KR101376704B1

KR101376704B1 - 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기

Info

Publication number: KR101376704B1
Application number: KR1020120076151A
Authority: KR
Inventors: 신동협
Original assignee: 주식회사 우진
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-03-21
Also published as: KR20140010501A

Abstract

본 발명은 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기에 관한 것으로, 백그라운드 신호를 감소시켜 중성자 신호 검출이 용이해지며, 속중성자를 줄이고 열중성자 입사량을 향상시켜 열중성자 검출 목적의 전류 신호를 크게 얻을 수 있고, 전체적으로 백그라운드 신호가 감소되고 열중성자 검출 신호가 향상됨에 따라 중성자 선속 검출 민감도가 향상되고, 계측부의 내부 구성물의 형상과 위치가 안정적으로 유지되며, 향상된 중성자 검출 민감도만큼 이미터의 면적을 줄일 수 있도록 한 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기에 관한 것이다.
본 발명의 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기는 원자로 내부로 삽입되어 원자로 내부의 중성자 선속을 측정하는 계측부를 포함하는 노내 계측기에 있어서, 상기 계측부는, 상기 계측부 내부를 따라 배치되며, 감마선을 차폐하는 필러케이블; 상기 계측부의 내부를 길이방향으로 관통하는 중심관; 상기 중심관 표면에 형성되며, 상기 중성자 검출기, 상기 신호보상용 검출기, 상기 필러케이블 및 상기 열전대의 위치를 고정시키는 가이드 홈; 및 상기 중심관 내부에 충진되며, 속중성자(Fast Neutron)를 감쇄시킬 수 있는 충진제;를 포함하여 이루어진다.

Description

중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기{In-Core Instrument Assembly for Improvement of neutron flux detection sensitivity}

본 발명은 원자력 발전소의 원자로 내부에 설치되어 중성자 선속을 측정하는 노내 계측기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 내의 감마선에 의해 발생되는 백그라운드 신호를 최소화하고 중성자 선속 검출 신호를 최대화하여 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 높임으로써 중성자 선속 검출 민감도를 개선한 노내 계측기에 관한 것이다.

고정형으로 설치되는 노내 계측기는 원자로 내의 중성자 선속(Neutron Flux)을 3차원적으로 각 위치마다 정확하게 계측하고 출력 분포를 모니터링한다. 노내 계측기의 핵심 부품은 중성자(Neutron)를 흡수하여 신호 전류를 방출하는 이미터(Emitter)를 가지고 있는 자기 출력형 중성자 검출기(Self Powered Neutron Detector)이다.

종래 사용하던 로듐(Rh)을 사용한 자기 출력 중성자 검출기는 로듐움 이미터 물질의 중성자 포획반응 원리에 의해 작동된다. 로듐에 입사된 중성자가 포획되면 베타(Beta)붕괴를 거치면서 이미터를 이탈할 만큼의 충분한 에너지를 가진 고에너지의 전자를 방출한다. 방출된 전자는 산화알루미늄(Al2O3) 절연체(Insulator)를 거쳐 컬렉터(Collector)에 모여지고 이미터에 부착된 전기도선(Conductor)에는 양전하가 생성된다. 생성된 양전하는 이미터의 중성자 흡수율에 비례하여 전류를 생성한다. 이미터 재료에 따라 로듐 검출기(Rh-detector), 바나듐 검출기(V-detector), 코발트 검출기(Co-detector), 백금 검출기(Pt-detector) 등으로 구분된다. 자기 출력형 중성자 검출기는 에너지가 높은 속중성자(Fast Neutron)을 검출하는 것이 아니라 속중성자가 감속되어 에너지를 잃은 열중성자를 검출하는 기기이다.

도 1은 종래의 노내 계측기(10) 측면도이다. 도 1을 참조하면, 종래 노내 계측기(10)는 계측부(20), 씰플러그(Seal Plug)(30), 플랙서블 호스(Flexible Hose)(40) 및 커넥터(Connector)로 구성된다. 계측부(20)는 외부보호관(25)이 감싸고 있으며, 불릿노우즈(Bullet-nose)(26)가 계측부(20) 일단에 연결되어 있다. 계측부(20)는 가이드튜브(미도시)를 통해 원자로 내부에 삽입되고, 길이가 약 36m 이다.

