KR101450040B1 - 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템 - Google Patents

체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템 Download PDF

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이봉수
장경원
유욱재
신상훈
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Abstract

본 발명은 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 운반하기에 앞서 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체의 연소도를 판별하기 위한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 있어서, 체렌코프 효과에 의해 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선과 반응하여 자체적으로 발광하는 광섬유와, 체렌코프 효과에 의한 광섬유의 발광 효율을 높이도록 광섬유를 둘러싸는 산란체 및 상기 산란체를 둘러싸는 형태로 구성되되 일측 방향으로 개구된 슬릿홈이 형성된 차폐재로 이루어지는 콜리메이터를 포함하여 구성되는 감마선 감지용 프로브를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템을 구축함으로써, 감마선 감지용 프로브를 이용한 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정시, 광섬유를 둘러싸는 산란체를 통해 감마선에 의한 체렌코프 효과에 따라 발생하는 광신호를 증폭시킬 수 있어 신호 측정이 용이하며, 콜리메이터의 활용을 통해 사용후핵연료 집합체에서 측정하고자 하는 특정 감마선 측정면에서 방출되는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 시스템을 구축함으로써 사용후핵연료 집합체의 연소도를 보다 정확하게 판별할 수 있는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선을 측정하기 위해 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선을 감지하는 프로브에 있어서, 사용후핵연료 집합체의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면과 대향하게 배치되어, 상기 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 발광하는 광섬유와; 상기 감마선 측정면의 폭길이 만큼 연장되어 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되며, 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 광섬유로 입사되는 감마선과 반응하여 콤프턴 산란을 유발하는 산란체와; 상기 산란체의 외주면을 둘러싸는 차폐재로 구성되되, 일측에 슬릿홈이 형성되어 상기 감마선 측정면 상의 측정하고자 하는 부분에서 방출되는 감마선 만을 상기 산란체 측으로 통과시키는 콜리메이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템{A gamma-ray sensing probe using cherenkov effect and the spent nuclear fuel burnup identification system using the same}
본 발명은 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 운반하기에 앞서 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체의 연소도를 판별하기 위한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 있어서, 체렌코프 효과에 의해 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선과 반응하여 자체적으로 발광하는 광섬유와, 체렌코프 효과에 의한 광섬유의 발광 효율을 높이도록 광섬유를 둘러싸는 산란체 및 상기 산란체를 둘러싸는 형태로 구성되되 일측 방향으로 개구된 슬릿홈이 형성된 차폐재로 이루어지는 콜리메이터를 포함하여 구성되는 감마선 감지용 프로브를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템을 구축함으로써, 감마선 감지용 프로브를 이용한 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정시, 광섬유를 둘러싸는 산란체를 통해 감마선에 의한 체렌코프 효과에 따라 발생하는 광신호를 증폭시킬 수 있어 신호 측정이 용이하며, 콜리메이터의 활용을 통해 사용후핵연료 집합체에서 측정하고자 하는 특정 감마선 측정면에서 방출되는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 시스템을 구축함으로써 사용후핵연료 집합체의 연소도를 보다 정확하게 판별할 수 있는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 관한 것이다.
사용후핵연료는 그 속에 포함된 핵분열생성물 때문에 원자로에서 꺼낸 이후에도 오랜 기간 동안 방사선과 열을 발생시킨다. 따라서 발전소에서 근무하는 작업자를 방사선으로부터 보호하고, 계속해서 발생하는 열을 제거하기 위하여 사용후핵연료를 발전소의 핵연료 건물 안의 수조에 저장하게 되는데, 이러한 사용후핵연료를 저장하는 철근 콘크리트 구조물을 사용후핵연료 저장조라 한다.
현재 원자력발전소에서 연소된 사용후핵연료는 소내 저장 장소인 사용후핵연료 저장조에 습식저장중이지만 사용후핵연료 저장조가 포화되는 경우, 연소된 사용후핵연료를 중간 저장시설로 운반하여 저장해야 한다.
사용후핵연료의 중간 저장을 수행하는 시설에 사용후핵연료를 인도하고자 하는 경우에는 "사용후핵연료 인도규정 고시"에 따라 사용후핵연료의 중간 저장시설 운영자가 사용후핵연료 집합체의 연소도 등에 관한 제반사항을 검수하여 인도받아야 하므로 이에 관한 검수기술이 필요하다.
