KR101750284B1

KR101750284B1 - Czt 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템

Info

Publication number: KR101750284B1
Application number: KR1020160110856A
Authority: KR
Inventors: 류석진; 오세현
Original assignee: 유저스(주)
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-06-22

Abstract

본 발명은 원자력 발전 시설에서 사용후핵연료의 연소도 검증을 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용후핵연료의 연소도 검증을 위한 필수 조건인 감마선 측정과 중성자 측정을 CZT 검출기를 통해 동시에 수행하게 되는 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템에 관한 것이다.

Description

CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템{Inspection System of Spent Fuel combustion using CZT Detector}

원자력발전소에서 보관 운영 중인 사용후핵연료는 중간저장시설로 반출하기 위해 사용후핵연료 인수조건에 따른 연료의 특성을 확인해야 하며, 이중 사용후핵연료의 연소도를 필수적으로 측정해야 한다.

원자력발전소에서 사용된 사용후핵연료는 운전 정보를 통하여 각 연료의 연소도를 계산하고 있으며, 상기 기술한 바와 같이 연료의 중간저장을 위해 중간저장시설로 반출할 경우 연소도 측정을 통해 운전 중 계산된 연소도의 검증이 반드시 요구된다.

연소도라 함은 보통 단위질량의 핵물질에서 발생한 에너지로 정의된다. 즉 초기 신연료로 원자로 노심에서 연소되고 난 뒤, 우라늄 변화량당 발생된 에너지로 표현될 수 있다.

사용후핵연료를 분해하지 않고 연료의 연소도를 측정하기 위해서는 핵분열에 따라 생성된 핵분열생성물이 방출하는 특정한 방사선을 측정하는 방법이 사용된다. U235가 열중성자와 핵분열 반응을 통해 특정 원소로 변환되거나 생성되며, 이 특정 원소들이 방출하는 방사선을 측정하면 핵분열의 횟수를 알 수 있으며, 이는 핵연료 내에서 연소된 우라늄의 양을 유추할 수 있게 된다.

사용후핵연료의 연소도 측정을 위해서는 주로 감마선 측정과 중성자 측정을 사용하는데 감마선 측정 방법은 주로 Cs134와 Cs137의 비율을 측정하는 것이다. 중성자와의 반응으로 핵분열 생성물로부터 Cs133이 생성되고 Cs133은 중성자 흡수 반응에 의해 Cs134로 변환 생성된다. 따라서 Cs134의 핵연료내 양은 누적된 중성자수의 제곱에 비례하며 Cs137은 핵분열에 의해 생성되므로 두비를 구하면 연료내 입사된 직접적으로 중성자 총량을 알게 되고 이는 연소도에 비례한다. 두핵종의 측정은 두핵종이 발생하는 특정 감마선 에너지를 고해상도 검출기를 통해 분광학 기법으로 측정하면 사용후 핵연료에 존재하는 Cs의 양을 유추할 수 있게 된다.

중성자 측정기법은 사용후핵연료가 특정기간 냉각기간을 거치면 핵분열 생성물질중 중성자를 방출하는 자발 핵분열물질인 cm244와 cm242가 중성자 선원의 대부분을 차지하게 된다. 따라서 중성자 검출기를 통해 중성자의 총양을 측정하면 cm244와 cm242 의 양을 알 수 있으며 이는 연소된 우라늄의 양을 알 수 있다. 각각의 측정기법은 장단점이 존재하기 때문에 대부분의 종래기술에서는 두기법을 모두 사용하여 측정한다. (EPRI의 Fork, BNFL사의 연소도 시스템, AREVA의 SMOPY)

따라서 기존의 기술에서는 각 감마선 측정과 중성자 측정을 위해 방사선 종류에 따라 각각 복수의 검출기를 구성하여 사용하고 있다. 주로 감마선 측정은 반도체 검출기인 HPGE 검출기와 CZT 검출기가 사용되며 중성자 측정은, 주로 핵분열함이 사용된다.

CZT 검출기는 CdZnTe 화합물로 구성된 반도체 검출로 넓은 밴드갭 특성을 보여 상온에서 누설전류가 작아 상온사용이 가능하며 원자번호가 크기 때문에 에너지 분해능이 섬광체기반의 검출기보다 우수한 장점을 갖는다. Ge, Si 반도체 검출기도 널리 사용되는 검출기이나 상온에서 누설전류가 크기 때문에 상시 냉각을 시켜야 하는 단점이 있다. 따라서 CZT 반도체 검출기가 최근 Ge, Si기반의 반도체 검출기와 섬광체 기반의 검출기를 빠르게 대체하고 있다.

