KR20190039073A - 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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로스 에프. 라델
마크 토마스
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Abstract

핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기; 중성자 발생기를 둘러싸고 있으며 중성자 발생기에 의해 발생된 중성자를 감쇄시키도록 구성된 감쇄기; 감쇄기 내에 배치되어 있으며, 핵 연료봉을 수용하고, 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키도록 구성된 연료봉 채널; 및 복수의 방사선 검출기를 포함한다. 핵 연료봉이 소정의 중성자 유속에 종속될 때, 중성자는 핵 연료봉 내의 핵분열 물질의 양 및 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 복수의 방사선 검출기에 의해 검출되는 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도한다.

Description

핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템 및 방법
본 출원은 그 전문이 본원에 참고로 인용된 2016년 6월 9일자로 제출된 미국 가출원 제62/347,969호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 일반적으로 연료봉의 길이를 따라서 농축도의 변화를 식별하기 위해 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하는 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 출원은 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이 섹션은 청구 범위에 기술된 발명의 배경 또는 정황을 제공하기 위한 것이다. 본 명세서의 설명은 추구될 수 있는 개념을 포함할 수 있지만 반드시 이전에 착상되었거나 추구되었던 개념은 아니다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 이 섹션에서 기술된 것은 본 출원의 명세서 및 청구 범위에 대한 선행 기술이 아니며, 이 섹션에 포함되었다고 해서 선행 기술로 인정되는 것은 아니다.
미국에서 전력의 약 20 %는 원자로에 의해 발생된다. 이 원자로에 사용되는 연료는 길이 약 1 ㎝(0.39 인치) 및 직경 1 ㎝(0.39 인치)의 작은 원통형 펠릿인 이산화 우라늄(UO2)의 형태로 제공된다. 이들 펠릿에서 유용한 연료는 우라늄, 특히 U-235와 U-238이다. U02 펠릿은 약 152.4 ㎝(60 인치) 내지 406.4 ㎝(160 인치) 길이의 연료봉을 형성하기 위해 금속 외장 내부에 적층되어 있다. 그리고 나서, 다수의 연료봉은 번들(bundle) 당 약 15×15 연료봉의 직사각형 번들로 배열된다. 전형적인 원자로는 약 40,000 개의 연료봉 또는 약 1,500 만개의 연료 펠릿과 동등한 150 내지 200 개의 번들을 이용할 것이다.
원자로는 약 2 년마다 연료를 재보급한다. 각각의 연료 재보급 동안 연료봉의 약 1/3이 교체된다. 그러므로, 연료봉의 평균 수명은 약 6 년이다. 핵연료의 수명을 연장하는데 많은 노력이 기울여 왔다. 매우 효과적인 것으로 입증된 한 가지 방법은 연료 펠릿에 "가연성 독(burnable poison)"을 도입하는 것이다. 가연성 독의 전형적인 예는 가돌리늄(gadolinium)과 붕소이다. 이러한 물질들은 열 중성자를 흡수하는데 매우 효과적이기 때문에 소위 독이라고 한다. 열 중성자는 일반적으로 에너지가 약 0.5 eV 미만인 중성자로서 정의된다.
원자로는 핵분열, 즉 원자(예를 들어, 우라늄 원자)의 확산으로부터 에너지를 얻고 방출된 에너지를 이용하여 물을 가열한다. 핵연료에서 중성자와 우라늄의 상호 작용은 핵분열 반응을 유도하는 것이며, 각각의 핵분열 반응은 더 많은 핵분열 반응을 일으키는 여러 개의 중성자를 방출하므로, 원자로의 중요한 ("연쇄 반응") 작동 특성을 발휘한다. 원자로 내의 특정 위치에서 특정량의 가연성 독을 도입하면, 연쇄 반응 속도가 느려져서 제어하기가 더욱 쉬워질 수 있다. 이것의 한 가지 유익한 효과는 연료의 수명 증가이다.
원자로의 운영을 규제하기 위해서는 핵연료의 품질을 엄격히 통제해야 한다. 즉, U-235와 U-238의 양과 공간 분포는 매우 높은 정확도와 정밀도로 알려져 있어여 한다. 따라서, 핵연료 제조 시설을 떠나기 전에 연료봉은 연료봉에서 우라늄 동위 원소의 함량과 분포를 측정하기 위해 최종 검사를 받는다. 역사적으로, 이러한 측정은 연료봉이 열 중성자에 의해 포격되는 조사 장치를 통해 연료봉을 통과시킴으로써 진행되어 왔다. 열 중성자는 연료봉에서 우라늄의 핵분열을 (연료봉이 원자로에서 작동할 때보다 훨씬 더 낮은 속도로) 유도한다. 핵분열 후, 많은 감마선이 연이어 몇 초 및 몇 분에 걸쳐 방출된다. 그러므로, 조사 후에는 핵 연료봉을 감마선 검출기 어셈블리에 통과시켜 방출된 감마선을 포착하고 계수한다. 연료봉의 각 섹션(section)에 의해 방출되는 감마선의 수는 연료봉 내에서 U-235 및 U-238의 상대적 농도와 공간 분포에 대한 정보를 제공한다. 이러한 정보는 연료가 제조 시설을 떠날 때, 최종 품질 관리 단계로서 연료봉 설계와 비교된다.
일반적으로, 핵 연료봉은 수동적 스캐닝 시스템 또는 능동적 스캐닝 시스템을 사용하여 봉의 길이를 따라서 농축도의 변화(즉, 농축도 균일성)에 대해 스캐닝될 수 있다. 수동적 스캐닝 시스템은 핵연료의 자연 방사선을 검출하는 반면, 능동적 스캐닝 시스템은 핵연료에서 자연적으로 방사되는 양을 넘어서 추가적인 방사선을 유도하고 추가적인 방사능을 검출한다. 역사적으로, 능동적 스캐닝 시스템의 조사기에서 중성자 공급원은 중성자, 특히 켈리포르늄-252(californium-252(Cf-252))를 자연적으로 방출하는 방사성 동위 원소였다. Cf-252는 약 1MeV의 피크 에너지의 스펙트럼을 가진 중성자를 방출한다. 중성자는 연료봉에서 핵분열 반응을 유도할 가능성이 훨씬 높은 에너지를 낮추기 위해 감쇄되거나 또는 "열중성자화"될 필요가 있다. 이것은 Cf-252를 감쇄기 물질(전형적으로 중수, 흑연 또는 폴리에틸렌)의 블록안에 넣음으로써 수행된다. 중성자는 이러한 물질과 상호 작용할 때, 감쇄기 물질 내의 원자핵에서 튀어나와 속도가 느려지게 된다. 전형적인 중성자는 열 에너지 수준에 도달하기 전에 여러 번 "튀게(bounce)"된다. 열 중성자는 핵연료에 의해 흡수되고 핵분열 현상을 유발하여 궁극적으로 감마선의 발생과 검출기에서 측정 가능한 신호를 이끌어 낼 가능성이 훨씬 높다.
