KR101662727B1 - 자가 진단 기능을 갖는 bf3 중성자 계측시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BF3 중성자 계측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 중성자 계측시스템의 민감도 변화와 계측장비의 고장 여부를 자가 진단할 수 있는 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 계측시스템은, BF3 충전가스를 이용하여 중성자를 검출하기 위한 중성자 계측시스템에 있어서, BF3 검출기에서 검출된 신호를 취득하기 위한 다채널 분석기(110)와; 상기 다채널 분석기(110)에서 취득된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 샘플링 측정된 기준 분포가 저장되며, 상기 기준 분포와 측정 분포 사이의 관계로부터 시스템의 건전성을 진단 분석하게 되는 분석모듈(120)과; 상기 분석모듈(120)에 변수 정보를 입력하기 위한 입력부(130)와; 상기 분석모듈(120)의 진단 분석 결과를 출력하게 되는 출력부(140);를 포함한다.

Description

자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템 및 그 방법{BF3 neutron detection system with self-diagnosis function, and its method}

본 발명은 BF3 중성자 계측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 중성자 계측시스템의 민감도 변화와 계측장비의 고장 여부를 자가 진단할 수 있는 기능을 갖는 계측시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

중성자는 원자를 직접 전리하지 않으므로 중성자의 검출은 (n, p), (n, α), (n, γ), (n, 분열) 등의 반응에서 2차적으로 발생되는 이벤트를 검출하는 간접적인 검출방법이 적용되어야 한다.

특히 열중성자 검출에는 B-10의 (n,α) 반응이 이용되며, Li-7과 α입자에 의해 발생되는 전기에너지를 펄스 신호로 변환하여 이루어진다.

붕소(B)의 천연동위원소로는 B-10(19.8%)과 B-11(80.2%)이 존재하며, 특히 B-10은 열중성자에 대해 큰 단면적을 가지므로 B-10을 농축(~96%)하여 중성자의 계측효율을 높일 수 있다.

열중성자의 검출에 사용되는 BF3 가스의 주요 반응은 다음과 같다.

도 1은 일반적인 전리함을 포함하는 가스형 BF3 중성자 검출기의 계측 원리를 보여주는 도면으로, B-10과 중성자의 반응으로 전리함 내의 가스를 전리시켜 전자와 양이온의 이온쌍이 생성되며, 전자는 펄스 카운터 회로에 인가된 고전압에 의해 양극으로 이동하고 양이온은 음극으로 이동하여 각 전극에 포집되어 전류가 흐르게 되며, 펄스 카운터 회로에서는 발생된 펄스를 계측하여 중성자 수를 측정하게 된다. 검출기의 음극(cathode)은 중성자 단면적이 작은 알루미늄(Aluminum)이 주로 사용되고, 양극(anode)은 가느다란 철선 형태를 갖는 것이 일반적이다.

도 2는 일반적인 BF3 중성자 계측 시스템을 보여주는 도면이다.

BF3 중성자 계측 시스템은, BF3 검출기(10)에서 검출된 신호를 증폭하고 파고 선별기(pulse height discriminator)(20)에서 일정 크기의 전압 펄스만을 선별하여 일정한 파형으로 바꾸게 되며, 다음으로 펄스 파형을 정형하기 위한 펄스 조정기(pulse shaper)(30)와 펄스신호를 낮은 주파수의 펄스열로 변환하게 되는 펄스 분주기(pulse divider)(40)를 거쳐서 펄스 적분기(log pulse integrator)(50)를 통해 출력된 신호를 중성자 계측 신호로 기록하게 된다.

그러나 이와 같은 종래의 중성자 계측 시스템은 검출기에서 검출된 펄스의 개수만을 취득하기 때문에 검출기 또는 계측 시스템의 고장이나 중성자 민감도 저하를 알 수가 없으며, 따라서 원자력발전소에서와 같이 중성자 검출 등의 중요 운전변수들에 대한 감시가 이루어져야함에도 검출기 또는 계측 시스템의 건전성 유지를 신뢰할 수 없는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2011-0034576(공개일자: 2011.04.05)

등록특허공보 제10-1282962호(등록일자: 2013.07.01)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중성자 계측시스템의 민감도 변화와 계측장비의 고장 여부를 공리적 기준으로 사용될 수 있는 기준 분포를 활용하여 건전성을 자가 진단할 수 있는 기능을 갖는 계측시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템은, BF3 충전가스를 이용하여 중성자를 검출하기 위한 중성자 계측시스템에 있어서, BF3 검출기에서 검출된 신호를 취득하기 위한 다채널 분석기와; 상기 다채널 분석기에서 취득된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 샘플링 측정된 기준 분포가 저장되며, 상기 기준 분포와 측정 분포 사이의 관계로부터 시스템의 건전성을 진단 분석하게 되는 분석모듈과; 상기 분석모듈에 변수 정보를 입력하기 위한 입력부와; 상기 분석모듈의 진단 분석 결과를 출력하게 되는 출력부;를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 기준 분포는 참조 계수와 동일한 측정에 사용된 총 중성자 개수가 같은 측정 계수를 갖는 측정 분포와 선형적인 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 변수 정보는 적어도 하나의 표준편차와 진단 조건을 포함한다.

