KR102250686B1 - 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법 - Google Patents
원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 산란부 검출기에서 산란된 광자를 흡수부 검출기에서 흡수하고 이들 반응에 대한 에너지와 위치정보를 계측하여 콤프턴(compton) 영상을 획득하는 검출기(100); 검출기(100)와 연결되며, 복수개의 PMT(Photomultiplier tube)(120)로부터의 전기 신호를 각각의 채널로 입력받아 FPGA기판(Field Programmable Gate Array)(130) 내에서 신호를 성형하여 신호의 피크 높이를 측정하고 각 채널별 피크 높이 값을 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 FPGA기판(130); 휴대용 전원 공급장치로 PMT와 FPGA기판에 각각 1000V와 12V 전압의 전원을 공급하는 배터리(160); 배터리(160)에서 PMT로 연결되는 전원의 전압을 고전압으로 변환하는 고전압공급모듈(150); 및 FPGA기판(130)으로부터 수신한 데이터를 통하여 검출기 내 감마선 반응위치와 에너지를 도출하고 콤프턴 산란식을 통하여 방사선원의 위치를 추정하는 PC(170);가 포함된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사화 물질의 핵종 분석과 깊이를 측정하는 계측장치에 관한 것이며, 특히 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용하여 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화가 가능한 장치에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 산란부 검출기에서 산란된 광자를 흡수부 검출기에서 흡수하고 이들 반응에 대한 에너지와 위치정보를 계측하여 콤프턴(compton) 영상을 획득하는 검출기(100); 검출기(100)와 연결되며, 복수개의 PMT(Photomultiplier tube)(120)로부터의 전기 신호를 각각의 채널로 입력받아 FPGA기판(Field Programmable Gate Array)(130) 내에서 신호를 성형하여 신호의 피크 높이를 측정하고 각 채널별 피크 높이 값을 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 FPGA기판(130); 휴대용 전원 공급장치로 PMT와 FPGA기판에 각각 1000V와 12V 전압의 전원을 공급하는 배터리(160); 배터리(160)에서 PMT로 연결되는 전원의 전압을 고전압으로 변환하는 고전압공급모듈(150); 및 FPGA기판(130)으로부터 수신한 데이터를 통하여 검출기 내 감마선 반응위치와 에너지를 도출하고 콤프턴 산란식을 통하여 방사선원의 위치를 추정하는 PC(170);가 포함된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사화 물질의 핵종 분석과 깊이를 측정하는 계측장치에 관한 것이며, 특히 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용하여 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화가 가능한 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명의 실시예는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사화 정보(예: 핵종 및 방사화 분포 등)와 깊이를 측정하는 계측장치에 관한 것이며, 특히 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용하여 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화가 가능한 장치에 관한 것이다.
주지하다시피 에너지 정책 전환으로 원전해체 추진정책이 확정되며, 이에 따른 원전해체 콘크리트 폐기물 대량발생이 예상된다.
즉, 전 세계적으로 총 615개의 원전 중 66%에 해당하는 297기가 30년 이상 가동되었으며, 이중에서 166기의 영구정지가 확정되었다.
그리고 국내에서도 원전의 노후화로 인해 고리 1호기의 영구정지 및 해체가 확정되었으며, 2029년까지 25기의 원전 중 12기의 원전이 영구정지 예정에 있다.
또한 원전 해체 시 원전 1기당 약 2,600드럼의 콘크리트 폐기물이 발생하며, 이로 인해 원전 1기당 500억 원 이상의 콘크리트 폐기물 처리 비용이 발생할 것으로 예상된다.
그리고 원전 해체 작업시 천문학적인 해체 비용을 절감하고 해체 작업자의 안전을 확보하기 위해서는 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 핵종 분석과 방사성 물질의 깊이/위치를 정확하게 결정하는 것이 매우 중요하다.
하지만 현재까지 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사성 물질의 핵종 및 깊이를 포함하는 삼차원 위치 결정 기술이 개발되지 않은 상황이다.
또한 원전 해체 작업으로 원전 1기당 약 2,600드럼의 콘크리트 폐기물이 발생하며(IAEA Technical Report No.462, 2008), 이로 인해 콘크리트 폐기물 처리비용이 국내 기준으로 원전 1기당 500억 이상 발생할 것으로 예상되며, 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사화의 특성과 방사성물질의 위치를 정확하게 파악할 수 있으면 콘크리트 방사성 폐기물의 양을 줄여 경제성을 확보할 수 있다.