능동적 연료봉 스캐너(즉, 중성자를 사용하는 연료봉 스캐너) 내에 있는 Cf-252를 의미하는 Cf-252의 반감기는 2.64 년으로, 높은 중성자 출력을 유지하기 위해 약 2 년마다 교체해야 한다. 지난 수년간 Cf-252의 가격은 10 배 이상 증가하였으며, 이러한 증가는 능동적 연료봉 스캐닝에 대한 중성자를 발생시키기 위하여 상기 동위 원소를 사용하는 것에 대해 가격의 제한성을 받아왔다. 연료봉 제조업체는 연료봉이 제조 시설을 떠나기 전에 최종적으로 중요한 품질 관리 단계를 수행하기 위해 중성자의 대체 가능한 고 수율의 공급원을 적극적으로 찾고 있다.
가연성 독을 함유하는 핵 연료봉의 스캐닝은 우라늄과 플루토늄 함량 및 공간 분포를 결정할 때, 특히 어려움을 겪고 있다. 가연성 독은 열 중성자에 대한 흡수 단면이 매우 높다. 즉, 우라늄의 핵분열을 유도하기 위한 단면보다 훨씬 높다. 따라서, 가연성 독을 함유하는 연료봉이 조사기를 통과할 때, 대부분의 중성자는 독 물질에 의해 흡수되고, 최소량의 핵분열이 연료봉의 우라늄에서 유도된다. 결과적으로 연료 펠릿 중의 U-235 및 U-238 농도와 분포를 결정하기에는 불충분한 감마선 검출기에서 매우 낮은 신호가 발생한다.
새로운 유형의 능동적 연료봉 스캐너와 관련된 기술 및 핵 연료봉에서 능동적 스캐닝을 수행하는 방법을 비롯하여 개선된 기술에 대한 필요성이 존재하고 있다.
예시적인 실시 양태는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기, 감쇄기, 제 1 연료봉 채널 및 복수의 방사선 검출기를 포함하는, 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다. 중성자 발생기는 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함한다. 감쇄기는 중성자 발생기를 에워싸고 있으며 중성자 발생기에 의해 발생된 중성자를 감쇄한다. 제 1 연료봉 채널은 감쇄기 내에 배치된다. 제 1 연료봉 채널은 제 1 핵 연료봉을 수용하고, 제 1 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시킨다. 중성자는 제 1 핵 연료봉 내의 핵분열 물질의 양 및 제 1 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 복수의 방사선 검출기에 의해 검출되는 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도한다.
전술한 예시적인 실시 양태에서, 감쇄기는 표적을 에워싸는 챔버, 챔버를 에워싸는 중성자 감쇄기 및 중성자 감쇄기를 에워싸는 추가적인 중성자 감쇄기를 포함할 수 있다. 표적은 중수소 또는 삼중 수소의 자체 함침이 가능한 물질로 구성된 고체 표적일 수 있다. 챔버를 에워싸고 있는 중성자 감쇄기는 흑연으로 구성될 수 있으며, 추가적인 중성자 감쇄기는 5% 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성될 수 있다. 제 1 연료봉 채널은 우라늄, 플루토늄 또는 이들의 조합을 함유하는 핵 연료봉을 수용하도록 구성될 수 있다. 핵 연료봉은 가돌리늄 또는 붕소와 같은 가연성 독을 함유할 수도 있고 함유하지 않을 수도 있다. 제 1 연료봉 채널은 가돌리늄 또는 붕소와 같은 가연성 독으로 구성되고, 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층을 갖는 내부 쉘(shell)을 포함할 수 있다.
전술한 예시적인 실시 양태는 또한 가연성 독을 함유하지 않은 우라늄 또는 플루토늄 핵 연료봉을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널(예를 들어, 제 2 연료봉 채널, 제 3 연료봉 채널, 제 4 연료봉 채널, 제 5 연료봉 채널, 제 6 연료봉 채널, 제 7 연료봉 채널, 제 8 연료봉 채널 등)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널은 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시 양태는 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 중성자를 발생시키는 단계; 중성자 발생기를 에워싸는 감쇄기로 중성자를 감쇄하는 단계; 감쇄기 내에 배치된 제 1 연료봉 채널에 핵 연료봉을 배치하는 단계; 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위하여 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및 핵분열 물질의 양 및 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 복수의 방사선 검출기로 2차 방사선을 검출하는 단계를 포함한다. 핵 연료봉은 가돌리늄 또는 붕소와 같은 가연성 독을 함유하거나 또는 함유하지 않을 수도 있다.
전술한 바와 같이, 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하는 방법의 예시적인 실시 양태는 적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널 내에 가연성 독을 함유하지 않은 적어도 하나의 추가적인 핵 연료봉을 배치하는 단계; 신속하고 지연된 감마선 및/또는 중성자 방출의 2차 방사선을 유도하기 위해 적어도 하나의 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및 상기 복수의 방사선 검출기 중 적어도 하나를 이용하여 상기 적어도 하나의 핵 연료봉으로부터의 신속하고 지연된 감마선 및/또는 중성자 방출을 검출하여, 상기 핵분열 물질의 양 및 적어도 하나의 핵 연료봉의 길이를 따라서 상기 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시 양태들에서, 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템이 본원에서 제공되며, 상기 시스템은 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기; 중성자 발생기를 에워싸고 있으며, 중성자 발생기에 의해 발생된 중성자를 감쇄하도록 구성된 감쇄기; 상기 감쇄기 내에 배치되어 있으며 제 1 핵 연료봉을 수용하고, 상기 제 1 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키록 구성된 제 1 연료봉 채널; 및 복수의 방사선 검출기 각각에 대하여 하나 이상을 포함한다. 일부 실시 양태들에서, 상기 시스템은 사용시 중성자들이 복수의 방사선 검출기에 의해 검출되는, 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하여 상기 제 1 핵 연료봉 내의 핵분열 물질의 양 및 상기 제 1 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하도록 구성된다.
