KR19990011074A - 원자력발전소용 자기 출력형 중성자검출기 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

원자력 발전소용 자기출력형 중성자 감시장치의 설계 및 그의 제조기술에 관한 것으로서, 에미터의 재질을 다양하게 선택해서 자기출력형 중성자 검출기를 설계할 수 있는 알고리듬을 제공하기 위해, 원자력 발전소용 자기출력형 중성자 감시장치의 검출기에 있어서, 베타입자의 이탈확률을 증가시키기 위해 그의 중심속이 빈 에미터소자와 산화알루미늄의 절연체로 구성되고, 또한 튜브형상으로 이루어지며, 튜브형상의 총직경은 0.076㎝ 이내로 하였다.

이렇게 하는 것에 의해, 다양한 재질의 에미터를 사용할 수 있고, 또 그 사용수명을 연장시킬 수 있으며, 검출효율을 높이고, 신호증폭을 위한 주변의 전자회로를 간단히 할 수 있다는 등의 효과가 있다.

Description

원자력발전소용 자기 출력형 중성자 검출기 및 그의 제조방법

본 발명은 원자력 발전소용 자기출력형 중성자 감시장치의 설계 및 그의 제조기술에 관한 것으로서, 특히 원자력발전소용 자기출력형 중성자 검출기, 그 검출기를 설계하기 위한 알고리듬, 특성시험방법 및 검출기의 제조방법에 관한 것이다.

현재 원자력 발전소에서 원자로 내의 전체 파워와 위치에 따른 출력분포, 그리고 연소도를 측정하기 위한 장치로서 자기출력형 중성자 검출기가 쓰이고 있으나 중성자 검출에 따른 전류값이 낮고 응답시간이 길며 수명이 짧아 자주 교체하여야 하는 단점이 있다.

종래 사용하던 로디움(Rh)을 사용한 자기출력형 중성자 검출기(Self Powered Neutron Detector)는 로디움 에미터(emitter)물질의 중성자 포획반응 원리에 의해 작동된다. 로디움에 입사된 중성자는 포획되어 베타(Bata)붕괴를 거치면서 에미터를 이탈한 만큼의 충분한 에너지를 가진 고에너지의 전자를 방출한다. 방출된 전자는 산화알루미늄(Al₂O₃) 절연체(Insulator)를 거쳐 전하 집적체(Collector)에 모여지고 에미터에 부착된 전기도선(Conductor)에는 양전하가 생성된다.

생성된 양전하는 에미터에서 중성자 흡수율에 비례하는 전류를 생성한다. 전류신호는 광전자 흡수반응, 콤프톤 산란반응 및 쌍전자 생성에 의해 약 6%가 발생되고, 로디움 104의 베타붕괴에 의해 87%, 그리고 로디움 104m의 이중 붕괴에 의해 약 7%가 발생된다. 베타붕괴는 결국 시간에 따라 로디움의 연소를 가져오고 이로 인하여 계측기의 민감도 저하를 초래한다.

기존의 에미터와 절연체 그리고 집적체가 밀집(Solid)된 형상을 가진 검출기는 제조가 용이하다는 장점은 있으나 중성자 입자에 의해 생성된 전자가 로디움에 흡수되지 않고 집적체에 전달되는 이탈확률(Escape probability)이 적어 생성 전류치가 작아지는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명자들은 기존의 검출기가 가지고 있는 단점을 개선하기 위해 검출에 쓰이는 소자의 변경과 검출기의 형상 변경을 통해, 상대적으로 짧은 응답시간과 큰 전류치를 얻을 수 있는 개선된 자기출력형 중성자 검출기를 설계하는 방법과 극소형 검출기를 경제적으로 제조할 수 있는 방법 등을 개발하고자 하였다.