현재 사용후핵연료 집합체에서 발생하는 감마선, 중성자 또는 이들의 조합을 이용하여 연소도를 판별하기 위한 측정 장비가 많이 개발되어 있지만 사용후핵연료 집합체의 인도를 위한 검수에 적용하기 위한 장비로서는 구성이 복잡하고 측정 환경이 제한적이라는 단점을 가지고 있다.
사용후핵연료 집합체의 연소도를 측정하기 위해서는, 먼저 감지부를 통해 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선을 측정해야하며, 측정된 감마선의 세기를 기반으로 하여 사용후핵연료 집합체의 연소도를 측정하게 된다.
최근에는 섬광체를 이용하여 감마선을 측정하는 검출기가 개발되어 있으나, 섬광체를 사용하는 기술은 감마선과 반응하는 감지부의 효율을 높이기 위하여 극저온으로 유지하는 등의 환경요건의 제약을 받는다.
또한, 감마선 감지를 위하여 광섬유를 이용하는 경우도 있지만, 이는 섬광체를 갖는 광섬유(Optical Fiber Scintillator : OFS)를 구비한 감지부를 이용하여 감마선을 측정하는 기술로서, 섬광체가 가지는 문제점인 소광효과에 의해 정확한 측정에 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 운반하기에 앞서 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체의 연소도를 판별하기 위한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 있어서, 체렌코프 효과에 의해 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선과 반응하여 자체적으로 발광하는 광섬유와, 체렌코프 효과에 의한 광섬유의 발광 효율을 높이도록 광섬유를 둘러싸는 산란체 및 상기 산란체를 둘러싸는 형태로 구성되되 일측 방향으로 개구된 슬릿홈이 형성된 차폐재로 이루어지는 콜리메이터를 포함하여 구성되는 감마선 감지용 프로브를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템을 구축함으로써, 감마선 감지용 프로브를 이용한 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정시, 광섬유를 둘러싸는 산란체를 통해 감마선에 의한 체렌코프 효과에 따라 발생하는 광신호를 증폭시킬 수 있어 신호 측정이 용이하며, 콜리메이터의 활용을 통해 사용후핵연료 집합체에서 측정하고자 하는 특정 감마선 측정면에서 방출되는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 시스템을 구축함으로써 사용후핵연료 집합체의 연소도를 보다 정확하게 판별할 수 있는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선을 측정하기 위해 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선을 감지하는 프로브에 있어서, 사용후핵연료 집합체의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면과 대향하게 배치되어, 상기 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 발광하는 광섬유와; 상기 감마선 측정면의 폭길이 만큼 연장되어 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되며, 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 광섬유로 입사되는 감마선과 반응하여 콤프턴 산란을 유발하는 산란체와; 상기 산란체의 외주면을 둘러싸는 차폐재로 구성되되, 일측에 슬릿홈이 형성되어 상기 감마선 측정면 상의 측정하고자 하는 부분에서 방출되는 감마선 만을 상기 산란체 측으로 통과시키는 콜리메이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템은, 감마선 감지용 프로브를 이용한 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정시, 광섬유를 둘러싸는 산란체를 통해 감마선에 의한 체렌코프 효과에 따라 발생하는 광신호를 증폭시킬 수 있어 신호 측정이 용이하며, 콜리메이터의 활용을 통해 사용후핵연료 집합체에서 측정하고자 하는 특정 감마선 측정면에서 방출되는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 함으로써, 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 인도할 시, 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체 연소도를 보다 정확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브의 구조를 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브의 작용을 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템의 구성을 보여주는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 감마선 감지용 프로브와 광계측기 사이를 연결하는 광섬유 전송라인의 구조를 보여주는 도면
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브의 작용을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브(10)는, 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 상기 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)과 대향하게 배치되어, 상기 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 발광하는 광섬유(11)와; 상기 감마선 측정면(2)의 폭길이 만큼 연장되어 광섬유(11)의 외주면을 둘러싸도록 형성되며, 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 콤프턴 산란을 유발하는 산란체(12)와; 산란체(12)의 외주면을 둘러싸는 차폐재로 구성되되, 일측에 슬릿홈(14)이 형성되어 상기 감마선 측정면(2) 상의 측정하고자 하는 부분에서 방출되는 감마선 만을 산란체(12) 측으로 통과시키는 콜리메이터(13)를 포함하여 구성된다.
