KR102498370B1 - 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 - Google Patents

사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 Download PDF

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신상훈
박재형
변현기
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이두용
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Abstract

사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에 관한 기술이 개시된다. 핵종분석용 방사선 계측시스템은, 무기 섬광체와 섬광체에 연결되고 액상 광도체를 구비하는 센서 케이블을 포함하는 센서부와, 센서 케이블을 감아 보관하는 스풀과 스풀 회전 모터와 하우징을 포함하는 본체부와, 광신호를 전기 신호로 변환하는 광센서와 펄스 신호의 높이를 분류하여 스펙트럼을 출력하는 다중채널분석기를 포함하는 계측부와, 스풀 모터를 제어하여 센서 케이블의 길이를 조절하는 제어부와, 스펙트럼으로부터 지표 핵종의 비율과 사용후핵연료의 연소도를 산출하는 분석부를 포함한다. 본 발명은 액상 광도체를 이용하여 고방사능 환경에서도 원거리까지 빛의 전달이 가능하며, 핵종판별 및 연소도 측정을 용이하게 할 수 있고, 사용후핵연료의 임계 안전성을 쉽게 검증할 수 있다.

Description

사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템{Radiation sensor system for long-distance and real-time spectroscopy to verify spent nuclear fuel}
본 발명은 사용후핵연료의 연소도 검증을 위한 방사선 계측시스템에 관한 것으로, 특히 원거리 실시간 핵종분석과 방사선 계측이 동시에 가능한 방사선 계측시스템에 관한 것이다.
산업기술의 발달에 따라 전기에너지의 수요가 급증하고 있다. 종래에는 전기에너지원으로 화석연료를 주로 사용하였으나, 미세먼지 및 지구 온난화 문제가 있다. 따라서 이산화탄소를 방출하지 않는 전기 에너지원으로서 원자력 발전은 현재 세계적으로 활발하게 이용되고 있다. 다만 원자력 발전에서는 사용후핵연료 등의 방사성 폐기물의 처리가 문제된다.
원전은 전력 생산을 위해 우라늄을 주성분으로 하는 핵연료를 사용한다. 경수로형 원전 핵연료의 경우, 초기 핵연료에는 핵분열에 기여하는 우라늄-235(235U)가 약 3~5% 정도 들어 있다. 핵연료를 원자로에 장전하여 4 년 정도 사용하면 우라늄-235(235U)가 약 1%로 줄어들어 더 이상 발전에 기여하지 못한다. 따라서, 사용하던 핵연료를 원자로에서 꺼내어 제거하고, 새로운 연료를 원자로에 장착해야 한다.
발전에 사용된 후 원자로에서 꺼낸 핵연료를 사용후핵연료(Spent Nuclear Fuel)라고 한다. 사용후핵연료로부터 발생되는 핵분열 생성물과 핵물질은 방사능이 있으며, 방사능 붕괴 시 열에너지가 발생한다. 따라서 원자로에서 인출된 사용후핵연료는 물로 채워진 저장수조에 대개 5년 이상 보관하여 냉각한다.
사용후핵연료는 인출 후 5년 정도 경과하면 발생하는 붕괴열이 크게 감소하기 때문에 저장수조에서 별도의 장소로 이동하여 건식의 중간 저장을 하거나, 재순환을 위해 핵연료 재순환시설로 이송할 수 있다.
사용후핵연료는 높은 열과 방사능을 가지는 물질이므로 안전을 위해서 특별하게 관리해야 한다. 사용후핵연료에서 방사성 붕괴로 인해 발생하는 붕괴열의 크기는 사용후핵연료 내에 있는 핵분열 생성물 등의 방사성물질의 양 혹은 사용후핵연료의 연소도에 비례한다. 사용후핵연료의 저장 및 이송 시 핵임계 안전성 확보를 위하여 연소도 및 결함 여부를 정확히 결정하여 검수할 필요가 있다.
방사성 물질이 방출하는 방사선의 에너지는 핵종에 따라 고유한 값을 가지므로 방사선의 종류와 에너지를 측정하면 핵종을 판별할 수 있다. 감마선 분광분석법은 이러한 성질을 이용하여 방사성 핵종을 정량화하고 판별하는 비파괴 검사 방법의 일종이다. 감마선 분광 분석법은 방사성 물질의 누설 감시, 방사성 폐기물 분석, 및 원자력 시설 해체 및 부지 복원사업에서의 제염평가 등에 널리 활용된다.
종래의 감마선 분광 분석법을 수행하기 위한 방사선 센서는 입사된 방사선에 의하여 빛을 발생시키는 섬광체(scintillator)와, 섬광체가 발생시킨 광신호를 전기신호로 바꾸는 광센서와, 전기신호를 분석하는 파고분석기(Channel Analyzer)를 포함한다. 작업자 피폭을 방지하기 위하여, 섬광체가 발생시키는 빛을 다소 이격된 위치까지 전달할 수 있도록 광섬유(optical fiber)를 이용할 수 있다. 다만, 일정 길이 이상의 광섬유는 방사선의 영향으로 광손실이 커지므로, 거리가 멀어질수록 정확한 측정이 어려워진다.
