KR102115382B1 - 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법 - Google Patents

콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염 및 방사화된 대상물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방사선 계측기를 이용하여 측정하고자 하는 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼을 측정하는 단계; 측정된 스펙트럼 데이터를 통해 상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 단계; 기 산출된 기여효율 데이터를 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 산출하는 단계; 및 상기 표면 방사능 값과 상기 깊이에 따른 방사능 비율을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 실제 깊이별 방사능 값을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물로부터 방출되는 감마선의 발생 위치에 따라 상기 스펙트럼 데이터의 피크 영역에 기여하는 효율로서 정의되는, 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 깊이 분포 도출 방법이 제공될 수 있다.

Description

콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DERIVATION OF RADIOACTIVITY DISTRIBUTION ACCORDING TO DEPTH OF A CONCRETE STRUCTURE}
본 발명은 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법에 대한 발명이다.
수명을 다한 원자력 시설의 해체를 위해서는 시설 내부 구조물 및 외부 부지의 방사선학적 특성 평가가 필요하다. 이러한 특성 평가를 통해 원자력 시설의 해체 계획 수립 및 해체 방법의 결정, 해체 작업 종사자의 피폭선량 평가, 제염기술 선정, 방사성 폐기물의 관리 등이 이루어질 수 있다. 따라서 노후화된 원자력 시설의 해체 시 해당 시설에 대한 정확한 특성 평가는 반드시 필요하다.
방사선학적 특성 평가의 대상은 크게 시설 내에 존재하였던 구조물과 주변 부지로 구분된다. 원자력 시설의 해체 과정에서 발생되는 폐기물 중 대부분이 콘크리트에 해당되며, 이러한 콘크리트 구조물이 방사성물질로 오염되거나 중성자와 상호작용을 통해 방사화되어 방사성 폐기물로 분류된다. 이렇게 방사화된 콘크리트의 단위 부피 및 질량 당 방사능을 의미하는 비방사능은 원자로심(reactor core) 등의 방사선원으로부터의 거리에 따라 다양하게 분포하며, 콘크리트의 표면으로부터의 깊이가 깊어질수록 방사능 분포가 지수적으로 감소하는 형태를 보인다.
종래의 콘크리트 구조물의 표면으로부터의 깊이에 따른 방사능의 분포 평가 방법은 해당 시설의 일부를 코어 시추한 후, 단위 길이로 세절하여 시편화한 다음 이를 실험실에서 계측 장비를 이용해 측정한다. 이를 통해 시편의 층별 방사능을 측정한다.
그런데, 이러한 종래의 측정 방법은, 콘크리트 구조물의 코어 시추를 하는 것은 별도 장비를 설치할 필요가 있어서 번거롭고, 시편의 전처리 및 측정 단계를 거쳐야 하기 때문에 분석에 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제가 있다.
또한, 정확한 측정을 위해 많은 수의 계측 장비를 운용해야 하기 때문에 장비 구입 비용이 높고, 장비의 유지 관리가 용이하지 않다는 문제가 있다.
또한, 코어 시추 및 전처리 과정에서 시료들간에 상호 오염(cross contamination)이 발생될 수 있는데, 이는 방사능 평가에 큰 오차를 발생시킬 수 있다는 문제가 있다.
