KR101466247B1 - 파이로 출력 물질 u/tru 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법에 관한 것으로, 상세하게는 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지 증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot) 내의 플루토늄(Pu, Plutonium)을 계량하는 시스템이 있어서, 상부에 개구부가 형성된 원통형의 몸체(10)와, 상기 몸체(10) 내부에 형성되는 공간부(20)에 배치되는 U/TRU 잉곳(1)과, 상기 공간부(20)의 외경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 내측 검출부(110)와, 상기 몸체(10)의 내경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 외측 검출부(120)와, 상기 몸체(10) 내부에 충전되어 고속 중성자를 감속시키는 중성자 감속부(130)를 포함하는 중성자 계량 장치(100) 및 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)에서 검출한 중성자를 통해서 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하여 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 결정하는 Pu 계량부(200)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에 관한 것이다.

Description

파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법 {Plutonium (Pu) accounting system and method for pyroprocessing output material of U/TRU (Uranium/Transuranium) ingot}
본 발명은 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법에 관한 것으로서, 중성자 계량 장치의 중앙부에 배치되어 있는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot)과 각각 상이한 간격으로 구비되어 있는 적어도 2개의 중성자 검출부를 통해 결정한 중성자증배와 중성자 에너지 사이의 관계를 이용하여 사용후핵연료인 U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 플루토늄(Pu, Plutonium)을 비교적 정확하게 계량할 수 있는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법에 관한 것이다.
사용후핵연료에 대한 전처리 공정을 통해, 먼저 핵분열생성물을 일부 분리하고, 2차적으로 우라늄(U)과 다른 물질(TRU, RE)을 분리하는 전기화학공정, 즉, 파이로 공정에서 각 단위공정별로 핵물질의 양을 정확하게 측정하는 것은 핵투명성을 보장하기 위해서 매우 중요하며, 국제원자력협력기구(IAEA, International Atomic Energy Agency)의 권고사항이다.
이러한 파이로 공정에서 전해제련 공정을 통해 분리된 U+TRU+RE의 혼합물로 구성된 금속물질을 U/TRU 잉곳(ingot)이라 한다.
기준 공학규모 파이로 시설(REPF, Reference Engineering-scale Pyroprocessing Facility)의 약 500 kgHM의 가압경수로 사용후핵연료 집합체에서 12 kg 무게의 U/TRU 물질이 발생하며, 임계의 위험에 대한 안전을 확보하기 위하여 각각의 무게가 6 kg인 두 개의 U/TRU 잉곳을 제조하게 된다.
일반적으로, 공정물질 내에 포함된 핵물질의 양을 측정하기 위하여 사용되는 측정방법은 파괴방법과 비파괴방법으로 크게 나누어진다.
먼저, 파괴방법은 화학적인 분석방법으로서 전통적으로 분석정확도가 양호하다는 장점이 있으나, 분석 시간이 오래 걸리는 등 경제적인 면에서 불리하여 사용빈도가 적은 편이다.
반면에, 비파괴방법은 감마선이나 중성자를 측정하여 분석하는 방법으로서, 실시간으로 분석이 가능하다는 장점이 있으나, 신 핵연료에 대해서만 감마선 스펙트럼 분석방법이 사용되어 왔으며, 사용후핵연료에 포함된 핵분열성 물질에 대해서는 주요한 중성자 선원인 244Cm에서 방출하는 중성자를 측정하여 244Cm을 정량화하고, 이를 바탕으로 235U나 플루토늄을 정량화하는 방법을 사용한다. 이 때, 고효율의 중성자검출기가 필요하다.
