KR101589258B1 - 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법 - Google Patents

감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101589258B1
KR101589258B1 KR1020140152325A KR20140152325A KR101589258B1 KR 101589258 B1 KR101589258 B1 KR 101589258B1 KR 1020140152325 A KR1020140152325 A KR 1020140152325A KR 20140152325 A KR20140152325 A KR 20140152325A KR 101589258 B1 KR101589258 B1 KR 101589258B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gamma ray
nuclear fuel
spent nuclear
detector
spent
Prior art date
Application number
KR1020140152325A
Other languages
English (en)
Inventor
서희
박세환
이현수
이승규
김호동
김찬형
박진형
김영수
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020140152325A priority Critical patent/KR101589258B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101589258B1 publication Critical patent/KR101589258B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/06—Devices or arrangements for monitoring or testing fuel or fuel elements outside the reactor core, e.g. for burn-up, for contamination
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

본 발명은 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법에 관한 것으로, 상세하게는 사용후핵연료 집합체의 결손 여부를 검증하기 위한 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템에 있어서, 사용후핵연료로부터 발생하는 감마선의 반응위치 및 방출되는 감마선 에너지를 측정하는 복수 개의 감마선 검출기를 포함하며, 측정한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 이용하여 사용후핵연료 집합체에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득부(100) 및 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 단층 컴프턴 영상을 전달받아 사용후핵연료의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 통합 관리부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템에 관한 것이다.

Description

감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법{Defect verification system and method of spent nuclear fuel assembly using gamma-ray imaging device}
본 발명은 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법에 관한 것으로서, 고정된 위치에 설치된 복수 개의 감마선 검출기를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손을 검증할 수 있는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법에 관한 것이다.
사용후핵연료 집합체는 우라늄 및 플루토늄 등 많은 양의 핵분열성 물질을 함유하고 있어 안전조치 측면에서 국제원자력협력기구(IAEA, International Atomic Energy Agency)의 주된 사찰대상이 된다. 이러한 사용후핵연료 집합체는 현재 원자력 발전소 부지 내 임시저장시설의 수조에 보관되어 있으며, 정기적/비정기적으로 국제원자력협력기구의 사찰을 받고 있다.
이 때, 국제원자력협력기구의 사찰관은 사용후핵연료 집합체의 개수 뿐 아니라, 집합체 내에 있는 각 연료봉들의 전용(diversion)을 확인한다.
즉, 결손(defect)이 발생하였는지 확인하는 것이며, 결손은 핵물질의 신고량과 실제 존재량의 차이를 의미한다.
이러한 결손에는 전체 결손(Gross defect), 부분 결손(Partial defect) 및 바이어스 결손(Bias defect)이 있으며, 전체 결손의 경우, 신고된 핵물질의 대부분이 없는 것을 의미하므로 상대적으로 검증이 용이하나,
부분 결손 및 바이어스 결손의 경우, 신고된 핵물질의 일부 또는 미량이 없는 것을 의미하므로 그 검증이 어려운 문제점이 있다.
이에 국제원자력협력기구에서는 부분 결손 및 바이어스 결손의 검증(verification)을 앞으로 해결해야 할 매우 중요한 문제 중 하나로 간주하고 있다.
현재 부분 결손 및 바이어스 결손의 검증을 위해 개발되고 있는 기술 중 하나는 감마선 방출 단층 촬영법(GET, Gamma Emission Tomography)이다.
이는 의료분야에서 활용하고 있는 기법과 동일하게 다수 개의 검출기와 물리적 집속기를 이용하여, 사용후핵연료 집합체에서 발생되는 감마선을 다수의 방향에서 측정한 후 단층 영상을 획득하는 기법이다.