2009년 12월 09일에 공고된 등록특허 제10-0930681호는 방사성 핵종별 선량률 측정이 가능한 환경방사능 감시시스템의 감시방법에 관한 것이다. 방사성 동위원소를 섬광체 검출기로부터 일정거리 이격하고, 일정시간 동안 방사성 동위원소로부터 방사되는 감마선을 검출하는 감마선검출단계와; 검출신호를 펄스신호로 변환하고, 흡수된 방사선에너지에 비례하는 펄스신호의 크기(파고)별로 분류하여 저장하는 펄스신호 분류 및 저장단계와; 펄스신호 데이터를 에너지스펙트럼으로 출력하는 에너지스펙트럼 출력단계와; 에너지스펙트럼으로부터 계수-선량률 환산인자를 연산하는 계수-선량률 환산인자 연산단계와; 일정 시간 동안 자연환경의 방사선에 대한 에너지 스펙트럼을 측정하는 환경방사선측정단계와; 발견된 방사성 핵종의 선량률 기여분을 연산하는 선량률 기여분 연산단계를 포함하는 감시방법에 대해서 개시하고 있다.
2010년 05월 27일에 공고된 등록특허 제10-0959781호는 방사선 검출 시스템의 핵연료 자동검증장치에 관한 것이다. 케이블의 일단에 마련되어 핵연료 다발로부터 방출된 방사선 세기를 감지하는 방사선 감지센서; 본체의 내부에 마련되며 방사선 감지센서를 수중 저장조의 내부로 승강시킬 수 있도록 케이블을 이송시키는 구동 유닛; 구동 유닛에 의해 승강하는 방사선 감지센서의 상하 방향 위치를 감지하는 위치 감지센서; 및 위치 감지센서에 의해 감지된 방사선 감지센서의 위치에 대한 정보와 방사선 감지센서에 의해 감지된 방사선 세기에 대한 정보로부터 수중 저장조의 상하 방향 측정 구간 내에서의 핵연료 다발의 개수를 산출하는 제어부를 포함하는, 핵연료 자동검증장치가 개시되어 있다.
2019년 03월 15일에 공고된 등록특허 제10-1958627호는 방사능 농도 결정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 복수의 β인자에 대한 현장교정인자 및 복수의 β인자에 대한 핵종별 선량률 환산인자를 도출하여, 복수의 β인자에 대한 핵종별 선량률을 계산하는 핵종별 선량률 환산인자 도출부; 측정된 에너지 스펙트럼 결과로부터 핵종별 선량률을 계산하는 핵종별 선량률 결정부; 및 상기 복수의 β인자에 대한 핵종별 선량률과 상기 핵종별 선량률을 이용하여 방사성 핵종의 매질 내 실제 β인자 및 방사능 농도를 결정하는 β인자 및 방사능 농도 결정부를 포함하는 방사능 농도 결정 시스템에 관하여 개시하고 있다.
다만, 종래의 방사선 검출장치들은 원거리에서 안정적인 방사선 데이터를 얻기 어려워서, 원거리 실시간 감시 시스템을 구성하거나, 측정 데이터를 이용하여 연소도를 구하는 것에 대해서는 구체적으로 개시되어 있지 않다.
본 발명의 일 목적은, 방사선 피폭 우려가 없이 원거리에서 사용후핵연료를 검증할 수 있는 핵종분석용 방사선 계측시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 사용후핵연료의 보관 및 이송 시 자료로 사용이 가능한 핵종 정보를 실시간으로 판별할 수 있는 핵종분석용 방사선 계측시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 시스템이 간단하고 저렴하며, 신속하고 정확하게 사용후핵연료의 연소도 측정이 가능한 핵종분석용 방사선 계측시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템은, 센서부와, 본체부와, 계측부와, 제어부와, 분석부를 포함한다.
센서부는 무기 섬광체와, 센서 케이블을 포함한다. 무기 섬광체는 입사되는 감마선에 의해 빛을 발생시킨다. 센서 케이블은 한쪽 단부가 무기 섬광체에 연결된 케이블로서 액상 광도체를 포함하며 무기 섬광체에서 입사한 빛을 반대쪽 단부로 전달한다.
본체부는 스풀과, 스풀 모터와, 하우징을 포함한다. 스풀은 원통형으로 형성되고 외주면에 센서 케이블을 감아서 보관한다. 스풀 모터는 센서 케이블이 스풀에 감기도록 스풀을 회전시킨다. 하우징은 스풀을 지지한다.
계측부는 광센서와, 다중 채널 분석기를 포함한다. 광센서는 센서 케이블을 통해서 전달되는 빛의 세기에 비례하는 전기 신호를 발생시킨다. 다중 채널 분석기는 광센서에서 발생한 펄스 신호를 높이에 따라 분류한 스펙트럼 데이터를 출력한다.
제어부는 센서 케이블의 길이를 조절하기 위해 스풀 모터를 제어한다.