도 1에는 일반적인 사용후핵연료 연소도 검증 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

일반적으로 사용후핵연료 연소도 측정 시에는 핵연료의 축 방향에 따라 연소도를 측정하여 축 방향에 따른 연소도 분포를 구하게 된다. 사용후핵연료의 연소도 측정을 위해 감마선용 검출기 경우 시준기를 통과한 특정 에너지를 갖는 감마선이 입사하면 펄스신호가 생성되며 펄스의 높이는 입사된 방사선 에너지에 비례한다. 즉 입사된 특정 감마선은 핵종별로 특정 에너지를 갖기 때문에 핵종에 따라 펄스의 높이가 다르다. 생성된 펄스는 신호의 신호대잡음비를 높이기 위해 전치 증폭기를 통해 1차 증폭된다. 증폭된 펄스는 주증폭기를 거치며 다중채널파고분석기(MCA_Multi Channel Analyser)로 전송되며 MCA는 각 펄스 높이별로 구분하여 펄스의 계수를 누적시켜 가며 스펙트럼을 생성하고 디지털 값으로 변환시킨다. 측정된 스펙트럼은 핵종분석용 소프트웨어를 통해 측정된 스펙트럼으로부터 세슘 핵종을 구분하고 세슘핵종의 양을 측정하여 ORIGEN과 같은 연소도 계산 코드와 비교함으로써 연소도를 측정하게 된다.

중성자 측정의 경우 핵종분석이 필요하지 않기 때문에 핵분열함으로 생성되는 펄스신호를 계수하여 총 퀴륨의 양을 측정하고 마찬가지로 ORIGEN과 같은 연소도 계산 코드와 비교하여 연소도를 알아낸다.

상기와 같은 일반적인 사용후핵연료 연소도 측정은 매우 높은 방사선을 방출하므로 사용 후 핵연료 수조에서 높은 농도의 붕소를 포함한 냉각재로 가득 채워진 상태에서 운용되어야 한다. 이런 환경에서 종래의 기술의 경우 아래와 같은 몇 가지 단점이 발생하게 된다.

첫째, 중성자 측정은 주로 핵분열함을 이용하여 측정하고 있는데, 핵분열함의 경우 검출기 내부에 고농축 U235가 도포되어 있기 때문에 시스템 운용 시에 작업자가 방사선으로 피폭될 위험이 존재한다.

둘째, 감마선 측정용 HPGE 검출기의 경우 검출기의 사이즈가 상대적으로 매우크기 때문에 시스템의 부피가 크게 된다. 또한 사용 시 항상 냉각을 시켜야 하기 때문에 냉각가스의 배관이 같이 설치되어야 하며 이 또한 배관의 길이가 길어 냉각 효율이 떨어지는 문제로 인해 사용후핵연료 수조 내에서 사용하기에 적합하지 않다.

따라서 기존에도 CZT 검출기를 이용하여 감마선 측정을 통한 연소도 검증 시스템의 기술이 있었으나, 단순히 감마선 측정 기법에만 사용되었으며 중성자 동시 측정에는 활용되지 않는다.

마지막으로 사용후핵연료 연소도 측정을 위해 감마선과 중성자를 동시에 측정할 경우 각 방사선을 측정하기 위한 검출기와 검출기에 적합한 전자회로 시스템을 별개로 설치해야 하기 때문에 시스템의 복잡성이 높아지게 된다. 이는 발전소 사용후 핵연료 건물 특성상 유지보수가 용의하지 않기 때문에 큰 단점이 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, CZT 검출기를 이용하여 사용후핵연료 연소도 검증에 필요한 감마선 측정 및 중성자 측정을 동시에 수행하게 되는, CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 CZT 검출기를 이용한 사용후핵연료 연소도 검증 시스템은, CZT 검출기를 이용하여 감마선과 중성자의 측정이 동시에 가능한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 연소도 검증 시스템은, 사용후핵연료에 근접 배치되어 사용후핵연료에서 방사되는 방사선의 감마선 펄스 신호를 감지하는 CZT 검출기; 및 상기 감마선의 펄스 신호를 통해 스펙트럼을 생성하고, 세슘 핵종으로부터 생성된 펄스와 중성자와 Cd113과의 반응에 의해 생성된 특정 펄스를 구분하고 양을 측정하는 다중채널 파고 분석기; 를 포함한다.

