KR101911918B1 - 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템은 원자력발전소로부터 생성된 사용후핵연료의 습식저장 및 건식저장시설에서의 보관 중인 저장용기의 결함 확인과 이력관리를 위하여 나노물질을 사용함으로써 사용후핵연료 결함여부 판정결과의 신뢰도를 높일 수 있으며, 나노물질의 분석결과를 저장하고 이를 데이터화함으로써 핵연료 저장용기의 결함 탐지 및 이력 관리가 가능한 장점이 있다.

Description

핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템{A system for detecting defect and managing history information of nuclear fuel}

본 발명은 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 원자력발전소로부터 생성된 사용후핵연료의 습식저장 및 건식저장시설에서의 보관 중인 저장용기의 결함 확인과 이력관리를 위하여 나노물질을 사용한 핵연료 저장용기의 결함 탐지 및 이력 관리 기술에 관한 것이다.

습식 및 건식저장시설에서 사용후핵연료 저장용기의 구조건전성 및 결함핵연료 탐지 문제는 오랜 기간 동안 사용후핵연료 운영자들에게 난제로 여겨져 왔다. 그 동안 다양한 구조건전성 및 결함핵연료 탐지 기술들이 사용되어 왔고 현재도 연구가 진행되고 있지만 제한적인 성과를 거두는데 그치고 있어 보다 개선된 구조건전성 및 결함핵연료 탐지기술 확보 필요성이 지속적으로 제기되어 왔다.

사용후핵연료 저장 캐니스터 및 캐니스터를 저장하는 용기본체의 구조건전성의 기술기준은 다음과 같다.

저장용기는 정상조건 시의 외부온도, 눈 및 얼음하중과 취급하중, 비정상조건 시의 외부온도(최소/최대), 공기입구막힘, 바람 최대풍속, 사고조건에 대해서는 외부환경온도, 60cm 낙하, 전복, 화재(시간/온도) 및 공기입구막힘과 홍수(높이/유속), 지진(수평 0.3g/수직 0.2g) 등의 평가를 수행하여 건전성을 확보한다.

저장용기는 장기간의 사용으로 인해 외부 정상 및 외부 비정상조건에 의한 외적 스트레스에 의한 부식과 내부 사용후핵연료에 의한 열적문제 및 방사능 등에 의한 재질 변이 등의 문제로 용기의 건전성에 문제가 발생할 수 있다.

따라서 사용후핵연료 저장 캐니스터 및 캐니스터를 저장하는 용기본체의 구조건전성을 모니터링할 수 있는 기술 개발이 이루어지고 있다.

국내 원자력발전소에서는 원자력법 시행령 제42조제1항, 시행규칙 19조, 시행규칙 제120조 별표 5 등에 따라, 주기적으로 수행하는 계획예방정비 기간 중 원자로에서 사용후핵연료 집합체를 인출하여 이를 검사하고 그 결과를 기록하여 비치하고 있다. 현재 국내 원자력발전소에서는 계획예방정비 기간 중 수행하는 사용후핵연료 집합체 형상, 즉 사용후핵연료 집합체 표면에 결함 발생 여부를 주로 육안 및 초음파 검사에 의해 검사하고 있다.

육안 검사는 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 막대한 방사선 때문에 사용후핵연료 집합체를 물속에 둔 채 멀리 떨어져서 원격 카메라를 통해 전송된 사용후핵연료 집합체 표면의 영상을 가지고 결함 발생여부를 검사한다. 그 일례로서 사용후핵연료 집합체 취급공구로 사용후핵연료 집합체를 들어 올리면서 4대의 카메라로 사용후핵연료 집합체의 최상단부터 촬영하기 시작하여 사용후핵연료 집합체에 대한 영상정보를 얻는다. 이런 절차를 거쳐 획득한 영상을 통해 검사를 함으로써 원자로에서 사용후핵연료 집합체를 인출하는 과정 중 실시간으로 사용후핵연료 집합체의 결함 여부를 판단할 수 있다는 장점이 있지만, 정확한 검사결과를 얻는 데는 한계가 있다. 즉, 확보된 영상의 품질과 육안 검사자의 판독능력 등에 따라 검사결과의 정확도가 달라지며, 특히 사용후핵연료 집합체 표면에 미세 결함이 있거나 내부에 결함이 있는 경우에는 육안 검사로 판별이 거의 불가능하다.