본 발명의 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측방법은, BF3 충전가스를 이용하여 중성자를 검출하기 위한 중성자 계측방법에 있어서, BF3 검출기에서 검출된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 샘플링된 기준 분포를 저장하고 상기 기준 분포와 측정 분포 사이의 관계로부터 시스템의 건전성을 진단 분석하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템 및 그 방법은, 중성자 계측 시스템의 민감도 변화와 고장 여부를 임의 시점에서 자가 진단할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 가스형 BF3 중성자 검출기의 계측 원리를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 BF3 중성자 계측 시스템을 보여주는 도면,
도 3의 (a)(b)는 B-10의 (n,α) 반응을 도식적으로 나타낸 도면,
도 4의 (a)(b)는 검출기의 측벽 효과를 고려한 B-10의 (n,α) 반응을 도식적으로 나타낸 도면,
도 5는 BF3 검출기의 펄스 높이 스펙트럼을 보여주는 그래프,
도 6은 원전 초기노심 연료장전에 사용된 BF3 검출기를 다채널 분석기를 이용하여 얻은 펄스 높이와 중성자 개수를 도시한 기준분포를 보여주는 그래프,
도 7은 기준분포와 측정분포 사이의 관계를 보여주는 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 BF3 중성자 계측시스템의 블록 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 BF3 중성자 계측방법을 보여주는 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 BF3 중성자 계측시스템을 이용한 판정 기준을 예시하여 설명하기 위한 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 BF3 중성자 계측시스템을 이용한 자가 진단의 예를 보여주는 그래프.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이며, 이하의 특정한 구조나 기능적 설명들은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 자가 진단 기능은 계측시스템의 고장이 없는 경우에 다음과 같은 공리적(axiomatic) 근거를 바탕으로 한다.

- BF3 검출기는 입사된 중성자 에너지에 무관하게 항상 특정한 스펙트럼(spectrum)을 갖는다.

- BF3 검출기의 스펙트럼은 동일한 형상(shape)을 갖는다. 이때 개수 차이에 의한 측정불확도는 이론적으로

이내에 존재해야 한다.

- 동일한 검출기에 대하여 통계적으로 충분한 중성자 수로부터 얻은 BF3 검출기의 스펙트럼과 중성자 수(n)로부터 얻은 스펙트럼의 분포를 동일 그래프 상에 도시할 경우에 측정 횟수에 따른 불확도를 갖더라도 검출기가 건전할 경우에 선형적(y=ax; a는 상수) 형태로 되어야 한다.

본 발명은 이러한 공리적 기준을 바탕으로 사전에 측정되어 산출된 기준 스펙트럼과, 측정 스펙트럼 사이의 통계적인 비교를 통하여 선형성을 확인하여 계측시스템의 자체 고장 여부 또는 계측장비의 민감도 및 건전성을 판정하는 것을 기술상의 특징으로 하는 것이다.

기준 스펙트럼의 분포는 계측시스템이 건전할 경우에 항상 일정한 형태의 분포를 가져야 되므로, 공리적 기준(Axiomatic Reference)으로 사용될 수 있으며, 통계적인 의미에서는 모집단의 분포가 변하지 않고, 모집단의 모든 개체를 사전에 알고 있는 것과 같다. 따라서 기준 스펙트럼이 통계적으로 불변하는 기준으로 이용될 수 있기 때문에, 기준 스펙트럼은 중성자를 계측하는 동안 측성 스펙트럼을 비교 분석하는 기준 분포로 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준 스펙트럼은 중성자 선원을 이용하여 충분한 통계적 의미를 갖는 모집단이 될 수 있도록 최소 백만 개 이상의 입사 중성자를 취득하여 사용될 수 있다.

한편 계측시스템의 이상 여부는 기준 스펙트럼(모집단)과 측정 스펙트럼(표본 집단) 사이의 선형성을 분석하여 판단하게 되며, 일정한 누적 중성자수 단위로 측정 스펙트럼을 통계처리한 후에 기준 스펙트럼(모집단)과의 선형성 분석과 표본 집단의 측정불확도(measurement uncertainty)를 계산한다. 최종적으로는 중성자 계측이 완료된 후에 계측된 모든 중성자를 통계 처리하여 계측 시스템의 자체 고장 여부를 판정하거나 계측과정에서의 정당성을 확인할 수 있을 것이다.