또한, 상기 연소도 검증 시스템은, 상기 다중채널 파고 분석기를 통해 측정된 특정 펄스 및 양을 이용해 세슘 감마선과 퀴륨 중성자 반응에 의한 피크를 각각 측정하여 감마선과 중성자를 측정하는, 감마선 및 중성자 피크 분석기; 를 더 포함한다.

또한, 상기 연소도 검증 시스템은, 방사향으로 방사되는 방사선에서 특정부위의 방사선을 획득하고 방사선 강도를 조절하기 위해 사용후핵연료와 CZT 검출기 사이에 구비되는 시준기; 를 더 포함한다.

아울러, 상기 연소도 검증 시스템은, 상기 감마선의 펄스 신호의 신호대잡음비를 높이기 위해 상기 펄스 신호를 증폭시키는 증폭기; 를 더 포함한다.

본 발명의 연소도 검증 시스템을 이용한 연소도 검증 방법은, CZT 검출기를 이용해 감마선의 펄스 신호를 생성하는 단계; 상기 펄스 신호를 증폭하는 단계; 상기 증폭된 펄스 신호를 통해 스펙트럼을 생성하는 단계; 상기 스펙트럼을 통해 세슘 핵종으로부터 생성된 펄스와 중성자와 Cd113과의 반응에 의해 생성된 특정 펄스를 구분하고 양을 측정하는 단계; 상기 측정된 특정 펄스 및 양을 이용해 세슘 감마선과 퀴륨 중성자 반응에 의한 피크를 각각 측정하여 감마선과 중성자를 측정하는 간계; 를 포함한다.

또한, 상기 연소도 검증 방법은, 방사향으로 방사되는 방사선에서 특정부위의 방사선을 획득하고 방사선 강도를 조절단계; 를 더 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템은, 감마선과 중성자를 측정하기 위해 서로 다른 형태의 각각의 검출기가 필요하지 않기 때문에 시스템을 단순화할 수 있다.

또한, HPGE와 핵분열함에 비해 부피가 작고, 냉각이 요구되지 않기 때문에 냉각을 위한 부수적인 장치가 필요하지 않아 시스템 비용이 절감될 수 있다.

아울러 또한 검출기의 비용이 HPGe와 핵분열함에 비해 저렴하기 때문에 최소의 비용으로 사용후핵연료 연소도 검증 시스템의 구현이 가능한 장점이 있다.

도 1은 일반적인 사용후핵연료 연소도 검증 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 일실시 예의 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템 설치 예시도
도 3은 본 발명의 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템의 구성도

CZT 반도체 검출기는 HPGe 반도체 검출기와 함께 분광학 기술에 사용되는 방사선 검출기 이다. CZT 반도체 검출기는 HPGe 물질에 비해 밴드갭 에너지가 크다. 따라서 상온에서 냉각 없이 사용이 가능한 장점이 있으며 HPGe에 비해 에너지 분해능은 낮지만 연소도 측정에 있어서 세슘원소를 구분하기에 충분한 분해능을 갖는다.

또한 CZT를 구성하는 카드뮴은 중성자 흡수 단면적이 높은 물질로써 중성자와 (n,r)반응을 한다. 카드뮴 원소중 Cd113은 중성자 흡수 단면적이 20,600 barn으로 매우 높다. cd-113은 중성자를 흡수하면 들뜬상태에 도달하였다가 cd114로 변환되어 안정 상태로 떨어지면서 감마선을 방출한다. 이때 생성된 감마선의 에너지는 559 keV와 651 keV이다. 이때 방출되는 감마선은 입사된 중성자에 비례하며 또한 즉발반응이므로 입사 중성자의 양을 즉각적으로 측정이 가능하다.