일부 실시 양태들에서, 제 1 연료봉 채널은 가연성 독을 함유하는 제 1 핵 연료봉을 수용하도록 구성된다. 일부 실시 양태에서, 제 1 연료봉 채널은 가연성 독으로 구성되고 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함한다. 일부 실시 양태에서, 내부 고온열 쉘은 고속 중성자를 고온열 영역 내로 확산시키도록 구성된 내부층을 추가로 포함하며, 상기 내부층은 외부층과 동심원으로 되어 있다. 일부 실시 양태에서, 내부층은 베릴륨으로 구성된다. 일부 실시 양태에서, 제 1 연료봉 채널은 가돌리늄 또는 붕소를 함유하는 제 1 핵 연료봉을 수용하도록 구성된다.
상기 시스템의 일부 실시 양태들에서, 소정의 중성자 유속은 고온열 중성자 유속이고, 고온열 중성자들은 복수의 방사선 검출기들에 의해 검출된 2차 방사선을 유도한다.
일부 실시 양태에서, 이온 공급원은 마이크로파 이온 공급원 또는 전자 사이클로트론(electron-cyclotron) 공명(ECR) 이온 공급원이다.
일부 실시 양태에서, 표적은 티탄, 구리, 지르코늄, 우라늄, 팔라듐 또는 알루미늄 중 적어도 하나로 구성되는 고체 표적이다.
일부 실시 양태에서, 감쇄기는 표적을 둘러싸는 챔버, 챔버를 둘러싸는 중성자 감쇄기 및 중성자 감쇄기를 둘러싸는 추가적인 중성자 감쇄기를 포함한다. 일부 실시 양태에서, 챔버는 유전체성 고체, 액체 또는 가스를 함유한다. 일부 실시 양태에서, 챔버는 플루오리너트(fluorinert) 액체를 함유한다. 일부 실시 양태에서, 챔버를 둘러싸고 있는 중성자 감쇄기는 흑연, D20 또는 폴리에틸렌으로 구성된다. 일부 실시 양태에서, 추가적인 중성자 감쇄기는 폴리에틸렌으로 구성된다. 일부 실시 양태에서, 추가적인 중성자 감쇄기는 5 % 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성된다.
일부 실시 양태에서, 제 1 연료봉 채널은 가연성 독으로 구성되고, 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함한다.
일부 실시 양태에서, 상기 시스템은 제 2 핵 연료봉을 수용하고, 제 2 핵 연료봉을 소정의 열 중성자 유속에 종속시키도록 구성된 제 2 연료봉 채널을 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 제 2 연료봉 채널은 감쇄기 내에 배치되고, 열 중성자는 복수의 방사선 검출기들 중 적어도 하나에 의해 검출되는, 제 2 핵 연료봉에서 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하여, 핵분열 물질의 양 및 제 2 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정한다. 일부 실시 양태에서, 제 2 연료봉 채널은 알루미늄으로 구성된 외부층 및 폴리에틸렌으로 구성된 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함한다.
일부 실시 양태에서, 상기 시스템은 핵 연료봉을 수용하고 핵 연료봉을 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속에 종속시키도록 구성된 적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널을 더 포함한다. 일부 실시 양태에서, 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속의 중성자는 복수의 방사선 검출기 중 적어도 하나에 의해 검출되는 핵 연료봉 내의 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하여 핵분열 물질의 양 및 핵 연료봉의 길이에 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정한다.
일부 실시 양태에서, 표적은 티탄으로 구성된 고체 표적이며; 중성자 감쇄기는 흑연으로 구성되고; 추가적인 중성자 감쇄기는 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성되며; 제 1 연료봉 채널은 가돌리늄으로 구성되고 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층 및 베릴륨으로 구성되고 고속 중성자를 고온열 에너지 영역 내로 확산시키도록 구성된 내부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며; 상기 제 1 연료봉 채널은 가돌리늄을 함유하는 핵 연료봉을 수용하도록 구성되고; 제 2 연료봉 채널은 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하고; 및/또는 상기 제 2 연료봉 채널은 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 수용하도록 구성된다.
일부 실시 양태에서, 표적은 티탄으로 구성된 고체 표적이며; 중성자 감쇄기는 흑연으로 구성되고; 추가적인 중성자 감쇄기는 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성되며; 제 1 연료봉 채널은 붕소로 구성되고 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층 및 베릴륨으로 구성되고 고속 중성자를 고온열 에너지 영역으로 확산하도록 구성된 내부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며; 상기 제 1 연료봉 채널은 붕소를 함유하는 핵 연료봉을 수용하도록 구성되며; 제 2 연료봉 채널은 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하고; 및/또는 상기 제 2 연료봉 채널은 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 수용하도록 구성된다.
추가로, 상기 시스템들 중 어느 하나의 용도가 본원에 제공되어 있다. 일부 실시 양태에서, 상기 용도는 핵 연료봉의 분석을 위한 시스템의 용도를 포함한다.