한국 등록특허 제10-1786949호 공보 (공고일: 2017.11.15)
본 발명의 실시 예들은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 콘크리트 구조물의 현장 측정을 통해 방사능 깊이 분포 평가를 수행함으로써 코어 시추, 전처리 등의 단계가 필요 없어서 시료들간 상호 오염 문제를 방지할 수 있으며, 종래에 비하여 분석 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 측정에 필요한 장비를 간소화시킬 수 있는 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 방사선 계측기를 이용하여 측정하고자 하는 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼을 측정하는 단계; 측정된 스펙트럼 데이터를 통해 상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 단계; 기 산출된 기여효율 데이터를 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 산출하는 단계; 및 상기 표면 방사능 값과 상기 깊이에 따른 방사능 비율을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 실제 깊이별 방사능 값을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물로부터 방출되는 감마선의 발생 위치에 따라 상기 스펙트럼 데이터의 피크 영역에 기여하는 효율로서 정의되는, 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 깊이 분포 도출 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 방사선 계측기를 통해 계측된 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼 데이터를 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 상기 스펙트럼 데이터를 전달받아서 분석하여 상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 스펙트럼 분석부; 기 산출되어 상기 저장부에 저장된 기여효율 데이터를 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 산출하는 표면 방사능 산출부; 및 상기 표면 방사능 값과 상기 깊이에 따른 방사능 비율을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 실제 깊이별 방사능 값을 도출하는 깊이별 방사능 분포 산출부를 포함하고, 상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물로부터 방출되는 감마선이 상기 스펙트럼 데이터의 피크 영역에 기여하는 효율로서 정의되며, 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 코어 시추, 전처리 등의 단계가 필요 없어서 시료들간 상호 오염 문제를 방지할 수 있으며, 종래에 비하여 분석 시간과 비용을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 측정에 필요한 장비를 간소화시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사능 분포 도출 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 방사선 계측기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1의 방사능 분포 도출 시스템을 이용하여 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포를 도출하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 1의 방사선 계측기에 의해 측정되어 방사능 분포 도출 시스템에 의해 분석되는 방사선 스펙트럼 데이터의 일 예를 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 방사능 분포 도출 시스템(100)에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 방사능 분포 도출 시스템(100)은 저장부(110), 스펙트럼 분석부(120), 표면 방사능 산출부(140) 및 깊이별 방사능 분포 산출부(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 방사능 분포 도출 시스템(100)을 구성하는 각 부는 각각이 독립적인 프로세서를 갖는 모듈로 구현될 수도 있고, 하나의 프로세서에 의해 수행되는 복수의 알고리즘에 의해 구현될 수도 있음을 밝혀둔다.
방사능 분포 도출 시스템(100)은 특성 평가가 요구되는 콘크리트 구조물의 방사선 스펙트럼을 통해 방사능 깊이 분포를 평가한다. 이때, 후술할 방사선 계측기(200)를 이용하여 현장에서 콘크리트 구조물의 방사선 스펙트럼이 측정되고, 측정된 스펙트럼 데이터는 방사능 분포 도출 시스템(100)으로 전달되어 방사능 깊이 분포의 분석에 이용된다.
콘크리트 내에는 다양한 불순물이 포함되어 있으며, 이 중 Co 및 Eu 등은 콘크리트 내에 극미량 존재하는데, 이렇게 콘크리트 구조물 내에 존재하는 Co 및 Eu는 원자로 및 가속기에서 방출되는 중성자와 상호작용을 함으로써 감마선을 방출하는 방사성 핵종인 60Co 및 152Eu 으로 변화하게 된다. 방사능 분포 도출 시스템(100)은 콘크리트 구조물의 측정하고자 하는 핵종별 에너지와 그 에너지 영역을 설정하여 스펙트럼을 분석하게 되는데, 이때 방사화된 콘크리트 구조물에 포함된 60Co 및 152Eu가 주요 핵종으로 검출되며, 이러한 핵종의 방사능 깊이 분포는 표면으로부터의 깊이가 깊어질수록 지수적으로 감소한다.
저장부(110)는 방사선 계측기(200)로부터 데이터를 전달받아서 저장하고, 기 저장된 데이터를 방사능 분포 도출 시스템(100)의 각 부로 전달하여 소정의 알고리즘을 통해 데이터 분석 및 평가가 이루어질 수 있도록 구비될 수 있다. 이를 위해, 저장부(110)는 컴퓨터 기억 매체 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 메모리를 포함할 수 있으며, 그 밖에도 데이터를 소정의 형태로 저장할 수 있는 구성이면 어느 것이든 적용 가능하다.
스펙트럼 분석부(120)는 방사선 계측기(200)를 통해 계측된 방사선 스펙트럼 데이터를 저장부(110)로부터 전달받아서 이를 소정의 알고리즘을 이용하여 분석하고, 분석 결과로서 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 도출할 수 있다.
표면 방사능 산출부(140)는 저장부(110)에 기 저장된 기여효율 데이터를 이용하여 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값(A(0))을 산출할 수 있다. 이때, 기여효율은 실험실 내에서 측정 매질 두께와 측정 매질 표면으로부터 계측기 사이의 거리를 변화시켜 가면서 계측될 수 있으며, 계측된 데이터가 저장부(110)에 저장될 수 있다. 또한, 계측기까지 도달한 감마선은 측정 매질 두께 및 공기층 두께에 따라 투과한 정도를 정량적으로 고려하여 보정된 기여효율을 도출할 수 있다. 또한, 실제 콘크리트 구조물의 기하학적 구조에 따라 기여효율이 추가로 보정되어 도출될 수 있다. 기여효율의 상세한 도출 과정은 후술한다.