허나, 이러한 기법의 경우, 단층 영상을 얻기 위해서 대상체인 사용후핵연료 집합체를 중심으로 다수 개의 검출기를 원형으로 배치하거나 회전을 시켜야 하기 때문에 장치의 소형화에 한계가 있으며 장치 구조 자체가 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 물리적 집속기를 사용하기 때문에, 측정 효율이 심각하게 저하되어 영상 획득시간이 많이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법은 종래 기술의 단점인 1) 대형의 장치 사이즈, 2) 복잡한 장치 구조, 3) 낮은 측정효율(긴 측정시간)을 해결하고자 하는 것으로서,
한 방향에 고정된 위치에 설치된 복수 개의 감마선 검출기를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손을 검증하고, 이 때, 감마선 검출기를 섬광체와 실리콘 광증배관으로 구성함으로써 장치 소형화가 가능하며, 기계적 요소도 매우 단순화시킬 수 있고 물리적 집속기가 필요하지 않아 높은 측정효율을 달성할 수 있어 단시간에 검증이 가능하다.
국내등록특허 제10-0977290호 (등록일 : 2010.08.16., 명칭 : 사용후핵연료 집합체의 결함 판별장치 및 이를 이용한 결함판별방법)에서는 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 중성자와 감마선의 선량비를 산출하여 사용후핵연료 집합체 표면의 결함 발생 여부 및 결함 발생 위치를 판별하는 사용후핵연료 집합체의 결함 판별장치 및 이를 이용한 결함판별방법을 개시하고 있다.
허나, 사용후핵연료 집합체 표면의 결함 발생 여부 만을 판별할 뿐 사용후핵연료 집합체를 구성하고 있는 연료봉의 결손 여부를 검증하는 것은 불가능하다.
국내 등록 특허 제10-0977290호 (등록일 : 2010.08.16.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고정된 위치에 설치된 복수 개의 감마선 검출기를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손을 검증할 수 있는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의결손검증시스템은, 사용후핵연료 집합체의 결손 여부를 검증하기 위한 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템에 있어서, 사용후핵연료 집합체로부터 발생하는 감마선의 반응위치 및 방출되는 감마선 에너지를 측정하는 복수 개의 감마선 검출기를 포함하며, 측정한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 이용하여 사용후핵연료 집합체에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득부(100) 및 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 단층 컴프턴 영상을 전달받아 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 통합 관리부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법은, 사용후핵연료 집합체의 결손 여부를 검증하기 위한 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법에 있어서, 산란부 검출기(scatter detector) 및 흡수부 검출기(absorber detector)로 구성되는 복수 개의 감마선 검출기를 이용하여, 상기 산란부 검출기에서 사용후핵연료 집합체에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고, 상기 흡수부 검출기에서 상기 산란부 검출기에 의해 컴프턴 산란된 감마선을 흡수하여 각각의 산란부 검출기와 흡수부 검출기 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 측정하는 감마선 검출 단계(S100), 통합 관리부를 이용하여, 상기 감마선 검출 단계(S100)에서 측정한 감마선의 반응위치를 통해서 산란축을 결정하고, 측정한 감마선 에너지를 통해서 산란각을 결정하여 산란축을 중심으로 산란각을 내각으로 갖는 원뿔들을 통해서 핵물질 분포가 나타난 사용후핵연료 집합체에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득 단계(S200) 및 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)에 의해서 획득한 단층 컴프턴 영상을 전달받아 모니터링하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 결손 검증 단계(S300)로 이루어지며, 상기 감마선 검출 단계(S100) 및 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법은 한 방향으로 고정된 위치에 설치된 복수 개의 감마선 검출기를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손을 검증할 수 있는 장점이 있다.
종래의 감마선 방출 단층촬영법과는 달리, 고정된 위치에서 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있기 때문에, 영상 획득을 위해 장치를 직접 회전시키거나 핵물질을 둘러싼 도넛 형태로 구성할 필요가 없어 매우 한정적인 공간에도 설치가 가능한 장점이 있다.
