KR101462504B1 - 보론미터 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 내부공간이 형성되며, 양측에는 유입구와 배출구가 각각 형성되어 상기 유입구를 통해 외부로부터 유입된 원자로냉각재(10)가 상기 내부공간을 거쳐 상기 배출구로 배출되는 케이스(110); 상기 내부공간 내에 배치되며 중성자를 방출하는 중성자선원(120); 상기 내부공간 내에 배치되며 상기 중성자선원(120)의 중성자 방출에 따라 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕소를 검출하는 복수 개의 검출기(130); 및 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값을 기초로 하여 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕산농도를 산출하는 연산제어부(140);를 포함하며, 상기 복수 개의 검출기(130)는, 상기 원자로냉각재(10)에 포함될 수 있는 최대의 붕소 검출값의 범위 내에서 상대적으로 민감도가 높은 복수 개의 검출기와, 상대적으로 민감도가 낮은 복수 개의 검출기를 포함하는 보론미터가 개시된다.
Description
본 발명은 보론미터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중성자선원의 중성자 방출에 따라 원자로냉각재에 포함된 붕소를 검출하여 원자로에 공급되는 원자로냉각재에 포함된 붕소농도를 추정하여 산출하는 보론미터에 관한 것이다.
일반적으로 보론미터는 원자로냉각재 내에 포함된 붕소농도를 산출하기 위해 중성자선원의 중성자방출에 따라 원자로냉각재에 포함된 붕소의 반응정도를 검출하여 원자로에 공급되는 원자로냉각재에 포함된 붕소농도를 추정하여 산출하는 측정장치로써, 원자로의 임계상태 유지를 위해 주입되는 붕소농도를 검출하는데 이용되고 있다.
종래의 보론미터 샘플러는 동일한 민감도(Thermal neutron sensitivity : 4CPS/nv)를 갖는 BF3 검출기 4개를 이용하여 원자로냉각재에 함유된 붕소농도(0 ppm 내지 5000 ppm)를 측정 하고 있다.
그러나, 동일한 민감도를 갖는 BF3 검출기를 이용하여 0∼5000ppm의 영역을 감시 할 때 몇 가지 문제점을 갖고 있다.
통상적으로 원자력 발전소는 운전 초기에 높은 양의 잉여 반응도를 보상하여 임계상태를 유지하기 위해 많은 양의 붕소를 주입하고 있으며 또한 붕소희석 사고예방을 위해 지속적인 붕소농도 감시를 하고 있다. 하지만 붕소가 과다하게 주입되어 있어 붕소농도가 높을 경우에서는 중성자 흡수 단면적이 큰 붕소에 의해 BF3 검출기로 입사되는 중성자속이 매우 적기 때문에 BF3 검출기에서 출력되는 신호에 많은 섭동이 유발되며 이는 붕소농도 값으로 전환 시킬 때 재현성이 매우 떨어지게 된다.
이를 고려하여 높은 민감도를 갖는 BF3 검출기를 이용할 경우 다른 문제점이 발생하게 되는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 노심 주기말 낮은 붕소농도로 인해 BF3 검출기에 입사되는 중성자속이 커지게 되므로 BF3 검출기의 펄스 포화(Pulse Pile-up) 현상에 의해 신호 선형성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 노심의 주기와는 무관하게 안정적인 붕소검출값을 검출하여 신뢰성있는 붕소농도를 산출할 수 있는 보론미터를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보론미터는 내부공간이 형성되며, 양측에는 유입구와 배출구가 각각 형성되어 상기 유입구를 통해 외부로부터 유입된 원자로냉각재(10)가 상기 내부공간을 거쳐 상기 배출구로 배출되는 케이스(110); 상기 내부공간 내에 배치되며 중성자를 방출하는 중성자선원(120); 상기 내부공간 내에 배치되며 상기 중성자선원(120)의 중성자 방출에 따라 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕소를 검출하는 복수 개의 검출기(130); 및 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값을 기초로 하여 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕산농도를 산출하는 연산제어부(140);를 포함하며, 상기 복수 개의 검출기(130)는, 상기 원자로냉각재(10)에 포함될 수 있는 최대의 붕소 검출값의 범위 내에서 상대적으로 민감도가 높은 복수 개의 검출기와, 상대적으로 민감도가 낮은 복수 개의 검출기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연산제어부(140)는, 원자로의 노심주기를 기준으로 붕소농도가 높은 노심주기 초, 중 구간에는 민감도가 높은 검출기와 민감도가 낮은 검출기로부터 각각 입력되는 붕소검출값을 취합하여 붕소농도를 산출하며, 상기 노심주기 말 구간에는 민감도가 낮은 검출기로부터 입력되는 붕소검출값만을 취합하여 붕소농도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 연산제어부(140)는, 각 검출기(130)가 ON/OFF 동작되도록 구동제어하되, 메모리(150)에 미리 저장된 노심주기 정보를 기초로 하여, 노심주기에 따라 각 검출기(130)가 자동적으로 ON/OFF 동작하도록 구동제어할 수 있다.