초음파 검사는 육안 검사를 통해 결함이 있는 것으로 의심되거나 판별된 사용후핵연료 집합체를 대상으로 실시한다. 초음파 검사대상 사용후핵연료 집합체는 원자로 또는 사용후핵연료 저장 수조에서 인출하여 초음파 검사장비가 설치되어 있는 별도의 장소로 운반해야 한다. 초음파 검사는 육안 검사와는 달리 사용후핵연료 집합체 내부에 있는 결함을 판별할 수 있고, 보다 정확한 검사결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 초음파 검사는 별도의 장소로 이동하여 실시하기 때문에 원자로에서 사용후핵연료를 인출하는 과정 중 실시간으로 결함여부와 위치를 파악하기가 불가능하며, 사용후핵연료 집합체를 검사 장소로 이동하는 과정에서 사용후핵연료 집합체가 추가로 손상될 가능성과 사용후핵연료 집합체를 취급하는 작업종사자의 추가 방사선피폭 가능성이 높다는 단점을 갖고 있다. 또한 초음파 검사 장비를 운영하는 검사요원은 미국 비파괴검사학회(ASNT)의 SNT-TC-1에 근거한 자격을 갖추어야 하는 등 초음파 검사 장비의 운영에 고도의 기술이 필요하다.

방사선 계측기를 이용하여 사용후핵연료 봉에 포함되어 있는 핵분열성 가스인 크세논-133(Xe-133)이 누설되는지를 측정하여, 사용후핵연료 봉의 결함여부를 측정하는 방법도 있다. 이 방법은 사용후핵연료 봉의 끝단에 계측기를 정렬시키고 Xe-133을 특정 하는 에너지를 갖는 감마선의 농도를 측정하여, 손상된 사용후핵연료 봉과 손상되지 않은 것에 대한 Xe-133의 기준농도와 비교하여 손상여부를 판별하는 것이다. 하지만 이 방법은 Xe-133의 감마방사선만을 측정함으로써 에너지 분해능이 좋지 않은 계측기를 사용할 경우 사용후핵연료 결함여부 판정결과의 신뢰도가 높지 않은 단점이 있다.

ASME Sec.Ⅴ Nondestructive Examination. Article 5. Ultrasonic Examination Methods for Materials and Fabrication (2008년 04월 08일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원자력발전소로부터 생성된 사용후핵연료의 습식저장 및 건식저장시설에서의 보관 중인 저장용기의 결함 확인과 이력관리를 위하여 나노물질을 사용한 핵연료 저장용기의 결함 탐지 및 이력 관리 기술에 관한 것이다.

본 발명은 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 양태는,

추적자 및 불활성기체를 포함하는 주입기체가 충전되며, 핵연료봉을 수용하는 캐니스터;

상기 캐니스터 내의 불활성기체 중 일부를 채취하는 샘플채취부;

상기 샘플채취부로부터 채취된 샘플 내 추적자를 탐지하는 분광탐지부; 및

상기 분광탐지부로로부터 받은 정보를 바탕으로 핵연료의 결함 여부를 판단하는 제어부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 상기 분광탐지부는,

채취된 샘플 내 추적자에서 발하는 빛을 탐지하는 계측센서; 및

상기 계측센서를 통해 수집된 빛의 방출강도, 파장크기, 편광 및 밴드 폭의 정보를 자료화하여 제어부에 송부하는 정보생성부;

를 포함할 수 있으며, 상기 제어부는,

상기 정보생성부로부터 전달받은 빛의 정보를 저장된 축적데이터와 비교, 분석하여 핵연료봉에서 유출되는 방사성 물질의 검출량을 산출하고, 결함이 의심되는 핵연료봉을 결정하는 산출부; 및

상기 산출부에서 결정한 핵연료봉의 결함 유무를 확인하고, 결함이 발생한 핵연료봉을 교체하는 핵연료봉교체부;

를 포함할 수 있다.