또한, 감마선에 대한 민감도 조절이 가능한 제어부를 구비함으로써, 사용후핵연료 집합체에 존재하는 다양한 핵종(핵물질) 중에서 관리자가 파악하고자 하는 특정 핵종만을 선택하여 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 사용후핵연료 집합체의 단층 컴프턴 영상을 획득하기 위한 감마선 검출기를 섬광체와 실리콘 광증배관(SiPM, silicon photomultiplier)로 구성하여 장치의 소형화가 가능하며, 고속으로 고효율의 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 컴프턴 영상 획득부(100)의 구조 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 감마선 검출기를 형성하고 있는 섬광체와 실리콘 광증배관에 대한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 단층 컴프턴 영상 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 Cs-137 교정선원에 대한 단층 컴프턴 영상 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 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 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법은 일반적인 사용후핵연료 집합체 표면의 결함 발생 여부를 판별하는 것이 아니라 사용후핵연료 집합체 내에 존재하는 핵물질의 일부 또는 미량의 결손 여부를 판단하기 위해 핵물질을 단층 컴프턴 영상으로 모니터링하는 시스템이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
자세히 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템은 사용후핵연료 집합체의 핵물질 위치가 나타난 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득부(100) 및 단층 컴프턴 영상을 모니터링하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 통합 관리부(200)로 이루어질 수 있다.
이하, 각 구성의 동작을 상세하게 설명한다.
상기 컴프턴 영상 획득부(100)는 사용후핵연료 집합체로부터 발생하는 감마선의 반응위치 및 방출되는 감마선 에너지를 측정하는 복수 개의 감마선 검출기를 포함하여 이루어지며, 감마선 검출기를 이용하여 측정한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 이용하여 사용후핵연료 집합체에 대한 핵물질 위치가 나타난 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있다.
컴프턴 영상이란, 컴프턴 효과(Compton effect)를 이용하여 감마선원, 즉, 핵물질의 위치를 나타낸 영상을 의미한다.
일반적인 컴프턴 효과는, 임의의 물질에 감마선을 조사하였을 때, 전자가 산란되는 형상을 의미하며, 입사된 감마선의 파장과 산란된 감마선의 파장은 입사 에너지 및 산란각에 따라 다른 값을 갖는다.
이 때, 입사 충돌 형태를 완전 탄성 충돌로 가정하게 된다.
이러한 컴프턴 영상을 획득하기 위한 상기 감마선 검출기는 도 2에 도시된 바와 같이, 산란부 검출기(scatter detector)(110) 및 흡수부 검출기(absorber detector)(120)으로 구성되며, 상기 산란부 검출기 및 흡수부 검출기는 도 3에 도시된 바와 같이, 섬광체와 실리콘 광증배관(SiPM, silicon photomultiplier)으로 구성될 수 있다.
이를 통해서, 본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 소형화 및 고속/고효율을 달성하고자 한다.
상기 컴프턴 영상 획득부(100)는 상기 산란부 검출기(110)를 이용하여 사용후핵연료 집합체에서 발생된 감마선이 컴프턴 산란을 일으키는 위치와 감마선 에너지를 측정하고, 상기 흡수부 검출기(120)를 이용하여 산란된 감마선이 완전히 흡수된 위치와 감마선 에너지를 측정하게 된다.
이렇게 측정된 반응위치 두 점을 선으로 이어 산란축으로 결정하고, 측정된 에너지를 이용하여 산란각을 계산하여 다수 개의 콘을 산출할 수 있으며, 다수 개의 콘이 중첩되는 지점에 선원이 존재한다고 가정할 수 있다. 도 4는 선원이 있는 지점에서 다수 개의 콘이 중첩되면서 선원의 위치를 재구성한 컴프턴 영상으로서, 선원의 위치를 선명하게 확인할 수 있다.