또한, 상기 케이스(110)는 소정의 길이를 갖는 원통형으로 형성되고, 상기 중성자선원(120)은 케이스(110)의 연장된 길이방향을 따라 연장형성 되어 케이스(110)의 내부공간 중앙에 배치되며, 각 검출기(130)는 케이스(110)의 연장된 길이방향을 따라 연장형성 되어 상기 중성자선원(120)을 중심으로 케이스(110)의 원주를 따라 일정간격 이격되어 내부공간의 둘레에 배치될 수 있다.
또한, 상기 케이스(110)는 판형으로 형성되어, 각 검출기(130) 및 중성자선원(120)은 상기 내부공간 내에서 일방향으로 정렬된 형태로 배치되며, 각 검출기(130)가 배치된 위치의 전단에는 외부로부터 공급되는 물이 유입되어 배출되는 별도의 내부공간이 마련될 수 있다.
또한, 상기 내부공간 내에서 상기 중성자선원(120)의 둘레면으로부터 일정거리 이격되어 상기 중성자선원(120)을 둘러싸는 형태로 배치되며, 상기 중성자선원(120)의 둘레면과 내측면 사이에는 순수(20,Pure Water)가 주입된 분리관(160);을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 연산제어부(140)는, 최대 붕소 검출값에 대한 하나의 피팅포인트보다 작은 범위를 커버하는 복수 개의 피팅커브를 이용하여, 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값에 따라 붕산농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 보론미터.
본 발명에 따른 보론미터에 의하면, 본 발명의 목적은 노심주기 초, 중 구간과 노심주기 말 구간을 구분하여 서로 다른 민감도를 갖는 복수 개의 검출기를 조합하여 사용함으로써 노심의 주기와는 무관하게 안정적인 붕소검출값을 검출하여 신뢰성 있는 붕소농도를 산출할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 단일 검출기 사용시 검출되는 붕소농도와 총 중성자 계수율을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터의 구성을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베릴륨의 (α,n)반응으로 방출되는 중성자 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출기의 구성을 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계수율과 Deposited 에너지의 관계를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서로 다른 민감도를 갖는 검출기의 조합으로 검출되는 붕소농도와 총 중성자 계수율을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델1의 구성을 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델1의 산출결과를 나타낸 표,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델2의 구성을 나타낸 개략도,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 [식 14]를 이용해 역으로 계산한 계측신호를 나타낸 표,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 tallied된 계측신호와 estimated된 계측신호를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델2를 통해 산출된 붕산농도 계측 결과 및 오차를 나타낸 표,
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중성자선원의 둘레면과 내측면 사이에 순수가 주입된 분리관이 배치된 구성을 나타낸 개략도,
도 14a는 중성자선원의 둘레에 Boric acid 영역이 배치된 구성을 나타낸 개략도,