REPF의 기준, 사용후핵연료 집합체인 초기농축도 4.5%, 연소도 55,000 MWd/MtU, 냉각기간 10년의 입력물질을 이용하여 제조된 6 kg 무게의 U/TRU 잉곳에는 우라늄(U) 원소가 약 19wt.%, 플루토늄(Pu), 큐륨(Cm) 등의 초우라늄 원소들이 약 65wt.%, 희토류 원소들이 약 15wt.% 포함되어 있다. 이렇게 구성된 U/TRU 잉곳 6kg에 포함된 244Cm는 약 24.6g 이며, 상기 244Cm로부터 초당 2.95 X 108개의 중성자가 방출된다.
이 때, U/TRU 잉곳에 포함된 핵분열성 물질로부터 방출되는 유도핵분열 중성자의 중성자증배(multiplication)를 고려하면 그 수는 배 이상 늘어나게 된다.
따라서, 측정 시에 이러한 중성자증배를 고려하지 않는다면 측정값을 매우 부정확한 값을 나타내게 된다.
또한, 감마선 측정에 기반한 비파괴방법을 이용할 경우, 우라늄, 플루토늄 동위원소에서 방출되는 감마선뿐만 아니라, 희토류 원소들로부터 다량의 감마선이 방출되어 Pu 동위원소 검출이 어려운 문제점이 있다.
비파괴방법 중 가장 유력하고 최근에 미국 로스알라모스국립연구소(Los Alamos National Laboratory)에서 제시한 방법은 PNAR(Passive Neutron Albedo Reactivity)이다.
이 방법은, 일반적으로 피동형 중성자계수기에 Cd(카드뮴) 원통을 추가하여, 측정대상 핵물질 시료 주위를 Cd 원통으로 둘러싼 상태에서 측정한 경우와, Cd 원통이 없는 상태에서 측정한 결과의 비율을 구한다. 이 비율을(Cd 비율)과 핵물질 내에 존재하는 핵분열 물질(235U, 239Pu 등)의 질량 또는, Pu 질량 사이의 비례하는 관계식을 구해서, 핵물질 내에 존재하는 핵분열 물질 또는, 플루토늄 질량을 구하는 방법이다.
허나, 이 방법은 Cd 원통으로 둘러싼 경우에는, 신호가 약해지기 때문에, Cd 비율의 불확도가 커져 측정오차가 수 % 이상되어, 측정의 정확도가 낮다.
하기의 표 1은 이 방법을 통한 실제 플루토늄의 질량과 측정한 플루토늄의 질량의 비교표이다.
초기 농축도(Initial Enrichment)(wt.%) 플루토늄 질량의 최대 오차값
(Maximum Error in Pu mass)
2.5 5.89%
3.5 3.46%
4.5 2.14%
평균 5.95%
이 때, 플루토늄 질량의 최대 오차값은 하기의 수식을 통해서 구할 수 있다.
플루토늄 질량의 최대 오차값 = (Pu' - Pu) / Pu
이며, 상기 Pu'는 획득한 Pu의 질량이며, Pu는 실제 Pu의 질량이다.
상기의 표에 도시된 바와 같이, 최대 2.14% 까지 오차를 줄일 수 있으나, 이는 특정한 경우이고 모든 사용후핵연료의 조건을 고려했을 경우, 5.95% 로 매우 큰 오차를 보이기 때문에 핵물질 계량에 활용하기가 어려워 활용이 제한되는 단점이 있다.
국내등록특허 제10-0962277호(공고일 : 2010.06.11., 명칭 : 감마선 영향을 완화한 사용후핵연료 측정용 중성자 계수장치)에서는 고속 중성자를 감속시켜 낮은 에너지의 중성자로 변화시키는 중성자계수기의 중성자감속재에 있어서, 비교적 우수한 감속능을 가지며, 핵분열성물질로부터 방출되는 감마선에 의한 영향을 감소시키거나 또는, 감마선의 영향을 받더라도 교체가 용이한 순수(pure water)를 중성자 감속재로 사용하여 감마선의 영향을 완화시킴으로써 다량의 핵분열성물질을 포함하고 있는 사용후핵연료를 보다 효율적으로 측정할 수 있는 사용후핵연료 측정용 중성자 계수장치를 개시하고 있다.