더욱 상세하게 상기 산출부는,

상기 빛의 정보를 바탕으로 상기 핵연료봉이 형성되어 있는 위치에 따른 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제1산출부;

상기 캐니스터의 단면을 적어도 둘 이상의 가상 영역으로 나누고, 상기 가상 영역별로 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제2산출부; 및

상기 제1산출부 및 제2산출부를 통해 산출된 방사성 물질의 검출량을 검토하여 결함이 의심되는 핵연료봉을 확정하는 결함핵연료봉결정부;

를 포함할 수 있다.

또한 상기 추적자는 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 및 IV 족에서 선택되는 둘 이상의 금속원소를 포함할 수 있으며, 더욱 상세하게는 CdS, CdSe, CdTe, MgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템은 원자력발전소로부터 생성된 사용후핵연료의 습식저장 및 건식저장시설에서의 보관 중인 저장용기의 결함 확인과 이력관리를 위하여 나노물질을 사용함으로써 사용후핵연료 결함여부 판정결과의 신뢰도를 높일 수 있으며, 나노물질의 분석결과를 저장하고 이를 데이터화함으로써 핵연료 저장용기의 결함 탐지 및 이력 관리가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 캐니스터를 포함하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 캐니스터 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 다수의 캐니스터가 저장된 캐니스터저장소를 포함하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 시스템을 도시한 것이다.

이하 구체예들을 참조하여 본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 구체예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.

따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 구체예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 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 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

또한 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 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서 용어 ‘캐니스터(canister)’는 일반적으로 고준위방사성폐기물의 유리고화체 또는 사용후연료를 저장하기 위한 강제 또는 스테인리스강제의 통형 용기를 의미하나, 본 발명에서는 핵연료의 결함 검사를 위해 핵연료를 수용하는 일종의 하우징을 의미한다.

본 발명에서 용어 ‘주입기체’는 상기 캐니스터 내부에 충전되는 기체화합물을 의미하는 것으로, 불활성기체와 나노 크기의 추적자를 포함한다.

본 발명에서 용어 ‘불활성기체(inert gas)’는 원자가가 0인 6개의 기체원소(헬륨, 네온, 아리곤, 크립톤, 제논, 라돈)을 의미한다.

본 발명에서 용어 ‘원자가 전자대’는 반도체 물리에서 전자가 차지하는 가장 높은 전자에너지 레벨을 의미하며, 원자가대 또는 가전자대로 표시할 수 있다.

본 발명에서 용어 ‘전도대’는 원자가 전자대 위의 전자가 없는 레벨을 의미한다.

본 발명에서 용어 ‘여기자(exciton)’는 원자가 전자대 내의 전자가 열적 또는 광자적 흡수에 의해 에너지를 얻어 전도대로 들어갈 때 형성되는 전자 정공 쌍을 의미한다.

본 발명에서 용어 ‘밴드갭(band gap)’은 원자가 전자대와 전도대의 에너지 차이를 말한다.

본 발명의 발명자들은 결함 연료 및 손상 캐니스터의 추적과 이력관리를 위한 효율적인 방법을 찾기 위해 연구를 거듭하던 중, 결함을 가지는 핵연료에서 누출되는 원소와 반응하여 빛 흡수력과 광냉광(photoluminescence) 정도가 변화하는 추적자를 이용할 경우, 정확하게 결함 연료를 추적하고 효율적으로 사용후핵연료 이력관리를 확보할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 캐니스터를 포함하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 시스템을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 캐니스터의 단면을 포함하는 시스템을 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 시스템 및 이력관리 시스템은 추적자 및 불활성기체를 포함하는 주입기체가 충전되며, 핵연료봉 또는 핵연료다발(1)을 수용하는 캐니스터(100); 상기 캐니스터 내의 불활성기체 중 일부를 채취하는 샘플채취부(110); 상기 샘플채취부로부터 채취된 샘플 내 추적자를 탐지하는 분광탐지부(200); 및 상기 분광탐지부로로부터 받은 정보를 바탕으로 핵연료의 결함 여부를 판단하는 제어부(300);를 포함하며, 여기에 상기 불활성기체를 상기 캐니스터 내부로 공급하는 기체공급부(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주요 기술적 특징은, 핵연료봉, 특히 사용후핵연료봉에 발생할 수 있는 결함을 파악하기 위해 사용후핵연료봉의 결함 시 누출되는 생성원자와 반응하여 빛 흡수력과 광냉광(photoluminescence) 정도가 변화하는 추적자를 상기 핵연료봉이 수용된 캐니스터 내부로 주입함으로써 반응이 발생하는 정도를 확인하여 핵연료봉의 결함 여부 및 결함 정도를 탐지하고, 이를 종합하여 핵연료 저장용기의 이력을 관리하는 것이다.