상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)에서의 감마선의 반응위치는 선으로 이어 산란축으로 설정하고, 감마선 에너지는 하기의 수학식 1에 대입하여 산란각을 결정할 수 있다. 일 예를 들자면, 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질로부터 감마선이 i 위치에서 발생되어, 상기 산란부 검출기(110)에서 측정한 감마선의 반응위치는 m의 위치이고, 상기 흡수부 검출기(120)에서 측정한 감마선의 반응위치는 n의 위치일 경우, 전달된 감마선 에너지를 하기의 수학식 1에 대입하여 산란각(w)을 결정할 수 있으며, 감마선의 반응위치(m, n)을 통해 산란축을 결정할 수 있다.
이를 통해, 산란축을 중심으로 산란각만큼의 내각을 갖는 하나의 원뿔을 얻을 수 있으며, 이 원뿔의 꼭지점은 상기 산란부 검출기(110)의 반응위치로 설정할 수 있다.
이렇게 하나의 원뿔을 얻으면, 이 원뿔의 표면 어딘가에 핵물질이 위치한다고 가정할 수 있으며, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복해서 측정함으로써, 다수 개의 콘(원뿔)이 중첩(겹쳐지는 지점)되는 위치를 핵물질의 위치로 설정할 수 있다.
Figure 112014106284077-pat00001
이 때, θ는 산란각이며,
m0C2는 전자의 정지질량 에너지, 0.511 MeV이며,
Figure 112014106284077-pat00002
는 핵물질에서 발생된 감마선 에너지이며,
Figure 112014106284077-pat00003
는 상기 산란부 검출기(110)에 의해서 산란된 감마선 에너지이다.
다시 말하자면, 상기 컴프턴 영상 획득부(100)는 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 측정한 사용후핵연료 내의 핵물질에서 발생되는 감마선의 반응위치를 통해서 산란축을 결정하고, 측정한 감마선 에너지를 상기의 수학식 1에 대입하여 산란각을 결정할 수 있으며, 상기 산란축을 중심으로 상기 산란각을 내각으로 갖는 사용후핵연료 내의 핵물질 위치를 파악할 수 있다.
이 때, 상기 컴프턴 영상 획득부(100)는 좀 더 정확한 핵물질 위치를 파악하기 위해서, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복해서 측정할 수 있다.
즉, 상기 컴프턴 영상 획득부(100)는 상기 산란부 검출기(110)에서 사용후핵연료 집합체에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고, 상기 흡수부 검출기(120)에서 상기 산란부 검출기(110)에 의해서 컴프턴 산란된 감마선을 흡수할 경우, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복하여 측정하여 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있다.
본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템은 상술한 바와 같이, 이러한 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)를 섬광체와 실리콘 광증배관으로 형성하게 된다.
감마선 측정에 있어서, 섬광체는 측정효율이 높다는 장점이 있으며 다양한 크기 및 모형으로 제작이 가능한 장점이 있다. 또한, 실리콘 광증배관은 섬광체에서 발생된 빛을 전기적 신호로 처리해주는 장치로서 노이즈가 작으면서도 속도가 매우 빠르며 소형으로 제작 가능한 장점이 있다. 이에 따라서, 상기 컴프턴 영상 획득부(100)의 복수 개의 감마선 검출기를 섬광체 및 실리콘 광증배관을 이용하여 구성할 경우, 소형이면서 반응 속도가 빠르고 물리적 집속기가 필요치 않아 측정 효율 또한 향상시킬 수 있다.
상기 통합 관리부(200)는 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 단층 컴프턴 영상을 전달받아 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단할 수 있다.
상기 통합 관리부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(210), 데이터베이스부(220) 및 모니터링부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부(210)는 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상을 분석하여 사용후핵연료 내의 핵물질 분포를 파악하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단할 수 있다.