그리고 해외에서 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사성물질의 깊이를 측정하는 기술이 일부 개발된 바 있으나 이들은 기술적 한계로 인해 원전해체 현장에서 실제 사용되지 않고 있고, 또한, 이러한 기술들을 콘크리트 구조물 내 방사성물질의 깊이 정보만 제공할 뿐 삼차원적 위치 또는 분포 정보는 제공하지 않는다는 한계가 있다.
한편, 고리 1호기와 월성 1호기 원자력발전소의 영구정지 및 해체가 확정되었으며, 원전 발전량의 비중을 점진적으로 줄이고자 함에 따라, 2029년까지 추가로 국내 10기의 원전이 설계수명 만료에 따른 영구정지 예정에 있다. 원전 해체 시 다량의 콘크리트 폐기물이 발생하며, 이에 대한 천문학적인 콘크리트 폐기물 처리 비용이 발생하고 해체 작업 시 해체 작업자의 방사선 피폭에 대한 안전 확보가 필요하다.
또 한편, 상용화된 방사선 영상장치 제품으로 G3050 RadSearch(영국, ANTECH사), iPIXT(미국, MIRION TECHNOLOGIES사), GEGI(미국, PHDS)과 같은 제품이 있다. 하지만, 이들 제품은 표면 오염의 이차원 분포만을 획득할 뿐, 콘크리트 내부에 존재하는 방사성 물질의 삼차원 분포에 대한 영상화는 제공하지 않는다. 이러한 제품의 부재로 원전 해체 시 콘크리트 폐기물의 대한 깊이별 방사화 특성 측정이 어려워, 이러한 폐기물 처리하기 위한 천문학적인 비용이 소요되며, 작업자의 안전 문제 등이 존재한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 아래와 같은 선행기술문헌들이 개발되었으나, 여전히 상기한 종래 기술의 문제점을 일거에 해결하지 못하는 커다란 문제점이 발생 되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 검출기, 검출기(NaI(Tl) 섬광체 플레이트, PMT(Photomultiplier tube), FPGA기판(Field Programmable Gate Array), ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter), 고전압공급모듈, 배터리 및 PC가 구비됨을 제1목적으로 한 것이고, 상기한 기술적 구성에 의한 본 발명의 제2목적은 콘크리트 구조물 내부의 방사성 물질의 깊이/위치와 방사성 핵종을 측정하는 본 발명을 통하여 폐기물 처리비용을 절감하고 방사성폐기물에 의한 방사선 피폭으로부터 작업자의 안전을 확보할 수 있도록 한 것이고, 제3목적은 원전 해체 콘크리트 폐기물에 대한 방사화 특성 계측 뿐만 아니라 원전 바이오실드(bioshield) 등의 콘크리트 내부에 존재하는 금속성 이물질의 방사화로 인해 발생하는 핫스팟(hot spot) 형태 오염에 대한 삼차원 영상화 및 핵종, 콘크리트 틈새(crack) 등을 통해 유입된 외부 방사성 오염 물질에 대한 삼차원 영상화 및 핵종 분석, 콘크리트 내부에 존재하는 방사성 오염 물질이 포함된 파이프 및 방사화된 철근의 위치 삼차원 영상화, 콘크리트 벽 표면에 존재하는 국지성 오염에 대한 삼차원 분포 고속 영상화 및 핵종 분석 등에 적용할 수 있고, 따라서 본 발명을 통하여 원전 해체, 가속기 시설 해체 및 방사선 방재(오염 분포 측정) 분야에 활용할 수 있도록 한 것이고, 제4목적은 콤프턴(compton) 산란이라는 양자현상을 이용하여 3차원 감마선 영상장치인 콤프턴 카메라를 연구, 개발하였으며, 감마선 발생 위치를 추적함으로써 원전 콘크리트 내부 방사성 물질의 삼차원 분포를 영상화할 수 있도록 한 것이고, 제5목적은 NaI(Tl) 검출기 플레이트 및 사각형 광증배관으로 이루어진 검출부, FPGA 기반의 데이터 획득 및 처리 시스템과 전원공급장치 및 데이터 수신 PC로 이루어진 콘크리트 내부 방사성물질 삼차원 분포 계측 영상장치를 개발하여 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사선원에서 발생된 방사선이 검출부에 입사하여 콤프턴 산란되고 반응 위치와 에너지 값을 데이터로 획득하고, 리스트 모드 최대우도 기대 값 최대화(list-mode maximum likelihood expectation maximization, LMMLEM) 기반의 알고리즘을 통하여 방사선원의 영상을 구성하여 콘크리트 내부의 방사성물질의 삼차원 분포를 측정할 수 있도록 한 것이고, 제6목적은 원전 해체 시 발생하는 콘크리트 폐기물에 대하여 내부 방사화에 대한 핵종 분석 및 방사성 물질의 삼차원 분포를 측정할 수 있고, 콘크리트 구조물 내부 방사화의 삼차원 분포를 단시간에 