본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템은 연소 전의 핵연료 또는 연소가 완료된 사용후핵연료 집합체를 원자로 내에서 인출하는 과정, 또는 저장소에 저장되어 있는 사용후핵연료 집합체에 대한 운반 전 검사과정 등에 모두 적용 가능하며, 이하 그 구체적인 검사 과정에 대해 상세히 설명한다.

사용후핵연료를 기준으로 본 발명에 따른 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템을 상세히 설명하면, 먼저 원자로 내에서 인출한 사용후핵연료 다발(1)을 샘플채취부(110)가 구비되고, 분광탐지부(200) 및 기체공급부(400)와 연결된 캐니스터(100) 내에 수용한다.

본 발명에서 상기 캐니스터는 핵연료가 수용되어 결함 여부를 확인할 수 있는 일종의 하우징 또는 케이싱으로, 외부의 기체공급부와 연결되어 불활성기체 및 추적자를 공급할 수 있는 기체공급관과, 샘플채취부가 구비될 수 있다.

상기 캐니스터는 일정한 길이와 직경을 갖고 내부에 핵연료를 수용할 수 있는 수용공간이 형성되며, 상기와 같이 여러 형태의 핵연료를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되는 형태만 갖는다면 이외의 구조를 한정하지 않는다.

일예로, 상기 캐니스터는 외부 환경과 직접 접하는 외부 케이싱과 내부의 핵연료와 직접 접하는 내부 케이싱의 이중 구조를 갖되, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에 내부의 핵연료로부터 발생되는 중성자가 외부로 방출되는 것을 방지하는 중성자차폐제가 더 구비될 수 있다. 물론 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱은 내부에 핵연료를 수용하기 위해 개폐가 가능한 덮개가 구비되어야 하며, 또한 필요에 따라 상기 외부 케이싱 본체에 상기 캐니스터를 견인하여 운반될 수 있게 하는 걸개 등이 더 구비되어도 좋다.

본 발명에서 상기 샘플채취부(110)는 기체공급부를 통해 공급된 주입기체의 일부를 채취하고, 후술할 분광탐지부와 연결되어 채취된 주입기체 샘플을 분광탐지부에 전달하는 역할을 수행한다. 또한 상기 기체공급관(120)은 상기 기체공급부(400)와 연결되어 캐니스터 내부에 주입기체를 공급할 수 있다.

상기 샘플채취부는 사용후핵연료 다발의 형태에 따라 구비 위치, 개수가 달라질 수 있는데, 예를 들어 사용후핵연료 다발의 형태가 사각 기둥 형태인 경우, 길이방향으로 4개 이상의 샘플채취부를 두되, 사용후핵연료의 양 끝단과 중간 지점에 위치시켜 보다 효과적으로 캐니스터 내부의 불활성기체 샘플을 채취할 수 있다.

또한 상기 샘플채취부 및 기체공급관은 공급되는 주입기체의 종류, 특히 불활성기체의 종류에 따라 위치를 변경할 수도 있다. 캐니스터 내부, 주입기체 등의 온도에 따라 달라질 수 있으나, 불활성기체가 헬륨(He, 0.1786 g/L)이나 네온(Ne, 0.9002 g/L)을 사용하는 경우, 캐니스터 내부의 공기(1.29 g/L)보다 밀도가 낮으므로 샘플채취부와 기체공급관의 위치는 각각 독립적으로 캐니스터의 길이방향을 기준으로 상단과 하단에 위치시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 불활성기체는 당업계에서 반응실험 등에 통상적으로 사용하는 충전기체를 통칭하는 것으로, 헬륨, 네온, 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등을 포함하나, 헬륨을 사용하는 것이 활성도가 가장 낮아 바람직하다.