분석부는 계측부에서 전달받은 스펙트럼 데이터를 이용하여 지표 핵종의 비를 구하고 사용후핵연료의 연소도를 산출한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 센서부는 센서 케이블이 내부에서 이동 가능하도록 관형으로 형성되고, 하우징과 결합이 가능한 가이드관을 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 계측부는, 광센서에 고전압을 인가하는 고전압 전원 공급 장치; 및 광센서에서 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 본체부는, 상기 센서 케이블이 상기 스풀에 감기는 이동 경로상에 위치하며, 상기 센서 케이블의 양쪽에 마주보도록 설치되는 한 쌍의 케이블 드럼 롤러를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 본체부는, 상기 스풀에 감기는 상기 센서 케이블의 수분을 제거하고 건식제염을 수행하는 건조기를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 분석부는, 상기 계측부에서 전달받은 스펙트럼 데이터의 피크 위치를 지표 핵종의 피크 위치와 비교하여 에너지 스펙트럼을 산출하는 에너지 스펙트럼 산출부; 및 상기 에너지 스펙트럼에서 지표 핵종의 피크 면적 값을 이용하여 핵종비를 결정하는 핵종비 결정부를 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 분석부는, 에너지 스펙트럼의 피크 높이를 분석하여 상대 검출효율을 결정하는 상대 검출효율 결정부를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 센서부는 내부에 동일한 액상 광도체를 포함하고, 상기 센서 케이블과 나란히 설치되는 보조 케이블을 더 포함한다. 상기 분석부는, 센서 케이블에서 입력된 신호에서 섬광체가 연결되지 않은 보조 케이블에서 얻은 신호를 감산하여 체렌코프 신호를 제거하는 체렌코프 신호 제거부를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 분석부는, 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 이용하여, 사용후 핵연료의 축방향 연소도를 산출하는 연소도 분포 산출부를 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 분석부는, 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 비교하여, 스펙트럼 변화가 심한 부위를 판별하는 결함 탐지부를 더 포함한다.
제안된 발명에 따른 핵종분석용 방사선 계측시스템은, 원거리에서도 광손실이 적은 액상광도체를 사용하여 방사선 피폭 우려 없이 원거리에서 사용후핵연료를 검증할 수 있다.
나아가 제안된 발명의 핵종분석용 방사선 계측시스템은, 사용후핵연료의 축방향 연소도 분포와 결함여부를 실시간으로 판별할 수 있다.
나아가 제안된 발명의 핵종분석용 방사선 계측시스템은, 측정이 용이하고, 원거리 핵종 판별이 가능하며, 사용후핵연료 검사 기간을 단축할 수 있다. 또한, 사용후핵연료의 안전관리를 위한 소내저장, 중간저장, 손상/결함 검사 등에 따른 사용후핵연료 이동을 억제함으로써 사용후핵연료 관리의 안전성, 경제성 등의 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 전체적인 구성을 간단히 나타내는 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 구체적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예의 변형에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 구체적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 중 분석부의 구체적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 5는 일 실시예의 변형에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 중 분석부의 추가적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에서 상대 검출효율을 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에서 연소도를 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 또는 타 실시예의 구성 요소들과 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 기재 내용 혹은 제안된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에서 모듈 또는 부분은, 컴퓨터 또는 프로세서에서 실행 가능하도록 메모리에 저장된 프로그램 명령어의 집합이거나, 이러한 명령들을 수행할 수 있도록 ASIC, FPGA 등의 전자 부품 또는 회로의 집합을 이용하여 구현할 수 있다. 또한, 각 모듈 또는 부분의 동작은 하나 또는 복수의 프로세서 또는 장치에 의해 수행될 수 있다. 동일·유사한 부호가 표시된 구성요소는 동일·유사한 기능을 수행하므로, 설명을 생략할 수 있다. 설명이 생략된 도면부호를 가진 구성요소에 대해서는, 동일·유사한 부호를 가진 구성요소에 대해 앞에서 설명한 내용을 참조할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 전체적인 구성을 간단히 나타내는 구성도이다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템(100)은 센서부(110)와, 본체부(130)와, 계측부(150)와, 제어부(170)와, 분석부(180)를 포함한다.
제어부(170)는 본체부(130)와 계측부(150)와 분석부(180)가 특정 작업을 수행하도록 제어할 수 있다. 본체부(130)는 센서부(110)를 측정 위치로 이동시킨다. 센서부(110)에서 측정된 방사선은 빛으로 변환되어 계측부(150)로 전달된다. 계측부(150)에서 빛이 전기신호로 변환되고, 분석부(180)로 전달되어 에너지, 핵종, 연소도 등을 측정한다.
제어부(170)와 분석부(180)는 하나의 프로세서에서 동작하도록 구성하거나, 복수의 프로세서에서 각각 동작하도록 구성할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 구체적인 구성을 나타내는 사시도이다.