측정하여 해체 작업 최적화를 통해 방사성 폐기물 발생을 최소화하고, 이를 통해 폐기물 처리 비용 및 해체 비용의 불확실성에 따른 비용을 저감할 수 있고, 원전 해체 분야 이외에도 방사능 사고 시 방사성 오염 지역에서 발생하는 방사성 물질의 분포를 빠르고 정확하게 영상화할 수 있으므로, 신속하고 체계적인 안전조치 및 방재 시스템(오염 분포 측정)을 구축할 수 있도록 한 것이고, 제7목적은 약 70 cm × 30 cm 크기의 검출기를 이용하고, 검출기의 크기와 삼차원 영상화 가능 깊이 영역이 상응함을 고려할 때, 이론상으로 콘크리트 구조물 내부 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m (깊이) 정도의 넓은 영역에 대해 단 1회 측정만으로 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 영상화 할 수 있다는 장점을 갖도록 한 것이고, 제8목적은 약 70 cm × 30 cm의 위치민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상 기법을 이용함으로써, 단 1회 측정만으로도 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 삼차원 분포와 핵종을 측정할 수 있는 대면적 삼차원 영상장치 시제품을 개발한 것이고, 제9목적은 넓은 영역에 대해 콘크리트 구조물 내부 방사화 및 표면 오염 분포를 단시간에 측정할 수 있으므로 작업자의 방사선 방호계획 수립 및 방사성 폐기물 감축을 위한 해체 방법 최적화 등에 필요한 풍부한 실측 데이터를 제공할 수 있도록 한 것이고, 제10목적은 원전 해체에 있어서 방사성 폐기물 분석은 해체 전 범위에서 반복적이며 지속적으로 이루어져 본 발명에서 개발하는 장비를 통한 광범위 고속 측정은 해체 관련 작업 시간을 획기적으로 단축시키며 이를 통해 인적, 물적 소요자원을 절감할 수 있도록 한 것이고, 제11목적은 실측 데이터를 바탕으로 한 방사선학적 재고량 평가, 해체폐기물량 예측 및 해체 작업 최적화를 통해 방사성 폐기물 발생을 최소화하고 폐기물 처리비용 및 해체 비용의 불확실성 등에 따른 비용 리스크를 저감할 수 있도록 한 것이고, 제12목적은 본 발명은 원전해체 뿐만 아니라 가속기 시설, RI 사용 시설 등으로 적용 범위를 확장할 수 있도록 한 것이고, 제13목적은 원전 해체 시 방사성 폐기물 발생을 최소화하여 지속적으로 제기되고 있는 방사성 폐기물 처분시설 포화로 인한 사회적 우려를 낮추고 원전 관련 분야에 대한 국민의 신뢰 향상에 이바지할 수 있도록 한 것이고, 제14목적은 원전 해체 관련 고급 기술을 확보함으로써, 원전 해체 분야에서 우리나라의 위상을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있도록 한 것이고, 제15목적은 약 70 cm × 30 cm 넓이의 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용함으로써, 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m(깊이) 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫-스팟(hot spot) 등 방사성물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화할 수 있도록 한 것이고, 제16목적은 기존에 제안된 기술들은 극히 제한적인 핵종과 오염 형태에 대해서만 사용할 수 있으며, 방사화된 물질의 깊이에 대한 정보만을 제공하지만, 본 발명에서는 측정설비는 핵종, 오염 형태에 크게 구애받지 않으며, 단 1회 측정으로 콘크리트 구조물 내부 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 영역에 대해 방사성물질의 위치를 삼차원적으로 영상화 할 수 있다는 장점이 있도록 한 것이고, 제17목적은 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 영상 기능에 더해서, 콘크리트 구조물 표면 오염에 대해서 고속 이차원 영상화가 가능함. 즉, 개발되는 장치를 콘크리트 벽면으로부터 수 미터 떨어뜨려서 사용함으로써 10 m × 5 m 크기 정도 콘크리트 벽면의 표면 오염 상황을 한 번에 고속으로 영상화 할 수 있음. 국지성 오염(60Co, 3 × 106 Bq 핫 스팟 형 오염 기준)의 분포를 수십 초에서 수 분 내로 영상화할 수 있으며, 이는 표면오염 전용 측정장치인 RadSearch에 비해서 영상화 속도가 수백 배 이상 빠른 것이다.