본 발명에서 상기 추적자는 결함으로 인해 누출된 핵물질, 특히 사용후핵연료의 핵분열생성물과 반응하여 빛을 발생시키는 일종의 형광체로 둘 이상의 금속원소를 포함하여 이루어지는 나노 크기의 금속화합물이다.

상기 추적자는 나노크리스탈이라 불리는 것으로, 일반적인 반도체 덩어리와는 달리 여기자 보어 반경(Bohr radius, 주어진 물질의 전자와 정공 사이의 평균 물리적 이격거리)보다 작은 크기를 가지는데 어떤 반도체의 크기가 여기자 보어 반경보다 작으면 에너지 레벨은 구분되며 그 반도체는 반도체의 성질을 드러내지 않게 된다.

이러한 성질 때문에 몇몇 원자가 추가되거나 빠져나갈 때 밴드갭 에너지가 바뀌게 되고 이 효과는 나노크리스탈의 빛 흡수력과 광냉광(photoluminescence, 빛에너지를 흡수하여 열을 내지 않고 발광하는 현상) 정도를 변화시킨다. 즉 흡수한 에너지에서 여기자의 결합에너지를 뺀 나머지를 방출한다. 따라서 사용물질의 재료와 크기에 따라 나노크리스탈로부터 나오는 파장을 정밀하게 예측할 수 있다.

또한 나노크리스탈은 폭넓게 여기되는 종단면과 좁게 대칭적으로 방출하는 광냉광의 최대치를 가지는데 이는 다양한 나노크리스탈을 함유한 어떤 신호 샘플로부터 다양한 방출 첨두치가 나오는 것을 가능하게 한다. 개별 나노크리스탈의 방출강도나 파장, 편광, 그리고 밴드폭 특성은 각각 또는 조합될 때 상당한 양의 정보를 부호화할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 나노크리스탈은 많은 곳에 활용될 수 있다.

유사한 나노크리스탈로 구성된 추적자는 좁은 밴드폭 안에서 빛을 방출할 수 있는데 약 100㎚, 75㎚, 50㎚, 40㎚ 또는 약 25㎚보다 작은 반최대 신호폭을 가지는 가우스 분포에서 스펙트럼 내에 많은 파장이 가능하게 하며, 이는 1㎚보다 작은 정확도를 가지고 개별 나노크리스탈의 중앙파장 또는 첨두파장을 구별한다. 따라서 25㎚의 밴드폭을 가지는 나노크리스탈 개체들은 적외선 가까이(700㎚에서 1300㎚)에서 약 600개 이상의 방출신호를 제공할 수 있다.

나노크리스탈 구성물에 대한 고유 방출 스페트럼의 수는 두 개 이상의 나노크리스탈 개체를 혼합시키는 방법에 의해 기하급수적으로 확장이 가능하다. 예를 들면, 두 개의 균일한 나노크리스탈 물질이 혼합되면 적외선 가까이의 좁은 밴드에서 각각 내보이는 방출파장은 179,700개 이상의 조합이 가능하고 3개의 나노크리스탈이 혼합되면 가능한 조합의 수는 35,820,200개 이상으로 증가한다.

본 발명에서 상기 금속원소는 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 및 IV 족에서 선택되는 둘 이상의 금속원소를 포함할 수 있다. 일예로 상기 금속원소는 금, 은 또는 구리(제 Ib 족), 티타늄(제 IVb 족), 테르븀(제 IIIb 족), 코발트, 플라티늄, 로듐, 루테늄(제 VIIIb족), 납(제 IV 족) 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다.