센서부(210)는 섬광체(211)와 센서 케이블(213)을 포함한다. 섬광체(211)는 입사되는 감마선에 의해 주로 가시광 영역의 빛을 발생시킨다. 센서 케이블(213)은 한쪽 단부가 섬광체(211)에 연결되고 다른쪽 단부는 계측부(250)에 연결되어, 섬광체로부터 입사한 빛을 반대쪽 단부에 연결된 계측부로 전달한다.
섬광체(Scintillator)(211)는 이온화에 의해 손실된 에너지를 빛의 펄스로 변환하는 물질이다. 핵반응에서 발생한 감마선은 섬광체에 도달하여 섬광체와 광전 효과, 컴프톤 산란, 전자-양전자 쌍생성 등의 상호작용을 한다. 섬광 과정에서 감마선의 운동 에너지는 섬광체의 원자(전자)를 여기시켜 가시광 영역의 빛으로 변환된다. 여기상태에서 방출된 빛의 강도(세기)는 이온화 입자인 전자 개수에 비례한다.
섬광체(211)는 유기 섬광체를 사용할 수 있으나, 무기 섬광체를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 할라이드 계열 무기 섬광체인 LaBr3(Ce)와 CeBr3를 사용할 수 있다. LaBr3(Ce)는 높은 에너지 분해능(662 keV에서 3%)과 짧은 감쇠시간(~ 20 ns)을 가지고 있다. CeBr3는 낮은 고유 방사능을 가져 최소 검출한계가 우수하다.
센서 케이블(213)은 내부에는 광도체(light guide)(214)가 배치되어 일단으로 입사한 빛을 타단으로 전달한다. 광도체는 액상 광도체(liquid light guide; LLG)를 사용하는 것이 바람직하다. 액상 광도체(214)는 플라스틱 광섬유보다 넓은 파장대(200 ~ 700 nm)에 대하여 높은 전송률(~ 90%)을 나타낸다. 액상 광도체는 대구경으로 높은 패킹 계수(packing fraction)를 가져 섬광체에서 발생된 광신호를 원거리까지 전송할 수 있다. 특히 액상 광도체는 고방사선 환경에서도 그 성능을 유지할 수 있다. 플라스틱 광섬유의 경우 방사선량이 증가함에 따라 600 nm 대역의 전송률이 급혁히 감소하는데 비해, 액상 광도체는 최대 1.5 × 104 Gy 환경에서도 주요 섬광 파장대인 385 ~ 500 nm에 대해 전송률이 유지된다.
본체부(230)는 스풀(spool)(235)과, 스풀 모터(236)와, 하우징(239)을 포함한다. 스풀(235)은 원통형으로 형성되고, 외주면에 센서 케이블(213)을 감아서 보관할 수 있다. 스풀 모터(236)는 스풀을 회전시켜, 센서 케이블(213)이 스풀(235)의 외주면에 감기도록 한다. 하우징(239)은 스풀과 스풀 모터를 지지한다.
추가적인 양상에 의하면, 본체부는 스풀 모터(236)의 회전을 스풀(235)로 전달하여 회전시키는 스풀 회전 부재(237)를 더 포함한다. 스풀 모터에 유도전동기를 사용하고, 원반형 스풀 회전부재를 사용할 수 있다. 스풀 회전 부재 외주면에는 요철을 설치하고, 스풀의 원통 내면(238)에 스풀 회전 부재에 맞물리는 요철을 형성할 수 있다. 스풀 회전 부재 외주면에 고무 재질의 오링을 하나 이상 설치하고, 스풀 원통 내면과 마찰 접촉하여 회전하도록 구성할 수도 있다. 이러한 구성을 사용하면, 회전하는 스풀의 원통 내면의 공간에 스풀 모터(236) 및 계측부(250)를 배치할 수 있어서, 장치의 소형화가 가능하다.
스풀(235)은 내부에 스풀을 회전시키는 회전축 부재를 포함할 수 있다. 회전축 부재는 하우징의 일 면 또는 서로 마주보는 양면에 고정시킬 수 있다.
추가적인 양상에 의하면, 하우징(239)은 스풀의 원통이 회전하는 원형 레일(231)을 더 포함한다. 스풀의 외주면의 모서리는 원형 레일과 베어링 결합을 하여, 스풀이 원활히 회전할 수 있도록 할 수 있다.
계측부(250)는 광센서(253)와 다중 채널 분석기(multi-channel analyzer; MCA)(257)를 포함한다. 광센서(253)는 센서 케이블을 통해서 전달되는 빛의 세기에 비례하는 전기 신호를 발생한다. 다중 채널 분석기(257)는 광센서에서 발생한 전기 펄스 신호를 높이에 따라 분류한 스펙트럼 데이터를 출력한다.
광센서(253)는 고방사능에서 사용 가능하고 섬광체에서 방출하는 빛의 파장 영역에 민감하게 반응하는 것을 사용한다. 광센서로는 광다이오드와 같은 반도체 소자를 이용한 광소자를 사용할 수 있으나, 광전증배관(photo-multiplier tube; PMT)를 사용하는 것이 바람직하다. 광전증배관에서 출력되는 전기 신호의 진폭은 방사선의 흡수 에너지, 전자의 운동 에너지에 비례한다. 광다이오드 및 광전증배관과 같은 광 검출소자의 민감 영역은, 섬광체에서 방출되는 빛의 파장 영역과 겹치거나 근접하도록 선택된다.