허나, 244Cm핵종에서 발생되는 자발 핵분열 중성자에 의한 유도 핵분열에 따른 중성자 증가에 대해서는 전혀 언급되고 있지 않아, 정확한 플루토늄 계량에 활용하기에는 어려운 문제점이 있다.
국내등록특허 제10-0962277호(공고일 : 2010.06.11., 명칭 : 감마선 영향을 완화한 사용후핵연료 측정용 중성자 계수장치)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 중성자 계량 장치의 중앙부에 배치되어 있는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳 (Uranium/Transuranium ingot)과 각각 상이한 간격으로 구비되어 있는 적어도 2개의 중성자 검출부를 통해 결정한 중성자증배와 중성자 에너지 사이의 관계를 이용하여 사용후핵연료인 U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 플루토늄(Pu, Plutonium)을 비교적 정확하게 계량할 수 있는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템은, 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지 증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot) 내의 플루토늄(Pu, Plutonium)을 계량하는 시스템에 있어서, 상부에 개구부가 형성된 원통형의 몸체(10)와, 상기 몸체(10) 내부에 형성되는 공간부(20)에 배치되는 U/TRU 잉곳(1)과, 상기 공간부(20)의 외경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 내측 검출부(110)와, 상기 몸체(10)의 내경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 외측 검출부(120)와, 상기 몸체(10) 내부에 충전되어 고속 중성자를 감속시키는 중성자 감속부(130)를 포함하는 중성자 계량 장치(100) 및 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)에서 검출한 중성자를 통해서 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하여 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 결정하는 Pu 계량부(200)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법은, 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지 증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot) 내의 플루토늄(Pu, Plutonium)을 계량하는 방법에 있어서, 중성자 계량 장치의 몸체 내부에 형성되는 공간부의 외경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 내측 검출부와, 상기 몸체의 내경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 외측 검출부로부터 U/TRU 잉곳으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 중성자 검출 단계(S100), Pu 계량부에서 상기 중성자 검출 단계(S100)에서 상기 내측 검출부와, 상기 외측 검출부에서 검출한 상기 중성자를 이용하여, 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하는 중성자 에너지 산출 단계(S200) 및 상기 Pu 계량부에서 상기 중성자 평균 에너지를 이용하여, 상기 중성자 계량 장치의 상기 공간부에 배치되는 상기 U/TRU 잉곳에서의 플루토늄의 양을 결정하는 Pu 계량 단계(S300)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법은 중성자 계량 장치의 중앙부에 배치되어 있는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot)과 각각 상이한 간격, 즉, 중앙부 외경에 인접하게 구비된 적어도 하나의 중성자 검출부와, 중성자 계량 장치 내경에 인접하게 구비된 또다른 적어도 하나의 중성자 검출부를 통해서 검출된 중성자 값을 이용하여, 중성자증배와 중성자 에너지 사이의 관계를 판단함으로써, 사용후핵연료인 U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 플루토늄(Pu, Plutonium)을 비교적 정확하게 계량할 수 있는 효과가 있다.