본 발명의 제1의 목적은 에미터의 재질을 다양하게 선택해서 자기출력형 중성자 검출기를 설계할 수 있는 알고리듬을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 에미터에 있어서 베타입자 비흡수(이탈)확률 계산 알고리듬과 중성자 검출기형상에 따른 특성시험방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 목적은 장수명화하고, 검출효율을 높이고 신호증폭을 위한 주변의 전자회로를 간단히 할 수 있는 극소형 검출기 딪 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 감시 시스템 전체 구성도,

도 2a 및 도 2b는 자기출력형 중성자 검출기 구조도 및 검출원리도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 개선된 형상의 튜브형 검출기 구조도 및 특성 비교표,

도 4는 다중 튜브형상을 가진 극소형 검출기 연속 제조장치.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

50 : 검출기 51 : 외부집적체

52 : 외부절연체 53 : 에미터

54 : 내부절연체 55 : 내부집적체

100 : 에미터 인출부 101 : 하부고정대

102 : 가압부 103 : 레버

104 : 실린더 105 : 산화알루미늄의 분말

106 : 제조장치의 본체 107 : 에미터 고정부

108 : 전극 109 : 튜브고정부

110 : 에미터 보호부

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 원자력 발전소용 자기출력형 중성자 감시장치의 검출기에 있어서, 베타입자의 이탈확률을 증가시키기 의해 그의 중심속이 빈 에미터소자와 산화알루미늄의 절연체로 구성되고, 또한 튜브형상으로 이루어지며, 상기 튜브형상의 총직경은 0.076㎝ 이내로 하였다.

또한, 상기 에미터소자는 은(Ag), 백금(Pt) 또는 코발트(Co)중의 어느 하나를 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 검출기의 에미터와 전극을 고정하는 고정부, 상기 에미터를 둘러싸는 절연체를 형성하도록, 상기 절연체재료를 미세공간내에 충진시키는 충진부와 상기 에미터와 절연체로 형성된 검출기를 연속적으로 이송시키는 이송부를 포함하며, 상기 검출기가 다중 튜브형상으로 형성된다.

또한, 상기 충진부는 재료자체의 중량에 의한 압력충진방식으로 형성하였다.

먼저, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에 본 발명의 개요에 대해 설명한다.

본 발명자들은 다양한 재질의 에미터물질을 실제 제작 전에 성능평가를 통하여 에미터로서의 적절성을 확인하고 긴 수명의 검출기를 제작토록 하기 위하여 몬테칼로 방법을 이용한 자기 출력형 중성자 검출기의 설계방법을 도입하여 검출기 소자가 중성자와 반응하여 연소됨에 따른 민감도 변화량을 계산하는 알고리듬을 개발하였다.

또한, 수치적분을 이용하여 특정 물질이 중성자와 반응하여 붕괴에 따른 베타, 감마선의 생성량을 계산하고 중성자의 분포량을 계산하는 알고리듬을 개발하였다.

또, 자기 출력형 중성자 검출기의 늦은 응답시간과 단수명의 단점을 극븍할 수 있는 새로운 방법과 신물질을 개발하였다.

또, 큰 전류를 생성시키기 위해 기존의 집적체 방식의 검출기 방식에서 튜브타입의 검출기로 형상을 바꾸어 설계, 제작하는 방법에 대해서도 개발하였다.

종래 사용되던 로디움(Rh)을 사용한 자기출력형 중성자 검출기(Self Powered Neutron Detector)는 로디움 에미터(emitter)물질의 중성자 포획반응 원리에 의해 작동된다.

발생되는 전류신호는 광전자 흡수반응, 곰프톤 산란반응 및 쌍전자 생성에 의해 약 6%가 발생되고, 로디움 104의 베타붕괴에 의해 87%, 그리고 로디움 104m의 이중 붕괴에 의해 약 7%가 발생된다.