도 14b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중성자선원의 둘레에 순수 영역이 배치된 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터의 구성을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베릴륨의 (α,n)반응으로 방출되는 중성자 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출기의 구성을 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계수율과 Deposited 에너지의 관계를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서로 다른 민감도를 갖는 검출기의 조합으로 검출되는 붕소농도와 총 중성자 계수율을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델1의 구성을 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델1의 산출결과를 나타낸 표,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델2의 구성을 나타낸 개략도,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 [식 14]를 이용해 역으로 계산한 계측신호를 나타낸 표,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 tallied된 계측신호와 estimated된 계측신호를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험모델2를 통해 산출된 붕산농도 계측 결과 및 오차를 나타낸 표,
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중성자선원의 둘레면과 내측면 사이에 순수가 주입된 분리관이 배치된 구성을 나타낸 개략도,
도 14a는 중성자선원의 둘레에 Boric acid 영역이 배치된 구성을 나타낸 개략도,
도 14b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중성자선원의 둘레에 순수 영역이 배치된 구성을 나타낸 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터(100)는, 노심주기 초, 중 구간과 노심주기 말 구간을 구분하여 서로 다른 민감도를 갖는 복수 개의 검출기(130)를 조합하여 사용함으로써 노심의 주기와는 무관하게 안정적인 붕소검출값을 검출하여 신뢰성 있는 붕소농도를 산출할 수 있는 붕소농도 측정장치로써, 도 2에 도시된 바와 같이 케이스(110), 중성자선원(120), 검출기(130) 및 연산제어부(140)를 포함하여 구비된다.
먼저, 케이스(110)는 내부에 배치되는 중성자선원(120)과 검출기(130)로 원자로냉각재(10)를 통과시켜 상기 검출기(130)를 통해 원자로냉각재(10)에 함유된 붕소를 검출할 수 있도록 공간을 제공하는 공간부로써, 내부에는 내부공간이 형성되며, 도시되지 않았으나 케이스(110)의 양측에는 외부로부터 원자로냉각재(10)가 유입되는 유입구와, 내부로 유입된 원자로냉각재(10)가 외부로 배출되기 위한 배출구가 형성된다. 따라서, 상기 유입구를 통해 유입된 원자로냉각재(10)는 상기 내부공간을 거쳐 배출구로 배출된다.
여기서, 상기 케이스(110)는 도면에서와 같이 원자로냉각재(10)의 유동방향을 따라 소정의 길이를 갖는 원통형으로 형성될 수 있다.
상기 중성자선원(120)은, 붕소농도에 따라 변화하는 중성자의 분포를 측정할 수 있도록 에너지분포가 같은 세기의 중성자를 방출하는 선원으로써, 상기 케이스(110)의 내부공간 내에 배치되어 중성자를 방출한다.
이러한 중성자선원(120)은 α붕괴를 하는 핵종과 (α,n) 반응을 일으키는 핵종의 혼합물로 만들 수 있으며, Am-Be 중성자선원(120)은 아메리슘의 α붕괴로 나오는 헬륨과 베릴륨의 (α,n) 반응을 통해 일정한 중성자를 방출시킬 수 있다.
상기 아메리슘의 α붕괴과정은 아래의 [식 1]과 같다.
[식 1]
상기 아메리슘의 반감기는 432.2년이고 붕괴로 인해 방출되는 α입자의 에너지 분포는 아래의 [표 1]과 같다.
| 에너지(MeV) | 확률(%) |
| 5.39 | 1.60 |
| 5.42 | 0.01 |
| 5.44 | 13.00 |
| 5.47 | 0.04 |
| 5.49 | 84.50 |
| 5.51 | 0.22 |
| 5.54 | 0.34 |
| 총합 | 99.71 |
상기 [표 1]에 나타는 분포확률의 총합은 99.71%로, 나머지 0.29%는 4.7에서 5.3MeV 사이에 골고루 분포해 있고, 대다수의 α입자들이 5.5MeV 정도의 에너지로 방출된다.
상기 베릴륨의 (α,n) 반응식은 아래의 [식 2]와 같다.