즉, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브는, 원자력발전소의 소내 저장조에 구비된 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 인도할 시, 인도 규정에 따라 사용후핵연료 집합체의 연소도를 판별하는 시스템에 구비되어, 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선을 측정할 수 있도록 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 입사되는 감마선을 감지하는 프로브이다.
상기 광섬유(11)는 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선을 감지하기 위해 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)과 대향하게 배치된다.
이러한 광섬유(11)는 일반적인 합성수지 또는 유리 재질의 광섬유로 구성되며, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 감마선이 입사되면, 체렌코프 효과(Cherenkov effect)에 기인하여 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선과 반응하여 자체적으로 발광하게 된다.
즉, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선이 광섬유(11)를 통과하면서 광섬유(11) 내에서 콤프턴 산란(compton scattering)이 발생하게 되는데, 이때 광섬유(11) 매질 내에서 콤프턴 산란에 의해 떨어져 나간 전자의 광속 운동에 따라 체렌코프 효과에 의한 자체 발광이 이루어지게 된다.
이와 같이 광섬유(11)를 이용하여 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선을 감지함에 있어서, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선의 세기가 큰 경우에는 합성수지 재질의 광섬유보다는 내방사선 특성을 갖는 유리 재질의 광섬유를 사용하여 감마선을 안정적으로 감지하도록 구성한다.
또한, 광섬유(11)의 외주면에는 산란체(12)가 피복되어 있어, 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 콤프턴 산란을 유발함으로써 체렌코프 효과에 의한 광섬유(11)의 발광 효과를 증가시킬 수 있다.
즉, 광섬유(11)는 보통 1mm 정도의 직경으로 형성되어 있어 감마선과 반응하는 체적이 작으므로 체렌코프 효과에 의해 발생하는 빛의 양이 작아 신호 강도 또한 크지 않기 때문에, 이를 보완하여 신호 강도를 높이기 위한 수단으로 광섬유(11)의 외주면을 둘러싸도록 산란체(12)를 구비한다.
이와 같은 구성에 의해, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선이 광섬유(11)를 둘러싼 산란체(12)를 통과하면서 콤프턴 산란이 발생되며, 이때 콤프턴 산란에 의해 발생되는 전자가 광섬유(11)를 투과하여 광속 운동을 함으로써 체렌코프 효과에 의한 광섬유(11)의 발광 효과를 증가시키게 된다.
여기서, 산란체(12)는 대향하게 배치된 감마선 측정면(2)의 폭길이 만큼 연장되어 상기 광섬유(11)의 외주면을 둘러싸도록 형성되며, 콤프턴 산란에 의한 전자 발생 효율이 높은 재료인 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 또는 폴리메타크릴산 메틸(polymethyl methacrylate, PMMA)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기와 같이 산란체(12)가 피복된 광섬유(11)에는 산란체(12)의 외주면을 둘러싸는 차폐재로 구성되며 일측에 슬릿홈(14)이 형성되어 있는 콜리메이터(13)가 구비된다.
즉, 상기 콜리메이터(13)는 감마선을 차폐 및 감쇄하는 재료인 납(lead) 등의 재질로 이루어지는 차폐재로 구성될 수 있으며, 사용후핵연료 집합체(1)에서 감마선 측정면(2) 상의 측정하고자 하는 부분에서 방출되는 감마선 만을 산란체(12) 측으로 통과시키도록 상기 감마선 측정면(2)과 대향하는 부분에 슬릿홈(14)이 형성되어 있다.
이때, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 콜리메이터(13)에 형성된 슬릿홈(14)은 감마선 측정면(2)과 대향하는 위치에서 콜리메이터(13)의 길이방향을 따라 형성되며, 슬릿홈의 폭(w)은 0.5 ~ 2mm 정도의 폭으로 형성될 수 있으나 바람직하게는 광섬유(11)의 직경과 동일한 폭으로 형성되는 것이 좋다.
이러한 구성에 의해, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선 중, 콜리메이터(3)의 슬릿홈(14)과 대향하는 부분의 감마선 측정면(2)에서 방출되는 감마선은 슬릿홈(14)을 통해 산란체(12) 및 광섬유(11)로 입사되고, 슬릿홈(14)과 대향하지 않는 다른 부분의 감마선 측정면(2)에서 방출되는 감마선은 차폐재에 의해 차폐된다.