일부 실시 양태에서, 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하는 방법이 본 원에 제공되며, 상기 방법은 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 중성자를 발생하는 단계; 중성자 발생기를 둘러싼 감쇄기로 중성자를 감쇄하는 단계; 감쇄기 내에 배치된 제 1 연료봉 채널에서 제 1 핵 연료봉을 배치하는 단계; 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위해 상기 제 1 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및 복수의 방사선 검출기로 상기 2차 방사선을 검출하여 핵분열 물질의 양 및 상기 제 1 핵 연료봉의 길이를 따라서 상기 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는 단계 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시 양태에서, 제 1 핵 연료봉은 가연성 독을 함유한다. 일부 실시 양태에서, 제 1 핵 연료봉은 가돌리늄 또는 붕소를 함유한다. 일부 실시 양태에서, 소정의 중성자 유속은 고온열 중성자 유속이고, 고온열 중성자는 복수의 방사선 검출기에 의해 검출되는 2차 방사선을 유도한다. 일부 실시 양태에서, 제 1 연료봉 채널은 가연성 독으로 구성된 층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며; 상기 제 1 핵 연료봉을 상기 소정의 중성자 유속에 적용시키는 단계는 상기 내부 고온열 쉘의 외부층에서 열 중성자를 흡수하는 단계를 포함한다. 일부 실시 양태들에서, 상기 방법은 고속 중성자를 내부 고온열 쉘의 내부층에서 고온열 에너지 영역으로 확산시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 상기 방법은 가연성 독을 함유하지 않은 제 2 핵 연료봉을 제 2 연료봉 채널에 배치하는 단계; 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위해 제 2 핵 연료봉을 소정의 열 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및 복수의 방사선 검출기 중 적어도 하나를 사용하여 상기 제 2 핵 연료봉으로부터 상기 2차 방사선을 검출하여 상기 핵분열 물질의 양 및 상기 제 2 핵 연료봉의 길이를 따라서 상기 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 제 2 연료봉 채널은 알루미늄으로 구성된 외부층과 폴리에틸렌으로 구성된 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하고, 상기 방법은 내부 열 쉘의 내부층 및 외부층으로 고온열 중성자 집단을 감소시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 상기 방법은 적어도 하나의 부가적인 연료봉 채널 내에서 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 배치하는 단계; 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위해 핵 연료봉을 소정의 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및 복수의 방사선 검출기 중 적어도 또 다른 하나로 상기 핵 연료봉으로부터 2차 방사선을 검출하여 상기 핵분열 물질의 양 및 상기 핵 연료봉의 길이를 따라서 상기 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 상기 표적은 중수소 원자로 매립된 고체 표적이며, 상기 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 중성자를 발생시키는 단계는 중수소-중수소 융합 반응을 통해 중성자를 발생시키기 위해 가속된 중수소 이온 빔으로 상기 고체 표적을 타격하는 단계를 포함한다. 일부 실시 양태에서, 상기 방법은 고체 표적을 가속화된 중수소 이온 빔으로 조사함으로써 고체 표적에 매립된 중수소 원자를 보충하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시 양태에서, 고체 표적은 티탄, 구리, 지르코늄, 우라늄, 팔라듐 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시 양태에서, 감쇄기는 표적을 둘러싸는 챔버, 챔버를 둘러싸는 중성자 감쇄기 및 중성자 감쇄기를 둘러싸는 추가적인 중성자 감쇄기를 포함하며, 감쇄기로 중성자를 감쇄하는 단계는 중성자 감쇄기를 사용하여 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 발생된 중성자를 열중성자화 하고 추가적인 중성자 감쇄기로 열중성자화된 중성자를 흡수하는 것을 포함한다. 일부 실시 양태에서, 챔버를 둘러싸고있는 중성자 감쇄기는 흑연, D20 또는 폴리에틸렌으로 구성되며, 추가적인 중성자 감쇄기는 폴리에틸렌으로 구성된다. 일부 실시 양태에서, 챔버는 유전체성 고체, 액체 또는 가스를 함유한다. 일부 실시 양태에서, 챔버는 플루오리너트 액체를 함유하는 플루오리너트 챔버이다.
본 발명의 추가적인 특징, 장점 및 실시 양태는 이하의 상세한 설명, 도면 및 청구 범위를 고려함으로써 이해될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 전술한 기재 사항 및 하기의 상세한 설명은 모두 예시적인 것이며, 청구된 본 발명의 범위를 추가로 제한함이 없이 추가의 설명을 제공하기 위한 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 추가적 이해를 제공하기 위해 포함되는 첨부 도면들은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 실시 양태들을 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 본 발명의 기본적인 이해 및 본 발명을 실행할 수 있는 다양한 방법들을 위해 필요할 수 있는 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적 세부 사항들을 나타내고자 하는 의도는 없다.
도 1은 중수소-중수소(DD) 융합 반응을 통해 중성자를 발생시키고 가연성 독을 함유한 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템의 중성자 발생기 및 감쇄기의 수직 단면도이다.
도 2는 도 1의 중성자 발생기의 수직 단면도이다.
도 3은 제 1 연료봉 채널, 제 2 연료봉 채널 및 제 3 연료봉 채널을 도시하는 도 1의 감쇄기의 수직 단면도이다.
도 4는 도 3의 연료봉 채널 위치를 절단한 도 1의 감쇄기의 수평 단면도이다.
도 5는 가연성 독을 함유한 연료봉이 삽입된 도 3의 중심 연료봉 채널의 수직 단면도이다. 중심 연료봉 채널은 고온열 연료봉 채널일 수 있다.
도 6은 도 3의 제 2 연료봉 채널 및 제 3 연료봉 채널 중 하나(즉, 중심 연료봉 채널의 양측으로의 연료봉 채널)의 수직 단면도로서, 가연성 독을 함유하지 않은 연료봉이 삽입되어 있다.
도 7은 도 3의 감쇄기의 단면도와 중첩된 열 중성자 유속 맵(map)이다.
도 8은 도 4의 감쇄기의 단면도와 중첩된 열 중성자 유속 맵이다.
도 9는 Gd-157의 흡수 단면뿐만 아니라 U-235와 U-238의 총 핵분열 단면을 비교 한 것이다.
도 10은 도 3의 중심 연료봉 채널의 위치에서 MCNP로부터 출력된 중성자 에너지 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 11은 도 3의 감쇄기의 횡단면도와 중첩된 고속 중성자 유속 맵이다.
도 12는 도 3의 감쇄기의 단면도와 중첩된 고속 중성자 유속 맵이다.
도 13은 도 2 및 도 3의 중성자 발생기 및 감쇄기를 각각 포함하는 능동적 스캐닝 시스템의 오버 헤드를 나타내는 도면이다. 능동적 스캐닝 시스템을 제어하는데 사용되는 컴퓨터(도시되지 않음)는 스캔 제어실(도시되지 않음)에서 원격으로 위치된다.