또한, 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 관리자의 선택에 의해서, 사용후핵연료 내의 특정 핵물질에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있도록, 감마선 검출기의 감마선에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
이를 통해서, 사용후핵연료 내에 존재하는 다양한 핵물질(핵종) 중에서 관리자가 원하는 특정 핵물질에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하여, 특정 핵물질에 대한 사용후핵연료 집합체내의 분포를 용이하게 파악하여 결손 여부를 좀 더 정확하게 판단할 수 있다.
상기 데이터베이스부(220)는 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상과 상기 제어부(210)에서 판단한 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부 정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리할 수 있다.
상기 데이터베이스부(220)는 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)를 통해서 반복해서 측정한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지에 따라서, 지속적으로 획득되는 단층 컴프턴 영상을 용이하게 저장 및 관리할 수 있다.
상기 모니터링부(230)는 상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상을 이용하여 실시간으로 사용후핵연료 내의 핵물질을 모니터링할 수 있다.
도 5는 본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템의 일 실시예이다.
상세하게는, 사용후핵연료 집합체의 가장 주된 감마선 발생 동위원소인 Cs-137 선원(662 keV, 8.37 uCi)에 대해서 영상화 성능을 확인하기 위한 실시예이며, 감마선원은 상기 컴프턴 영상 획득부(100)의 2cm 거리를 두고 위치시켰으며 보다 우수한 영상을 획득하기 위하여 에너지 및 산란각 필터를 적용하였다. 이에 따라 도 5와 같이 점섬원 형태의 Cs-137 교정선원에 대한 위치를 재구성된 양질의 단층 컴프턴 영상에서 선명하게 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법을 나타낸 순서도이다.
자세히 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법은 감마선 검출 단계(S100), 컴프턴 영상 획득 단계(S200) 및 결손 검증 단계(S300)로 이루어질 수 있다.
이하, 각 단계를 상세하게 설명한다.
상기 감마선 검출 단계(S100)는 상기 컴프턴 영상 획득부(100)의 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)를 이용하여, 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질에 대한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 측정하게 된다.
상세하게는, 상기 산란부 검출기(110)에서 사용후핵연료 집합체에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고,
상기 흡수부 검출기(120)에서 상기 산란부 검출기(110)에 의해 컴프턴 산란된 감마선을 흡수하여 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)는 섬광체와 실리콘 광증배관으로 형성될 수 있다.
이를 통해서, 감마선 측정에 있어서, 섬광체는 측정효율이 높다는 장점이 있으며 다양한 크기 및 모형으로 제작이 가능한 장점이 있다. 또한, 실리콘 광증배관은 섬광체에서 발생된 빛을 전기적 신호로 처리해주는 장치로서 노이즈가 작으면서도 속도가 매우 빠르며 소형으로 제작 가능한 장점이 있다. 이에 따라서, 상기 컴프턴 영상 획득부(100)의 복수 개의 감마선 검출기를 섬광체 및 실리콘 광증배관을 이용하여 구성할 경우, 소형이면서 반응 속도가 빠르고 물리적 집속기가 필요치 않아 측정 효율 또한 향상시킬 수 있다.
상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)는 상기 통합 관리부(200)를 이용하여 상기 감마선 검출 단계(S100)에 의한 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 측정한 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질에서 발생되는 감마선의 반응위치를 통해서 산란축을 결정하고, 측정한 감마선 에너지를 통해서 산란각을 결정할 수 있으며, 상기 산란축을 중심으로 상기 산란각을 내각으로 갖는 원뿔(콘)들을 통해 사용후핵연료 내의 핵물질 분포를 파악할 수 있다.
즉, 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)는 상기 산란부 검출기(110)에서 사용후핵연료 집합체에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고, 상기 흡수부 검출기(120)에서 상기 산란부 검출기(110)에 의해서 컴프턴 산란된 감마선을 흡수할 경우, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복하여 측정하여 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있다.
이 때, 본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법은 좀 더 정확한 사용후핵연료 내의 핵물질 분포를 파악하기 위해서, 상기 감마선 검출 단계(S100) 및 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)를 반복 수행함으로써, 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복해서 측정할 수 있다.