도 3의 (a)(b)는 B-10의 (n,α) 반응을 도시적으로 나타낸 도면으로, 각각 기저상태와 여기상태를 보여준다.

BF3 가스에서 B-10은 Li-7과 α입자로 생성된 후에 반대 방향으로 운동하게 되며, 한편 검출되는 펄스의 크기는 Li-7의 여기상태(excited state)(94%)와 기저상태(grounded state)(6%)에 따라서 달라지며, α입자의 에너지는 6% 정도가 1.78 MeV로 나타나고 94%는 1.47 MeV로 나타난다.

검출기의 직경이 큰 경우에는 α입자와 Li-7의 모든 운동에너지는 검출 가스로 전달되며, 따라서 펄스 높이 스펙트럼에서는 2.31 MeV(여기상태의 Li-7)에서 큰 피크가 발생되고 2.79 MeV(기저상태의 Li-7)에서 작은 피크가 발생되어 두 개의 피크가 나타날 수 있다.

한편 검출기의 직경이 2-5 ㎝ 정도의 일반적인 사이즈의 튜브에서는 2.31 MeV와 2.79 MeV 이외에 작은 피크들이 나타날 수 있으며, 이는 α입자와 Li-7의 운동에너지가 검출 가스로 전달되지 않고 검출기의 측벽에 전달되어 발생될 수 있다.

도 4의 (a)(b)는 검출기의 측벽 효과를 고려한 B-10의 (n,α) 반응을 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)에서와 같이, B-10의 (n,α) 반응에서 α입자는 측벽과 충돌하여 일부 에너지만이 전달되는 반면에 Li-7의 운동에너지 전부는 검출 가스로 전달되어 0.84 MeV에서 피크가 발생될 수 있다.

다음으로 도 4의 (b)에서와 같이, Li-7이 측벽과 충돌하는 경우에는 Li-7의 운동 에너지 일부만이 전달되는 반면에 α입자의 운동에너지는 전부가 검출 가스로 전달되어 1.47 MeV에서 피크가 발생될 수 있다.

도 5는 BF3 검출기의 펄스 높이 스펙트럼을 보여주는 그래프로써, BF3 검출기에서는 입사 중성자의 에너지와는 무관하게 일정한 특성을 보여주는 분포 그래프를 확인할 수 있으며, 실제로는 0.84 MeV와 1.47 MeV의 피크는 구별하기가 어렵다.

이와 같은 특성 그래프는 검출기의 기하학적인 구조와 관련된 것이며 입사되는 중성자의 에너지와는 상관없다. 따라서 검출기 계수율(count rate)이 중요한 정보가 되며, 펄스 높이(pulse height)는 검출기의 기하학적인 구조에 따라서 약간씩 달라질 수가 있다.

따라서 BF3 검출기를 제작한 후에 중성자 선원으로 충분한 수(예를 들어, 백만 개 이상)의 샘플링을 통하여 중성자 에너지에 따라서 다채널 분석기(multichannel analyzer)로 중성자 개수를 측정하게 되면 도 6과 같은 분포를 얻을 수 있다.

도 6은 원전 초기노심 연료장전에 사용된 BF3 검출기를 다채널 분석기를 이용하여 펄스 높이와 중성자 개수를 도시한 기준 분포를 보여주는 그래프이다.

도 7은 기준분포와 측정분포 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 7과 같이 기준(reference) 분포와 측정(measured) 분포 사이의 관계를 살펴보면, 다채널 분석기에서 취득된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수(reference count)로 하여 x축으로 표시하고, 참조 계수와 동일한 측정에 사용된 총 중성자 개수가 같은 측정 계수(measured count)를 갖는 측정 분포를 y축으로 표시하게 되면, 공리(axiom)적인 관점에서 동일한 BF3 검출기는 다채널 분석기로 취득한 중성자 총 개수에 의한 측정불확도만을 가질 뿐, 검출기의 고장이 없는 경우에 선형적인 관계가 나타남을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 BF3 검출기에서 검출되는 기준 분포와 측정 분포 사이 관계식을 이용하여 시스템의 건전성 진단이 이루어질 수가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같으며, 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 8을 참고하면, 본 발명의 BF3 중성자 계측시스템은, BF3 검출기(10)에서 검출되어 증폭된 신호를 취득하기 위한 다채널 분석기(110)와, 다채널 분석기(110)에서 취득된 신호로부터 기준 분포를 산출하여 저장하고 이를 이용하여 시스템의 건전성을 진단 분석하게 되는 분석모듈(120)과, 분석모듈(120)에 정보를 입력하기 위한 입력부(130)와, 진단 분석 결과를 출력하게 되는 출력부(140)를 포함한다.