도 2는 종래의 노내 계측기의 계측부 A-A 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 계측부(20)는 중심관(21), 열전대(22), 필러케이블(23), 신호보상용 검출기(24), 외부보호관(25) 및 중성자 검출기(27)를 포함하여 구성된다.

중심관(21)은 계측부(20)의 내부를 길이방향으로 관통하고 있고, 열전대(22)는 크로멜(22a) 및 알루멜(22b)을 포함하고 냉각수의 수온을 측정하며 K형이 쓰인다. 자기 출력형 중성자 검출기(27)는 5개가 설치되고, 이미터를 포함하며 중성자 선속을 측정한다. 신호보상용 검출기(24)는 백그라운드 신호(잡음)를 측정하고, 필러케이블(23)과 중심관(21)은 주로 Inconel 600 계열의 합금으로 이루어지며 계측부(20)의 내부 빈 공간을 채움에 따라 계측부의 형상을 유지하는 역할을 한다. 상기 구성으로 이루어진 종래의 노내 계측기에는 아래와 같은 문제점들이 있었다.

첫 번째 문제점은 다음과 같다. 원자로 내부에서 자기 출력형 중성자 검출기 내로 입사되는 방사선에는 중선자선과 감마선이 존재하고, 감마선도 검출기에 입사되면 낮은 확률로 이미터와 반응하여 전류를 발생시킨다. 이 경우 중성자 검출기는 중성자선과 상호작용한 전류만이 관심사이므로 감마선과 상호작용하여 얻어진 전류는 불필요한 백그라운드 신호로 판단할 수 있다. 도 3은 이미터에 의해 발생된 열중성자 신호와 백그라운드 신호의 관계를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 같은 양의 열중성자가 중성자검출기에 입사한다면 이미터에서 발생한 신호의 전류량은 높을수록, 기본적으로 발생되는 백그라운드 신호의 양은 낮을수록 중성자 검출기 효율이 증가되고 정확도가 높아진다. 이와 같이, 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio) 관점에서 본다면 필요한 신호의 생성량은 크고 백그라운드 신호의 발생량은 작게 유지시켜야 하는바, 종래 노내 계측기에서는 필수불가결하게 발생되는 백그라운드 신호를 제거하는 것은 불가능하므로 열중성자 신호의 검출에 방해가 되는 문제점이 있었다.

두 번째 문제점은 다음과 같다. 로듐 이미터를 쓰는 노내 계측기는 전체적인 전류 출력 발생량이 크므로 백그라운드 신호에 의한 전류가 있어도 중성자에 의해 발생한 전류를 검출할 수 있다. 그러나 표1에 기재된 바와 같이 장수명 노내 계측기로 주목 받는 바나듐, 백금 이미터는 로듐 이미터에 비해 연소율(Burn-up Rate)이 낮아 수명이 긴 대신 이미터의 중성자 반응 민감도가 낮기 때문에 전류 출력 발생량이 낮다. 따라서, 백그라운드 신호의 전류를 제외하게 되면 중성자에 의해 발생한 전류의 발생량이 로듐 이미터에 비해 낮아 유의미한 신호가 낮아져 검출하는데 어려움이 있다. 따라서 바나듐이나 백금 이미터를 이용한 노내 계측기는 로듐 이미터를 이용한 노내 계측기에 비해 중성자 검출 신호를 판별하기 어려운 문제점이 있었다.

Material	Rhodium	Vanadium	Platinum
Thermal Neutron Cross-Section (barns)	145 barns	4.9 barns	24 barns
Burn-up Rate (%/month)	0.39	0.01	0.03
Sensitivity of emitter Ф1mm (A/n/cm²s)	0.2 x 10^-20	1.8 x 10^-22	0.9 x 10^-22