깊이별 방사능 분포 산출부(150)는 상술한 과정을 통해 도출된 표면 방사능 값(A(0))과 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 통해 구한 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 이용해 실제 깊이별 방사능 값(A(z))을 도출할 수 있다. 또한, 도출된 결과를 바탕으로 단위 깊이에 해당되는 콘크리트 무게와 표면 방사능 값(A(0))을 이용하여 표면으로부터 단위 깊이에 해당되는 비방사능 값을 계산하여 도출할 수 있으며, 이렇게 도출된 값을 통해 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 폐기물 준위가 평가될 수 있다.
상술한 방사능 분포 도출 시스템(100)을 구성하는 각 부의 구체적인 작용 및 효과에 대하여는 후술하도록 한다.
한편, 도 2를 참조하면, 방사선 계측기(200)는 방사화된 콘크리트 구조물에 대하여 핵종에 따른 스펙트럼 분석을 위한 현장 측정에 이용될 수 있다. 이를 위해, 방사선 계측기(200)는 검출부(210), 방사선 수신부(220), 신호 분석부(230) 및 데이터 처리부(240)를 포함할 수 있다.
검출부(210)는 핵종 분석 시 에너지 분해능이 좋은 HPGe (high Purity Germanium) 검출기가 사용될 수 있으며, 일 예로 현장측정용 HPGe 검출기에 해당되는 ISOCS(In-Situ Object Counting System)가 이용될 수 있다. 다만, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 검출부(210)로서 NaI(Tl), CsI(Tl), CdTe, CZT　등이 감마선 분광 분석 시스템으로서 사용될 수도 있다. 또한, 검출부(210)의 단부에는 방사선 수신부(220)가 제공될 수 있으며, 방사선 수신부(220)는 측정을 하고자 하는 콘크리트 구조물을 향하여 배치되어, 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선을 수신하도록 제공될 수 있다.
신호 분석부(230)는 검출부(210)와 연결되고, 검출부(210)에서 검출한 방사선 신호를 처리하기 위해 제공되며, 일 예로 MCA(Multi-channel Analyzer)가 적용될 수 있다. 신호 분석부(230)에는 데이터 처리부(240)가 연결되며, 신호 분석부(230)에서 처리된 신호는 데이터 처리부(240)로 전달되어 스펙트럼 형태로 출력된다. 이러한 데이터 처리부(240)는 예컨대 소형 내장형 컴퓨터로 이루어질 수 있고, 프로그램, 메모리, CPU로 이루어지는 데이터 처리부 등을 구비할 수 있으며, 신호 처리를 위한 소정의 알고리즘을 포함할 수 있다. 데이터 처리부(240)에서 출력된 스펙트럼 데이터는 방사능 분포 도출 시스템(100)으로 전달되어 콘크리트 구조물의 두께 방향 깊이에 따른 방사능 분포를 도출하는데 이용될 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 방사능 분포 도출 시스템(100)을 이용하여 방사능 분포를 도출하는 방법에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법은 방사선 계측기(200)를 이용하여　콘크리트 구조물의 방출 스펙트럼을 측정하는 단계(S10), 측정된 핵종별 스펙트럼 데이터를 이용하여 콘크리트 구조물 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 도출하는 단계(S20), 기 저장된　기여효율 데이터를 이용하여 표면 방사능 값(A(0))을 도출하는 단계(S30) 및 표면 방사능 값(A(0)) 및 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 이용하여 깊이에 따른 방사능 값(A(z))을 도출하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
먼저, 방사선 계측기(200)를 이용하여 측정하고자 하는 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼을 측정하는 단계가 수행될 수 있다(S10). 이렇게 측정된 방사선 스펙트럼 데이터는 방사능 분포 도출 시스템(100)으로 전달되어 저장부(110)에 저장될 수 있으며, 스펙트럼 분석부(120)는 저장된 스펙트럼 데이터를 저장부(110)로부터 전달받아서 소정의 알고리즘을 이용하여 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 도출하는 단계가 수행될 수 있다(S20).