다중 채널 분석기(multi-channel analyzer; MCA)(257)는 출력 펄스를 크기별로 분류한다. 다중 채널 분석기(257)는 광센서에서 출력된 펄스 형의 전기신호를 입력 받아 펄스 높이(전압)에 따른 펄스 개수를 출력한다. 즉 아날로그 전기신호를 펄스 높이에 따라 디지털 신호로 변환한다. 펄스 높이는 에너지에 대응시킬 수 있으므로, 다중 채널 분석기의 출력 스펙트럼을 이용하여 에너지 스펙트럼을 구할 수 있다. 즉, 알려진 방사선원의 피크를 이용하여 채널을 에너지로 보정할 수 있다.
다중 채널 분석기(257)는 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter; ADC), 제어 로직 IC, 메모리를 포함한다. 다중 채널 분석기는 모든 전압 범위의 펄스를 한 번에 수집하고 이 정보를 실시간으로 스펙트럼으로 출력한다. 출력된 스펙트럼은 별도의 프로세서, PC, 등을 이용하여 분석 및 출력할 수 있다.
계측부(250)는 고전압 전원(251) 및 증폭기(255)를 더 포함할 수 있다. 고전압 전원(251)은 광센서(253)가 원활하게 동작하도록 고전압을 공급한다. 증폭기(255)는 광센서에서 출력되는 전기신호를 증폭한다. 증폭기는 전치 증폭기와 메인 증폭기로 나누어 구성할 수 있다. 증폭기에서 출력되는 신호는 다중 채널 분석기(257)로 입력된다.
제어부(270)는 센서 케이블(213)의 길이를 조절하기 위해 스풀 모터(236)를 제어한다. 제어부(270)는 입력부(275)와 표시부(273)를 포함한다. 입력부(275)는 사용자로부터 계측기 동작을 제어하는 입력을 받는다. 표시부(273)는 계측기의 동작 내용을 표시할 수 있다.
분석부(280)는 계측부(250)에서 전달받은 스펙트럼 데이터를 이용하여 지표 핵종의 비를 구할 수 있다. 지표 핵종의 비를 이용하여 사용후핵연료의 연소도를 산출할 수 있다.
분석부(280)는 알려진 방사선원에 대해 다중 채널 분석기(257)에서 얻은 스펙트럼의 피크 위치 및 간격을 비교하여 에너지 스펙트럼을 생성할 수 있다. 에너지 스펙트럼의 피크를 분석하면, 감마선의 에너지를 측정할 수 있다. 피크 면적에서 감마선 방출률(수)을 측정할 수 있으므로 방사성 핵종을 식별할 수 있다.
분석부(280)는 제어부(270)와 함께 구성하거나, 별도의 장치에 구성할 수 있다. 분석부(280)와 제어부(270)의 동작은 하나 이상의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 분석부(280)와 제어부(270)는 메모리를 더 포함할 수 있으며, 프로세서가 수행하는 명령은 메모리에 저장될 수 있다. 분석부에는 분석하는 데이터가 저장되는 메모리를 더 포함할 수 있다.
도 3은 일 실시예의 변형에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템의 구체적인 구성을 나타내는 단면도이다.
일 실시예의 변형에 따르면, 스풀(335)은 수직으로 배치될 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 센서부(310)는 가이드관(319)을 더 포함한다. 가이드관(319)은 센서 케이블(313)이 내부에서 이동 가능하도록 관형으로 형성된다. 가이드관(319)은 본체부의 하우징(339)과 결합할 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 본체부(330)는 한쌍의 케이블 드럼 롤러(332)를 더 포함한다. 케이블 드럼 롤러(332)는 상기 센서 케이블이 상기 스풀(335)에 감기는 이동 경로상에 위치하며, 상기 센서 케이블의 양쪽에 마주보도록 설치된다. 한 쌍의 케이블 드럼 롤러(332) 중 하나는 모터에 연결되어 회전하는 가동 롤러이고, 나머지 하나는 케이블의 압력에 의해 회전하는 종동 롤러로 구성할 수 있다. 도 3을 참조하면, 아래쪽의 롤러를 모터로 회전시키는 가동 롤러로 구성하고, 위쪽의 롤러를 케이블의 이동에 따라 회전하는 종동 롤러로 구성할 수 있다. 이러한 구성을 이용하면, 롤러의 중력으로 센서 케이블에 적당한 압력을 가하는 것이 가능하여, 센서 케이블의 안정적인 이송이 가능하다.
추가적인 양상에 따르면, 본체부(330)는 건조기(331)를 더 포함한다. 건조기(331)는 스풀(335)에 감기는 상기 센서 케이블의 수분을 제거하고 건식 제염을 수행한다.