세 번째 문제점은 다음과 같다. 노내 계측기(10)의 계측부(20)를 살펴보면 필러케이블(23) 같이 형상유지 역할만 하는 불필요한 부품들이 쓰이며, 가이드 튜브(미도시)에 맞는 직경을 맞추기 위해 사용되는 중심관(21)도 속이 빈 형태로 계측부의 형상만 유지하도록 사용되고 있다. 노내 계측기는 약 36m 이상 되는 긴 구조적 길이 때문에 원자로에 삽입 혹은 운반 시 휘어지거나 말려지는 경우가 잦으며 이때 탄성이 약한 금속재질의 빈 중심관(21)의 특성 때문에 구부러지거나 손상을 받을 수 있는 문제점이 있었고, 노내 계측기(10)가 취급될 때 필러케이블(23), 자기 출력형 중성자검출기(27), 열전대(22), 신호보상용 검출기(24) 등 모든 구성품이 튜브 형태로 이루어져 있기 때문에 계측부(20) 전체가 휘었다 펴졌다 할 때 원래의 자리에서 밀려 날 수 있는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 요약하면 다음과 같다. 첫 번째 문제점은 감마선에 의한 불필요한 백그라운드 신호가 발생하여 중성자 검출에 부정적인 영향을 미친다는 점이다. 두 번째 문제점은 바나듐이나 백금 이미터같이 전류 출력 발생량이 낮은 이미터를 이용하는 계측기는 로듐 이미터를 이용하는 계측기에 비해 불필요한 백그라운드 신호로 인한 중성자 검출이 더 어렵다는 점이다. 세 번째 문제점은 원자로에 삽입되어 휘어지거나 말려지는 계측부 구조상 내부 구성물질의 물리적 변형이 일어날 수 있다는 점이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0960228호 대한민국 공개특허공보 10-2005-0038739

본 발명이 해결하려는 과제는 필러케이블을 원자번호(Z) 82이상의 금속으로 구성하여 감마선의 차폐효과를 높혀 불필요한 백그라운드 신호를 감소시키도록 한 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기를 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 내부 중심관에 속중성자(Fast Neutron)를 감쇄시킬 수 있는 물질을 충진하여 전체적으로 전류 출력 발생량이 낮은 바나듐이나 백금 이미터를 이용한 노내 계측기의 열중성자에 대한 검출 효율을 높이도록 한 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기를 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 중심관의 내부를 충진제로 채우고 중심관 표면에 가이드 홈을 형성하여 계측부 내부 구성물의 형상 및 위치를 안정적으로 유지하도록 한 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기를 제안함에 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기는 원자로 내부로 삽입되어 원자로 내부의 중성자 선속을 측정하는 계측부를 포함하는 노내 계측기에 있어서, 상기 계측부는, 상기 계측부 내부를 따라 배치되며, 감마선을 차폐하는 필러케이블; 상기 계측부의 내부를 길이방향으로 관통하는 중심관; 상기 중심관 표면에 형성되며, 상기 중성자 검출기, 상기 신호보상용 검출기, 상기 필러케이블 및 상기 열전대의 위치를 고정시키는 가이드 홈; 및 상기 중심관 내부에 충진되며, 속중성자(Fast Neutron)를 감쇄시킬 수 있는 충진제;를 포함하여 이루어진다.

바람직하게는 상기 필러케이블은 원자번호(Z) 82이상의 금속을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 충진제는 수소 원자를 포함하는 고분자 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기에 따르면, 백그라운드 신호를 감소시켜 중성자 신호 검출이 용이해지며, 속중성자를 줄이고 열중성자 입사량을 향상시켜 열중성자 검출 목적의 전류 신호를 크게 얻을 수 있고, 전체적으로 백그라운드 신호가 감소되고 열중성자 검출 신호가 향상됨에 따라 중성자 선속 검출 민감도가 향상되고, 계측부의 내부 구성물의 형상과 위치가 안정적으로 유지되며, 향상된 중성자 검출 민감도만큼 이미터의 면적을 줄일 수 있어 비용절감 효과가 있다.

도 1은 종래의 노내 계측기 측면도.
도 2는 종래의 노내 계측기의 계측부 A-A 종단면도.
도 3은 이미터에 의해 발생된 열중성자 신호와 백그라운드 신호의 관계를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노내 계측기의 계측부 종단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노내 계측기의 계측부 종단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노내 계측기의 계측부 종단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 계측부(100)는 필러케이블(130), 충진제(120), 중심관(110), 자기 출력형 중성자 검출기(140), 신호보상용 검출기(150), 열전대(160) 및 외부보호관(170)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 노내 계측기는 계측부(100)를 제외하고 종래 노내 계측기(10)의 구성과 동일하다. 그리고 계측부(100) 내부에 위치한 자기 출력형 중성자 검출기(140), 신호보상용 검출기(150) 및 열전대(160)는 종래 노내 계측기(10)에 쓰이는 구성과 동일하다. 열전대(160)는 일반적으로 크로멜(161)과 알루멜(162)이 쓰인다.