이와 같이, 광섬유(11)의 둘레를 부분적으로 차폐하여 감마선 측정면(2)과 대향하는 위치로부터 입사되는 감마선만이 광섬유(11)로 입사되도록 하는 이유는, 감마선 측정면(2)의 특정 위치에서 발원하는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정하기 위함이다.
즉, 광섬유(11)로만 이루어진 프로브를 이용하여 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선을 감지하는 경우, 상기 프로브가 사용후핵연료 집합체(1)의 모든 위치에서 발원하는 감마선의 영향을 받기 때문에 측정된 감마선이 사용후핵연료 집합체(1)의 어느 부분에서 발원하였는지 판독하려면 복잡한 수학적 관계식으로 해결하여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 감마선 감지용 프로브(10)를 구성함에 있어서, 광섬유(11) 및 산란체(12)를 둘러싸는 콜리메이터(13)를 구비하여, 콜리메이터(13)의 슬릿홈(14)과 대향하는 부분의 감마선 측정면(2)에서 방출되는 감마선만을 측정하도록 함으로써, 상기와 같은 감마선 감지용 프로브(10)를 통해 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향으로 스캔하면서 감마선 측정면(2)으로부터 방출되는 감마선을 측정하는 경우, 측정 위치에 따른 정확한 감마선의 세기를 측정할 수 있다.
한편, 상기와 같이 구성되는 감마선 감지용 프로브(10)에서 광섬유(11)를 감싸는 산란체의 두께(d1)는 2 ~ 4mm로 형성될 수 있으며, 콜리메이터(13)를 구성하는 차폐재의 두께(d2)는 25 ~ 35mm의 두께로 형성될 수 있다.
이때, 산란체(12)를 구성함에 있어서, 일반적으로 물과 등가인 매질에서 감마선의 최대 선량 깊이가 3mm이며, 이 깊이에서 콤프턴 산란에 의한 전자 발생이 최대로 일어남으로써, 산란체의 두께(d1)는 3mm 정도로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 콜리메이터(13)의 차폐재를 구성함에 있어서는, 차폐재는 두께가 두꺼울수록 감쇄 및 차폐 효율은 우수하지만 사용후핵연료 집합체(1)로부터 광섬유(11)까지의 거리가 증가하면 광섬유(11)에서 발생하는 광신호가 미약해질 수 있으므로 이를 고려하여 차폐재의 두께(d2)를 30mm 정도로 형성하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 실시예에서 콜리메이터(13)는 원통형의 구조를 가지지만 프로브의 설치 방법에 따라 다각형 등 다양한 형상의 구조로 형성될 수도 있음은 물론이다.
이하에서는 상기와 같은 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브를 구비하는 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템은 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 운반하기에 앞서 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체의 연소도를 판별하기 위한 시스템으로서, 중간 저장시설로 운반되기 위해 원자력발전소의 소내 저장조로부터 꺼내어진 사용후핵연료 집합체에서 연소도를 측정하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템은, 사용후핵연료 집합체(1)의 둘레를 감싸도록 다수개로 배치되어, 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 광신호를 발생시키는 감마선 감지용 프로브(10)와; 상기 감마선 감지용 프로브(10)로부터 발생되는 광신호를 전송하는 광섬유 전송라인(20)과; 감마선 감지용 프로브(10)를 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향으로 승강시키는 승강 구동부(30)와; 광섬유 전송라인(20)을 통해 전송되는 광신호의 광량을 측정하는 광계측기(40)와; 광계측기(40)의 측정 결과를 분석하여 사용후핵연료 집합체(1)에서 방출되는 감마선의 세기를 산출하며, 산출된 감마선의 세기를 기반으로 하여 사용후핵연료 집합체(1)의 연소도를 측정하는 전산처리부(50);를 포함하여 구성된다.
감마선 감지용 프로브(10)는 사용후핵연료 집합체(1)로부터 방출되는 감마선을 사방에서 측정하기 위해 사용후핵연료 집합체(1)의 둘레를 감싸도록 다수개로 배치되어 사용후핵연료 집합체(1)의 외주면을 스캔할 수 있도록 구비된다.