도 4는 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 중 분석부의 구체적인 구성을 나타내는 구성도이다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(480)는 에너지 스펙트럼 산출부(481)를 포함한다. 에너지 스펙트럼 산출부(481)는 계측부에서 전달받은 스펙트럼 데이터의 피크 위치를 지표 핵종의 피크 위치와 비교하여 에너지 스펙트럼을 산출한다.
다중 채널 분석기(257)로부터 전달받은 스펙트럼의 x축 값은 피크의 높이에 해당하는 채널 값이다. 에너지 스펙트럼 산출부(481)는 입력된 스펙트럼에서 피크의 위치를 찾아내고, 미리 알고 있는 핵종의 에너지 피크 위치와 비교하여, 스펙트럼의 채널 값을 에너지 값으로 교정한다. 에너지 스펙트럼 산출부는 x축의 채널 값을 에너지로 변환시킨 에너지 스펙트럼을 출력할 수 있다.
감마선 스펙트럼 측정으로 구한 각각 피크의 면적(카운트 수)을 이용하면 방사성 시료에 포함되어 있는 핵종의 양을 알 수 있다. 감마선 스펙트럼의 매초당 카운트 수(피크 면적) S는 다음 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022102737367-pat00001
여기에서, N 은 방사성핵종 원자수, τ 는 핵종의 반감기, Γ 는 매 붕괴 당 특정에너지 감마선 방출 확률, ε(E) 는 검출 시스템의 에너지에 따른 검출 효율을 나타낸다.
방사선원의 분포와 방사능을 알고 있는 표준 선원을 이용하면, 검출 시스템의 검출효율을 구할 수 있다. 검출효율을 이용하면, 에너지 스펙트럼으로부터 측정된 시료에 포함된 방사성 핵종의 양을 구할 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(480)는 상대 검출효율 결정부(484)를 더 포함한다. 상대 검출효율 결정부(484)는 에너지 스펙트럼의 피크 높이를 분석하여 상대 검출효율을 결정한다.
방사선원과 측정장치의 기하학적 배치 및 검출기의 고유 검출효율 등에 의해 에너지에 따라 검출효율이 달라질 수 있다. 측정 프로브를 이동하면서 측정하는 경우, 표준 선원을 이용한 검출효율 보정이 어려우므로 에너지 스펙트럼으로부터 상대 검출효율을 구하여 이용하는 것이 바람직하다.
하나의 핵종으로부터 얻어진 다중 피크들은 각각 일정한 방출확률(Γ)로 생성되므로 피크들의 면적을 비교하여 검출효율을 구할 수 있다. 스펙트럼의 피크의 면적과 피크에 해당하는 감마선 방출 확률을 이용하면, 수학식 1에서 방출 에너지에 따른 검출효율 ε(E)을 결정할 수 있다. 즉, 검출효율 ε(E)은 다음 수학식 2로 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112022102737367-pat00002
상대검출효율을 잘 측정하기 위해서는 양호한 피크를 얻는 것이 중요하다. 134Cs 와, 137Cs 와, 154Eu 는, 반감기가 각각 2.06년, 30.06년, 8.59년으로 상당히 길고, 냉각 기간이 오래 경과하여도 상당한 세기의 감마선을 나타내므로, 지표 핵종으로 사용하기에 좋다. 특히, 134Cs 와, 154Eu 는 다양한 에너지를 가지는 여러 개의 명확한 피크를 생성하므로, 검출효율의 에너지 의존성을 검출하는데 유용하다.
상대 검출효율 ε(E) 을 에너지 E 에 대한 간단한 회귀 함수로 결정할 수 있다. 예를 들어, 에너지에 대한 일차함수 ε(E) = A + B × E 또는 에너지에 대한 로그함수 ε(E) = C + D × log10 E 등과 같은 회귀함수를 이용할 수 있다. 여기에서, A, B, C, D 는 데이터의 오차가 최소가 되도록 하는 계수들이다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(480)는 핵종비 결정부(485)를 더 포함한다. 핵종비 결정부(485)는 에너지 스펙트럼에서 지표 핵종의 피크 면적 값을 이용하여 핵종비를 결정한다.
에너지 스펙트럼으로부터 각각의 피크의 위치와 크기를 이용하여 해당하는 핵종을 매칭할 수 있다. 구하려는 핵종의 피크에 대해 수학식 1에 상대 검출효율을 대입하면 다음 수학식 3을 이용하여 핵종비를 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112022102737367-pat00003
핵종비는 134Cs, 137Cs, 154Eu와 같은 지표 핵종을 이용하여 구하는 것이 바람직하다. 즉, 134Cs/137Cs 또는 154Eu/137Cs와 같은 핵종비를 구하여, 연소도 결정에 이용할 수 있다. 134Cs 또는 154Eu는 여러 개의 피크를 가지고 있으나, 137Cs의 피크와 가까운 위치의 피크를 사용하는 것이 계통 오차를 더욱 줄일 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(480)는 연소도 결정부(488)를 더 포함한다. 연소도 결정부(488)는 전산 코드에 의해 구한 핵종비-연소도 관계식에 핵종비를 대입하여 연소도를 결정한다.