도 14는 백업(backup) 조사기 및 로드 핸들링 하드웨어(rod handling hardware)를 포함하는 도 13의 능동적 스캐닝 시스템의 오버 헤드를 나타내는 도면이다.
도 15는 수동적인 연료봉 투입 및 자동적인 연료봉 배출에 대한 영역을 나타내는 도 13의 능동적 스캐닝 시스템의 사시도이다.
도 16은 도 15의 수동적인 연료봉 투입의 세부 사항을 나타내기 위해 확대된 도 13의 능동적 스캐닝 시스템의 또 다른 사시도이다.
도 17은 도 15의 자동적인 연료봉 배출의 세부 사항을 나타내기 위해 확대된 도 13의 능동적 스캐닝 시스템의 또 다른 사시도이다.
예시적인 실시 양태들을 상세하게 설명하는 도면들을 참조하기 전에, 본 발명은 명세서에서 설명되거나 또는 도면에서 예시된 세부 사항들 또는 방법론에 한정되어 있지 않다는 것을 이해해야 한다. 또한, 용어는 단지 설명의 목적을 위한 것이지 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 동일하거나 또는 유사한 부분을 나타내기 위해 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 도면 부호들을 사용하려고 노력했다.
전술한 바와 같이, 능동적 연료봉 스캐닝의 종래의 방법은 중성자의 공급원으로서 켈리포르늄-252(Cf-252)를 사용한다. 일반적으로 도면을 참조하면, 이하의 실시 양태들에서 기술되는 시스템(100)은 Cf-252 중성자 공급원을 전기적으로 구동되는 중성자 발생기(10)로 대체하며, 중성자 발생기(10)는 이하 실시 양태에서 상세하게 설명될 것이다. 방사성 동위 원소 대신에 전기적으로 구동되는 중성자 발생기를 사용하면 Cf-252를 자주 교체/보충할 필요성이 없고, 사용하지 않을 때에는 중성자 공급원을 끄는 기능을 비롯하여 여러 가지 잇점이 있으면서도, 스캔 속도와 Cf-252를 기반으로 하는 능동적 스캐너와 관련된 고속의 스캔 속도 및 높은 정확도를 유지한다.
도 1을 참조하면, 중수소-중수소(DD) 융합 반응을 통해 중성자를 발생시키고 가연성 독을 함유한 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하는 시스템(100)은 중성자 발생기(10)와 감쇄기(20)를 포함한다. 능동적 스캐닝을 수행하기 위하여, 중성자 발생기(10)는 중성자로 연료봉 내의 핵연료를 폭격하여 신속하고 지연된 감마선 및/또는 중성자 방출, 및 신속하고 지연된 열, 고온열 또는 고속 중성자의 2차 방사선을 유도하도록 구성된다. 그런 다음, 2 차 방사선을 계산하여 핵분열 물질 함량 및 연료봉 길이를 따라서 농축도 수준(즉, 핵분열 물질 함량의 공간 분포)을 결정한다. 그러므로, 연료봉의 길이에 따라서 농축도의 변화가 검출될 수 있다.
도 2는 중성자 발생기(10)의 일 실시 양태의 단면도이다. 일 실시 양태에서, 중성자 발생기(10)는 이온 공급원(11), 가속기(12), 중수소 이온 빔(13), 진공 펌프(14) 및 고체 표적(15)을 포함한다. 중성자 발생기(10)(후술됨)는 200 kV의 최대 작동 전압 및 45 mA의 최대 작동 빔 전류를 기반으로 하여 2.5×1010 DD n/s까지를 발생시킬 수 있다. 시스템의 공칭 작동 포인트는 약 155 kV 및 40 mA이며, 이로 인해 1×1010 DD n/s의 총 중성자 수율이 얻어진다.
이온 공급원(11)은 조밀한 중수소 플라즈마를 생성한다. 이온 공급원(11)은, 예를 들어, 마이크로파 이온 공급원 또는 전자 사이클로트론 공명(ECR) 이온 공급원일 수 있다. 특정 실시 양태에서, 이온 공급원(11)은 일회용 구성품들을 가지지 않고, 매우 높은 이온 빔 전류 밀도(예를 들어, 200 mA/㎠)를 생성하고, 매우 긴 수명(예를 들어, 다수 연도)을 갖는다.
이온 공급원(11)이 조밀한 중수소 플라즈마를 발생시키는 일 실시예에서, 중수소 가스는 이온 공급원(11)의 플라즈마 챔버(11a)로 연속적으로 주입된다. 자기장은, 예를 들어, 875 G 자기장 ±20% 는 2 개의 자석(11b)을 통해 플라즈마 챔버(11a)에서 발생된다. 자석(11b)은, 예를 들어, 솔레노이드 전자석 또는 영구 자석일 수 있다. 마그네트론(도시되지 않음)에 의해 발생된, 예를 들어, 2.45 GHz ±20% 의 주파수를 갖는 마이크로파는 동축 케이블 및 도파관(11c)을 통해 플라즈마 챔버(11a) 내로 전송되어 조밀한 중수소 플라즈마를 발생시킨다. 도파관(11c)은 임의의 공지된 도파관, 예를 들어, WO/2015006065에 기술된 도파관일 수 있으며, 그의 전체 내용은 중성자 발생기에서 도파관의 구조 및 용도와 관련된 그의 교시를 위해 그 전체가 참고로 인용된다.
중수소 이온은 중수소 이온 빔(13)의 형태로 이온 공급원(11)으로부터 추출되고 가속기(12)로 가속된다. 특히, 양의 중수소 이온은 플라즈마 챔버 방출 개구와 추출 전극 사이에 존재하는 정전기 전위(예를 들어, -40 kV 전위)에 의해 플라즈마 챔버(11a)(접지 전위)로부터 추출된다. 추출된 중수소 이온 빔(13)은 후속적으로 가속기(12)에 존재하는 정전기 전위를 통해 전체 전압(예를 들어, 150 kV 내지 200 kV)으로 가속된다.