상기 결손 검증 단계(S300)는 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)에 의해서 획득한 단층 컴프턴 영상을 전달받아 모니터링하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단할 수 있다.
이 때, 본 발명의 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법은 상기 감마선 검출 단계(S100)를 수행하기 전에, 상기 결손 검증 단계(S300)에서 모니터링하여 결손 여부를 판단하고자 하는 사용후핵연료 내의 특정 핵물질을 설정할 수 있는 제어 단계(S10)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제어 단계(S10)는 관리자의 선택에 의해서, 사용후핵연료 내의 특정 핵물질에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하기 위해서, 감마선 검출기인 상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)의 감마선에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법은 사용후핵연료 집합체 주변에 섬광체 및 실리콘 광증배관으로 형성되고 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120)를 포함하여 구성되는 컴프턴 영상 획득부(100)를 고정 위치시킨 후, 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질의 분포를 용이하게 파악할 수 있는 단층 컴프턴 영상을 획득하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 용이하게 판단할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 섬광체 및 실리콘 광증배관으로 감마선 검출기를 형성함으로써, 소형화 및 단순화가 가능하며, 물리적 집속기가 필요하지 않아 높은 측정효율을 기대할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 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 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 컴프턴 영상 획득부
110 : 산란부 검출기 120 : 흡수부 검출기
200 : 통합 관리부
210 : 제어부 220 : 데이터베이스부
230 : 모니터링부

Claims (6)

  1. 사용후핵연료 집합체의 결손 여부를 검증하기 위한 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템에 있어서,
    고정 설치되어, 사용후핵연료로부터 발생하는 감마선의 반응위치 및 방출되는 감마선 에너지를 측정하는 섬광체와 실리콘 광증배관(SiPM, silicon photomultiplier)으로 이루어진 산란부 검출기(scatter detector)(110) 및 흡수부 검출기(absorber detector)(120)로 구성되는 감마선 검출기를 포함하며, 측정한 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 이용하여 사용후핵연료 집합체에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득부(100); 및
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 단층 컴프턴 영상을 전달받아 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질의 분포를 파악하여, 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질에 대한 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 통합 관리부(200);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)는
    상기 산란부 검출기(110)에서 사용후핵연료에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고, 상기 흡수부 검출기(120)에서 상기 산란부 검출기(110)에 의해서 컴프턴 산란된 감마선을 흡수할 경우,
    상기 산란부 검출기(110)와 흡수부 검출기(120) 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 반복 측정하여 단층 컴프턴 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 관리부(200)는
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상을 분석하여 핵물질 분포를 파악하여 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 제어부(210);
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상과 상기 제어부(210)에서 판단한 사용후핵연료 집합체의 부분 결손 및 바이어스 결손 여부 정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리하는 데이터베이스부(220); 및
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)로부터 전달받은 단층 컴프턴 영상을 이용하여 실시간으로 사용후핵연료 집합체를 모니터링하는 모니터링부(230);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 제어부(210)는
    상기 컴프턴 영상 획득부(100)에서 관리자의 선택에 의해서 사용후핵연료 내의 특정 핵물질에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있도록 상기 감마선 검출기의 감마선에 대한 민감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템.
