KR102366040B1 - 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법 - Google Patents

우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로에서 원자로용기로 조사되는 고속중성자 조사량을 정밀 측정하기 위해 사용되는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것으로, 이를 위해 중성자 수송계산용 전산코드를 이용하여 원자로용기 전체에 대한 중성자 스펙트럼을 계산하는 S10단계;와, 원자로용기에 내에 설치된 감시용기를 인출한 후 감시용기에 저장된 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 감마분광계를 이용하여 직접 측정하는 S20단계;와, S20단계의 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 보정하기 위해 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄 감시자 중 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득하는 S30단계; 및 S20단계의 우라늄 감시자에 포함된 핵분열핵종 3종에 대한 세슘-137의 방사능 총량에 S30단계의 보정상수(CF)를 곱하여 보정한 후, 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 획득하는 S40단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법{ACTIVITY CORRECTION METHOD OF URANIUM FISSION MONITOR}
본 발명은 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로의 내부에 설치되는 감시용기 내 감시자 중 우라늄 감시자는 우라늄-238의 불순물인 우라늄-235와, 우라늄-238의 일부가 변환된 플루토늄-239가 모두 핵분열에 의해 세슘-137이 생성되어 방사능이 핵분열종 3종에서 함께 발생되는 바, 감마분광계로 측정된 우라늄 감시자의 방사능 총량을 보정하여 우라늄-238의 방사능만을 도출함으로써, 원자력 발전소 원자로용기에 대한 건전성 평가의 정확도를 제고하고 이를 통해 더욱 안전한 원자력 발전소 운전을 할 수 있도록 한 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것이다.
일반적으로 가압경수형 원자력발전소의 원자로용기는 핵연료를 보호하고 냉각수가 밖으로 누출되지 않도록 고온, 고압을 견뎌야 하는 가장 핵심적인 기기이다.
도 1은 원자로용기 개략도로서 원자로용기 전체 높이는 약 15 미터이고, 내반경이 약 2 미터, 그리고 두께가 약 20 센티미터인 거대한 철강 구조물이다.
원자로용기 위쪽부터 상부헤드(closure head), 상부동체(upper shell), 하부동체(lower shell)로 구성된다.
상부헤드와 상부동체는 서로 스터드(stud) 볼트로 연결되어 있으며, 나머지는 서로 용접으로 연결된다. 또한 가동중에 냉각수가 원자로에 주입되는 입구노즐(inlet nozzle), 그리고 가열된 냉각수가 원자로 밖으로 빠져나가는 출구노즐(outlet nozzle)은 각각 상부 동체에 용접으로 연결되어 있다.
원자로용기는 가동 중 노심에서 발생하는 중성자 중에서 운동에너지가 1MeV 이상이 되는 고속중성자에 조사됨으로써 재료 성질이 변하게 되어 파괴인성이 감소하고 파손 위험이 증가한다.
이렇게 고속중성자 조사로 인하여 재료가 취약화 되는 현상을 중성자 조사취화 현상이라 하며, 이는 원자로용기 재료와 같은 페라이트강의 특징이다.
원자로용기는 처음 설치 후 교체가 불가능하기 때문에 원자로용기에 대한 중성자 조사취화 현상은 발전소의 수명을 결정하는 가장 중요한 요인이다.
따라서 상업용 발전소에서는 감시시험(surveillance test)을 통해 원자로용기 재료의 가동시간에 따른 조사취화 정도 및 그것이 원자로용기 건전성에 미치는 영향을 주기적으로 평가하도록 법으로 규정하고 있다.