이 때, 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지(~ 4 MeV)가 다른 핵분열 중성자(자발 핵분열 중성자 및 열 유도 핵분열 중성자, ~ 2 MeV)의 에너지보다 2 배 가량 높기 때문에, 고속 중성자에 의한 유도 핵분열 중성자만을 이용함으로써, 백그라운드로 작용하는 중성자를 용이하게 제거할 수 있으며, 자발 핵분열 중성자 및 열 유도 핵분열 중성자의 양에 무관하게 플루토늄만을 선택적으로 계량할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 고속 유도 핵분열 중성자 신호에 기반을 두고 있기 때문에, 열 유도 핵분열 중성자를 측정하는 장치에 비하여, 측정 대상의 자기 차폐 효과가 매우 적고, 이에 따라 신뢰도 높은 매우 선형적인 결과값을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 중앙부 외경에 인접하게 구비된 적어도 하나의 중성자 검출부와, 중성자 계량 장치 내경에 인접하게 구비된 또 다른 적어도 하나의 중성자 검출부 간의 검출 신호비를 사용하기 때문에, 측정대상 보관용기의 종류 및 구조, 위치에 대한 영향이 없으므로 보다 높은 정확도를 기대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템의 중성자 계량 장치(100)를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에 의한 플루토늄 양에 따른 내측 검출부(110)와, 외측 검출부(120)의 중성자 신호비 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템의 중성자 계량 장치(100)를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 중성자 계량 장치(100)를 적용한 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에 의한 플루토늄 양에 따른 내측 검출부(110)와, 외측 검출부(120)의 중성자 신호비 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
이하, 본 발명인 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법은 사용후핵연료인 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 플루토늄의 양을 계량하기 위해서, 종래에는 중성자 동시계수법을 사용하였으나, 이 경우, 유도 핵분열에 의한 중성자증배가 일어나므로 이에 대한 보정이 필요하며, 보정 과정에서 상당한 오차가 발생함에 따라 높은 측정오차로 인해 정확한 플루토늄의 질량을 계량하기에는 한계가 있다.
이에 반면에, 본 발명의 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법의 경우, 중성자증배와 중성자 에너지 사이의 관계를 이용하고, 서로 다른 위치에 구비되어 있는 적어도 두 개의 중성자 검출기를 통해서 중성자 계측 신호의 비를 측정함으로써, U/TRU 잉곳의 주된 중성자 선원인 244Cm에서 발생하는 자발 핵분열 중성자에 의한 백그라운드 영향을 효과적으로 제거하여 플루토늄의 양을 비교적 정확하게 계량할 수 있는 시스템 및 방법이다.
본 발명은 중성자 평균 에너지 측정 기법이라고도 부를 수 있으며, 자세하게는, U/TRU 잉곳에서 발생되는 주된 중성자는 TRU에 포함된 244Cm 핵종에서 발생되는 자발 핵분열 중성자와, 상기 자발 핵분열 중성자가 핵물질(U, Pu)과 반응하여 발생하는 유도 핵분열 중성자가 있다. 유도 핵분열에는, 고속의 자발 핵분열 중성자와 반응하는 경우(고속 유도 핵분열)와, 고속의 자발 핵분열 중성자가 감속된 후 열 중성자로 변하고, 이 열 중성자가 반응하는 경우(열 유도 핵분열)가 있다.
즉, U/TRU 잉곳에서 발생되는 주요 중성자원은 자발 핵분열 중성자, 고속 유도 핵분열 중성자 및 열 유도 핵분열 중성자가 있다.
이러한 중성자들의 특징을 살펴보면, 자발 핵분열 중성자의 에너지는 약 2.1 MeV 정도이며, 열 유도 핵분열 중성자의 에너지는 약 2 MeV 이다. 이에 반면에, 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지는 상기 두 에너지의 합인 약 4 MeV 이다. 이에 따라, 상기 고속 유도 핵분열 중성자는 플루토늄의 양과 직접적인 상관관계가 있다. 다시 말하자면, U/TRU 잉곳 내에 플루토늄이 많으면 고속 유도 핵분열이 많이 발생하게 되고, 이에 따라 방출되는 중성자의 평균 에너지가 높아지게 되기 때문에, U/TRU 잉곳에서 방출되는 에너지증배를 측정하게 되면, 플루토늄의 양을 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템의 구성을 도시한 시스템 구성도이다.
자세히 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템은 U/TRU 잉곳에서 방출되는 중성자를 측정하는 중성자 계량 장치(100) 및 상기 중성자 계량 장치(100)에서 측정한 중성자를 이용하여, U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 플루토늄의 양을 계량하는 Pu 계량부(200)로 이루어질 수 있으며, 이를 통해서 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳 내의 플루토늄을 계량할 수 있다.