핵분열에 따른 지표 핵종의 핵종비(134Cs/137Cs 또는 154Eu/137Cs)와 연소도(G) 사이의 핵종비-연소도 관계식은 다음 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
[수학식 4]
134Cs/137Cs = P1+P2×G+P3×G2
154Eu/137Cs = Q1+Q2×G+Q3×G2
여기에서, P1, P2, P3 와 Q1, Q2, Q3 는 각각 핵종비와 연소도 회귀 계수이다.
시편을 통한 파괴적 분석이 아닌 비파괴적 감마 분광 분석법으로는 직접 연소도를 결정할 수 없으므로, ORIGEN과 같은 전산코드를 통해 핵연료의 초기조건과 연소도(입력변수)에 따른 지표 핵종의 생성량과 핵종비-연소도 간 관계식의 계수를 도출한다. 전산 코드에 원자로 노형, 핵연료 형태, 농축도 등의 초기조건과, 연소도, 냉각시간 등을 입력하면, 핵분열로 생성되는 방사성 동위원소의 생성량을 계산할 수 있다. 연소도(G)를 변화시키면서 생성되는 지표 핵종의 생성량 데이터를 수집하여, 수학식 4의 핵종비-연소도 관계식의 회귀계수들을 구할 수 있다.
핵종비 결정부(485)에서 결정된 핵종비를 수학식 4에 대입하여 연소도(G)를 구할 수 있다. 구해진 연소도는 발전소 공표값과 비교하여 검증할 수 있다.
도 5는 일 실시예의 변형에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템 중 분석부의 추가적인 구성을 나타내는 구성도이다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(580)는 연소도 분포 산출부(591)를 더 포함한다. 연소도 분포 산출부(591)는 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 이용하여 사용후 핵연료의 축방향 연소도를 산출한다. 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서, 사용후핵연료에서 방출되는 방사선 스펙트럼을 획득할 수 있다. 측정된 스펙트럼 데이터와 연소도 데이터는 사용후핵연료의 위치와 함께 저장될 수 있고, 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 연소도 분포를 얻을 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(580)는 결함 탐지부(593)를 더 포함한다. 결함 탐지부(593)는 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 비교하여, 스펙트럼 변화가 심한 부위를 판별한다. 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 스펙트럼 분포를 비교하여, 발생하는 피크의 위치와 크기가 다른 스펙트럼과 다른 경우 해당 부위에서 결함이 발생으로 판단할 수 있다. 결함이 발생한 것으로 판단하는 경우, 외부로 알람을 발생할 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 분석부(580)는 체렌코프 신호 제거부(595)를 더 포함한다. 센서부는 보조 케이블을 더 포함할 수 있다. 보조 케이블은 내부에 센서 케이블(기본 케이블)과 동일한 액상 광도체를 포함하고, 기본 케이블(센서 케이블)과 나란히 설치된다. 보조 케이블은 기본 케이블과 동일한 굵기와 길이를 가질 수 있다. 보조 케이블은 별도의 광전증배관을 통해 전기신호로 변환된다. 분석부의 체렌코프 신호 제거부(595)는 센서 케이블에서 입력된 신호에서 섬광체가 연결되지 않은 보조 케이블에서 얻은 신호를 감산하여 체렌코프 신호를 제거할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에서 상대 검출효율을 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
지표 핵종의 방사선을 측정하여 에너지 스펙트럼을 구한다(S630). 지표 핵종으로는 반감기가 길고 피크가 명확한 134Cs, 137Cs, 154Eu 등을 사용할 수 있다. 에너지 스펙트럼의 피크를 분석한다(S635). 피크 위치에 맞는 지표 핵종을 파악한다. 에너지에 따라 검출효율이 달라지므로, 134Cs 와, 154Eu 와 같은 지표 핵종의 에너지 스펙트럼에서 강도가 큰 피크들에 대해 크기(면적) 비를 구한다. 지표 핵종의 상대 검출효율을 결정한다(S640). 수학식 2에 피크의 크기 및 지표 핵종의 방출확률을 이용하여 지표 핵종의 상대 검출효율을 결정한다.
도 7은 일 실시예에 따른 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에서 연소도를 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
방사선을 측정하여, 에너지 스펙트럼을 구한다(S710). 에너지 스펙트럼의 피크 위치를 확인하여, 각 피크에 해당하는 핵종을 매칭한다(S720). 각 핵종의 스펙트럼 피크 면적을 이용하여 핵종비를 결정한다(S750). 핵종비는 지표 핵종을 이용한 지표 핵종의 핵종비(134Cs/137Cs 또는 154Eu/137Cs)를 이용하는 것이 바람직하다.
피크의 크기(면적)와 지표 핵종의 감마선 방출확률을 이용하여 상대 검출 효율을 결정한다(S740). 상대 검출효율 ε(E)은 일차함수 또는 로그함수 등과 같이 에너지 E 에 대한 회귀 함수로 구할 수 있다.