이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 산란부 검출기에서 산란된 광자를 흡수부 검출기에서 흡수하고 이들 반응에 대한 에너지와 위치정보를 계측하여 콤프턴(compton) 영상을 획득하는 검출기; 검출기와 연결되며, 복수개의 PMT(Photomultiplier tube)로부터의 전기 신호를 각각의 채널로 입력받아 FPGA기판(Field Programmable Gate Array) 내에서 신호를 성형하여 신호의 피크 높이를 측정하고 각 채널별 피크 높이 값을 실시간으로 PC에 전송하고 기록하는 FPGA기판; 휴대용 전원 공급장치로 PMT와 FPGA기판에 각각 1000V와 12V 전압의 전원을 공급하는 배터리; 배터리에서 PMT로 연결되는 전원의 전압을 고전압으로 변환하는 고전압공급모듈; 및 FPGA기판으로부터 수신한 데이터를 통하여 검출기 내 감마선 반응위치와 에너지를 도출하고 콤프턴 산란식을 통하여 방사선원의 위치를 추정하는 PC;가 포함됨을 특징으로 하는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 제공한다.
또한 본 발명은 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 이용한 것으로, (a) 방사선원에서 감마선이 발생하는 단계; (b) 이후 감마선이 검출기에 입사하여 NaI(Tl) 섬광체 플레이트와 상호작용을 통해 섬광 신호가 발생하고 PMT에서 섬광 신호를 전기 신호로 바꾸고 증폭시키는 단계; (c) 이어서 FPGA기판이 PMT에서 발생된 전기 신호에 대하여 각 신호의 피크 높이의 최댓값을 측정하고, 각 채널별 피크 높이 값을 각 반응 이벤트별로 군집화 하여 실시간으로 PC에 전송하고 기록하는 단계; (d) 이후 PC에서 전송된 데이터로부터 감마선이 검출기에서 콤프터 산란된 위치와 에너지를 도출하고 방사성 물질에 대한 3차원 분포를 영상화 하는 단계; 및 (e) 이어서 방사성 물질을 삼차원 분포로 계측하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상 측정방법을 제공한다.
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 검출기, 검출기(NaI(Tl) 섬광체 플레이트, PMT(Photomultiplier tube), FPGA기판(Field Programmable Gate Array), ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter), 고전압공급모듈, 배터리 및 PC가 구비되도록 한 것이다.
상기한 기술적 구성에 의한 본 발명은 콘크리트 구조물 내부의 방사화 특성(예: 핵종/방사능 등)과 방사성 물질의 깊이/위치를 측정하는 본 발명을 통하여 폐기물 처리비용을 절감하고 방사성폐기물에 의한 방사선 피폭으로부터 작업자의 안전을 확보할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 원전 해체 콘크리트 폐기물에 대한 방사화 분포 측정 및 핵종 분석 뿐만 아니라 원전 바이오실드(bioshield) 등의 콘크리트 내부에 존재하는 금속성 이물질의 방사화로 인해 발생하는 핫스팟(hot spot) 형태 오염에 대한 삼차원 영상화 및 핵종 분석, 콘크리트 틈새(crack) 등을 통해 유입된 외부 방사성 오염 물질에 대한 삼차원 영상화 및 핵종 분석, 콘크리트 내부에 존재하는 방사성 오염 물질이 포함된 파이프 및 방사화된 철근의 위치 삼차원 영상화, 콘크리트 벽 표면에 존재하는 국지성 오염에 대한 고속 영상화 및 핵종 분석 등에 적용할 수 있고, 따라서 본 발명을 통하여 원전 해체, 가속기 시설 해체 및 방사선 방재(오염 분포 측정) 분야에 활용할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 콤프턴(compton) 산란이라는 양자현상을 이용하여 3차원 감마선 영상장치인 콤프턴 카메라를 연구, 개발하였으며, 감마선 발생 위치를 추적함으로써 원전 콘크리트 내부 방사성 물질의 삼차원 분포를 영상화할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 NaI(Tl) 검출기 플레이트 및 사각형 광증배관으로 이루어진 검출부, FPGA 기반의 데이터 획득 및 처리 시스템과 전원공급장치 및 데이터 수신 PC로 이루어진 콘크리트 내부 방사성물질 삼차원 분포 계측 영상장치를 개발하여 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사선원에서 발생된 방사선이 검출부에 입사하여 콤프턴 산란되고 반응 위치와 에너지 값을 데이터로 획득하고, 리스트 모드 최대우도 기대 값 최대화(list-mode maximum likelihood expectation maximization, LMMLEM) 기반의 알고리즘을 통하여 방사선원의 영상을 구성하여 콘크리트 내부의 방사성물질의 삼차원 분포를 측정할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 원전 해체 시 발생하는 콘크리트 폐기물에 대하여 내부 방사화에 대한 핵종 분석 및 방사성 물질의 삼차원 분포를 측정할 수 있고, 콘크리트 구조물 내부 방사화의 삼차원 분포를 단시간에 측정하여 해체 작업 최적화를 통해 방사성 폐기물 발생을 최소화하고, 이를 통해 폐기물 처리 비용 및 해체 비용의 불확실성에 따른 비용을 저감할 수 있고, 원전 해체 분야 이외에도 방사성 오염 지역에서 발생하는 방사성 물질의 분포를 빠르고 정확하게 영상화할 수 있으므로, 신속하고 체계적인 안전조치 및 방재 시스템(오염 분포 측정)을 구축할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 약 70 cm × 30 cm 크기의 검출기를 이용하고, 검출기의 크기와 삼차원 영상화 가능 깊이 영역이 상응함을 고려할 때, 이론상으로 콘크리트 구조물 내부 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m (깊이) 정도의 넓은 영역에 대해 단 1회 측정만으로 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 영상화 할 수 있다는 장점을 갖도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 약 70 cm × 30 cm의 위치민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상 기법을 이용함으로써, 단 1회 측정만으로도 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 삼차원 분포와 핵종 분석을 측정할 수 있는 대면적 삼차원 영상장치 시제품을 개발한 것이다.