구체적으로 설명하면, 콘크리트 구조물에 포함된 60Co 및 152Eu에서는 다양한 에너지의 감마선을 방출하며, 스펙트럼 분석부(120)는 60Co 및 152Eu에서 방출하는 감마선 중 다른 핵종의 감마선 피크영역과 중첩되지 않고 분석에 적합한 에너지, 총 에너지 피크 영역, 컴프턴(Compton) 연속 영역의 일정 에너지 구간을 선정하도록 구성될 수 있다. 아래 [표 1] 과 같이, 감마선 스펙트럼은 피크 영역과 컴프턴 영역으로 분류되며, 컴프턴 영역의 경우 다른 핵종의 피크 영역을 포함하지 않고 평탄한 부분으로 설정될 수 있다.
Radionuclide Full Energy peak
(keV)		 Full energy region
(keV)		 Compton energy region
(keV)
60Co 1332.50 1327.96 ~ 1336.75 809.96 ~ 838.90
152Eu 778.89 774.43 ~ 783.22 487.59 ~ 516.53
이와 같이 스펙트럼 분석부(120)에서 분석되는 스펙트럼 데이터의 일 예가 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 데이터는 주요 핵종별 피크 영역과 컴프턴 영역을 포함한다. 스펙트럼 분석부(120)는 방사선 계측기(200)를 통해 계측된 스펙트럼 데이터로부터 각 핵종별 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율을 계산하여 방사능이 감소하는 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 도출할 수 있다. 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 구하는 과정에 대해 보다 상세히 설명하면, 콘크리트 구조물의 방사능 현장 측정 시 선원에서 방출된 감마선은 콘크리트 구조물을 통과하면서 특정 확률로 컴프턴 산란(Compton scattering)을 일으킨다. 감마선이 산란할 확률은 구조물의 두께가 증가할수록 커지고, 이때 산란된 감마선은 에너지를 잃고 스펙트럼 상에서 컴프턴 연속부에 해당하는 에너지가 된다. 이에 따라, 동일한 방사능의 선원이 표면으로부터 깊이 존재하면 컴프턴 산란에 의해 컴프턴 영역의 계수값은 증가하고 피크 영역의 계수값은 감소한다. 이와 같은 경향을 이용해 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율을 계산함으로써 선원의 깊이를 평가할 수 있다. 이와 같은 원리로 연속 깊이 분포 또한 깊이별 방사능량에 따라 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율이 달라진다. 이때 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율(Q)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
[관계식 1]
Q = Total net peak count / Total net Compton count
위의 [관계식 1]과 같이 스펙트럼에서 구한 Q값은 방사능의 깊이 분포가 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다. 이때, 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)에 따른 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율(Q)의 경향성은 측정 대상의 밀도, 감마선 에너지, 측정거리에 따라 달라질 수 있으며, 실험실 내에서 일정한 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 가지는 실험체를 구현하고, 이를 이용한 실험을 통해 계산될 수 있다. 이렇게 계산된 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)에 따른 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율(Q)의 데이터는 저장부(110)에 기 저장되어 있을 수 있다. 이렇게 저장된 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)과 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율(Q)의 상관식은 일 예로 아래 [관계식 2]로서 도출될 수 있다.
[관계식 2]
Figure 112018111629687-pat00001
위의 [관계식 2]에서, Q0는 표면에서의 Q값, μ는 Q-β 상관관계 기울기 상수를 나타낸다. 실제 측정을 통해 구한 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율(Q)값과 위의 [관계식 2]를 이용하여 콘크리트 구조물의 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 도출하게 된다.
이렇게 도출된 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)은 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 결정하는데 이용될 수 있다. 이때, 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))은 아래 [관계식 3]에 따라 도출될 수 있으며, 이러한 관계식은 저장부(110)에 기 저장되어 있을 수 있다.
[관계식 3]
Figure 112018111629687-pat00002
위의 [관계식 3]에서 σ는 콘크리트 구조물의 밀도, z는 콘크리트 구조물의 두께 방향 깊이, A(0)는 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 나타낸다.
다음으로, 표면 방사능 산출부(140)에서 저장부(110)에 기 저장된 기여효율 데이터를 이용하여 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값(A(0))을 산출하는 단계가 수행될 수 있다(S30). 먼저, 기여효율에 대해 설명하면, 대면적으로 분포한 방사능을 측정할 때 감마선이 방출되는 지점에 따라 투과하는 공기층과 측정 매질(콘크리트 구조물에 해당)의 감마선 투과거리가 달라진다. 이때 감마선이 측정 매질 및 공기층을 투과하면서 산란되지 않고 계측기에 입사하여 광전효과를 일으킬 경우 피크 영역에 기여하게 된다. 즉, 감마선이 피크 영역으로 기여하는 일정한 효율이 존재하는데 그 효율을 기여효율이라고 정의할 수 있다.