  4. 사용후핵연료 집합체의 결손 여부를 검증하기 위한 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법에 있어서,
    고정 설치되어, 사용후핵연료로부터 발생하는 감마선의 반응위치 및 방출되는 감마선 에너지를 측정하는 섬광체와 실리콘 광증배관(SiPM, silicon photomultiplier)으로 이루어진 산란부 검출기(scatter detector) 및 흡수부 검출기(absorber detector)로 구성되는 감마선 검출기를 이용하여,
    상기 산란부 검출기에서 사용후핵연료에 의해서 입사되는 감마선에 대해서 컴프턴 산란을 일으키고, 상기 흡수부 검출기에서 상기 산란부 검출기에 의해 컴프턴 산란된 감마선을 흡수하여 산란부 검출기와 흡수부 검출기 각각에서 감마선의 반응위치 및 감마선 에너지를 측정하는 감마선 검출 단계(S100);
    통합 관리부를 이용하여, 상기 감마선 검출 단계(S100)에서 측정한 감마선의 반응위치를 통해서 산란축을 결정하고, 측정한 감마선 에너지를 통해서 산란각을 결정하여 산란축을 중심으로 산란각을 내각으로 갖는 원뿔들을 통해서 핵물질 분포가 나타난 사용후핵연료 집합체에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득하는 컴프턴 영상 획득 단계(S200); 및
    상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)에 의해서 획득한 단층 컴프턴 영상을 전달받아 모니터링하여 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질의 분포를 파악하여, 사용후핵연료 집합체 내의 핵물질에 대한 부분 결손 및 바이어스 결손 여부를 판단하는 결손 검증 단계(S300);
    로 이루어지며,
    상기 감마선 검출 단계(S100) 및 상기 컴프턴 영상 획득 단계(S200)를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법.

  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법은
    상기 감마선 검출 단계(S100)를 수행하기 전,
    관리자의 선택에 의해서, 상기 사용후핵연료 내의 특정 핵물질에 대한 단층 컴프턴 영상을 획득할 수 있도록 상기 감마선 검출기의 감마선에 대한 민감도를 조절하는 제어 단계(S10);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 방법.
KR1020140152325A 2014-11-04 2014-11-04 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법 KR101589258B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140152325A KR101589258B1 (ko) 2014-11-04 2014-11-04 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140152325A KR101589258B1 (ko) 2014-11-04 2014-11-04 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101589258B1 true KR101589258B1 (ko) 2016-01-28

Family

ID=55309917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140152325A KR101589258B1 (ko) 2014-11-04 2014-11-04 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101589258B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190064869A (ko) 2017-12-01 2019-06-11 한국과학기술원 섬광체 기반 실시간 사용후핵연료 집합체 부분결손 계측 장치
KR102250686B1 (ko) * 2020-12-11 2021-05-11 (주)액트 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법
KR20220084869A (ko) * 2020-12-14 2022-06-21 연세대학교 원주산학협력단 사용후 핵연료집합체 내에서의 핵연료봉 결손검출장치 및 결손검출방법
RU2787013C1 (ru) * 2022-06-07 2022-12-28 Акционерное общество "Машиностроительный завод" Способ контроля длин составных частей топливного столба тепловыделяющих элементов и установка для его осуществления
WO2023239256A1 (ru) * 2022-06-07 2023-12-14 Акционерное общество "Машиностроительный завод" Способ контроля тепловыделяющих элементов и установка для его осуществления

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100977290B1 (ko) 2008-06-04 2010-08-23 주식회사 미래와도전 사용후핵연료 집합체의 결함 판별장치 및 이를 이용한 결함판별방법
KR101051126B1 (ko) * 2008-09-19 2011-07-21 한국원자력 통제기술원 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법
KR20140059012A (ko) * 2012-11-07 2014-05-15 고려대학교 산학협력단 비파괴 검사 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100977290B1 (ko) 2008-06-04 2010-08-23 주식회사 미래와도전 사용후핵연료 집합체의 결함 판별장치 및 이를 이용한 결함판별방법
KR101051126B1 (ko) * 2008-09-19 2011-07-21 한국원자력 통제기술원 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법
KR20140059012A (ko) * 2012-11-07 2014-05-15 고려대학교 산학협력단 비파괴 검사 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김재현, "파이로 시설 핵물질 감시 및 모니터링을 위한 컴프턴 카메라 최적화 설계", 원자력인력양성사업 최종보고서 (2013.05.02.)* *