본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 감마선 감지용 프로브(10)가 직육면체 형태로 형성된 사용후핵연료 집합체(1)의 정면, 배면, 좌측면 및 우측면에 각각 배치되어 종방향으로 세워진 사용후핵연료 집합체(1)의 사면을 둘러싸도록 구비되어 있으며, 이러한 4개의 감마선 감지용 프로브(10)가 승강 구동부(30)에 의해 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향을 따라 승강하며 사용후핵연료 집합체(1)의 외주면을 스캔하도록 구성됨으로써, 사용후핵연료 집합체(1)의 정면, 배면, 좌·우측면에서 방출되는 감마선을 감지하도록 하고 있다.
광섬유 전송라인(20)은 감마선 감지용 프로브(10)와 광계측기(40)를 사이를 연결하여, 감마선 감지용 프로브(10)에서 발생된 광신호를 광계측기(40)로 전송한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 감마선 감지용 프로브와 광계측기 사이를 연결하는 광섬유 전송라인의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유 전송라인(20)은 감마선 감지용 프로브(10)로부터 연장 형성되는 광섬유(11)와, 감마선 감지용 프로브(10)의 끝단으로부터 배치되어, 상기 감마선 감지용 프로브(10)로부터 연장된 광섬유(11)와 함께 피복관(22)에 의해 일체로 피복되어 연장 형성되는 보조 광섬유(21)로 구성되어 광계측기(40)에 연결된다.
여기서, 광섬유 전송라인(20)에 감마선 감지용 프로브(10)의 끝단으로부터 배치되는 보조 광섬유(21)를 추가로 구비하는 이유는, 체렌코프 효과에 의해 광섬유에서 발생하는 광은 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)에 인접한 감마선 감지용 프로브(10) 내의 광섬유에서만 발생하는 것이 아니라, 광섬유 전송라인(20)을 포함하여, 사용후핵연료 집합체(1) 전체에서 4π 방향으로 방출되는 감마선의 영향을 받는 광섬유의 모든 부분에서 발생되기 때문에, 이와 같이 부수적으로 발생되는 광에 의한 신호 왜곡을 최소화하여 감마선 측정면(2)에서 발생하는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정하기 위함이다.
이에 따라, 사용후핵연료 집합체(1)의 감마선 측정면(2)에서 방출되는 감마선 세기를 측정함에 있어서는, 감마선 감지용 프로브(10) 및 광섬유 전송라인(20)에 구비되는 광섬유(11)가 발광하여 광계측기(40)로 전송되는 전체 광량에서, 광섬유 전송라인(20)에 구비되는 보조 광섬유(21)가 발광하여 광계측기(40)로 전송되는 광량을 차감하여 광신호를 검출함으로써, 사용후핵연료 집합체(1)의 해당 감마선 측정면(2)에서 발생하는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
이때, 상기 광섬유(11) 및 보조 광섬유(21)에서 체렌코프 효과에 의해 발광되는 광량의 측정 및 광량 측정을 통한 감마선의 세기 측정은 후술되는 광계측기(40) 및 전산처리부(50)에서 수행하게 된다.
한편, 승강 구동부(30)는 사용후핵연료 집합체(1)의 둘레를 감싸도록 다수개로 배치되는 감마선 감지용 프로브(10)를 지지하며, 제어부(미도시)의 제어에 따라 감마선 감지용 프로브(10)를 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향으로 승강시킨다.
즉, 승강 구동부(30)가 구동하게 되면 사용후핵연료 집합체(1)의 둘레를 감싸도록 다수개로 배치된 감마선 감지용 프로브(10)가 사용후핵연료 집합체(1)의 길이 방향으로 승강하면서 사용후핵연료 집합체(1)의 외주면을 전체적으로 스캔할 수 있게 된다.
이와 같은 승강 구동부(30)는 모터 및 기어의 조합으로 구성될 수 있으며, 그 이외에도 다양한 승강 수단이 적용될 수 있음은 물론이다.
광계측기(40)는 광섬유 전송라인(20)을 통해 감마선 감지용 프로브(10)와 연결되어 감마선 감지용 프로브(10)로부터 전송되는 광신호의 광량을 측정한다.
즉, 상기 광계측기(40)는 감마선 감지용 프로브(10)로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하고, 변환된 전기신호를 분석하여 감마선 감지용 프로브(10)로부터 전송되는 광신호의 광량을 측정한다.