연속분포로 위치하는 선원을 점 선원으로 가정하면, 각 선원 마다 측정거리 및 측정 매질 두께가 결정된다. 따라서 각 지점별 선원에서 방출한 감마선마다 고유의 기여효율 값을 가지게 된다. 이때, 측정 매질의 깊이 별로 동일한 방사능 비율을 가지고 있다고 가정하면, 동일한 깊이에서 반경방향으로 분포하는 방사선은 동일한 값을 가지게 된다. 이에 따라 특정 깊이에서 감마선이 투과하는 측정 매질의 두께와 공기층의 거리의 평균값을 각각 구하고, 두께 방향 깊이별 평균 투과거리를 이용하여 기여효율을 구할 수 있다. 이때, 기여효율은 계측기로부터 측정 매질 사이의 공기층의 거리 및 선원까지 도달하기 위한 측정 매질의 두께 방향 깊이에 따라 보정되어 도출될 수 있다.
구체적으로, 실제 계측을 통해 스펙트럼을 생성할 경우 측정 매질과 선원의 기하학적 구조, 검출기의 효율, 검출기의 형상, MCA의 성능과 특성 등 다양한 인자가 영향을 미치게 되므로, 실제 점 선원을 이용한 실험을 통해 기여효율이 도출될 수 있으며, 미리 도출된 기여효율이 저장부(110)에 데이터로서 저장될 수 있다. 이렇게 산출되는 기여효율은 아래 [관계식 4]를 통해 계산될 수 있다.
[관계식 4]
Figure 112018111629687-pat00003
[관계식 4]에서 "peak count"는 스펙트럼 데이터에서 피크 영역에 해당되는 계수값을 의미한다. 이러한 [관계식 4]를 통해 단일의 감마선이 점 선원에서 방출됐을 때 일정 두께의 측정 매질과 공기층을 투과하여 총 에너지 피크 영역의 계수값으로 기여하는 효율인 기여효율을 구하게 된다. 이와 같은 방법으로 실험실 내에서 측정 매질 두께와 측정 매질 표면으로부터 계측기 사이의 거리를 변화시켜 기여 효율이 계산될 수 있으며, 측정 매질에 의한 기여효율과 공기층에 의한 기여효율로 나누어 계산될 수 있다.
먼저, 일정한 측정거리에서 측정 매질의 두께 변화를 통해 구한 기여효율 근사식은 [관계식 5]과 같이 지수함수 형태로 나타난다.
[관계식 5]
Figure 112018111629687-pat00004
[관계식 5]에서, εz(z)는 깊이에 따른 측정 매질에 의한 기여효율, z는 측정 매질의 표면으로부터 선원까지의 두께 방향 깊이, b는 측정 매질의 종류에 따라 결정되는 기울기, a는 측정거리에 따라 달라지는 초기값을 의미한다. 초기값이란, 감마선이 측정 매질 없이(즉, z=0) 공기층만을 투과했을 때의 기여효율을 의미한다. 이때, a는 공기층 두께에 따른 기여효율 근사식을 이용하여 보정하게 되며, 아래의 [관계식 6]에 의해 보정이 이루어질 수 있다. [관계식 6]에서는, [관계식 5]에서 측정 매질 표면에서의 기여효율, 즉 εz(0) 값과 특정 측정거리 d에 따라 달라지는 공기층 기여효율의 비율과 εz(z) 값에 의해서 계산될 수 있다.
[관계식 6]
Figure 112018111629687-pat00005
[관계식 6]에서, εd(d)는 측정 매질로부터의 측정거리에 따른 기여효율 값, d는 측정 매질로부터 계측기까지의 거리, εd(0)는 측정 매질 표면에서의 기여효율을 의미한다.
한편, 선원과 계측기의 상대적인 위치에 따라 공기층 및 측정 매질 투과 거리가 결정될 수 있으며, 이러한 투과 거리는 아래의 [관계식 7]과 같이 정의된다.