에너지증배와 U/TRU 잉곳 내의 플루토늄의 양 사이의 상관관계는 MCNPX(Monte-Carlo N-Particle Extended) 코드 시뮬레이션 또는, 실험적으로 획득할 수 있다.
실험적으로 획득하기 위해서는, 플루토늄의 양이 서로 다른 시료들을 준비한 후, 본 발명의 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템을 통해 중성자 신호비와 플루토늄의 양 사이의 관계식을 결정한 후, 미지의 시료를 측정할 때 상기 중성자 신호비와 플루토늄의 양 사이의 관계식을 사용할 수 있다.
이하, 각 구성의 동작을 상세하게 설명한다.
상기 중성자 계량 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부에 개구부가 형성된 원통형의 몸체(10)와, 상기 몸체(10) 내부에 형성된 공간부(20)에 U/TRU 잉곳(1)이 배치될 수 있다.
또한, 상기 중성자 계량 장치(100)는 적어도 2 개의 중성자 검출기가 구비되어, 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출할 수 있다. 다시 말하자면, 상기 공간부(20)의 외경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 내측 검출부(110)와, 상기 몸체(10)의 내경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 외측 검출부(120)를 포함하여 구성될 수 있으며, 즉, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)는 각각 상이한 거리에서 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자를 검출할 수 있다.
이를 통해서, 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 에너지가 높을수록, 바깥쪽의 중성자 검출기, 즉, 상기 외측 검출부(120)에서의 검출 신호가 증가되며, 이와 반대로 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 에너지가 낮을수록, 안쪽의 중성자 검출기, 즉, 상기 내측 검출부(110)에서의 검출 신호가 증가되기 때문에, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)의 검출 신호의 비를 이용하여, 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 평균 에너지 변화를 측정할 수 있다.
중성자의 검출 신호의 비를 이용할 경우, 상술한 주된 중성자 선원인 244Cm의 양이 변하더라도, 중성자의 평균 에너지는 변함없으므로, 244Cm의 양에 무관하여 플루토늄의 양을 측정할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)의 검출 효율이 다르더라도 검출 신호의 비는 변함없다는 점과, 측정 대상의 보관용기 및 구조, 위치에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
이 때, 도 1 및 도 3의 상기 중성자 계량 장치(100)는 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)가 120도 간격으로 3개씩 구비되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)는 3He 검출기, 핵분열함(fission chamber) 및 10B 비례계수관(10B-lined proportional counter)중 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 중성자 계량 장치(100)는 상기 몸체(10)내부에 충전되어 고속 중성자를 감속시키는 중성자 감속부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 중성자 감속부(130)는 고속 중성자를 감속시켜 측정 효율을 높일 수 있으며 수소가 많이 포함된 고밀도 폴리에틸렌으로 구성되는 것이 효과적이다.
더불어, 상기 중성자 계량 장치(100)는 상기 내측 검출부(110)의 외측과, 상기 외측 검출부(120)의 외측 및 상기 공간부(20)의 외측에 장착되어 열 유도 핵분열을 감소시키는 열 중성자 흡수부(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열 중성자 흡수부(140)는 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 매우 많은 양의 중성자(약 109n/s)에 따른, 상기 중성자 검출기, 즉, 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)의 효율 및 최대 측정 가능 계수율을 고려하여, 열 중성자를 잘 흡수하는 카드뮴 또는, 가돌리움을 흡수체로 이용하여, 상기 내측 검출부(110) 및 외측 검출부(120)의 외측에 설치할 수 있다.
또한, 상기 공간부(20) 주변에 설치하여 열 중성자에 의한 유도 핵분열을 줄일 수 있으며, 이를 통해서 상기 중성자 감속부(130)에 의해서 감속된 후 상기 U/TRU 잉곳(1)으로 다시 들어가는 열 중성자를 제한할 수 있다.