베타붕괴는 결국 시간에 따라 로디움의 연소를 가져오고 이로 인하여 계측기의 민감도 저하를 초래한다. 따라서, 기존의 물질인 로디움과 바나디움 대신 은(Ag¹⁰⁹)을 사용한다면 열중성자 반응 단면적이 적어지는 효과를 거둘수 있고 또한 백금(Pt)과 코발트(Co) 등의 감마선 민감형 소재를 사용할 경우와 같이 장수명을 가진 검출기를 제작할 수 있다. 그러나, 이들 소재를 사용할 경우 단위면적당 전류 생성치가 적어져 검출효율이 작아지는 단점이 있다. 전류치는 중성자 또는 감마선 조사량에 비례하여 발생하는 전자가 얼마나 효과적으로 에미터에 흡수되지 않고 접적체(Collector)에 전달되는 가에 비례한다.

전자의 이탈확률은 에미터와 집적체 사이의 임계거리에 좌우되는 위치의존적 관계가 있으므로 만일 검출기의 형상을 튜브식으르 바꾼다면 전류치가 38% 정도 상승하는 효과를 가져와 검출효율을 높이고 신호증폭을 위한 전자회로를 간단히 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 다양한 재료를 검출기 소재로 사용하려면 위에서 설명한 민감도와 전자, 감사선의 생성량 그리고 생성위치 등이 계산되어야 한다. 이와 같은 설계변수를 계산하기 위한 방법으로서 몬테칼로 확률방법을 이용한 알고리듬을 본 발명자들이 개발하였다.

원자력 발전소에 사용하는 단위 검출기의 총직경은 0.076㎝로서 0.0254㎝의 절연체 두께와 에미터의 두께 0.0253㎝ 등 극소형으로 제작되며 상대적으로 높은 전류치를 얻을 수 있어야 하므로 이에 대한 제조방법을 개발하였다. 즉, 기존의 에미터, 절연체, 집적체가 분포되어 있는 구조에서 에미터의 중심을 속이 빈 실린더형으로 가공하여 절연층과 2차 집전극으로 성형 가공하는 방법이 개발되었다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 구체적으로 설명한다.

도 1은 상용 원자력 발전소에서 사용되는 노내 중성자속 감시 시스템의 전체구성도이다. 도 1에 있어서, (1)은 핵연료(2)를 내장한 원자로, (3)은 핵연료내에 있는 검출기 집합체, (4)는 원자로(1)을 격납하는 격납용기의 벽체, (5)는 핵연료(2)에 내장된 검출기 집합체(3)으로부터의 검출신호를 전달하는 신호선, (6)은 신호선(5)를 통해 전달된 검출신호를 수집하는 검출신호 데이타 수집장치, (7)은 데이터 수집장치(6)으로부터의 데이타를 리드하여 처리하는 컴퓨터이다.

도 1의 구성은 하기와 같이 기능한다. 즉, 핵연료(2)의 중앙에 위치한 안내관에 설치된 중성자의 검출기 집합체(3)은 중성자원자로 압력경계인 밀봉장치를 거쳐 소내감시계통(Plant Monitoring System)에 신호선(5)를 통해 입력변수로서 연결된다. 소내 감시계통 전산기인 데이타 수집장치(6)과 컴퓨터(7)은 원자로에 설치된 예를들어 45개의 검출기 신호를 입력받아 노내 검출기 신호처리 프로그램에 의한 신호처리를 거치게 된다. 이 신호는 노심운전 제한치 감시계통의 프로그램에 사용되어 선형열출력 여유도와 반경방향 중성자속 분포등을 계산하여 원자로 운전에 사용하게 된다.

도 2a는 도 1에 도시된 검출기 집합체(3)에 있어서, 자기출력형 중성자검출기 구조도를 나타내고, 도 2b는 검출원리를 나타낸 도면이다.

도 2a에 있어서, (21)은 밀봉장치, (22)는 로디움 검출기, (23)은 신호용 케이블, (24)는 백그라운드 중성자 검출기, (25)는 종단장치, (26)은 열전대, (27)은 교정안내관, (28)은 집합체 외부튜브, (29)는 절연체를 나타낸다.