[식 2]
베릴륨의 (α,n) 반응으로 방출되는 중성자의 에너지는 에너지 그룹별 방출세기를 나타내는 Bi 는 에너지 Ei 와 Ei+1 사이의 중성자가 방출될 확률의 합으로 아래의 [식 3]과 같이 구해지나.
[식 3]
여기서, BE 는 에너지 E의 중성자가 방출될 확률로써 실험적으로 얻어진다. 도 3은 베릴륨의 (α,n) 반응으로 방출되는 중성자의 스펙트럼 분포이다.
도 3의 중성자 스펙트럼은 SCALE 6.1 의 TRITON과 ORIGEN 코드를 사용하여 생산하였다. TRITON 코드를 사용하여 Am-241과 Be-9을 질량 비 1:10의 균질화된 혼합물을 설정하고 ORIGEN 코드를 사용하여 혼합물을 특정시간 동안 자연 붕괴시켜(α,n) 반응으로 생산되는 중성자의 스펙트럼을 계산한다. 도 3의 스펙트럼은 1일 붕괴시킨 후 중성자 스펙트럼을 나타낸 것이며 붕괴기간에 따른 스펙트럼의 변화는 미미하다.
상기 검출기(130)는, 케이스(110)의 내부공간 내에 배치되며 상기 중성자선원(120)의 중성자 방출에 따라 상기 내부공간 내부를 통과하는 원자로냉각재(10)에 함유된 붕소를 검출하는 검출수단으로써, 도 2에서와 같이 케이스(110)의 연장된 길이방향을 따라 연장형성되어 상기 중성자선원(120)을 중심으로 케이스(110)의 원주를 따라 일정간격 이격되어 내부공간의 둘레에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 검출기(130)는 BF3 계수기(검출기)를 이용할 수 있으며, 알루미늄 또는 구리 재질로 형성된 튜브 안에 0.5에서 1기압 사이의 BF3 기체로 구성된다. 상기 BF3 기체는 이온화를 위한 Proportional fill gas의 기능과, 아래의 [식 4]와 같은 열중성자와의 (n, α) 반응 등의 기능을 위해 충전되어 있다.
[식 4]
또한, 작은 핵 단면적 때문에 알루미늄 또는 구리가 사용되며, 통상적으로 96%로 농축된 붕소가 사용된다.
상기 검출기(130)의 작동원리를 설명하면, 먼저, 
이 중성자 흡수반응을 일으키면 상기 [식 4]와 같이 헬륨과 리튬입자가 생성된다. 이 입자들은 검출기(130) 내부에서 BF3 기체와 충돌하여 이온쌍을 생성하고, 생성된 이온쌍은 검출기(130) 내부에 걸린 전압에 의해 검출된다.
도 4는 검출기(130)의 구조로써 음극은 알루미늄, 양극은 스테인리스 스틸로 이루어져 있고 검출기(130)의 내부는 BF3 기체로 채워져 있다.
계수율의 크기는 붕소와의 반응으로 생성된 입자들이 얼마나 많은 이온쌍을 생성하느냐에 따라 달라진다. 생성입자들은 리튬의 상태에 따라 아래와 같이 두 가지 에너지 유형을 보인다.
(1) 리튬이 기저 상태인 경우(6%) : 헬륨 = 1.78MeV, 리튬 = 1.02MeV, 합 2.279MeV
(2) 리튬이 여기 상태인 경우(94%) : 헬륨 = 1.47MeV, 리튬 = 0.84MeV, 합 2.301MeV
이상적인 경우, 모든 입자의 에너지가 모두 BF3 기체를 이온화하는데 쓰이지만, 실제로는 입자가 검출기(130)의 외부로 누설될 수 있다. 입자가 검출기(130) 밖으로 나가면서 검출기(130)의 외벽과 반응하면 펄스가 생성되고 이러한 현상을 Wall Effect라 한다.
도 5는 계수율과 Deposited 에너지의 관계를 나타낸 그래프이다.
계수효율은 아래와 같은 [식 5]와 같이 산출된다.
[식 5]
상기 [식 5]를 참고하면, Σt와 Σα는 전단면적과 흡수단면적이고, l은 중성자의 이동방향과 평행한 검출기(130)의 길이이다.