또한 본 발명은 넓은 영역에 대해 콘크리트 구조물 내부 방사화 및 표면 오염 분포를 단시간에 측정할 수 있으므로 작업자의 방사선 방호계획 수립 및 방사성 폐기물 감축을 위한 해체 방법 최적화 등에 필요한 풍부한 실측 데이터를 제공할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 원전 해체에 있어서 방사성 폐기물 분석은 해체 전 범위에서 반복적이며 지속적으로 이루어져 본 발명에서 개발하는 장비를 통한 광범위 고속 측정은 해체 관련 작업 시간을 획기적으로 단축시키며 이를 통해 인적, 물적 소요자원을 절감할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 실측 데이터를 바탕으로 한 방사선학적 재고량 평가, 해체폐기물량 예측 및 해체 작업 최적화를 통해 방사성 폐기물 발생을 최소화하고 폐기물 처리비용 및 해체 비용의 불확실성 등에 따른 비용 리스크를 저감할 수 있도록 한 것이다.
그리고본 발명은 원전해체 뿐만 아니라 가속기 시설, RI 사용 시설 등으로 적용 범위를 확장할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 원전 해체 시 방사성 폐기물 발생을 최소화하여 지속적으로 제기되고 있는 방사성 폐기물 처분시설 포화로 인한 사회적 우려를 낮추고 원전 관련 분야에 대한 국민의 신뢰 향상에 이바지할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 원전 해체 관련 고급 기술을 확보함으로써, 원전 해체 분야에서 우리나라의 위상을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 약 70 cm × 30 cm 넓이의 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용함으로써, 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫-스팟(hot spot) 등 방사성물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 기존에 제안된 기술들은 극히 제한적인 핵종과 오염 형태에 대해서만 사용할 수 있으며, 방사화된 물질의 깊이에 대한 정보만을 제공하지만, 본 발명에서는 측정설비는 핵종, 오염 형태에 크게 구애받지 않으며, 단 1회 측정으로 콘크리트 구조물 내부 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 영역에 대해 방사성물질의 위치를 삼차원적으로 영상화 할 수 있다는 장점이 있도록 한 것이다.
특히 본 발명은 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 영상 기능에 더해서, 콘크리트 구조물 표면 오염에 대해서 고속 이차원 영상화가 가능함. 즉, 개발되는 장치를 콘크리트 벽면으로부터 수 미터 떨어뜨려서 사용함으로써 10 m × 5 m 크기 정도 콘크리트 벽면의 표면 오염 상황을 한 번에 고속으로 영상화 할 수 있음. 국지성 오염(60Co, 3 × 106 Bq 핫 스팟 형 오염 기준)의 분포를 수십 초에서 수 분 내로 영상화할 수 있으며, 이는 표면오염 전용 측정장치인 RadSearch에 비해서 영상화 속도가 수백 배 이상 빠른 것이다.
이하에서는 이러한 효과 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명 대면적 삼차원 영상장치를 이용한 콘크리트 내부 측정 개념
도.
도 2 는 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원
분포 계측 영상장치를 구성도.
도 3 은 본 발명에 적용된 검출기의 실제 제품 사진.
도 4 는 본 발명에 적용된 섬광체 플레이트와 PMT(Photomultiplier tube)의
실제 제품 사진.
도 5 는 본 발명 산란부에서 발생한 콤프턴 산란 반응 위치를 꼭지점으로 하
고 도출된 산란각(β)으로 원뿔 형태의 선원위치를 추정하여 방사능
분포를 추정한 도식도.