첫 번째 문제점에 대한 본 발명의 구성은 다음과 같다. 감마선 차폐 역할을 하는 필러케이블(130)이 계측부 내부를 따라 배치되며, 감마선 차폐에 유리한 무거운 물질로 구성되고 원자번호 Z=82 이상의 무거운 물질로 구성된다. 자기 출력형 중성자 검출기(140)는 중성자선외에 감마선에 의한 전자 생성이 일어나고 감마선에 의한 전류 발생은 백그라운드 신호이므로 이를 줄여야 하기 때문이다.

원자번호 Z=82 이상의 무거운 물질로 구성되는 이유는 다음과 같다. 감마선의 차폐에는 보통 납과 같은 무거운 원소를 가진 물질이 사용되는데 이는 광자의 속성을 가지고 있는 감마선이 밀집된 구조의 원자배열을 지닌 무거운 물질을 지나면서 자신이 가진 에너지를 잃기 때문이다. 기존에 쓰이는 필러케이블(23)의 주성분에 해당하는 니켈의 원자번호는 Z=28이다. 이는 구리 정도의 단단한 합금이지만 납의 원자번호가 Z=82임을 감안할 때 고에너지의 감마선을 차폐하기엔 효과가 낮다. 따라서 본 발명의 필러케이블(130)의 재질은 주재료가 원자번호 Z=82 이상의 무거운 물질로 구성한다. 예를 들어 납합금(Lead Alloy) 중 Lead-Bismuth, Lead-Copper, Lead-Tin, Lead-Antimony 등의 합금을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 필러케이블(130)을 통하여 불필요한 감마선의 차폐효율을 극대화하여 백그라운드 신호의 발생량을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 두 번째 문제점에 대한 본 발명의 구성은 다음과 같다. 중심관(110) 내부는 수소원자를 포함한 고분자물질로 구성되고 입사되는 속중성자(Fast Neutron)를 감쇄시킬 수 있는 충진제(120)로 채워진다. 충진제(120)를 이용하여 속중성자를 감쇄시킬 수 있는 이유는 다음과 같다. 모든 검출기는 고유의 검출 효율을 가지고 있는데 이는 입사 방사선이 검출기 내로 들어 왔을 때 몇 개의 중성자가 신호의 생성에 사용되는지 나타내는 척도이다. 일반적으로 자기 출력형 중성자 검출기는 열중성자를 검출하는 바, 열중성자가 100개가 입사되었을 때 20개의 열중성자가 이미터와 반응하여 신호를 생성하였다면 검출효율은 20%가 되는 것이다. 이때 열중성자의 검출효율을 높이는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 열중성자와의 물리적 반응면적을 넓히는 것이다. 이는 이미터의 크기와 직경을 늘리는 방법으로서 고가의 이미터에 따른 단가상승의 단점이 있다. 두 번째 방법은 입사되는 열중성자의 수 자체를 늘리는 방법이다. 즉 200개의 열중성자가 입사가 된다면 검출효율 20%의 이미터에서는 40개의 열중성자와 반응하게 되는 것이다. 이미터 고유의 효율 자체를 높이는 방법은 아니지만 열중성자에 따른 전류신호의 생성량은 두 배가 될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 두 번째 방법을 이용하여 중심관(110) 내부를 충진제(120)로 채우고 그에 따라 열중성자에 의해 발생하는 신호를 높여 백그라운드 신호에 의해 열중성자 측정 검출이 어려운 바나듐, 백금 이미터 등으로 이루어진 노내 계측기를 보완한다.