와 tw는 벽을 구성하는 물질의 전단면적과 두께이다. 계수효율 ε는 중성자가 붕소와 충돌할 확률(1-e-Σl), 중성자가 벽과 충돌하지 않을 확률(
), 그리고 충돌반응이 흡수반응일 확률(Σα/Σt)의 곱으로 나타낼 수 있다.
한편, 상기 복수 개의 검출기(130)는 원자로냉각재(10)에 포함될 수 있는 초대의 붕소 검출값의 범위 내에서 상대적으로 민감도가 높은 복수 개의 검출기와, 상대적으로 민감도가 낮은 복수 개의 검출기를 포함하여 구비될 수 있다.
예를 들면, 검출기(130)를 민감도가 높은 2 개 내지 4개의 검출기와, 민감도가 낮은 4개의 검출기를 혼합하여 구성함으로써 붕소농도에 따라 구분되는 구간별로 선택적으로 이용할 수 있다.
따라서, 노심주기 초, 중 구간과 같이 붕소농도가 높은 구간에서는 낮은 중성자속을 보완시키기 위해 높은 민감도 검출기와 낮은 민감도 검출기를 모두 조합하여 사용하며, 붕소농도가 낮은 노심 주기말 구간에서는 높은 민감도 검출기를 Off 시켜 낮은 민감도 검출기만 사용함으로써 도 6에 도시된 바와 같이 검출기의 펄스 포화 현상을 해결할 수 있다.
여기서, 상기 연산제어부(140)는 각 검출기(130)가 ON/OFF 동작되도록 구동제어하되, 메모리(150)에 미리 저장된 노심주기 정보를 기초로 하여, 노심 주기에 따라 각 검출기(130)가 자동적으로 ON/OFF 동작하도록 구동제어할 수 있다.
또한, 상기 연산제어부(140)는, 최대 붕소 검출값에 대한 하나의 피팅포인트보다 작은 범위를 커버하는 복수 개의 피팅커브를 이용하여, 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값에 따라 붕산농도를 추정하도록 구비될 수 있다.
더불어, 상기 케이스(110)는 판형으로 형성되어, 각 검출기(130) 및 중성자선원(120)은 상기 내부공간 내에서 일방향으로 정렬된 형태로 배치되며, 각 검출기(130)가 배치된 위치의 전단에는 외부로부터 공급되는 물이 유입되어 통과되어 배출되는 별도의 내부공간이 마련되는 것이 바람직하다.
상기 연산제어부(140)는, 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값을 기초로 하여 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕산농도를 산출하는 마이크로컨트롤러로써, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터(100)를 구동시키기 위한 각종 데이터 및 프로그래밍 파일이 저장되는 메모리(150)가 구비되어 프로그래밍된 사항에 따라 구동된다.
이하에서는, 케이스(110)의 내부공간 내에서의 검출기(130) 및 중성자선원(120)의 배치구조에 따라 시험모델을 구분하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터(100)의 동작원리를 설명하기로 한다.
시험모델1에서는 0.025eV의 단일에너지 중성자선원(120)을 사용하였고, 시험모델2에서는 도 3과 같이 ORIGEN 코드를 사용해 Am(α,n) 반응으로 인한 중성자 선원 분포를 그대로 사용하였다.
상술한 바와 같이 검출기(130)는 
의 (α,n)반응으로부터 생성되는 입자들이 BF3 기체와 충돌하여 이온쌍을 생성하고, 그 이온쌍이 검출기(130)에 걸린 전압에 의해 계수되는 원리를 사용하고 있다. 이를 묘사하기 위해서는 전자기장을 시뮬레이션 할 수 있어야 하지만, MCNPX(Monte Carlo N-Particle eXtended)에는 이러한 기능들이 구현되어 있지 않다. 하지만 계수율은 
의 (α,n)반응율과 비례하기 때문에 계수율 대신 붕소의 반응율과 계수율이 같다고 가정할 수 있다.