더욱 상세하게 상기 금속원소는 두 개의 금속원소가 결합된 화합물일 수 있다. 예를 들어 Zn, Cd, Hg, Mg, Mn, Ga, In, Al, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au 및 Au 등의 원소가 결합된 이원 나노크리스탈 합금일 수 있다. 본 발명에서 적합한 추적자의 구조는 하나의 금속원소와 이와 결합하는 다른 금속원소가 포함될 수 있다.

이러한 나노크리스탈 추적자의 예로는 II-VI 족 반도체 나노크리스탈(즉, II 족 또는 IIB 족 금속, 및 VI 족 원소를 포함하는 나노크리스탈)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 CdS, CdSe, CdTe, MgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, 또는 HgTe을 포함할 수 있다.

또한 상기 나노크리스탈 추적자는 코어/쉘의 구조를 가질 수도 있다. 이때 상기 코어 또는 쉘은 각각 둘 이상의 서로 다른 금속이 결합된 화합물 형태일 수 있으며, 예를 들어 상기 나노크리스탈 코어는 또한 III-V 족 반도체 나노크리스탈(즉, III 족 금속 및 V 족 원소를 포함하는 나노크리스탈)일 수 있다.

더욱 바람직하게 상기 코어 및/또는 쉘은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AIN, AIP, AIAs 또는 AISb을 포함할 수 있으며, 가장 바람직하게는 ZnS 쉘을 가지는 (CdSe)-나노크리스탈 뿐만아니라 ZnS 쉘을 가지는 (CdS)-나노크리스탈을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 주입기체는 핵연료에서 방출된 성분의 정확한 측정을 위한 것이므로, 원활한 측정이 가능한 범위 내에서 상기 불활성기체와 추적자의 혼합 비율을 한정하지 않는다.

본 발명에서 상기 분광탐지부(200)는 이송된 주입기체 샘플 내의 추적자를 분석하고, 분석 결과를 전기신호화 하여 제어부에 송부하는 곳으로, 상세하게는 채취된 샘플 내 추적자에서 발하는 빛을 탐지하는 계측센서; 및 상기 계측센서를 통해 수집된 빛의 방출강도, 파장크기, 편광 및 밴드 폭의 정보를 자료화하여 제어부에 송부하는 정보생성부;를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 계측센서는 이송된 주입기체를 직접 수용하는 곳으로, 수용되는 주입기체 샘플 내의 추적자 빛을 탐지 및 분석하여 정보를 산출할 수 있다.이때 상기 계측센서에서 수집하는 추적자의 빛 정보는 빛의 방출강도, 파장의 크기, 편광 여부, 밴드 폭 등이며, 이외에도 진동수, 에너지, 흡광도, 투과도 등의 정보를 수집할 수도 있다.

상기 정보생성부는 상기 계측센서와 전기적으로 연결되어 있으며, 계측센서에서 수비된 정보를 자료화하여 각각의 전기신호로 변환시킨 후, 변환된 전기신호를 제어부에 송부할 수 있다.

본 발명에서 상기 제어부(300)는 정보생성부로부터 전달받은 정보를 축적하고, 이전에 축적된 데이터와 전달받은 정보를 비교, 분석하여 핵연료봉에서 유출되는 방사성 물질을 분석하고, 결함 여부를 결정하는 역할을 수행하며, 더욱 상세하게는, 상기 정보생성부로부터 전달받은 빛의 정보를 저장된 축적데이터와 비교, 분석하여 핵연료봉에서 유출되는 방사성 물질의 검출량을 산출하고, 결함이 의심되는 핵연료봉을 결정하는 산출부; 및 상기 산출부에서 결정한 핵연료봉의 결함 유무를 확인하고, 결함이 발생한 핵연료봉을 교체하는 핵연료봉교체부;를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 산출부는 제어부로부터 전달받은 정보를 저장, 분석, 가공하여 결함이 의심되는 핵연료봉을 결정하는 것으로, 상세하게는, 상기 빛의 정보를 바탕으로 상기 핵연료봉이 형성되어 있는 위치에 따른 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제1산출부; 상기 캐니스터의 단면을 적어도 둘 이상의 가상 영역으로 나누고, 상기 가상 영역별로 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제2산출부; 및 상기 제1산출부 및 제2산출부를 통해 산출된 방사성 물질의 검출량을 검토하여 결함이 의심되는 핵연료봉을 확정하는 결함핵연료봉결정부;를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 제1산출부는 상기 핵연료봉이 형성되어 있는 위치에 따른 방사선 물질의 검출량을 산출하기 위한 것으로, 복수의 샘플채취부에서 채집된 정보와, 각 샘플채취부에서 분석한 빛의 여러 정보를 비교, 대조하여 누출이 발생한 핵연료봉의 정확한 위치를 확인하기 위함이다.