[관계식 7]
Figure 112018111629687-pat00006
[관계식 7]을 통해 특정 위치의 선원에서 방출된 감마선이 투과하는 측정 매질 및 공기층의 두께가 계산될 수 있고, 실제로 측정되는 콘크리트 구조물의 경우 반경 방향과 깊이 방향으로 오염이 연속분포를 이루기 때문에 MCNP(Monte Carlo N-Particle) 전산모사를 통해 측정 거리에 따른 측정 유효반경과 측정 유효깊이가 산정될 수 있다. 측정 유효반경과 측정 유효깊이를 고려하여 감마선이 방출되는 콘크리트 구조물의 두께 방향 깊이에 따라 투과하는 평균 감마선 투과거리가 계산될 수 있다. 이렇게 계산된 평균 감마선 투과거리는 [관계식 5] 및 [관계식 6]에 대입될 수 있으며, 이로써 공기층 투과거리 및 측정 매질 투과거리에 따른 기여 효율이 도출될 수 있다.
또한, 실제 콘크리트 구조물의 기하학적 구조에 따라 기여효율이 보정되어야 하는데, 이러한 보정은 감마선의 평균 공기층 및 측정 매질 투과거리를 통해 아래의 [관계식 8]에 의해 수행될 수 있다.
[관계식 8]
Figure 112018111629687-pat00007
[관계식 8]에서 z_average와 d_average는 각각 평균 측정 매질 투과거리와 평균 공기층 투과거리를 의미한다.
[관계식 8]을 이용하여 도출되는 보정된 기여효율(εadj(d,z))을 아래 [관계식 9]에 대입하여 핵종의 깊이별 방사능 분포(A(z))가 도출될 수 있다.
[관계식 9]
Figure 112018111629687-pat00008
[관계식 9]에서 n은 유효 계측 깊이 값으로 고려할 깊이를 의미한다. [관계식 9]에 상술한 [관계식 3]을 대입함으로써 아래와 같이 [관계식 10] 내지 [관계식 12]가 도출될 수 있다.
[관계식 10]
Figure 112018111629687-pat00009
[관계식 11]
Figure 112018111629687-pat00010
[관계식 12]
Figure 112018111629687-pat00011
이러한 과정을 거쳐서 표면 방사능 값(A(0))이 얻어질 수 있다.
마지막으로, 상술한 과정을 통해 도출된 표면 방사능 값(A(0))과 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값(β)을 통해 구한 깊이에 따른 방사능 비율(D(z))을 이용하여, 깊이별 방사능 분포 산출부(150)에서 실제 깊이별 방사능 값(A(z))을 도출하는 단계가 수행될 수 있다(S40). 이때, 아래의 [관계식 13]이 이용될 수 있다.
[관계식 13]
Figure 112018111629687-pat00012
또한, 콘크리트 구조물의 측정 유효반경을 전산모사를 통해 평가하였기 때문에 방사선 계측기(200)에 의해 계측될 수 있는 핵종이 존재하는 콘크리트 구조물의 부피를 계산할 수 있다. 다시 말해서, 측정 유효반경을 바탕으로 단위 깊이(1cm)에 해당하는 콘크리트 구조물의 부피를 계산하고 콘크리트의 밀도를 곱하여 콘크리트 구조물의 전체 무게가 계산될 수 있다. 이렇게 계산된 단위 깊이에 해당되는 콘크리트 무게와 표면 방사능 값(A(0))을 이용하여 표면으로부터 단위 깊이에 해당되는 비방사능 값이 아래 [관계식 14]를 통해 계산될 수 있다.