또, 도 2b에 있어서, (30)은 에미터, (31)은 절연체, (32)는 집적체를 나타낸다. 즉. 도 2에서는 5개의 로디움 검출기(22)와 백그라운드 검출기(24), 노심출구 열전대(26), 밀봉장치(21) 등으로 구성되어 있으며, 핵연료 전장길이의 10%에서 90%까지의 중성자속과 핵연료 출구온도를 측정하게 된다. 로디움 검출기(22)는 에미터(30), 절연체(31)과 집적체(32)로 구성되어 있으며, 에미터(30)과 집적체(32)는 신호선(5)으로 연결되어 중성자속에 비례하는 전류신호가 출력된다.

도 3a는 본 발명에 따른 검출기의 구조도이고, 도 3b는 에미터로서 Ag¹⁰⁹와 Rh103을 사용한 경우의 특성비교도이다.

도 3a에 있어서, (50)은 본 발명에 따른 검출기, (51)은 외부집적체, (52)는 외부절연체, (53)은 에미터, (54)는 내부절연체, (55)는 내부집적체이다.

도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 튜브방식의 검출기(50)은 에미터(53)의 중심방향에서 상, 하방향으로 이동할 때에도 이탈확률변화가 적으나 기존의 방식은 축방향으로 위치를 변경시킬 때 최고 11배 정도의 이탈확률차이가 발생해 핵연료의 축방향 중성자속 검출에 상대적으로 정확도가 적은 것으로 나타나고 있다.

도 4는 본 발명의 다중튜브형상을 가진 극소형 검출기 연슥 제조장치를 도시한 도면이다.

도 4에 있어서, (100)은 본 발명에 따른 검출기 연속제조장치로서의 에미터 인출부, (101)은 에미터 인출장치의 하부고정대, (102)는 가압부, (103)은 레버, (104)는 실린더, (105)는 산화알루미늄의 분말, (106)은 제조장치의 본체, (107)은 에미터 고정부, (108)은 전극, (109)는 튜브고정부, (110)은 에미터 보호부이다.

도 4에 있어서, 본 발명에 따른 다중 튜브형상의 극소형 검출기(50)은 인코넬 재질의 튜브와 에미터소자 그리고 산화 알루미늄의 절연체 등으로 구성된다. 그러나, 소재와 소재간의 두께가 약 0.25㎜정도로서 에미터(53)과 절연체, 그리고 튜브간의 정렬이 종래의 방법으로는 곤란하였다. 본 발명에 따른 도 4의 장치는 에미터(53)과 전극(108)을 고정하는 에미터 고정부(107)과 산화알루미늄분말(105)를 미세 공간에 충진시키기 위한 충진부와 전장 검출기를 연속적으로 제조하기 위한 수동 이송부로 크게 나눌 수 있다.

이하, 도 4에 따라 본 발명의 검출기(50)을 제조하는 방법을 설명한다. 먼저, 에미터소자는 전, 후면에 순간 용접방법을 사용하여 전극을 만들게 되고 검출기 연속 제조장치에 의해 튜브형태로 제작하기 위한 공정에 들어간다. 본 발명에 따른 제조장치의 산화알루미늄 자동충진부는 가압부(102), 레버(103), 실린더(104)로 구성되고 중량물에 의한 지렛대 방식의 충진방식으로서 튜브의 미세공간내에 산화알루미늄분말(105)가 완전히 충진되도록 하기 위해 징크스텔라이트(고체성분)와 산화알루미늄분말의 혼합물이 실린더에 의해 튜브 내로 충진된다. 징크스텔라이트 성분은 본 발명에 따른 절연층의 소결시 분해되어 증발되므로 검출기(50)의 재질의 요드성분에 의한 베타방출은 발생되지 않는다. 산화알루미늄분말(105)가 충진된 에미터는 튜브 고정부(109)에서 인코넬 튜브와 접속되며 전체 길이의 검출기형상이 갖춰진 후 소결공정으로 들어가게 된다.