도 6 은 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원
분포 계측 영상 측정방법의 흐름도.
도 7 은 본 발명을 이용한 콘크리트 구조물 내 방사화 분포 영상화 예시도.
도.
도 2 는 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원
분포 계측 영상장치를 구성도.
도 3 은 본 발명에 적용된 검출기의 실제 제품 사진.
도 4 는 본 발명에 적용된 섬광체 플레이트와 PMT(Photomultiplier tube)의
실제 제품 사진.
도 5 는 본 발명 산란부에서 발생한 콤프턴 산란 반응 위치를 꼭지점으로 하
고 도출된 산란각(β)으로 원뿔 형태의 선원위치를 추정하여 방사능
분포를 추정한 도식도.
도 6 은 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원
분포 계측 영상 측정방법의 흐름도.
도 7 은 본 발명을 이용한 콘크리트 구조물 내 방사화 분포 영상화 예시도.
본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법은 도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
먼저, 본 발명은 산란부 검출기에서 산란된 광자를 흡수부 검출기에서 흡수하고 이들 반응에 대한 에너지와 위치정보를 계측하여 콤프턴(compton) 영상을 획득하는 검출기(100)가 구비된다.
또한 본 발명은 상기 검출기(100)와 연결되며, 복수개의 PMT(Photomultiplier tube)(120)로부터의 전기신호를 각각의 채널로 입력받아 FPGA기판(Field Programmable Gate Array)(130) 내에서 신호를 성형하여 신호의 피크 높이를 측정하고 각 채널별 피크 높이 값을 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 FPGA기판(130)이 구비된다.
그리고 본 발명은 휴대용 전원 공급장치로 PMT와 FPGA기판에 각각 1000V와 12V 전압의 전원을 공급하는 배터리(160)가 구비된다.
아울러 본 발명은 상기 배터리(160)에서 PMT로 연결되는 전원의 전압을 고전압으로 변환하는 고전압공급모듈(150)이 구비된다.
더하여 본 발명은 상기 FPGA기판(130)으로부터 수신한 데이터를 통하여 검출기 내 감마선 반응위치와 에너지를 도출하고 콤프턴 산란식을 통하여 방사선원의 위치를 추정하는 PC(170)가 구비된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 제공한다.
이때 상기 고전압공급모듈(150)은 24V → 1000V로 변환함이 바람직하다.
특히 상기 검출기(100)는 산란부에서 발생한 콤프턴 산란 반응 위치를 꼭지점으로 하고 아래 식 1 을 통해 도출된 산란각(β)으로 원뿔 형태의 선원위치를 추정하여 방사능 분포를 측정함이 바람직하다.
(식1)
한편, 본 발명에 적용된 상기 검출기(100)에는 검출기 NaI(Tl) 섬광체 플레이트(110)와 PMT(Photomultiplier tube)(120)가 구비된다.
또 한편, 본 발명에 적용된 상기 FPGA기판(130)에는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나 이상의 ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter)가 구비된다.
한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명은 콘크리트 구조물 내부에 존재하는 방사화 핵종 정보와 깊이를 측정하는 계측장치에 관한 것이며, 특히 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용하여 단 1회 측정만으로 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m 정도의 넓은 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 등 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화가 가능한 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에 적용된 도 1 은 대면적 삼차원 영상장치를 이용한 콘크리트 내부 측정 개념도를 나타낸 것으로, 콘크리트 내부 방사성 물질 삼차원 분포 계측 영상장치를 보인 것이다.
또한 도 2 는 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 구성도를 보인 것이다.
그리고 도 3 은 본 발명에 적용된 검출기(100)의 실제 제품을 보인 사진이다.
또한 도 4 는 본 발명에 적용된 섬광체 플레이트(110)와 PMT(Photomultiplier tube)(120)의 실제 제품을 보인 사진이다.
그리고 도 5 는 본 발명 산란부에서 발생한 콤프턴 산란 반응 위치를 꼭지점으로 하고 도출된 산란각(β)으로 원뿔 형태의 선원위치를 추정하여 방사능 분포를 추정한 도식도를 나타낸 것이다.
또한 도 6 은 본 발명에 적용된 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상 측정방법의 흐름도를 나타낸 것으로, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 이용한 것으로,
(a) 방사선원에서 감마선이 발생하는 단계를 거친다.
(b) 이후 감마선이 검출기(100)에 입사하여 NaI(Tl) 섬광체 플레이트와 상호작용을 통해 섬광 신호가 발생하고 PMT(120)에서 섬광 신호를 전기 신호로 바꾸고 증폭시키는 단계를 거친다.