전산처리부(50)는 광계측기(40)로부터 광량 측정 결과를 신호로 전송받아, 상기 광량 측정 결과를 기반으로 감마선의 세기를 산출하며, 산출된 감마선의 세기를 기반으로 하여 사용후핵연료의 연소도를 측정한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브 및 이를 이용한 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템은, 감마선 감지용 프로브를 이용한 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정시, 광섬유를 둘러싸는 산란체를 통해 감마선에 의한 체렌코프 효과에 따라 발생하는 광신호를 증폭시킬 수 있어 신호 측정이 용이하며, 콜리메이터의 활용을 통해 사용후핵연료 집합체에서 측정하고자 하는 특정 감마선 측정면에서 방출되는 감마선의 세기를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 함으로써, 원자력발전소의 소내 저장조에 저장중인 사용후핵연료 집합체를 중간 저장시설로 인도할 시, 인도 규정에 따른 검수 요건인 사용후핵연료 집합체 연소도를 보다 정확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
1 : 사용후핵연료 집합체 2 : 감마선 측정면
10 : 감마선 감지용 프로브 11 : 광섬유
12 : 산란체 13 : 콜리메이터
14 : 슬릿홈 20 : 광섬유 전송라인
21 : 보조 광섬유 22 : 피복관
30 : 승강 구동부 40 : 광계측기
50 : 전산처리부 w : 슬릿홈의 폭
d1 : 산란체의 두께 d2 : 차폐재의 두께

Claims (9)

  1. 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선을 측정하기 위해 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선을 감지하는 프로브에 있어서,
    사용후핵연료 집합체의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면과 대향하게 배치되어, 상기 감마선 측정면으로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 발광하는 광섬유와;
    상기 감마선 측정면의 폭길이 만큼 연장되어 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되며, 상기 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면으로부터 광섬유로 입사되는 감마선과 반응하여 콤프턴 산란을 유발하는 산란체와;
    상기 산란체의 외주면을 둘러싸는 차폐재로 구성되되, 일측에 상기 광섬유의 직경과 동일한 폭으로 형성되는 슬릿홈이 몸체의 길이방향을 따라 형성되어, 상기 감마선 측정면 상의 측정하고자 하는 부분에서 방출되는 감마선 만을 상기 산란체 측으로 통과시키는 콜리메이터;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    유리 또는 합성수지 재질의 광섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산란체는,
    폴리에틸렌(polyethylene, PE) 또는 폴리메타크릴산 메틸(polymethyl methacrylate, PMMA)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 산란체의 두께는,
    2 ~ 4mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 구성하는 차폐재의 두께는,
    25 ~ 35mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 체렌코프 효과를 이용한 감마선 감지용 프로브.
  7. 제 1항 및 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 감마선 감지용 프로브를 구비하여 구성되는 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템에 있어서,
    사용후핵연료 집합체의 둘레를 감싸도록 다수개로 배치되어, 상기 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 감마선과 반응하여 체렌코프 효과에 의해 광신호를 발생시키는 상기 감마선 감지용 프로브와;
    상기 감마선 감지용 프로브로부터 발생되는 광신호를 전송하는 광섬유 전송라인과;
    상기 감마선 감지용 프로브를 사용후핵연료 집합체의 길이 방향으로 승강시키는 승강 구동부와;
    상기 광섬유 전송라인을 통해 전송되는 광신호의 광량을 측정하는 광계측기와;
    상기 광계측기의 측정 결과를 분석하여 사용후핵연료 집합체에서 방출되는 감마선의 세기를 산출하며, 산출된 감마선의 세기를 기반으로 하여 사용후핵연료 집합체의 연소도를 측정하는 전산처리부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광섬유 전송라인은,
    상기 감마선 감지용 프로브로부터 연장 형성되는 광섬유와,
    상기 감마선 감지용 프로브의 끝단으로부터 배치되어, 상기 감마선 감지용 프로브로부터 연장된 광섬유와 함께 피복관에 의해 일체로 피복되어 연장 형성되는 보조 광섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전산처리부는,
    상기 감마선 감지용 프로브 및 광섬유 전송라인에 구비되는 광섬유를 통해 측정된 전체 광량에서, 상기 광섬유 전송라인에 구비되는 보조 광섬유를 통해 측정된 광량을 차감하여, 사용후핵연료 집합체의 감마선 측정면에서 발생되는 감마선의 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 집합체의 연소도 판별 시스템.
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