김찬형 외 11인, "삼차원 방사능 탐지를 위한 고성능/다목적 컴프턴 영상장치 개발", 미래창조과학부 연구보고서 (2013.05.23.)* *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190064869A (ko) 2017-12-01 2019-06-11 한국과학기술원 섬광체 기반 실시간 사용후핵연료 집합체 부분결손 계측 장치
KR102250686B1 (ko) * 2020-12-11 2021-05-11 (주)액트 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법
KR20220084869A (ko) * 2020-12-14 2022-06-21 연세대학교 원주산학협력단 사용후 핵연료집합체 내에서의 핵연료봉 결손검출장치 및 결손검출방법
KR102504940B1 (ko) 2020-12-14 2023-02-28 연세대학교 원주산학협력단 사용후 핵연료집합체 내에서의 핵연료봉 결손검출장치 및 결손검출방법
RU2787013C1 (ru) * 2022-06-07 2022-12-28 Акционерное общество "Машиностроительный завод" Способ контроля длин составных частей топливного столба тепловыделяющих элементов и установка для его осуществления
WO2023239256A1 (ru) * 2022-06-07 2023-12-14 Акционерное общество "Машиностроительный завод" Способ контроля тепловыделяющих элементов и установка для его осуществления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Craft et al. Neutron radiography of irradiated nuclear fuel at Idaho National Laboratory
US8946645B2 (en) Radiation-monitoring diagnostic hodoscope system for nuclear-power reactors
Mayorov et al. Gamma emission tomography for the inspection of spent nuclear fuel
KR101589258B1 (ko) 감마선 영상 장치를 이용한 사용후핵연료 집합체의 결손 검증 시스템 및 그 검증 방법
RU2598396C2 (ru) Метод и система комбинированного радиационного неразрушающего контроля
CN107991328B (zh) 用于测量脱空信息的方法、装置及系统
Choi et al. Optimization of single-photon emission computed tomography system for fast verification of spent fuel assembly: a Monte Carlo study
JP7340476B2 (ja) 放射線計測装置および放射線計測方法
Branger et al. Comparison of prediction models for Cherenkov light emissions from nuclear fuel assemblies
Lévai et al. Feasibility of gamma emission tomography for partial defect verification of spent LWR fuel assemblies: Summary report on simulation and experimental studies including design options and cost-benefit analysis: Task JNT A1201 of the Support Programmes of Finland (FINSP), Hungary (HUNSP) and Sweden (SWESP) to the IAEA Safeguards
JP6038575B2 (ja) 核燃料燃焼度評価装置、方法およびプログラム
JP2526392B2 (ja) 原子炉用燃料棒の非破壊検査装置
US20230288584A1 (en) Device for the simultaneous deection, identifcation, quantification and/or localization of gamma radiation and neutron sources
Hausladen et al. Demonstration of Emitted-Neutron Computed Tomography to Quantify Nuclear Materials
Branger et al. On Cherenkov light production by irradiated nuclear fuel rods
KR102254651B1 (ko) 핵연료집합체의 방출단층 촬영장치
JP2018205070A (ja) 放射線計測装置
Jacobsson et al. Outcomes of the JNT 1955 phase I viability study of gamma emission tomography for spent fuel verification
Lévai et al. Use of high energy gamma emission tomography for partial defect verification of spent fuel assemblies
JP4913279B2 (ja) 核燃料を区別するための方法および装置
Tessaro et al. Inventorying the radionuclides in spent cartridge filters from the primary circuit of a nuclear research reactor by the dose-to-activity method
Madden et al. Development and characterization of a high-energy neutron time-of-flight imaging system
Hausladen et al. A design study of the parallel-slit ring collimator for fast neutron emission tomography of spent fuel
KR101740882B1 (ko) 사용후 핵연료봉 내 플루토늄 측정 시스템 및 그 측정 방법
Hausladen et al. Demonstration of emitted-neutron computed tomography to count fuel pins

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200102

Year of fee payment: 5