(c) 이어서 FPGA기판(130)이 PMT(120)에서 발생된 전기 신호에 대하여 각 신호의 피크 높이의 최댓값을 측정하고, 각 채널별 피크 높이 값을 각 반응 이벤트별로 군집화 하여 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 단계를 거친다.
(d) 이후 PC(170)에서 전송된 데이터로부터 감마선이 검출기(100)에서 콤프터 산란된 위치와 에너지를 도출하고 방사성 물질에 대한 3차원 분포를 영상화 하는 단계를 거친다.
(e) 이어서 방사성 물질을 삼차원 분포로 계측하는 단계를 거쳐 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상을 측정하게 된다.
특히 상기 (b) 단계는, NaI(Tl), 무기 결정 신틸레이터(scintillator)를 이용한 감마카메라의 방사선 측정 원리를 이용함이 바람직하다.
이때 상기 (b) 단계는 방사선이 섬광물질(NaI)과의 상호작용(예: 광전효과, 콤프턴효과)에 의해 전자가 발생하고 NaI를 여기시키고 이들이 바닥 상태로 전이되며 섬광이 발생하며, 이러한 섬광이 PMT(120)에 입사하여 광전 음극(photocathode, 光電陰極)에서 광전자가 발생 및 다이노드(dynode)에서 증폭되며 이를 신호로 수집함이 바람직하다.
또한 상기 (c) 단계는 수집된 아날로그 신호를 FPGA 기판(130)에서 ADC(140)를 통하여 디지털 신호로 변환하고, 피크신호 측정 알고리즘을 통하여 신호의 피크 높이의 최댓값을 측정하여 PC(170)로 전송함이 바람직하다.
그리고 상기 (d) 단계는 PC(170)로 전송된 신호를 가공하여 검출기(100) 내 산란부와 흡수에서 콤프턴 반응이 일어난 위치와 에너지를 도출하고 이로부터 방사성물질의 위치를 측정함이 바람직하다.
한편, 도 7 은 본 발명을 이용한 콘크리트 구조물 내 방사화 분포 영상화 예시도를 나타낸 것이다.
상기한 본 발명은 대면적 삼차원 영상장치 시제품의 원리 검증을 위해 최근 참여기관에서 개발한 27 cm × 27 cm 소형 원리검증용 장치를 이용하여 벽돌 구조물 내부에 존재하는 7.41 μCi 137Cs 체크선원에 대한 삼차원 영상화 실험을 수행한 바 있다.
그리고 본 발명은 원리 검증 실험 결과, 검출기의 크기(27 cm × 27 cm)에 상응하는 벽돌 내부 30 cm 깊이까지 5분 측정만으로 137Cs 선원의 삼차원 영상화가 가능함을 확인하였다.
또한 본 발명은 대면적 삼차원 영상장치 시제품의 경우 약 70 cm × 30 cm 크기의 검출기를 이용하기 때문에, 검출기의 크기와 삼차원 영상화 가능 깊이 영역이 상응함을 고려할 때, 이론상으로 콘크리트 구조물 내부 약 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m (깊이) 정도의 넓은 영역에 대해 단 1회 측정만으로 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 영상화 할 수 있다는 장점을 가진다.
그리고 본 발명은 대면적 삼차원 영상장치 시제품은 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 영상화 기능에 더해서, 시제품을 콘크리트 벽면으로부터 수 미터 떨어뜨려서 사용함으로써 10 m × 5 m 정도 넓은 콘크리트 벽면의 표면 오염 분포를 한 번에 고속으로 영상화할 수 있으며, 구체적으로는 국지성 오염(60Co, 3.7 × 106 Bq 핫스팟 형태 오염 기준)의 분포를 수십 초 내로 정밀하게 영상화할 수 있다.
또한 본 발명은 대면적 삼차원 영상장치 시제품은 콘크리트 구조물 내부 방사화의 분포뿐만 아니라 핵종 분석 또한 가능하다는 장점이 있다. 따라서 시제품을 이용하여 콘크리트 구조물 내부 핵종 분석 및 방사화된 물질의 깊이/위치를 한 번에 측정할 수 있으며, 이를 통해 원전 해체 작업의 경제성 및 안전성을 확보할 수 있다.
상기 본 발명의 용도는 다음과 같다.
원전 바이오실드(bioshield) 등의 콘크리트 내부에 존재하는 금속성 이물질의 방사화로 인해 발생하는 핫스팟(hot spot) 형태 오염에 대한 삼차원 영상화 및 핵종 분석이 가능하다.
또한 콘크리트 틈새(crack) 등을 통해 유입된 외부 방사성 오염 물질에 대한 삼차원 영상화 및 핵종 분석이 가능하다.