상기 Pu 계량부(200)는 상기 중성자 계량 장치(100)의 내측 검출부(110)와 외측 검출부(120)에서 검출한 중성자 검출 신호를 통해서, 중성자 검출 신호의 비를 산출할 수 있으며, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하며, 이를 통해서 상기 U/TRU 잉곳(1)에 포함되어 있는 플루토늄의 양을 계량할 수 있다.
자세하게는, 상기 Pu 계량부(200)는 MCNPX 코드 시뮬레이션 또는, 실험적으로 획득한 중성자 신호비와 플루토늄의 양 사이의 관계식을 적용하여, 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 계량할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에 의한 플루토늄 양에 따른 내측 검출부(110)와, 외측 검출부(120)를 통해서 검출된 중성자 신호비 변화를 나타낸 그래프이다.
일 예를 들자면, 범용 방사선 수송 전산모사 코드인 MCNPX 코드를 사용하며, 상기 U/TRU 잉곳에 포함되어 있는 U, TRU, RE의 비는 19:65:16으로 가정하고, 사용후 핵연료(16 X 16 TYPE, 초기 농축도 4.5wt%, 연소도 55,000 MWd/MTU, 냉각기간 10년)에서 발생되는 주요한 핵종들을 모두 계산에 포함하였다.
10kg짜리 U/TRU 잉곳에 대한 전산모사를 수행하였으며, 밀도는 19g/cm3로 가정하였다. 이 때, U/TRU 잉곳에 포함된 244Cm의 양을 44g이며, 여기서 발생되는 자발 핵분열 중성자는 약 5 x 108정도이다. (1.08x107n/s/g*44g=5x108n/s)
여기서, 유도 핵분열 중성자를 고려하면, U/TRU 잉곳에서는 약 109n/s정도의 중성자가 발생된다.
이를 통해서, 10kg의 U/TRU 잉곳에 포함된 플루토늄의 양을 변화시키면서, 상기 내측 검출부(110)와 외측 검출부(120)의 신호비를 살펴본 결과, (이 때, 플루토늄의 양 변화는 최대 포함 가능한 양인 5.7 kg부터 1 kg씩 감소시키며, 감소한 플루토늄의 양은 우라늄(U)로 대체하여 10kg의 U/TRU 잉곳의 전체 무게를 유지시킴.) 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 내측 검출부(110)와 외측 검출부(120)를 통해서 검출된 중성자 신호비(Far/Close ratio)는 플루토늄의 양의 변화에 따라 일정한 상관관계가 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 열 중성자 흡수부(140)를 장착하여, 열 중성자에 의한 유도 핵분열을 제어했을 경우의 신호비(Cd)와, 그렇치 않은 경우의 신호비(no Cd) 또한 큰 차이를 보이지 않았다. 이를 통해서, 열 중성자에 의한 유도 핵분열에 의해 발생된 중성자는 평균 에너지가 약 2 MeV 로 낮기 때문에, 신호비를 변화시키지 않으며, 고속 중성자에 의한 유도 핵분열 중성자만이 신호비를 변화시킨다는 것을 다시 한번 확인하여, 고속 중성자에 의한 유도 핵분열 중성자가 플루토늄의 양과 직접적인 상관관계가 있음을 다시 한번 확인할 수 있다.
더불어, 도 5는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템의 중성자 계량 장치(100)를 상세하게 나타낸 도면이며, 도 6은 도 5의 중성자 계량 장치(100)를 적용한 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에 의한 플루토늄 양에 따른 내측 검출부(110)와, 외측 검출부(120)를 통해서 검출된 중성자 신호비 변화를 나타낸 그래프이다.