도 9에 예시된 것과 같이, 분석모듈(120)은 BF3 검출기를 통해 중성자를 검출하는 단계(S10)와, 다채널 분석기(110)에서 취득한 신호를 이용하여 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 기준 분포를 측정하여 저장하는 단계(S20)를 포함하며, 이때 기준 분포는 x-y 축상의 그래프에 x-축과 y-축에 각각 동일하게 측정된 개수 값을 표시하여 x=y로 표시될 수 있으며, 이 기울기 값(x=y)은 측정 분포와 기준 분포에 대한 관계식(기울기)에서의 시스템의 건전성 판단의 기준 기울기가 된다.

다음 단계(S30)에서는 측정 계수값에 대하여 기준식을 계산하게 되며, 이때 입력장치를 통하여 입력변수를 입력받게 되며, 입력변수로는 표준편차(sigma) 또는 측정 중성자 총 개수(n)와 함께 하부 문턱값(LLD) 및 상부 문턱값(ULD)이 입력될 수 있다.

예를 들어, 측정 기준선(Y_i(E))은 측정 계수값(x_i(E))과

의 합으로 구할 수가 있다.

다음 단계(S40)는 측정 기준선이 기준 분포로부터의 표준편차의 범위 내에 있는지 여부를 판단하여 표준편차 범위 이내인 것(Count_in)과 표준편차 범위 이외인 것(Count_out)에 대하여 각각을 카운트하여 누적하는 과정(S41)(S42)을 포함한다.

다음 단계(S50)에서는 불량률(Count_out/Count_in)을 계산하며, 불량률 값에 따라서 시스템의 진단 결과를 출력한다.

예를 들어, 산출된 불량률과 진단 조건(constraint)을 서로 비교하여 일정 범위 이내이면 정상으로 판정하게 되며, 일정 범위 이상인 경우에는 고장으로 판정하게 된다.

도 10에 예시된 것과 같이, 기준 분포를 중심으로 폭 a는 하부 문턱값(LLD)으로 계산된 영역이며, 폭 b는 상부 문턱값(ULD)으로 계산된 영역을 나타내고 있으며, 두 개의 진단 조건을 기준으로 고장유무를 판정할 수 있다.

예를 들어서, 불량률이 < a인 경우에는 정상 상태로 판정하며, < b인 경우에는 주의 상태로 판정하며, > b인 경우에는 고장 상태로 판정이 이루어질 수 있다.

한편 동일한 중성자 계측기를 동일한 위치에서 취득한 경우, 기울기가 작아진 경우에는 중성자 선원의 세기가 적어 졌거나 중성자 계측기의 민감도가 작아짐을 유추할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 BF3 중성자 계측시스템을 이용한 자가 진단의 예를 보여주는 그래프로써, 측정된 계수값이 기준 분포(검정색 데이터)를 중심으로 진단 조건(검정선)의 범위에 위치하는 지를 판정하여 검출 시스템의 이상 여부를 판정할 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : BF3 검출기 20 : 파고 선별기
30 : 펄스 조정기 40 : 펄스 분주기
50 : 펄스 적분기 110 : 다채널 분석기
120 : 분석모듈 130 : 입력부
140 : 출력부

Claims (6)

1. BF3 충전가스를 이용하여 중성자를 검출하기 위한 중성자 계측시스템에 있어서,
   BF3 검출기에서 검출된 신호를 취득하기 위한 다채널 분석기와;
   상기 다채널 분석기에서 취득된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 샘플링 측정된 기준 분포가 저장되며, 상기 기준 분포와 측정 분포 사이의 관계로부터 시스템의 건전성을 진단 분석하게 되는 분석모듈과;
   상기 분석모듈에 적어도 하나의 표준편차와 진단 조건을 포함하는 변수 정보를 입력하기 위한 입력부와;
   상기 분석모듈의 진단 분석 결과를 출력하게 되는 출력부;를 포함하는 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준 분포는 참조 계수와 동일한 측정에 사용된 총 중성자 개수가 같은 측정 계수를 갖는 측정 분포와 선형적인 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측시스템.
3. 삭제
4. BF3 충전가스를 이용하여 중성자를 검출하기 위한 중성자 계측방법에 있어서,
   BF3 검출기에서 검출된 신호로부터 중성자 에너지에 따른 개수를 참조 계수로 하여 샘플링된 기준 분포를 저장하고 상기 기준 분포와 측정 분포 사이의 관계로부터 시스템의 건전성을 진단 분석하되 상기 기준 분포는 참조 계수와 동일한 측정에 사용된 총 중성자 개수가 같은 측정 계수를 갖는 측정 분포와 선형적인 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 상기 측정 계수에 대한 표준편차와, 시스템 건전성 판단의 기준이 되는 불확도 범위를 진단 조건으로 하는 입력변수를 입력받는 단계를 더 포함하는 자가 진단 기능을 갖는 BF3 중성자 계측방법.

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