구해진 핵종비를 핵종비-연소도 관계식에 대입하여 연소도를 결정한다(S780). 핵종비-연소도 관계식은 수학식 4를 이용하여 구할 수 있다(S770). 수학식 4에 전산코드를 통해 핵연료의 초기조건과 연소도에 따른 핵종비-연소도 관계식의 계수를 구할 수 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.
100 : 계측시스템 110 : 센서부
130 : 본체부 150 : 계측부
170 : 제어부 180 : 분석부
210 : 센서부 211 : 섬광체
213 : 센서 케이블 214 : 액상 광도체
230 : 본체부 231 : 원형 레일
235 : 스풀 236 : 스풀 모터
237 : 스풀 회전 부재 239 : 하우징
250 : 계측부 251 : 고전압 전원
253 : 광센서 255 : 증폭기
257 : 다중 채널 분석기
270 : 제어부 273 : 표시부
275 : 입력부 280 : 분석부
310 : 센서부 313 : 센서 케이블
319 : 가이드관
330 : 본체부 331 : 건조기
332 : 케이블 드럼 롤러 335 : 스풀
339 : 하우징
480 : 분석부 481 : 에너지 스펙트럼 산출부
484 : 상대 검출효율 결정부 485 : 핵종비 결정부
488 : 연소도 결정부
580 : 분석부 591 : 연소도 분포 산출부
593 : 결함 탐지부 595 : 체렌코프 신호 제거부

Claims (10)

  1. 사용후핵연료 검증을 위한 원거리 실시간 핵종분석용 방사선 계측시스템에 있어서,
    입사되는 감마선에 의해 빛을 발생시키는 무기 섬광체와, 한쪽 단부가 상기 무기 섬광체에 연결된 케이블로서 액상 광도체를 포함하며 상기 무기 섬광체에서 입사한 빛을 반대쪽 단부로 전달하는 센서 케이블을 포함하는 센서부;
    원통형으로 형성되고 외주면에 상기 센서 케이블을 감아서 보관하는 스풀과, 상기 센서 케이블이 상기 스풀에 감기도록 상기 스풀을 회전시키는 스풀 모터와, 상기 스풀을 지지하는 하우징을 포함하는 본체부;
    상기 센서 케이블을 통해서 전달되는 빛의 세기에 비례하는 전기 신호를 발생하는 광센서와, 상기 광센서에서 발생한 펄스 신호를 높이에 따라 분류한 스펙트럼 데이터를 출력하는 다중 채널 분석기를 포함하는 계측부;
    상기 센서 케이블의 길이를 조절하기 위해 상기 스풀 모터를 제어하는 제어부; 및
    상기 계측부에서 전달받은 스펙트럼 데이터를 이용하여 지표 핵종의 비를 구하고 사용후핵연료의 연소도를 산출하는 분석부;
    를 포함하며,
    상기 센서부는,
    내부에 상기 센서 케이블과 동일한 액상 광도체를 포함하고, 상기 센서 케이블과 나란히 설치되는 보조 케이블;을 더 포함하고,
    상기 분석부는,
    상기 센서 케이블에서 입력된 신호에서 섬광체가 연결되지 않은 보조 케이블에서 얻은 신호를 감산하여 체렌코프 신호를 제거하는 체렌코프 신호 제거부;
    상기 계측부에서 전달받은 스펙트럼 데이터의 피크 위치를 지표 핵종의 피크 위치와 비교하여 에너지 스펙트럼을 산출하는 에너지 스펙트럼 산출부; 및
    상기 에너지 스펙트럼에서 지표 핵종의 피크 면적 값을 이용하여 핵종비를 결정하는 핵종비 결정부;를 포함하는
    핵종분석용 방사선 계측시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 센서 케이블이 내부에서 이동 가능하도록 관형으로 형성되고, 상기 하우징과 결합이 가능한 가이드관;
    을 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 계측부는,
    상기 광센서에 고전압을 인가하는 고전압 전원 공급 장치; 및
    상기 광센서에서 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭기;
    를 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체부는,
    상기 센서 케이블이 상기 스풀에 감기는 이동 경로상에 위치하며, 상기 센서 케이블의 양쪽에 마주보도록 설치되는 한 쌍의 케이블 드럼 롤러;
    를 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체부는,
    상기 스풀에 감기는 상기 센서 케이블의 수분을 제거하고 건식제염을 수행하는 건조기;
    를 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분석부는,
    에너지 스펙트럼의 피크 높이를 분석하여 상대 검출효율을 결정하는 상대 검출효율 결정부;
    를 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 이용하여, 사용후 핵연료의 축방향 연소도를 산출하는 연소도 분포 산출부;
    를 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 센서부를 사용후핵연료의 축방향으로 이동시키면서 획득한 사용후핵연료의 축방향 위치에 따른 복수의 스펙트럼을 비교하여, 스펙트럼 변화가 심한 부위를 판별하는 결함 탐지부;
    를 더 포함하는 핵종분석용 방사선 계측시스템.
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