따라서 CZT 반도체 검출기를 통해 감마선과 중성자의 동시 측정이 가능하기 때문에 CZT 검출기만으로도 사용후핵연료 연소도 검증 시스템의 구현이 가능하다. 이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예의 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템(1000)의 설치 예시도가 도시되어 있고, 도 3에는, 본 발명의 일실시 예에 따른 CZT 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템(1000)의 구성도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 사용후핵연료 연소도 측정 시 사용후핵연료(100)의 축 방향에 따라 연소도를 측정하여 축 방향에 따른 연소도 분포를 구하게 된다. 따라서 방사향으로 방사되는 방사선에서 특정부위의 방사선을 획득하고 방사선 강도를 조절하기 위해 도시된 바와 같이 사용후핵연료(100)와 검출기(300) 사이에 시준기(200)를 설치한다.

시준기(200)를 통과한 특정 에너지를 갖는 감마선이 입사하면 펄스신호가 생성되며 펄스의 높이는 입사된 방사선 에너지에 비례한다. 생성된 펄스는 신호의 신호대잡음비를 높이기 위해 전치 증폭기를 통해 1차 증폭된다. 증폭된 펄스는 주증폭기를 거치며 다중채널파고분석기(MCA_Multi Channel Analyser, 400)로 전송된다.

증폭된 펄스는, 다중채널 파고 분석기(400)를 통해 스펙트럼을 생성하고 핵종 분석용 소프트웨어를 통해 세슘 핵종으로부터 생성된 펄스와 중성자와 Cd113과의 반응에 의해 생성된 특정 펄스를 구분하고 양을 측정 한다.

피크 분석기(500)를 통해 세슘 감마선과 퀴륨 중성자 반응에 의한 피크를 각각 측정하여 감마선, 중성자 이용한 연소도 검증을 하나의 검출 시스템으로 사용 한다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100 : 사용후 핵연료
200 : 시준기
300 : 검출기
400 : 다중채널파고분석기
500 : 피크분석기

Claims

CZT 검출기를 이용하여 감마선과 중성자의 측정이 동시에 가능한 것을 특징으로 하며,
사용후핵연료에 근접 배치되어 사용후핵연료에서 방사되는 방사선의 감마선 펄스 신호를 감지하는 CZT 검출기;
상기 감마선의 펄스 신호를 통해 스펙트럼을 생성하고, 세슘 핵종으로부터 생성된 펄스와 중성자와 Cd113과의 반응에 의해 생성된 특정 펄스를 구분하고 양을 측정하는 다중채널 파고 분석기; 및
상기 다중채널 파고 분석기를 통해 측정된 특정 펄스 및 양을 이용해 세슘 감마선과 퀴륨 중성자 반응에 의한 피크를 각각 측정하여 감마선과 중성자를 측정하는, 감마선 및 중성자 피크 분석기;
를 포함하는, CZT 검출기를 이용한 사용후핵연료 연소도 검증 시스템.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 연소도 검증 시스템은,
방사향으로 방사되는 방사선에서 특정부위의 방사선을 획득하고 방사선 강도를 조절하기 위해 사용후핵연료와 CZT 검출기 사이에 구비되는 시준기;
를 더 포함하는, CZT 검출기를 이용한 사용후핵연료 연소도 검증 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 연소도 검증 시스템은,
상기 감마선의 펄스 신호의 신호대잡음비를 높이기 위해 상기 펄스 신호를 증폭시키는 증폭기:
를 더 포함하는, CZT 검출기를 이용한 사용후핵연료 연소도 검증 시스템.
CZT 검출기를 이용하여 감마선과 중성자의 측정이 동시에 가능한 연소도 검증 시스템을 이용한 연소도 검증 방법은,
CZT 검출기를 이용해 감마선의 펄스 신호를 생성하는 단계;
상기 펄스 신호를 증폭하는 단계;
상기 증폭된 펄스 신호를 통해 스펙트럼을 생성하는 단계;
상기 스펙트럼을 통해 세슘 핵종으로부터 생성된 펄스와 중성자와 Cd113과의 반응에 의해 생성된 특정 펄스를 구분하고 양을 측정하는 단계;
상기 측정된 특정 펄스 및 양을 이용해 세슘 감마선과 퀴륨 중성자 반응에 의한 피크를 각각 측정하여 감마선과 중성자를 측정하는 간계;
를 포함하는, 연소도 검증 시스템을 이용한 연소도 검증 방법.
제 6항에 있어서,
상기 연소도 검증 방법은,
방사향으로 방사되는 방사선에서 특정부위의 방사선을 획득하고 방사선 강도를 조절단계; 를 더 포함하는, 연소도 검증 시스템을 이용한 연소도 검증 방법.