상기 핵연료봉은 상기 캐니스터에 하나 이상 수용될 수 있으나, 대부분 복수의 핵연료봉이 캐니스터에 수용되며, 각각의 핵연료봉은 서로 다른 량의 감마선 등을 발하므로, 누출이 발생한 핵연료봉을 정확히 파악하기 어려운 경우가 많다. 따라서 각 샘플채취부 별로 핵연료봉을 할당하고, 샘플채취부에서 수집한 빛의 여러 정보를 다른 샘플채취부 또는 기존의 데이터와 비교, 대조함으로써 이상이 있는 핵연료봉이 속한 샘플채취부를 쉽게 확인할 수 있다.

또한 상기 제2산출부는 캐니스터의 단면을 적어도 둘 이상의 가상영역으로 나누고, 가상 영역별로 방사선 물질의 검출량을 산출하기 위한 것으로, 누출이 발생한 핵연료봉의 정확한 누출위치를 확인하기 위함이다.

상기 제2산출부는 캐니스터의 단면을 핵연료봉의 길이방향 및 단면의 직경방향으로 절단할 때 생성되는 임의의 면을 둘 이상의 영역으로 나누었을 때, 하나의 영역이 나머지 영역과 비교해서 빛의 방출강도, 파장크기, 편광, 밴드 폭 등의 광정보가 얼마나 다른지 확인할 수 있다.

상기 제2산출부는 핵연료봉의 누출 위치를 더욱 상세히 확인하기 위해 캐니스터를 길이방향 또는 폭방향으로 절단한 다수의 가상영역을 생성하는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 캐니스터의 폭방향으로 절단한 다수의 가상영역을 형성할 경우, 각 영역들 중에서 광정보가 다른 영역을 확인할 수 있다. 그리고 여기에 길이방향으로 절단한 다수의 가상영역과, 해당 가상영역들 중에 광정보가 다른 영역을 확인하고, 이들 정보를 조합할 경우, 수용되어 있는 여러 핵연료봉들 중에 어떤 핵연료봉의 어느 부분에 손상이 발생했는지 쉽게 파악할 수 있다.

상기 결함핵연료봉결정부는 기존의 누적데이터를 저장하고 있으며, 제1, 2산출부로부터 전달받은 방사성 물질의 검출량을 누적데이터와 비교하여 결함 여부를 최종 확정할 수 있다.

또한 상기 제어부는 결함핵연료봉결정부에서 확정된 결함핵연료봉을 교체, 인출하는 핵연료봉교체부(미도시)를 더 구비할 수도 있다.

상기 핵연료봉교체부는 상기와 같은 목적을 달성할 수 있다면 형태 및 종류를 한정하지 않으며, 일예로 집합체 취급공구를 이용하여 캐니스터에 수용된 여러 사용후핵연료 중 손상이 존재하는 하나의 사용후핵연료 집합체를 잡고 들어올린 후, 상기 사용후핵연료 집합체를 다른 핵연료 저장용기의 결함탐지 시스템에 수용하고 손상된 핵연료봉을 탐지하는 방식으로 운용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에 따른 제어부는 산출부를 통해 결함이 의심되는 핵연료봉을 확인, 결정하고, 이를 교체함으로써 핵연료봉, 특히 사용후핵연료의 보다 안전한 보관 및 관리가 가능하다. 또한 분광탐지부에서 수집한 여러 정보를 저장하고, 다른 핵연료봉의 결함을 탐지할 때 이를 활용함으로써 핵연료봉의 결함 정도와 이에 대한 대응 방안 등을 쉽게 확립하는 장점을 가진다.