이 규정은 40년 또는 60년의 발전소 수명기간 동안 원자로용기에 조사되는 고속중성자 조사량을 주기적으로 평가하고 고속중성자 조사량 증가에 따른 재료의 파괴인성치 감소량을 예측하여 수명말까지 건전성이 확보되는지 확인한 후 필요 시 적절한 조치를 취하도록 요구하고 있다.
이와 같은 일련의 시험과정을 감시시험이라 한다. 그리고 감시시험 과정에서는 원자로용기 건전성에 직접적으로 영향을 주는 고속중성자 조사량을 정확히 평가하고 반드시 적절한 측정 방법을 통해 검증해야한다.
일반적으로 고속중성자 조사량은 DORT, MCNP, RAPTOR-M3G와 같은 상업용으로 개발된 중성자 수송계산용 전산코드 중 어느 하나를 이용하여 계산하며, 이 계산에 대한 검증은 감시자를 이용하여 검증하고 있다.
감시자는 감시용기에 원자로용기와 동일 재질인 시편과 함께 장전되어 원자로용기 내부에 설치된다.
이러한 감시용기는 원자로에 근접 설치되어 원자로에서 조사되는 방사선량을 선배율로 받아, 시편의 파괴인성치 감소를 확인하고, 더불어 감시자로 방사선량을 계측한다.
이 때 감시자는 주로 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 니오비움(Nb), 우라늄(U), 넵티늄(Np), 코발트(Co) 등과 같은 금속 재질로서 이들은 1MeV 이상의 운동에너지를 갖는 고속중성자를 흡수하여 다른 방사성 동위원소 핵종으로 변환되는 특징이 있다.
특히 감시자 중 우라늄-238은 고속중성자를 흡수하면 핵분열이 발생하고 이 때 중성자를 흡수한 우라늄-238의 핵은 사라지고 여러 개의 새로운 핵종들이 만들어지는데 이중에서 세슘-137의 방사성 동위원소도 함께 생성된다.
세슘-137의 방사성 동위원소는 반감기가 30년 정도로 매우 길기 때문에 장기간 중성자 조사하는 경우에도 초기부터 생성된 세슘-137이 남아 있게 되고 이에 따라 장기간 중성자 조사효과를 분석하는데 매우 유리한 감시자이다.
이렇게 변환되거나 핵분열로 생성된 방사성 동위원소들은 일정 기간의 반감기를 갖고 붕괴하면서 감마선이나 베타선을 방출한다.
고속중성자가 많이 존재하는 위치에 이 감시자를 설치하고 일정기간 동안 조사 후 인출하여 생성된 동위원소의 방사능을 측정함으로써 간접적으로 고속중성자 조사량을 확인하는 것이다.
감시자가 설치된 위치의 고속중성자 밀도가 높을수록 또 조사기간이 길수록 생성된 동위원소의 양이 많아지게 되고 이에 비례하여 방사능값도 높게 측정되는 원리를 이용하는 것이다.
자연계에 존재하는 우라늄 동위원소는 우라늄-235가 약 0.7% 그리고 나머지 99.3%는 우라늄-238이다.
우라늄을 감시자로 사용하는 동위원소는 우라늄-238이며, 이를 위해 자연계에 존재하는 우라늄-235 동위원소는 가능한 충분히 제거해야만 한다.
왜냐하면, 우라늄-235는 에너지가 낮은 열중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키는 정도를 나타내는 핵분열단면적이 우라늄-238 보다 약 1,000배 정도로 높고 이 경우에도 세슘-137 방사성 동위원소가 생성되기 때문이다.
이렇게 생성된 세슘-137은 우라늄-238의 핵분열로 생성된 세슘-137과 구분할 수 없고 결국 고속중성자 조사량 검증이 어렵게 되는 문제가 있는 것이다.
따라서 우라늄-238 감시자 내에 불순물로 포함된 우라늄-235 동위원소의 양을 가능한 최소화 시켜야하는데 물리적으로 완전히 제거할 수는 없으며 대략 40ppm 이하를 유지하도록 권장하고 있다.
이정도의 불순물은 열중성자를 차단하는 카드뮴으로 차폐하는 경우 우라늄-235가 열중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키는 정도가 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러나 오래전에 만들어진 우라늄 감시자의 경우 우라늄-235 불순물 농도가 300~400ppm 정도로 매우 높기 때문에 카드뮴으로 차폐한다 해도 우라늄-235의 핵분열로 인해 생성된 세슘-137의 양을 무시할 수 없으며, 우라늄 감시자 중에는 카드뮴으로 차폐하지 않은 감시자도 있기 때문에 정확한 고속중성자 측정을 위해서는 반드시 이에 대한 정확한 보정 방법이 필요한 상황이다.