[관계식 14]
Figure 112018111629687-pat00013
[관계식 14]에서, A(0)는 표면 방사능 값, ρ는 콘크리트 밀도를 의미한다. 이렇게 표면의 비방사능 값을 도출하여 전체 두께 방향 깊이에 대한 비방사능 값을 도출할 수 있고, 이를 통해 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 폐기물 준위를 평가할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템 및 방법에 따르면, 코어 시추, 전처리 등의 단계가 필요 없어서 시료들간 상호 오염 문제를 방지할 수 있으며, 종래에 비하여 분석 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 측정에 필요한 장비를 간소화시킬 수 있다는 효과가 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
100: 방사능 분포 도출 시스템
110: 저장부 120: 스펙트럼 분석부
140: 표면 방사능 산출부 150: 깊이별 방사능 분포 산출부
200: 방사선 계측기 210: 검출부
220: 방사선 수신부 230: 신호 분석부
240: 데이터 처리부

Claims (8)

  1. 방사선 계측기를 이용하여 측정하고자 하는 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼을 측정하는 단계;
    측정된 스펙트럼 데이터를 통해 상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 단계;
    기 산출된 기여효율 데이터를 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 산출하는 단계; 및
    상기 표면 방사능 값과 상기 깊이에 따른 방사능 비율을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 실제 깊이별 방사능 값을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물로부터 방출되는 감마선의 발생 위치에 따라 상기 스펙트럼 데이터의 피크 영역에 기여하는 효율로서 정의되고,
    상기 기여효율은 하기의 [식 3]을 통해 산출되는,
    [식 3]
    Figure 112020032310083-pat00024

    (peak count: 스펙트럼 데이터에서 피크 영역에 해당되는 계수값)
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 단계는,
    상기 스펙트럼 데이터로부터 핵종별 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율을 계산하여 방사능 깊이 분포 기울기의 대표값을 도출하는 단계를 포함하는,
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율과 상기 기울기의 대표값은 하기 [식 1]을 만족하는,
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
    [식 1]
    Figure 112018111629687-pat00014

    (Q: 실제 측정을 통해 구한 피크 영역과 컴프턴 영역의 비율, β: 콘크리트 구조물의 기울기의 대표값, Q0: 콘크리트 구조물의 표면에서의 Q값, μ: Q-β 상관관계 기울기 상수)
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율은 하기 [식 2]를 통해 산출되는,
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
    [식 2]
    Figure 112018111629687-pat00015

    (D(z): 깊이에 따른 방사능 비율, σ: 콘크리트 구조물의 밀도, z: 콘크리트 구조물의 두께 방향 깊이, β: 콘크리트 구조물의 기울기의 대표값)
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물의 기하학적 구조에 따라 하기의 [식 4]를 통해 보정되고,
    상기 표면 방사능 값은 하기의 [식 5]를 통해 산출되는,
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
    [식 4]
    Figure 112018111629687-pat00017

    (εd(d_average): 평균 공기층 투과거리에 따른 공기층에 의한 기여효율, εz(0): 측정 매질 표면에서의 측정 매질에 의한 기여효율, εz(z_average): 평균 측정 매질 투과거리에 따른 측정 매질에 의한 기여효율)
    [식 5]
    Figure 112018111629687-pat00018

    (A(0): 표면 방사능 값, peak count: 스펙트럼 데이터에서 피크 영역에 해당되는 계수값, n: 유효 계측 깊이 값으로 고려할 깊이, z: 콘크리트 구조물의 두께 방향 깊이, D(z): 깊이에 따른 방사능 비율, εadj(d, z): [식 4]에 의해 보정된 기여효율)
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 구조체의 표면의 비방사능 값을 하기의 [식 6]에 따라 산출하고, 산출된 상기 표면의 비방사능 값을 이용하여 상기 콘크리트 구조물 전체의 두께 방향 깊이에 대한 비방사능 값을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 전체의 두께 방향 깊이에 대한 비방사능 값을 이용하여 폐기물 준위를 평가하는 단계를 더 포함하는,
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 방법.
    [식 6]
    Figure 112020032310083-pat00019

    (A(0): 표면 방사능 값, ρ: 콘크리트 밀도)
  8. 방사선 계측기를 통해 계측된 콘크리트 구조물로부터 방출되는 방사선의 스펙트럼 데이터를 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 저장된 상기 스펙트럼 데이터를 전달받아서 분석하여 상기 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 비율을 도출하는 스펙트럼 분석부;
    기 산출되어 상기 저장부에 저장된 기여효율 데이터를 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 표면 방사능 값을 산출하는 표면 방사능 산출부; 및
    상기 표면 방사능 값과 상기 깊이에 따른 방사능 비율을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 실제 깊이별 방사능 값을 도출하는 깊이별 방사능 분포 산출부를 포함하고,
    상기 기여효율은 상기 콘크리트 구조물로부터 방출되는 감마선이 상기 스펙트럼 데이터의 피크 영역에 기여하는 효율로서 정의되고,
    상기 기여효율은 하기의 [식 3]을 통해 산출되는,
    [식 3]
    Figure 112020032310083-pat00025

    (peak count: 스펙트럼 데이터에서 피크 영역에 해당되는 계수값)
    콘크리트 구조물의 깊이에 따른 방사능 분포 도출 시스템.
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