MCNPX를 통한 붕산농도 계산의 타당성을 보이기 위해 단순화된 모델이 설계되었다. 중성자는 열중성자의 평균 에너지인 0.025eV의 단일 에너지 중성자 선원을 사용하였고, 충돌하지 않은 중성자들의 중성자속을 tally하여 붕산농도를 계산하였다. 시험모델1은 0ppm, 50ppm, 300ppm, 1000ppm, 2000ppm, 및 3000ppm의 붕산농도에 대하여 테스트하였다. 도 7은 시험모델 1의 구조이다. 평면선원에서 0.025eV의 단일에너지 중성자가 방출되고, 붕산수 영역을 지나 충돌하지 않은 중성자들이 tally 된다.
도 7을 참고하면, 적색으로 표시된 평면선원에서 0.025eV의 단일에너지, 단일방향의 중성자가 방출되고, 붕산수와 한번도 충돌하지 않은 중성자들의 중성자속이 tally 평면에서 tally된다. 이 중성자속과 하기의 [식 6] 내지 [식 9]를 이용해 붕산농도가 계산된다.
깊이 l의 붕산수를 통과한 중성자 중 한번도 충돌하지 않은 중성자들의 중성자속 φ는 [식 6]과 같이 계산된다.
[식 6]
여기서, Σt는 붕산수의 전단면적, φ0는 초기 중성자속이다.
붕산이 섞이지 않은 물의 전단면적 Σt,water는 [식 7]과 같이 계산된다.
[식 7]
여기서, φwater는 깊이 l의 물을 통과한 중성자속으로, [식 8]과 같이 계산될Σ 수 있다.
[식 8]
또한, 붕산수의 전단면적도 상기 [식 7]을 이용하여 같은 방식으로 계산할 수 있다.
[식 9]
여기서, Σt,boric는 붕산수의 전단면적이고, φboric는 깊이 l의 붕산수를 통과한 중성자속을 나타낸다. 붕산수의 전단면적은 붕산의 전단면적과 물의 전단면적의 합이므로 붕산의 전단면적은 [식 10]과 같이 구해진다.
[식 10]
여기서, Σt,boron는 붕소의 전단면적 이다.
거시단면적은 미시단면적과 수밀도의 곱이므로 [식 11]과 같이 수밀도와 붕산농도를 구할 수 있다.
[식 11]
이와 같은 시험모델 1의 결과데이터는 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 참고하면 주어진 농도 input값을 이용하여 MCNPX를 시뮬레이션 하여 중성자속을 결과값으로 획득하였다. 이 중성자속과 [식 8]의 계산이론을 통해 붕산농도의 추정치를 구할 수 있다. 붕산농도의 절대오차는 추정치와 input값의 차이를 나타내고, 상대오차는 절대오차/입력 값 × 100으로 계산된다.
계산결과 붕산수의 농도추정치가 표준편차 안에서 input값과 일치하는 것을 확인할 수 있다.
도 9에는 시험모델2의 구성이 도시되어 있다. 도 9를 참고하면 원통 중앙에 중성자선원(120, 백색원 표시)이 존재하고, 그 주변에 4개의 검출기(130, 적색원 표시)가 위치해 있으며, 케이스(110)의 내부에는 붕산수(청색표시 부분)가 채워져 있다.
아래의 [표 2]에는 시험모델2의 각 구성에 대한 조건이 기재되어 있다.
| 케이스의 반지름 | 12.7cm |
| 검출기의 반지름 | 1.9cm |
| 중성자선원의 반지름 | 2cm |
| 연장된 길이 | 55cm |
| 물의 밀도(붕산제외) | 0.69g/cm3 |
| 중성자의 에너지 | Am-Be |
검출기(130)로 입사하는 중성자의 중성자속과 계수효율 
은 중성자의 에너지 분포가 같을 때 정비례 관계(
)이다. 붕산수를 통과하는 중성자의 에너지분포가 붕산농도와 무관하게 일정하다고 가정하면 중성자속을 [식 12]와 같이 가정할 수 있다.