이와 더불어, 우라늄-238 동위원소는 중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키기도 하지만 확률적으로 어떤 경우에는 핵분열 되지 않고 플루토늄-239로 변환되는 경우도 있다.
이렇게 변환된 플루토늄-239 역시 열중성자 핵분열 단면적이 우라늄-238 보다 약 1,000배 이상 높으며, 플루토늄-239 핵분열에 의해 생성된 세슘-137의 양도 무시할 수 없다.
그리고 이렇게 생성되는 플루토늄-239는 중성자 조사기간에 비례하여 계속적으로 증가하기 때문에 20년 ~ 30년씩 장기간 조사하는 경우 이에 대한 보정이 반드시 필요한 상황이다.
이와 같이 우라늄-238 감시자를 사용하여 고속중성자 조사량을 측정하는 것은 매우 어렵고, 이를 적절하게 보정하는 방법도 제시된 것이 없기 때문에 우라늄-238 감시자를 사용하는 현행 감시시험에 많은 어려움이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0950787호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제1목적은, 원자로의 내부에 설치되는 감시용기 내 감시자 중 우라늄 감시자는 우라늄-238의 불순물인 우라늄-235와, 우라늄-238의 일부가 변환된 플루토늄-239가 모두 핵분열에 의해 세슘-137이 생성되어 방사능이 핵분열종 3종에서 함께 발생되는 바, 감마분광계로 측정된 우라늄 감시자의 방사능 총량을 보정하여 우라늄-238의 방사능만을 도출함으로써, 원자력 발전소 원자로용기에 대한 건전성 평가의 정확도를 제고하고 이를 통해 더욱 안전한 원자력 발전소 운전을 할 수 있도록 한 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은, 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238의 방사능을 보정하는 보정상수(CF)를 획득한 후, 감마분광계로 실측되는 우라늄 감시자의 방사능 총량에 보정상수(CF)를 곱하여 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 결정할 수 있도록 한 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 제 1발명은, 원자로에서 원자로용기로 조사되는 고속중성자 조사량을 정밀 측정하기 위해 사용되는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것으로, 이를 위해 중성자 수송계산용 전산코드를 이용하여 원자로용기 전체에 대한 중성자 스펙트럼을 계산하는 S10단계;와, 원자로용기에 내에 설치된 감시용기를 인출한 후 감시용기에 저장된 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 감마분광계를 이용하여 직접 측정하는 S20단계;와, S20단계의 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 보정하기 위해 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄 감시자 중 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득하는 S30단계; 및 S20단계의 우라늄 감시자에 포함된 핵분열핵종 3종에 대한 세슘-137의 방사능 총량에 S30단계의 보정상수(CF)를 곱하여 보정한 후, 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 획득하는 S40단계;를 포함하여 이루어지되, 상기 보정상수(CF)는 [수식1]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
[수식1]:
Figure 112022000358363-pat00031