절연체가 충진된 검출기는 와전류 발생코일이 스파이럴 형태로 감겨진 전기로에서 완전 소결된 후, 밀봉 접속코넥터를 붙이기 위한 공정에 들어가 완성된다.

다음에, 다양한 재질의 에미터를 사용하여 검출기를 설계하기 위한 전산 알고리듬의 개발에 대해 설명한다.

자기출력형 중성자 검출기의 핵심재질인 에미터를 기존의 로듐에서 신소재로 쉽게 변경시킬 수 있도록 하기 위해 사용대상 에미터 물질에 대한 중성자 초기 민감도와 중성자와 반응하여 연소됨에 따른 민감도의 변화량을 계산하도록, 본 발명자들은 개인용 컴퓨터를 이용한 알고리듬을 개발하였으며 그 내용은 다음과 같다.

만일 검출기의 형상이 실린더형을 가지고 있으며 열중성자(에너지 : 0.024ev)를 측정하기 위한 목적으로 사용한다면 검출기의 출력을 나다내는 식 1은 다음과 같다.

여기서 I : 열중성자에 의한 검출기 출력, V : 에미터의 체적(πR²L),

E_β: 에미터의 붕괴에 의해 방출되는 베타입자의 에너지,

ε(E_β, r) : 검출기의 위치(r)에 비례하는 베타입자 에너지의 탈출확률,

P(E_β) : 베타에너지의 정규분포, N_Rh(r) : 에미터의 밀도,

또, 검출기의 감도를 계산하는 일반적인 공식은 다음과 같다.

여기서 S : 검출기의 감도[A/nv-㎝), Φ₀: 검출기 부근에서의 열중성자속

f_n(r) : Φ₀로 정규화된 중성자속 분포

또한, 만일 외치변수와 에미터의 직경에 비례한 밀도 그리고 초기값이 각각 정해진다면, 검출기의 감도 계산식은 다음과 같이 시간 종속적인 베타입자 생성률항과 시간 비종속적인 베타 비흡수 확률 항으로 나누어 간단하게 표시될 수 있다.

또한, 시간과 위치에 종속관계에 있는 베타 생성률을 계산하기 위해서는 시간 의존적인 중성자속의 분포를 계산해야 한다. 에미터에 사용되는 물질의 중성자 흡수단면적은 산란 단면적에 비해 상대적으로 크므로 중성자의 확산은 고려할 필요가 없다. 본 발명에서는 실용적으로 사용할 수 있는 다음의 식 4를 이용한 베타 생성률 계산 알고리듬을 개발하였다.

여기서 x : 실린더형 에미터 표면에서 극부위치 r까지의 열중성자 이송경로,

∑ : 거시적 중성자 흡수 단면적

다음에, 본 발명에 따른 베타 입자 비흡수(이탈)확률 계산 알고리듬과 검출기 형상에 따른 특성시험방법을 설명한다.

중성자를 흡수한 에미터는 쿨롱반응에 의해 에너지를 발생하게 되며 에너지의 궤적은 에미터로부터 근거리인 경우는 직선운동을 하다가 점차 거리가 멀어짐에 따라 지그재그 운동을 하면서 에너지를 잃게 된다. 에너지를 완전히 상실하게 되면 최종 정지위치는 에미터내부, 집적체 그리고 절연층의 세 영역으로 구분할 수 있으며 이 정지위치를 계산해야 최적의 검출기 형상 설계가 가능하다.