또한 도 3과 같이 다수의 사용후핵연료를 수용하는 캐니스터(100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f)를 다수 개 운용하는 캐니스터저장소(500)를 구비하고, 여기에 공급되는 주입기체를 하나의 기체공급부에서 운용하며, 각 캐니스터에서 채취된 샘플을 하나의 분광탐지부에서 확인, 검사하여 다량의 사용후핵연료를 손쉽게 관리할 수 있다.

여기에 제어부를 통해 수집된 다량의 정보를 바탕으로 결정된 다수의 사용후핵연료의 관리 이력을 저장하고, 저장된 관리 이력과 이와 연계된 핵연료봉의 정보를 출력하는 처리수단을 포함하는 이력관리 시스템을 더 구비할 수 있다.

상기 이력관리 시스템은 상기와 같은 관리 이력과 정보들을 사용자가 쉽게 인식하고 판단할 수 있도록 GUI(graphic user interface)를 통해 실제처럼 시각적으로 표시할 수 있으며, 상기 분광탐지부와 연결되어 보관되어 있는 핵연료봉의 현재 상태 및 손상 여부를 표시할 수 있다.

여기에 분광탐지부의 계측센서나 산출부 등과 연결되어 각 부품의 이력을 관리함으로써 주요 부품의 수명을 판정하게 하고, 사용자가 사고 발생 시에 경보출력 및 고장부위의 예상을 판단할 수 있도록 표시할 수 있다. 특히 계측센서의 경우 추적자에서 발산되는 빛을 감지하는 광센서 이외에도 주입기체 샘플의 온도, 압력 등을 측정하는 압력센서, 온도센서와, 주입기체의 주입 및 채취량을 조절할 수 있는 안전밸브 등을 구비할 수 있으므로, 이들과 모두 연결되어 각 부품의 현재 상태, 교체 시기 등을 표시하고, 이들을 저장하여 데이터화할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 핵연료다발
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f : 캐니스터
110 : 샘플채취부
200 : 분광탐지부
300 : 제어부
400 : 기체공급부
500 : 캐니스터저장소

Claims (6)

1. 추적자 및 불활성기체를 포함하는 주입기체가 충전되며, 핵연료봉을 수용하는 캐니스터;
   상기 캐니스터 내의 불활성기체 중 일부를 채취하는 샘플채취부;
   채취된 샘플 내 추적자에서 발하는 빛을 탐지하는 계측센서 및 상기 계측센서를 통해 수집된 빛의 방출강도, 파장크기, 편광 및 밴드 폭의 정보를 자료화하여 제어부에 송부하는 정보생성부를 포함하여 상기 샘플채취부로부터 채취된 샘플 내 추적자를 탐지하는 분광탐지부; 및
   상기 정보생성부로부터 전달받은 빛의 정보를 저장된 축적데이터와 비교, 분석하여 핵연료봉에서 유출되는 방사성 물질의 검출량을 산출하고, 결함이 의심되는 핵연료봉을 결정하는 산출부 및 상기 산출부에서 결정한 핵연료봉의 결함 유무를 확인하고, 결함이 발생한 핵연료봉을 교체하는 핵연료봉교체부를 포함하여 상기 분광탐지부로로부터 받은 정보를 바탕으로 핵연료의 결함 여부를 판단하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 산출부는,
   상기 빛의 정보를 바탕으로 상기 핵연료봉이 형성되어 있는 위치에 따른 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제1산출부;
   상기 캐니스터의 단면을 적어도 둘 이상의 가상 영역으로 나누고, 상기 가상 영역별로 방사성 물질의 검출량을 산출하는 제2산출부; 및
   상기 제1산출부 및 제2산출부를 통해 산출된 방사성 물질의 검출량을 검토하여 결함이 의심되는 핵연료봉을 확정하는 결함핵연료봉결정부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 추적자는 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 및 IV 족에서 선택되는 둘 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 추적자는 CdS, CdSe, CdTe, MgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 저장용기의 결함탐지 및 이력관리 시스템.

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