U238: 우라늄-238
U235: 우라늄-235
Pu239: 플루토늄-239
fission: 핵분열
제2발명은, 제1발명에서,
S30단계는, 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄-235 핵분열 반응률과, 우라늄-238 핵분열 반응률과, 플루토늄-239 핵분열 반응률을 각각 계산하는 S31단계와, S31단계를 바탕으로 중성자 조사기간 동안 누적된 우라늄-235 핵분열 수, 우라늄-238 핵분열 수, 플루토늄-239 핵분열 수를 각각 계산하는 S32단계와, S32단계에서 각각의 누적 핵분열 수를 바탕으로 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득하는 S33단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다
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제4발명은, 제2발명에서,
S32단계의 우라늄-235에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식2]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
[수식2]:
Figure 112021109844946-pat00002
Figure 112021109844946-pat00003
: 우라늄-235의 핵분열 반응율
N235(0): 초기조건 우라늄-235 원자수
t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
제5발명은,제2발명에서,
S32단계의 우라늄-238에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식3]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
[수식3]:
Figure 112021109844946-pat00004
Figure 112021109844946-pat00005
: 우라늄-238의 핵분열 반응율
N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
제6발명은, 제2발명에서,
S32단계의 플루토늄-239에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식4]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
[수식4]:
Figure 112021109844946-pat00006
Figure 112021109844946-pat00007
: 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환되는 반응률
Figure 112021109844946-pat00008
: 플루토늄-239의 핵분열 반응률
N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
본 발명의 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 따르면, 발전소 원자로용기 고속중성자 조사량을 정확히 측정함으로써 감시시험 정확도 및 신뢰성 제고 효과가 있다. 또한, 우라늄-238 핵분열 감시자를 활용함으로써 장기간 가동하는 발전소의 원자로용기 수명관리가 가능하여 최종적으로는 수명연장 인허가에 기여하는 효과가 있다.
또한 우라늄-238과 같이 장기간 감시가 가능한 감시자를 적절히 활용하지 못하는 경우 이를 대체하기 위해 별도의 감시자를 설치해야 하며 이에 따라 추가적인 방사성 폐기물이 발생할 수 있으나, 우라늄-238 감시자를 적절히 활용함으로써 이와 같은 추가적인 방사성 폐기물 발생을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 원자력 발전소의 원자로용기를 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법의 순서도,
도 3은 도 2의 S30단계를 나타내는 세부 순서도,
도 4는 우라늄-235, 우라늄-238, 플루토늄-239 각각에 대한 누적 fission 수와 이에 따른 보정상수를 고속중성자 조사량에 따라 도식화한 그래프.
이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명에 따른 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법의 순서도이고, 도 3은 도 2의 S30단계를 나타내는 세부 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원자로의 내부에 설치되는 감시용기 내 감시자 중 우라늄 감시자는 우라늄-238의 불순물인 우라늄-235와, 우라늄-238의 일부가 변환된 플루토늄-239가 모두 핵분열에 의해 세슘-137이 생성되어 방사능이 핵분열종 3종에서 함께 발생되는 바, 감마분광계로 측정된 우라늄 감시자의 방사능 총량을 보정하여 우라늄-238의 방사능만을 도출함으로써, 원자력 발전소 원자로용기에 대한 건전성 평가의 정확도를 제고하고 이를 통해 더욱 안전한 원자력 발전소 운전을 할 수 있도록 한 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것이다.
더 나아가 본 발명은 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238의 방사능을 보정하는 보정상수(CF)를 획득한 후, 감마분광계로 실측되는 우라늄 감시자의 방사능 총량에 보정상수(CF)를 곱하여 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 결정할 수 있도록 한 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 관한 것이다.
본 발명은 원자로에서 원자로용기로 조사되는 고속중성자 조사량을 정밀 측정하기 위해 사용되는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법으로, 크게 S10 내지 S40단계로 이루어진다.
S10단계에서는 중성자 수송계산용 전산코드를 이용하여 원자로용기 전체에 대한 중성자 스펙트럼을 계산한다.
보다 상세하게는 중성자 수송계산용 전산코드에 원자로 내의 핵연료 농축도, 갯수, 부피, 크기, 사이즈와 같은 데이타값을 토대로 원자로용기 전체에 대한 중성자 스펙트럼을 계산한다.