진공 펌프(14)는 작동 중에 가속기(12) 내에서 저압을 유지하는데 사용되며, 이는 안정성 및 중성자 수율을 향상시킨다. 진공 펌프(14)는 외부 대기와 이온 공급원/가속기 영역 사이의 제 1 압력 차이, 외부 대기와 표적 사이의 제 2 압력 차이 및 이온 공급원/가속기 영역과 표적 사이의 제 3 압력 차이를 유지하도록 구성된 차동 펌핑 시스템의 일부일 수 있다. 이러한 차동 펌핑 시스템의 예는 WO/2009142669 및 WO/2011081940에 기술되어 있으며, 그의 전체 내용은 중성자 발생기에서의 차동 펌핑 시스템의 구조 및 용도에 관련한 교시를 위해 전체를 참고로 하여 인용된다.
중수소 이온 빔(13)(고전압 및 고전류를 가짐)은 진공을 통해 이동하며, 궁극적으로는 고체 표적(15)에 매립된 다른 중수소 원자를 타격한다. 고체 표적이 가스 표적보다 적은 중성자를 생성할 수 있지만, 고체 표적을 사용하면, 가스 표적을 사용하는 시스템에 비해 더 작고 더 저렴한 시스템으로 중성자를 생성할 수 있다. 고체 표적(15)은, 예를 들어, 이온 빔이 중성자 생성을 위한 "연료"로서 작용하는 중수소 또는 삼중 수소 이온을 표적에 매립할 수 있게 하도록 수소 웰(well)상에 유지되는 물질(들)로 형성된 자체 함침 표적일 수 있다. 이러한 물질의 예로는 티탄, 구리, 지르코늄, 우라늄, 팔라듐 및 알루미늄을 들 수 있다. 중수소 또는 삼중 수소를 함유한 예비-충전된 표적이 사용될 수 있지만, 일단 중수소 또는 삼중 수소가 다 소모되면 표적을 교체해야 한다. 그러므로, 이온 빔에 의해 중수소 또는 삼중 수소로 "재충전"될 수 있는 자체 함침 표적을 사용하여 표적의 수명을 연장시키는 것이 바람직하다. 바람직한 실시 양태에서, 고체 표적(15)은 티탄 표적, 구리 표적, 또는 자체 함침 티탄 및 구리 표적일 수 있다.
생성된 중성자는 2.5 MeV 부근에서 정점(peak)을 이루는 평균 에너지로 생성된다. 중성자 수율은 이방성이며, 정방향으로 정점을 이룬다. 반응의 정방향 피크 성질은 진정한 등방성 반응에 비해 연료봉에서의 열 유속을 증가시키기 때문에 유익하다. 입사 이온의 소분율은 고체 표적(15)에서 중수소-중수소 핵융합 반응을 개시한다. 고 에너지 중수소가 상호 작용할 때, 고 에너지 중성자를 발생시키는 핵융합 반응이 일어난다. 고체 표적(15)으로부터 방출된 이러한 고속 중성자는 주변 감쇄기(20)와 여러 번 상호 작용하여 중성자 집단의 평균 에너지를 크게 감소시킨다.
표적(15)은 고전압에 위치하기 때문에, 표적(15)을 둘러싸는 냉각 재킷이 상당한 두께를 가져야 하고 또한 냉각제로서도 작용하는 전기 절연 물질을 함유할 필요가 있다. 더욱이, 절연 물질은 열 중성자 흡수에 대한 높은 성향을 갖지 않으면 서 중성자의 감쇄를 보조할 필요가 있다. 선택된 절연 물질은 저 에너지 중성자의 상당한 흡수없이 중성자를 감쇄할 수 있는 전기 절연 물질인 플루오리너트(fluorinert)(하기에서 설명됨)이다. 중성자 생성 표적(15)으로부터의 열은 표적(15) 및 가속기(12)를 둘러싸는 순환 플루오리너트 액체를 통해 제거되고, 궁극적으로는 열 교환기(도시되지 않음)를 통해 시스템으로부터 제거된다.
도 3은 감쇄기(20)의 일 실시 양태의 단면도를 도시한다. 고체 표적(15)은 고전압에서 부동하는 고체 표적(15)에 대한 전기 절연체뿐만 아니라 초기 중성자 감쇄기로서 작용하는 챔버(21)에 의해 둘러싸여 있다. 챔버(21)는 유전체성 고체, 액체 또는 가스를 함유할 수 있다. 예를 들어, 챔버(21)는 플루오리너트 액체를 함유하는 플루오리너트 챔버일 수 있다. 다른 예에서, 챔버(21)는 오일 또는 황 헥사플루오라이드를 함유할 수 있다. 중성자 감쇄기(22)는 챔버(21)를 에워싸고 있다. 중성자 감쇄기(22)는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 수 팽창 폴리에틸렌(WEP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 흑연, D2O(중수), 물 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 도 3의 예에서, 중성자 감쇄기(22)는 흑연 챔버이다. 흑연은 극도로 낮은 중성자 포획 단면을 갖는 것으로 알려져 있으며, 따라서 매우 낮은 에너지(예를 들어, < 0.025 eV)를 고효율로 달성하는데 이상적이다. 감쇄기(20)는 또한 추가적인 중성자 감쇄기(23)를 포함한다. 추가적인 중성자 감쇄기(23)는, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 폴리에틸렌의 형태를 포함하는 임의의 물질일 수 있다. 도 3의 예에서, 주변 물질은 시스템 외부에서 중성자 선량을 안전한 수준으로 유지하기 위하여 감쇄 영역(즉, 챔버(21) 및 중성자 감쇄기(22))을 빠져 나가는 중성자의 열처리 및 포획을 보조하는 5 % 붕산화된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 블랭킷(blanket)이다. 도 3에서, 추가적인 중성자 감쇄기(23)의 기저부는 콘크리트 위에 놓이는 반면에, 추가적인 중성자 감쇄기(23)의 다른 측면은 대기(즉, 공기)에 노출된다.