[식 12]
상기 [식 12]는 테일러 전개를 통해 [식 13]과 같이 표현될 수 있다.
[식 13]
여기서, Cb는 붕산농도, l은 붕산수의 깊이를 나타낸다.
[식 14]
여기서, Cr은 계수효율, A,B,C값은 에너지분포와 붕산수의 깊이 등에 의해 결정되는 상수를 의미한다.
시험모델2에서는 15개의 포인트에 대해서 Cb와 Cr을 tally하고 이중 N개의 포인트(Fitting Point)만을 사용해 피팅커브(Fitting Curve)를 결정하고, 이를 이용해 전체 15개의 포인트에 대해 Cr에 대응하는 Cb를 계산한다. 피팅커브에는 상기 [식 14]와 같은 Rational 형태의 함수와, [식 15]와 같은 Exponential형태의 함수를 사용하였다.
[식 15]
여기서, 도 8에는 [식 14]를 이용하여 역으로 계산한 계측신호 값이 기재되어 있으며, 도 9에는 tallied된 계측 신호와 estimated된 계측신호가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 시험모델2는 10ppm, 50ppm, 100ppm, 250ppm, 500ppm, 750ppm, 1000ppm, 1250ppm, 1500ppm, 1750ppm, 2000ppm, 2250ppm, 2500ppm, 2750ppm, 3000ppm, 4000ppm, 5000ppm 및 6000ppm의 붕산수로 테스트하였다. 6개의 포인트를 이용해 최소자승법으로 [식 14]의 상수들을 결정한다. [식 14]의 상수들이 모두 결정되었으므로 검출기(130)의 detector signal을 보론의 농도로 바꿔줄 수 있고, 보론의 농도를 detector signal의 형태로 변환할 수도 있다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터(100)는, 상기 내부공간 내에서 상기 중성자선원(120)의 둘레면으로부터 일정거리 이격되어 상기 중성자선원(120)을 둘러싸는 형태로 배치되며, 상기 중성자선원(120)의 둘레면과 내측면 사이에는 순수(20,Pure Water)가 주입된 분리관(160)을 더 포함하여 구비될 수 있다.
이러한 분리관(160)이 구비되지 않은 경우, 도 14a에 도시된 바와 같이 중성자선원(120)의 둘레에 Boric acid 영역이 배치되나, 도 13 및 도 14b에 도시된 바와 같이 순수(20)가 주입되는 분리관(160)의 구성을 통해 상기 중성자선원(120)의 둘레에 순수(20) 영역이 배치되면서 Boric acid 영역에 중성자가 입사하기 전에 순수(20) 영역을 통과시키면, Boric acid 영역에서 붕소와 반응하는 중성자가 상대적으로 많아지기 때문에 검출기(130)에서 붕산농도에 따라 측정되는 중성자의 민감도가 상승하는 효과를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보론미터(100)의 각 구성 및 기능에 의해, 노심의 주기와는 무관하게 안정적인 붕소검출 값을 검출하여 신뢰성 있는 붕소농도를 산출할 수 있다.
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 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...원자로냉각재 20...순수
100...보론미터 110...케이스
120...중성자선원 130...검출기
140...연산제어부 150...메모리
160...분리관
100...보론미터 110...케이스
120...중성자선원 130...검출기
140...연산제어부 150...메모리
160...분리관
Claims (7)
- 삭제
- 내부공간이 형성되며, 양측에는 유입구와 배출구가 각각 형성되어 상기 유입구를 통해 외부로부터 유입된 원자로냉각재(10)가 상기 내부공간을 거쳐 상기 배출구로 배출되는 케이스(110);
상기 내부공간 내에 배치되며 중성자를 방출하는 중성자선원(120);
상기 내부공간 내에 배치되며 상기 중성자선원(120)의 중성자 방출에 따라 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕소를 검출하는 복수 개의 검출기(130); 및
각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값을 기초로 하여 상기 원자로냉각재(10)에 포함된 붕산농도를 산출하는 연산제어부(140);를 포함하며,
상기 복수 개의 검출기(130)는, 상기 원자로냉각재(10)에 포함될 수 있는 최대의 붕소 검출값의 범위 내에서 상대적으로 민감도가 높은 복수 개의 검출기(130)와, 상대적으로 민감도가 낮은 복수 개의 검출기(130)를 포함하되,
상기 연산제어부(140)는,
원자로의 노심주기를 기준으로 붕소농도가 높은 노심주기 초, 중 구간에는 민감도가 높은 검출기(130)와 민감도가 낮은 검출기(130)로부터 각각 입력되는 붕소검출값을 취합하여 붕소농도를 산출하며,
상대적으로 붕소농도가 낮은 노심주기 말 구간에는 민감도가 낮은 검출기(130)로부터 입력되는 붕소검출값만을 취합하여 붕소농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 보론미터.