여기서 전산코드는 DORT, MCNP, RAPTOR-M3G 중 어느 하나를 택일하여 사용할 수 있다.
S20단계에서는 원자로용기에 내에 설치된 감시용기를 인출한 후 감시용기에 저장된 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 감마분광계를 이용하여 직접 측정한다.
여기서 우라늄 감시자는 우라늄-238로 이루어지며, 앞서 배경기술에서도 언급한 바와 같이, 우라늄-235와, 우라늄-238 일부가 중성자를 흡수한 후 변환된 플루토늄-239에 포함된 핵분열핵종 3종에 대한 세슘-137의 방사능이 합계로 측정된다.
따라서 상기 감마분광계로 측정되는 우라늄 감시자의 방사능 총량은 핵분열핵종 3종에 대한 방사능이 모두 측정되어 오차를 피할 수 없게 된다.
S30단계에서는 S20단계에서의 오차를 보정할 수 있도록 전산코드를 이용하여 보정상수를 도출한다.
상기 S30단계는 S20단계의 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 보정하기 위해 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄 감시자 중 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득한다.
이 때 상기 보정상수(CF)는 아래의 [수식1]에 의해 도출되는 것이 바람직하다.
[수식1]:
Figure 112021109844946-pat00009
[수식1]에서 U238은 우라늄-238을 나타내고, U235는 우라늄-235를 나타내고, Pu239는 플루토늄-239를 나타내고, fission은 핵분열을 나타낸다.
이러한 상기 보정상수(CF)를 획득하기 위해서는 도 3과 같이, S31 내지 S33단계를 포함하는데, 먼저 상기 S31단계에서는 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄-235 핵분열 반응률과, 우라늄-238 핵분열 반응률과, 플루토늄-239 핵분열 반응률을 각각 계산한다.
그리고 S32단계에서는 핵분열핵종 3종에 대한 핵분열 반응률을 바탕으로, 중성자 조사기간 동안 누적된 ①우라늄-235 핵분열 수, ②우라늄-238 핵분열 수, ③플루토늄-239 핵분열 수를 각각 계산한다.
여기서 ① 우라늄-235에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 아래의 [수식2]에 의해 도출되는 것이 바람직하다.
[수식2]:
Figure 112021109844946-pat00010
Figure 112021109844946-pat00011
: 우라늄-235의 핵분열 반응율
N235(0): 초기조건 우라늄-235 원자수
t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
그리고 ② 우라늄-238에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 아래의 [수식3]에 의해 도출되는 것이 바람직하다.
[수식3]:
Figure 112021109844946-pat00012
Figure 112021109844946-pat00013
: 우라늄-238의 핵분열 반응율
N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
그리고 ③플루토늄-239에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 아래의 [수식4]에 의해 도출되는 것이 바람직하다.
[수식4]:
Figure 112021109844946-pat00014
Figure 112021109844946-pat00015
: 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환되는 반응률
Figure 112021109844946-pat00016
: 플루토늄-239의 핵분열 반응률
N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
S33단계에서는 S32단계에서 각각의 누적 핵분열 수를 바탕으로 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득한다.
보다 상세하게는 S33단계에서는 S32단계에서 우라늄-235에 대한 누적 핵분열(fission) 수를 나타내는 [수식2]와, 우라늄-238에 대한 누적 핵분열(fission) 수를 나타내는 [수식3]과, 플루토늄-239에 대한 누적 핵분열(fission) 수를 나타내는 [수식4]를 [수식1]에 대입하여 보정상수(CF)를 획득할 수 있게 된다.
이에 따라 결과적으로, [수식1]에 [수식2]와, [수식3]와 [수식4]를 대입하면 [수식5]가 유도될 수 있다.
[수식5]:
Figure 112021109844946-pat00017
상기에서 [수식5]에서
Figure 112021109844946-pat00018
는 초기 우라늄-235 불순물의 함량을 나타낸다. 그리고 S31단계에서의 우라늄-235 핵분열 반응률과, 우라늄-238 핵분열 반응률과, 플루토늄-239 핵분열 반응률은 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 계산됨으로, 결국 우라늄-235의 불순물 함량과, 시간의 함수로 보정상수(CF)를 손쉽게 획득할 수 있게 된다.
S40단계에서는 S20단계의 우라늄 감시자에 포함된 핵분열핵종 3종에 대한 세슘-137의 방사능 총량에 S30단계의 보정상수(CF)를 곱하여 보정한 후, 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 획득하게 된다.
도 4는 우라늄-235, 우라늄-238, 플루토늄-239 각각에 대한 누적 fission 수와 이에 따른 보정상수를 고속중성자 조사량에 따라 도식화한 그래프이다.
도 4와 같이, 도식화한 그래프를 통해 보정상수가 적용된 우라늄감시자의 측정값과, 중성자 수송계산용 전산코드 계산값이 20% 허용 범위 내로 일치한 것을 확인하였다.
만약 이러한 보정을 적용하지 않는다면 측정값과 계산값은 40% 이상 큰 오차를 보이기 때문에 감시자는 사용할 수가 없는 것이다.
이상의 결과를 통해 본 발명에서 얻어진 우라늄-238 감시자 보정방법의 타당성을 확인하였으며 향후 우라늄-238 감시자를 활용하여 더욱 정확하고 신뢰성 있는 감시시험이 가능할 것이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (6)