또한, 도 3은 3 개의 연료봉 채널, 즉, 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)을 도시한다. 도 3의 예에서, 각각의 연료봉 채널(30, 40 및 50)은 중성자 감쇄기(22) 내에 위치한다. 그러나, 본 출원은 이에 관하여 제한되지 않는다. 다른 예에서, 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)은 상이한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)은 모두 챔버(21) 내에 배치될 수 있거나; 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50) 중 2 개는 챔버(21) 내에 배치될 수 있는 반면에, 나머지 연료봉 채널은 중성자 감쇄기(22) 내에 배치될 수 있거나; 또는 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50) 중 2 개는 중성자 감쇄기(22) 내에 배치될 수 있는 반면에, 나머지 연료봉 채널은 챔버(21) 내에 배치될 수 있다.
도 3의 예를 참조하면, 제 1 연료봉 채널(30)은 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)이 제공되는 높이와 실질적으로 동일한 높이에 위치된다. 본 출원은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 예에서, 제 1 연료봉 채널(30)은 제 1 연료봉 채널(30)이 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)보다 고체 표적(15)에 더 가깝게 되도록 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)이 제공되는 높이보다 큰 높이에 위치될 수 있다. 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)은 모두 서로에 대해 상이한 높이로 제공될 수 있다. 도 3의 예에서, 제 1 연료봉 채널(30)은 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)로부터 등거리이다(예를 들어, 높이가 다르더라도 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)의 중간). 다른 예에서, 제 1 연료봉 채널(30)은 제 3 연료봉 채널(50)보다 제 2 연료봉 채널(40)에 더 가깝거나, 또는 제 1 연료봉 채널(30)은 제 2 연료봉 채널(40)보다 제 3 연료봉 채널(50)에 더 가까울 수 있다. 도 3의 예에서, 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)은 동일한 높이로 제공되고 서로에 대해 평행하다. 도 4는 감쇄기(20)의 횡단면의 평면도에서 평행한 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)을 도시한다.
단지 3 개의 연료봉 채널이 도 3에 도시되어 있지만, 다른 실시 양태에서는 상이한 개수의 연료봉 채널(예를 들어, 1개, 2개, 4개, 5개 등)이 제공될 수 있다. 일부 실시 양태에서, 복수의 연료봉 채널이 챔버(21) 내에 제공될 수 있다. 일부 실시 양태에서, 단일 연료봉 채널이 중성자 감쇄기(22) 내에 제공 될 수 있다.
제 1 연료봉 채널(30)은 연료봉을 능동적으로 시험하기 위해 설계된 제거 가능한 중공 쉘(31)을 수용하도록 구성된다. 쉘(31)은, 예를 들어, 고온열 중성자로 연료봉을 능동적으로 시험하기 위해 고안된 고온열 쉘일 수 있다. 제 1 연료봉 채널(30)에서 소정의 중성자 유속(즉, 고온열 또는 열 유속)은 약 1E4 n/㎝2/sec 내지 1E8 n/㎝2/sec, 예를 들어, 1.38E6 n/㎝2/sec이다.
도 5를 참조하면, 일 실시 양태에서, 쉘(31)은 가연성 독(예컨대, 가돌리늄, 붕소 등) 또는 다른 열 중성자 흡수제로 이루어져서 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층(31a) 및 고속 중성자를 고온열 또는 열 에너지 영역으로 확산시키도록 구성된 내부층(31b)을 포함한다. 내부층(31b)은, 예를 들어, 베릴륨, 폴리에틸렌, 흑연 또는 중수로 이루어질 수 있다. 내부층(31b)은 외부층(31a)과 동심원으로 되어 있다. 다른 실시 양태에서, 내부층(31b)은 생략될 수 있다. 쉘(31)은 알루미늄 외장(33)과 동심원으로 되어 있다. 쉘(31)은 연료봉(32)을 수용하도록 구성된다. 연료봉(32)은 가돌리늄 또는 붕소와 같은 가연성 독을 함유하거나 또는 함유하지 않을 수도 있다. 설명의 목적으로, 하기에서 설명되는 예들은 가돌리늄을 함유하는 우라늄 연료봉에 초점을 맞출 것이지만, 당업자라면 상기 시스템 및 방법이 우라늄, 플루토늄 또는 가연성 독을 함유하지 않은 이들의 조합을 포함한 핵 연료봉; 플루토늄, 또는 가돌리늄을 또한 함유하는 우라늄과 플루토늄의 조합을 포함하는 핵 연료봉; 또는 우라늄, 플루토늄, 또는 붕소와 같은 다른 가연성 독을 또한 함유한 이들의 조합을 포함하는 핵 연료봉을 능동적으로 시험하는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 도 5의 예에서, 연료봉(32)은 가돌리늄을 함유한 우라늄 연료봉(즉, GdU02 연료봉)이다. 연료봉(32)은 외부 클래딩(32a), 예를 들어, 지르코늄 클래딩을 포함할 수 있다. 외부 클래딩(32a)은 연료 펠릿 내에 유지되도록 구성된다. 외부 클래딩(32a)과 내부층(3b) 사이에는 작은 틈이 존재한다. 일반적으로, 외부 클래딩(32a)은 헬륨으로 다시 채워진다.
이러한 예에서, 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50)은 각각 표준 연료봉(즉, 연소 가능한 독을 함유하지 않은 연료봉)을 고온열 또는 열 중성자로 능동적으로 시험하도록 설계된 중공의 열 쉘(60)을 수용하도록 구성된다. 도 6을 참조하면, 일 실시 양태에서, 열 쉘(60)은, 예를 들어, 알루미늄으로 구성된 외부층(61) 및, 예를 들어, HDPE로 구성된 내부층(62)을 포함한다. 내부층(62)(예를 들어, HDPE 블랭킷)은 외부층(61)(예를 들어, 알루미늄 외장)과 동심원으로 되어 있다. 열 쉘(60)은 표준 연료봉(63), 예를 들어, U-235 또는 U-238 연료봉(즉, U02 연료봉)을 수용하도록 구성된다. 연료봉(63)은 외부 클래딩(63a), 예를 들어, 지르코늄 클래딩을 포함할 수 있다. 외부 클래딩(63a)은 연료 펠릿 내에 유지되도록 구성된다. 외부 클래딩(63a)과 내부층(62) 사이에는 작은 틈이 존재한다. 일반적으로, 외부 클래딩(63a)은 헬륨으로 다시 채워진다. 연료봉(63)은 가연성 독을 함유하지 않는다.
