의 감속재 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
The method of claim 7, wherein
The neutron detector,
Further comprising a 3 He detector for detecting late neutrons emitted from the spent fuel assembly,
And the 3 He detector is disposed in a polyethylene moderator covered with a Cd liner.
제 12 항에 있어서,
상기 3He 검출기는 100Hz의 주파수로 상기 사용후 핵연료 어셈블리에서 발생되는 지발 중성자에 대한 신호를 5㎳ 내지 10㎳동안 취득하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
13. The method of claim 12,
And said 3 He detector acquires a signal for late neutrons generated in said spent fuel assembly for 5 Hz to 10 Hz at a frequency of 100 Hz for late neutrons in spent nuclear fuel assembly.
제 12 항에 있어서,
상기 3He 검출기는 직경이 3/4인치, 길이가 2인치로 형성되고,
상기 Cd 라이너는 두께가 0.1㎝인 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료 어셈블리에서 지발 중성자를 측정하는 시스템.
13. The method of claim 12,
The 3 He detector has a diameter of 3/4 inch, a length of 2 inches,
And the Cd liner is 0.1 cm thick.
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