상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)의 검출 효율 차이가 검출 중성자 신호비에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내측 검출부(110)의 반경을 감소시키고, 상기 내측 검출부(110)의 외측에 장착된 상기 열 중성자 흡수부(140)를 제거한 후, 10kg짜리 U/TRU 잉곳에 대한 전산모사를 수행하였다.
이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)의 검출 효율이 차이가 존재하더라도, 검출 중성자 신호의 비는 변함이 없다는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템에서는 상기 중성자 계량 장치(100)에 구비된 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120) 간의 검출 효율을 동일하게 맞추기 위한 과정이 필요치 않아 용이한 제작이 가능한 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법을 나타낸 순서도이다.
자세히 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법은 중성자 검출 단계(S100), 중성자 에너지 산출 단계(S200) 및 플루토늄 산출 단계(S300)로 이루어질 수 있으며, 이를 통해서 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳 내의 플루토늄을 계량할 수 있다.
이하, 각 단계의 동작을 상세하게 설명한다.
상기 중성자 검출 단계(S100)는 상기 중성자 계량 장치(100)의 몸체(10) 내부에 형성된 상기 공간부(20)의 외경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 상기 내측 검출부(110)와, 상기 몸체(10)의 내경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 상기 외측 검출부(120)를 통해서, 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출할 수 있다.
즉, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)는 각각 상이한 거리에서 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자를 검출할 수 있다.
이를 통해서, 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 에너지가 높을수록, 바깥쪽의 중성자 검출기, 즉, 상기 외측 검출부(120)에서의 검출 신호가 증가되며, 이와 반대로 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 에너지가 낮을수록, 안쪽의 중성자 검출기, 즉, 상기 내측 검출부(110)에서의 검출 신호가 증가되기 때문에, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)의 검출 신호의 비를 이용하여, 상기 U/TRU 잉곳(1)에서 방출되는 중성자의 평균 에너지 변화를 측정할 수 있다.
중성자의 검출 신호의 비를 이용할 경우, 상술한 주된 중성자 선원인 244Cm의 양이 변하더라도, 중성자의 평균 에너지는 변함없으므로, 244Cm의 양에 무관하여 플루토늄의 양을 측정할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 상기 내측 검출부(110)와, 상기 외측 검출부(120)의 검출 효율이 다르더라도 검출 신호의 비는 변함없다는 점과, 측정 대상의 보관용기 및 구조, 위치에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
이 때, 도 1 및 도 3의 상기 중성자 계량 장치(100)는 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)가 120도 간격으로 3개씩 구비되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)는 3He 검출기, 핵분열함(fission chamber) 및 10B 비례계수관(10B-lined proportional counter)중 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 중성자 에너지 산출 단계(S200)는 상기 Pu 계량부(200)에서 상기 중성자 검출 단계(S100)에서 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)를 통해서 검출한 상기 중성자를 이용하여, 검출 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정할 수 있다.
상기 Pu 계량 단계(S300)는 상기 Pu 계량부(200)에서 상기 중성자 평균 에너지를 이용하여, 상기 중성자 계량 장치(100)의 상기 공간부(20)에 배치되는 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 결정할 수 있다.