그리고 콘크리트 내부에 존재하는 방사성 오염 물질이 포함된 파이프5) 및 방사화된 철근의 위치 삼차원 영상화가 가능하다.
또한 콘크리트 벽 표면에 존재하는 국지성 오염에 대한 고속 영상화 및 핵종 분석이 가능하다.
본 발명 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법의 기술적 사상은 실제로 동일결과를 반복 실시 가능한 것으로, 특히 이와 같은 본원발명을 실시함으로써 기술발전을 촉진하여 산업발전에 이바지할 수 있어 보호할 가치가 충분히 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 검출기
110: 검출기(NaI(Tl) 섬광체 플레이트
120: PMT(Photomultiplier tube)
130: FPGA기판(Field Programmable Gate Array)
140: ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter)
150: 고전압공급모듈
160: 배터리
170: PC
100: 검출기
110: 검출기(NaI(Tl) 섬광체 플레이트
120: PMT(Photomultiplier tube)
130: FPGA기판(Field Programmable Gate Array)
140: ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter)
150: 고전압공급모듈
160: 배터리
170: PC
Claims (5)
- 위치 민감형 대면적 검출기와 콤프턴 영상기법을 이용하여 단 1회 측정만으로 0.7 m × 0.3 m × 0.8 m의 콘크리트 구조물 내부 영역에 대해 핫스팟(hot spot) 방사성 물질의 분포를 삼차원적으로 고속 영상화가 가능하도록 한 것으로,
산란부 검출기에서 산란된 광자를 흡수부 검출기에서 흡수하고 이들 반응에 대한 에너지와 위치정보를 계측하여 콤프턴(compton) 영상을 획득하는 검출기(100);
검출기(100)와 연결되며, 복수개의 PMT(Photomultiplier tube)(120)로부터의 전기신호를 각각의 채널로 입력받아 FPGA기판(Field Programmable Gate Array)(130) 내에서 신호를 성형하여 신호의 피크 높이를 측정하고 각 채널별 피크 높이 값을 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 FPGA기판(130);
휴대용 전원 공급장치로 PMT와 FPGA기판에 각각 1000V와 12V 전압의 전원을 공급하는 배터리(160);
배터리(160)에서 PMT로 연결되는 전원의 전압을 고전압으로 변환하는 고전압공급모듈(150); 및
FPGA기판(130)으로부터 수신한 데이터를 통하여 검출기 내 감마선 반응위치와 에너지를 도출하고 콤프턴 산란식을 통하여 방사선원의 위치를 추정하는 PC(170);가 포함되되,
상기 검출기(100)에는 검출기 NaI(Tl) 섬광체 플레이트(110)와 PMT(Photomultiplier tube)(120)가 포함되고,
상기 FPGA기판(130)에는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나 이상의 ADC(140)(아날로그디지털 변환기; analog-digital converter)가 더 포함되고,
상기 고전압공급모듈(150)은 24V → 1000V로 변환하고,
상기 검출기(100)는 산란부에서 발생한 콤프턴 산란 반응 위치를 꼭지점으로 하고 아래 식 1 을 통해 도출된 산란각(β)으로 원뿔 형태의 선원위치를 추정하여 방사능 분포를 측정함
(식1)
을 특징으로 하는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1 의 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치를 이용한 것으로,
(a) 방사선원에서 감마선이 발생하는 단계;
(b) 이후 감마선이 검출기(100)에 입사하여 NaI(Tl) 섬광체 플레이트와 상호작용을 통해 섬광 신호가 발생하고 PMT(120)에서 섬광 신호를 전기 신호로 바꾸고 증폭시키는 단계;
(c) 이어서 FPGA기판(130)이 PMT(120)에서 발생된 전기 신호에 대하여 각 신호의 피크 높이의 최댓값을 측정하고, 각 채널별 피크 높이 값을 각 반응 이벤트별로 군집화 하여 실시간으로 PC(170)에 전송하고 기록하는 단계;
(d) 이후 PC(170)에서 전송된 데이터로부터 감마선이 검출기(100)에서 콤프터 산란된 위치와 에너지를 도출하고 방사성 물질에 대한 3차원 분포를 영상화 하는 단계; 및
(e) 이어서 방사성 물질을 삼차원 분포로 계측하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상 측정방법.
- 청구항 4 에 있어서,
상기 (b) 단계는,
NaI(Tl), 무기 결정 신틸레이터(scintillator)를 이용한 감마카메라의 방사선 측정 원리를 이용함을 특징으로 하는 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상 측정방법.
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| KR1020200173700A KR102250686B1 (ko) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 원전 콘크리트 구조물 내부 방사화에 대한 삼차원 분포 계측 영상장치 및 영상 측정방법 |
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