  1. 원자로에서 원자로용기로 조사되는 고속중성자 조사량을 정밀 측정하기 위해 사용되는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법에 있어서,
    중성자 수송계산용 전산코드를 이용하여 원자로용기 전체에 대한 중성자 스펙트럼을 계산하는 S10단계;
    원자로용기에 내에 설치된 감시용기를 인출한 후 감시용기에 저장된 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 감마분광계를 이용하여 직접 측정하는 S20단계;
    S20단계의 우라늄 감시자의 세슘-137에 대한 방사능 총량을 보정하기 위해 전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄 감시자 중 우라늄-235와, 플루토늄-239에 대한 방사능 값을 제외한 순수 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득하는 S30단계;
    S20단계의 우라늄 감시자에 포함된 핵분열핵종 3종에 대한 세슘-137의 방사능 총량에 S30단계의 보정상수(CF)를 곱하여 보정한 후, 최종 우라늄-238의 세슘-137 방사능만을 획득하는 S40단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 보정상수(CF)는 [수식1]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법.
    [수식1]:
    Figure 112022000358363-pat00032

    U238: 우라늄-238
    U235: 우라늄-235
    Pu239: 플루토늄-239
    fission: 핵분열
  2. 제1항에 있어서,
    S30단계는,
    전산코드의 중성자 스펙트럼과 핵반응 단면적 자료를 이용하여 우라늄-235 핵분열 반응률과, 우라늄-238 핵분열 반응률과, 플루토늄-239 핵분열 반응률을 각각 계산하는 S31단계와,
    S31단계를 바탕으로 중성자 조사기간 동안 누적된 우라늄-235 핵분열 수, 우라늄-238 핵분열 수, 플루토늄-239 핵분열 수를 각각 계산하는 S32단계와,
    S32단계에서 각각의 누적 핵분열 수를 바탕으로 우라늄-238에 대한 세슘-137 방사능 보정상수(CF)를 획득하는 S33단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    S32단계의
    우라늄-235에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식2]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법.

    [수식2]:
    Figure 112021109844946-pat00020

    Figure 112021109844946-pat00021
    : 우라늄-235의 핵분열 반응율
    N235(0): 초기조건 우라늄-235 원자수
    t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
  5. 제2항에 있어서,
    S32단계의
    우라늄-238에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식3]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 우라늄 감시자의 방사능 보정방법.

    [수식3]:
    Figure 112021109844946-pat00022

    Figure 112021109844946-pat00023
    : 우라늄-238의 핵분열 반응율
    N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
    t: t=0에서 부터 t=t까지 누적 시간
  6. 제2항에 있어서,
    S32단계의
    플루토늄-239에 대한 누적 핵분열(fission) 수는 [수식4]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 우라늄 핵분열 감시자의 방사능 보정방법.

    [수식4]:
    Figure 112021109844946-pat00024

    Figure 112021109844946-pat00025
    : 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환되는 반응률
    Figure 112021109844946-pat00026
    : 플루토늄-239의 핵분열 반응률
    N238(0): 초기조건 우라늄-238 원자수
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KR100950787B1 (ko) 2009-09-21 2010-04-02 한국원자로감시기술 주식회사 교체가 가능한 원자로 용기 노외 중성자 선량 감시자 장치

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