자세하게는, 상기 Pu 계량부(200)는 상기 중성자 에너지 산출 단계(S200)에 의해 결정한 상기 중성자 평균 에너지를 MCNPX 코드 시뮬레이션 또는, 실험적으로 획득한 중성자 신호비와 플루토늄의 양 사이의 관계식을 적용하여, 상기 Pu 계량 단계(S300)에서 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 계량할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템 및 그 계량 방법은 상기 중성자 계량 장치(100)의 몸체(10) 내부에 형성된 상기 공간부(20)에 배치된 상기 U/TRU 잉곳(1)과 각각 상이한 거리에 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)를 구비하여, 상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)를 통해서 검출된 중성자 신호의 비를 토대로, 상기 U/TRU 잉곳(1) 내의 플루토늄의 양을 비교적 정확하게 계량할 수 있으며, 중성자 평균 에너지의 변화를 이용함으로써, 상기 U/TRU 잉곳(1) 내의 244Cm의 양과 무관하게 상기 플루토늄의 양을 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 고속 중성자에 의한 유도 핵분열 중성자의 높은 에너지를 이용하여, 백그라운드로 작용하는 자발 핵분열 중성자 및 열 중성자에 의한 유도 핵분열 중성자를 용이하게 제거할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 중성자 계량 장치
1 : U/TRU 잉곳
10 : 몸체 20 : 공간부
110 : 내측 검출부 120 : 외측 검출부
130 : 중성자 감속부 140 : 열 중성자 흡수부
200 : Pu 계량부

Claims (5)

  1. 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지 증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot) 내의 플루토늄(Pu, Plutonium)을 계량하는 시스템에 있어서,
    상부에 개구부가 형성된 원통형의 몸체(10)와,
    상기 몸체(10) 내부에 형성되는 공간부(20)에 배치되는 U/TRU 잉곳(1)과,
    상기 공간부(20)의 외경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 내측 검출부(110)와,
    상기 몸체(10)의 내경과 소정 간격으로 구비되어 상기 U/TRU 잉곳(1)으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 적어도 하나의 외측 검출부(120)와,
    상기 몸체(10) 내부에 충전되어 고속 중성자를 감속시키는 중성자 감속부(130)를 포함하는 중성자 계량 장치(100); 및
    상기 내측 검출부(110)와 상기 외측 검출부(120)에서 검출한 중성자를 통해서 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하여 상기 U/TRU 잉곳(1)에서의 플루토늄의 양을 결정하는 Pu 계량부(200);
    를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중성자 계량 장치(100)는
    상기 내측 검출부(110)의 외측과, 상기 외측 검출부(120)의 외측 및 상기 공간부(20)의 외측에 장착되어 열 유도 핵분열을 감소시키는 열 중성자 흡수부(140);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 내측 검출부(110) 및 외측 검출부(120)는
    3He검출기, 핵분열함(fission chamber) 또는, 10B비례계수관(10B-lined proportional counter)중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 시스템.
  4. 파이로 출력 물질인 U/TRU 잉곳에서 발생되는 고속 유도 핵분열 중성자의 에너지 증배 측정을 통한 U/TRU 잉곳(Uranium/Transuranium ingot) 내의 플루토늄(Pu, Plutonium)을 계량하는 방법에 있어서,
    중성자 계량 장치의 몸체 내부에 형성되는 공간부의 외경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 내측 검출부와,
    상기 몸체의 내경과 소정 간격으로 구비되는 적어도 하나의 외측 검출부로부터 U/TRU 잉곳으로부터 방출되는 중성자를 검출하는 중성자 검출 단계(S100);
    Pu 계량부에서 상기 중성자 검출 단계(S100)에서 상기 내측 검출부와, 상기 외측 검출부에서 검출한 상기 중성자를 이용하여, 중성자 신호의 비를 산출하고, 산출한 상기 중성자 신호의 비를 이용하여 중성자 평균 에너지를 결정하는 중성자 에너지 산출 단계(S200); 및
    상기 Pu 계량부에서 상기 중성자 평균 에너지를 이용하여, 상기 중성자 계량 장치의 상기 공간부에 배치되는 상기 U/TRU 잉곳에서의 플루토늄의 양을 결정하는 Pu 계량 단계(S300);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 Pu 계량 단계(S300)는
    상기 중성자 에너지 산출 단계(S200)에 의해 결정한 상기 중성자 평균 에너지를 MCNPX(Monte Carlo N-Patricle Extended) 코드 시뮬레이션 또는, 실험적으로 획득한 중성자 신호비와 플루토늄의 양 사이의 관계식을 적용하여 상기 U/TRU 잉곳에서의 플루토늄의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 파이로 출력 물질 U/TRU 잉곳에 대한 플루토늄 계량 방법.
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