상세하게는, 원자로 내 중성자는 크게 속중성자와 열중성자로 나눌 수 있는데 열중성자가 대부분 이미터와 반응하여 신호를 생성하며, 핵분열에 참여 한다. 검출에 필요한 신호를 생성하지 못하는 속중성자는 감쇄물질과 탄성 혹은 비탄성 산란 반응을 하여 에너지를 잃고 열중성자로 바뀌게 되는데 일반적으로 파라핀, 폴리에틸렌과 같이 수소의 함유량이 큰 가벼운 고분자물질이 속중성자와 반응하여 속중성자의 에너지를 감쇄시킬 수 있다. 따라서 충진제를 수소의 함유량이 큭 가벼운 원소물질로 구성하는 경우 노내 계측기 내로 입사된 속중성자의 일부는 에너지를 잃고 열중성자로 바뀌게 되고, 열중성자에 따른 전류 발생량이 커지게 된다. 즉, 본 발명의 노내 계측기에서는 파라핀, 폴리에틸렌, 에폭시 등과 같은 수소원자를 포함한 고분자물질로 구성된 충진제(120)를 포함하고, 충진제(120)가 속중성자를 감쇄시킴에 따라 열중성자에 의한 생성량이 늘어나게 된다.

한편, 세 번째 문제점에 대한 본 발명의 구성은 다음과 같다. 중심관(110)은 가이드 홈(111)을 포함하여 이루어지고, 계측부(100) 내부를 길이방향으로 관통하며, 중심관(110) 내부를 충진제(120)로 채운다. 중심관(110) 및 필러케이블(130)은 기본적으로 내부 구성물의 형상 및 위치를 고정시켜줄 수 있고, 가이드 홈(111)은 필러케이블(130), 자기 출력형 중성자 검출기(140), 신호보상용 검출기(150) 및 열전대(160)를 각각 개별적으로 감싸며 각 구성물의 형상과 위치를 기존에 비해 안정적으로 고정시켜준다. 충진제(120)로 계측부(100) 내의 비어있는 공간을 최소화 하는 이유는 다음과 같다. 계측부(100) 내부의 비어있는 공간 중 가장 큰 부피를 차지하는 것은 중심관(110) 내부의 공간인바, 중심관(110) 내부 공간을 충진제(120)로 채움으로써 계측부(100)의 내구성이 향상된다. 또한 충진제(120)는 폴리에틸렌과 같은 탄력이 좋고 가벼운 고분자물질로 이루어져 있기 때문에 계측부(100)가 휘어 질 때 금속으로 형성된 계측부(100)에 기계적 탄력성을 유지시켜 줄 수 있다. 즉, 충진제(120)는 본 발명에 있어서, 열중성자의 신호를 높이는 역할을 하는 것과 함께 노내 계측기의 구조적 건전성을 유지시키는 역할을 동시에 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노내 계측기의 계측부 종단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 계측부(100)는 중심관(110)에 형성된 가이드 홈(111)의 형태가 변형되어 구성될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

10 : 종래 노내 계측기 20 : 계측부
21 : 중심관 22 : 열전대
22a : 크로멜 22b : 알루멜
23 : 필러케이블 24 : 신호보상용 검출기
25 : 외부보호관 26 : 블릿노우즈
27 : 중성자 검출기 30 : 씰플러그
40 : 플렉서블호스 50 : 커넥터
100 : 계측부 110 : 중심관
111 : 가이드 홈 120 : 충진제
130 : 필러케이블 140 : 중성자 검출기
150 : 신호보상용 검출기 160 : 열전대
161 : 크로멜 162 : 알루멜
170 : 외부보호관

Claims

원자로 내부로 삽입되어 원자로 내부의 중성자 선속을 측정하는 계측부를 포함하는 노내 계측기에 있어서,
상기 계측부는,
상기 계측부 내부를 따라 배치되며, 감마선을 차폐하는 필러케이블;
상기 계측부의 내부를 길이방향으로 관통하는 중심관;
중성자 선속을 측정하기 위한 중성자 검출기;
백그라운드 신호를 측정하기 위한 신호보상용 검출기;
냉각수의 수온을 측정하기 위한 열전대;
상기 중심관 표면에 형성되며, 상기 중성자 검출기, 상기 신호보상용 검출기, 상기 필러케이블 및 상기 열전대의 위치를 고정시키는 가이드 홈; 및
상기 중심관 내부에 충진되며, 속중성자(Fast Neutron)를 감쇄시킬 수 있는 충진제;를 포함하여 이루어지는 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기.
제 1항에 있어서, 상기 필러케이블은 원자번호(Z) 82이상의 금속을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기.
제 1항에 있어서, 상기 충진제는 수소 원자를 포함하는 고분자 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 중성자 선속 검출 민감도가 개선된 노내 계측기.