- 제 2항에 있어서,
상기 연산제어부(140)는, 각 검출기(130)가 ON/OFF 동작되도록 구동제어하되,
메모리(150)에 미리 저장된 노심주기 정보를 기초로 하여, 노심주기에 따라 각 검출기(130)가 자동적으로 ON/OFF 동작하도록 구동제어하는 것을 특징으로 하는 보론미터.
- 제 2항에 있어서,
상기 케이스(110)는 소정의 길이를 갖는 원통형으로 형성되고,
상기 중성자선원(120)은 케이스(110)의 연장된 길이방향을 따라 연장형성 되어 케이스(110)의 내부공간 중앙에 배치되며,
각 검출기(130)는 케이스(110)의 연장된 길이방향을 따라 연장형성 되어 상기 중성자선원(120)을 중심으로 케이스(110)의 원주를 따라 일정간격 이격되어 내부공간의 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 보론미터.
- 제 2항에 있어서,
상기 케이스(110)는 판형으로 형성되어, 각 검출기(130) 및 중성자선원(120)은 상기 내부공간 내에서 일방향으로 정렬된 형태로 배치되며,
각 검출기(130)가 배치된 위치의 전단에는 외부로부터 공급되는 물이 유입되어 배출되는 별도의 내부공간이 마련된 것을 특징으로 하는 보론미터.
- 제 2항에 있어서,
상기 내부공간 내에서 상기 중성자선원(120)의 둘레면으로부터 일정거리 이격되어 상기 중성자선원(120)을 둘러싸는 형태로 배치되며, 상기 중성자선원(120)의 둘레면과 내측면 사이에는 순수(20,Pure Water)가 주입된 분리관(160);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보론미터.
- 제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산제어부(140)는,
최대 붕소 검출값에 대한 하나의 피팅포인트보다 작은 범위를 커버하는 복수 개의 피팅커브를 이용하여, 각 검출기(130)로부터 검출된 붕소검출값에 따라 붕산농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 보론미터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130168367A KR101462504B1 (ko) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | 보론미터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130168367A KR101462504B1 (ko) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | 보론미터 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101462504B1 true KR101462504B1 (ko) | 2014-11-19 |
Family
ID=52290752
Family Applications (1)
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| KR1020130168367A KR101462504B1 (ko) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | 보론미터 |
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| KR (1) | KR101462504B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102021763B1 (ko) * | 2018-03-13 | 2019-09-17 | 유저스 주식회사 | 인렛 파이프(Inlet Pipe)가 구비된 붕소 농도 측정기 |
| KR20200045786A (ko) * | 2018-10-23 | 2020-05-06 | 유저스(주) | 이중 민감도를 가지는 중성자 검출기 기반 중성자 계수 장치 |
Citations (3)
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| JP2002350369A (ja) * | 2001-05-30 | 2002-12-04 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | ホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置 |
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-
2013
- 2013-12-31 KR KR1020130168367A patent/KR101462504B1/ko active IP Right Grant
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| KR102115139B1 (ko) * | 2018-10-23 | 2020-05-26 | 유저스 주식회사 | 이중 민감도를 가지는 중성자 검출기 기반 중성자 계수 장치 |
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