베타에너지가 얇은 전기적 절연층에서 정지되는 경우 에너지는 절연층에 공간전하를 축적시키며 정전기장과 포텐셜을 생성하게 된다. 일정한 시간 뒤 축적된 전하는 검출기의 전기적 비저항이 유한하기 때문에 축적되는 전하량은 포화되며 포화된 후에는 에미터로 베타입자를 돌려보내거나 집적체에 전달하게 된다. 따라서 베타입자의 비흡수(이탈)확률은 베타입자가 정지하기 전 절연층의 임계거리를 빠져나가는 확률로 정의될 수 있으며 이 확률계산은 다양한 베타입자의 경로를 확률적으로 계산해야 하므로 본 발명에 따른 알고리듬은 몬테칼로 중성자 및 입자 수송 계산코드를 사용하여 확률을 계산한다. 이 계산결과에 의해 베타입자의 생성위치와 절연체 및 집적체의 형상에 대한 설계 및 특성계산이 가능하여 검출기의 중성자조사에 의한 특성시험을 수행하지 않고도 검출기 제작전에 성능을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 원자력발전소용 자기출력형 중성자 감시장치에 있어서, 다양한 재질의 에미터를 사용할 수 있고, 또 그 사용수명을 연장시킬 수 있으며, 검출효율을 높이고, 신호증폭을 위한 주변의 전자회로를 간단히 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 극소형 중성자 검출기를 연속하여 제조할 수 있다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러 가지로 변경가능한 것은 물론이다.

Claims (9)

1. 원자력 발전소용 자기출력형 중성자 감시장치의 검출기에 있어서, 베타입자의 이탈확률을 증가시키기 위해 그의 중심속이 빈 에미터소자와 산화알루미늄의 절연체로 구성되고, 또한 튜브형상으로 이루어지며, 상기 튜브형상의 총직경은 0.076㎝이내인 것을 특징으로 하는 검출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 에미터소자는 은(Ag), 백금(Pt) 또는 코발트(Co)중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출기.
3. 검출기의 에미터와 전극을 고정하는 고정부, 상기 에미터를 둘러싸는 절연체를 형성하도록, 상기 절연체재료를 미세공간내에 충진시키는 충진부와 상기 에미터와 절연체로 형성된 검출기를 연속적으로 이송시키는 이송부를 포함하며, 상기 검출기가 다중 튜브형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 검출기 연속제조장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 충진부는 재료자체의 중량에 의한 압력충진방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 검출기 연속제조장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 절연체재료는 징크스텔라이트와 산화알루미늄의 분말로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출기 연속제조장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 이송부에 의한 이송중에 스파이럴형태로 감겨진 전기로에 의해 상기 검출기가 소결되는 것을 특징으로 하는 검출기 연속제조장치.
7. 다양한 재질의 에미터를 사용하여 검출기를 설계하기 위한 방법으로서, 상기 검출기의 형상은 실린더형이고, 열중성자를 측정하기 의한 검출기의 출력은 다음의 식으로 나타내지는 것을 특징으로 하는 검출기의 설계방법.

   (여기서 I : 열중성자에 의한 검출기 출력, V : 에미터의 체적(πR²L),

   E_β: 에미터의 붕괴에 의해 방출되는 베타입자의 에너지,

   ε(E_β, r) : 검출기의 위치(r)에 비례하는 베타입자 에너지의 탈출확률,

   P(E_β) : 베타에녀지의 정규분포, N_Rh(r) : 에미터의 밀도이다.)
8. 시간과 위치에 종속관계에 있는 베타 생성률을 계산하여 검출기를 설계하는 방법으로서, 다음의 식을 이용하여 베타 생성률을 계산하는 것을 특징으로 하는 검출기의 설계방법.

   (여기서 x : 실린더형 에미터 표면에서 극부위치 r까지의 열중성자 이송경로, ∑ : 거시적 중성자 흡수 단면적이다.)
9. 베타 입자 비흡수(이탈)확률 계산과 검출기 형상에 따른 특성 시험 검사방법에 있어서, 베타입자의 비흡수(이탈)확률을 베타입자가 정지하기 전 절연층의 임계거리를 빠져나가는 확률로 정의하고, 다양한 베타입자의 경로를 확률적으로 계산하고, 몬테칼로 중성자 및 입자 수송 계산코드를 사용하여 확률을 계산하는 것을 특징으로 하는 검출기 특성 시험 검사방법.