제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)에서 소정의 중성자 유속(즉, 고온열 또는 열)은 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 모두가 연료봉(63)을 함유하는 형상에서 약 1E4 n/㎝2/sec 내지 1E8 n/㎝2/sec, 예를 들어, 1.38E6 n/㎝2/sec 이다. 상기 시스템은 또한 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 중 하나가 비어 있고, 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 중 다른 하나는 연료봉(63)을 함유하는 형상으로 시험된다. 연료봉(63)으로 전달된 열 유속은 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 내의 연료봉(63)을 갖는 경우와 0.1 %의 불확실성으로 동일하다. 그러므로, 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)은 분리되며, 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 내의 연료의 존재 유무는, 중성자 관점에서 볼 때, 다른 연료봉 채널에 영향을 주지 않는다.
도 7 및 도 8은, 도 3 및 도 4에 각각 도시된 바와 같이, 동일한 평면에서 열 중성자 유속(E < 0.025 eV)을 도시한다. 도 7 및 도 8에서 보여진 바와 같이, 중성자 감쇄기(22)(즉, 흑연 챔버)는 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)에 대해 고도로 균일한 열 중성자 환경을 일으킬 수 있다. 이로 인해 연료봉(63)이 피크 열 중성자 집단의 영역(약 30 ㎝)에서 보다 긴 시간을 소모하게 할 수 있으므로 연료에서 더 높은 활성화를 일으키고 탐지 시간을 단축시킨다. MCNP 시뮬레이션은 본 출원의 실시 양태에 따른 구성이 약 1E4 n/㎝2/sec 내지 1E8 n/㎝2/sec, 예를 들어, 1.38E6 n/㎝2/sec의 큰 열 중성자 유속을 갖는 열 중성자의 매우 균일한 영역을 생성한다는 것을 보여주는데, 이는 중성자 연료봉의 개선된 활성화를 허용함을 보여 주는 것이다.
도 9는 중성자 에너지 범위에 걸쳐 Gd-157, U-235 및 U-238의 흡수 단면의 비교를 예시하고 있다. 도 9에서 볼 수 있듯이, 고온열 에너지(즉, 열 위의 에너지와 고속 아래의 에너지)의 경우, U-235의 핵분열 단면과 Gd-157의 흡수 단면은 거의 동일하다. 그러므로, 가돌리늄을 함유하는 연료봉(32)을 스캐닝하기 위한 제 1 연료봉 채널(30)은 열 에너지 범위 이상의 중성자에 대해 최적화된다. 이는, 예를 들어, 베릴륨으로 구성된 내부층(31b) 및 가돌리늄으로 구성된 외부층(31a)을 연료봉(32) 주위에 제공하고, 이에 의해 열 중성자에 대한 효과적인 장벽을 생성함으로써 달성된다. 도 7의 열 중성자 유속 맵은 열 중성자 집단이 제 1 연료봉 채널(30) 내에서 크게 감소되는 것을 보여준다. 제 1 연료봉 채널(30)이 고속 중성자 공급원에 더 가깝기 때문에, 총 중성자 집단은 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)보다 높다. 그러므로, 고온열 중성자에 대한 핵분열 단면이 열 중성자보다 현저히 낮다는 사실에도 불구하고, 핵분열 반응을 유도하기 위해서는 훨씬 많은 중성자가 존재한다. MCNP 결과는 제 1 연료봉 채널(30)을 나가는 연료봉(32)(가돌리늄을 함유함)의 활성이 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)을 나가는 표준 연료봉(63)의 활성의 약 절반임을 나타내고 있다. 그러므로, 본 발명의 적어도 하나의 실시 양태에서, 2 배의 감마선 검출기가 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)에서 보다 제 1 연료봉 채널(30)에서 제공될 수 있다. 더욱이, 제 1 연료봉 채널(30)의 스캐닝 속도는 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)의 스캐닝 속도보다 느릴 수 있다. 예를 들어, 제 1 연료봉 채널(30)의 스캐닝 속도는 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)의 스캐닝 속도의 약 절반일 수 있다. 제 1 연료봉 채널(30), 제 2 연료봉 채널(40) 및 제 3 연료봉 채널(50) 각각에 대한 스캐닝 속도는 5 내지 30 ㎝/s의 범위일 수 있다.
고온열 중성자를 사용하여 핵분열을 유도할 때, 고온열 중성자에 대한 U238 핵분열 단면이 열 중성자에 대한 것보다 훨씬 높다는 사실에 유의해야 한다. 따라서, U238 핵분열은, U235 함량의 측정을 목표로 하는 경우, 배경 감마선의 중요한 공급원을 제공할 수 있으며, 이는 대부분의 경우에 해당된다. 이러한 사실은 대략 1 MeV인 제 1 연료봉 채널(30) 내에서 중성자의 이상적인 에너지 범위에 대한 상한을 제공한다. 그러므로, 열 중성자 및 고속 중성자 모두가 가능한 한 많이 차폐되어 연료봉(32)에서 효과적인 고온열 집단을 발생시켜야 한다. 이를 달성하기 위해서는 연료봉 채널(30, 40 및 50)의 기하학적 구조 및 선택된 물질이 중요하다. 도 3의 예에서, 감쇄기(20)의 기하학적 구조 및 도 5 및 도 6과 관련하여 기술된 물질은 연료봉 채널(30, 40 및 50)에서 (대략 1 eV를 중심으로 한) 고온열 중성자 집단을 최대화하도록 구성된다.
가돌리늄을 함유하는 연료봉(32)을 스캐닝하기 위한 제 1 연료봉 채널(30)은 직접 운반 또는 단일 확산 이벤트의 결과인 고속 중성자 유속 집단을 감소시키기 위해 중성자 공급원으로부터 충분히 멀리 위치되어야 한다. 제 1 연료봉 채널(30)은 최대 고온열 유속에 매우 가까운 영역에 제공되면서 또한 최대 고온 유속의 영역 바깥쪽에 있는 것이 바람직하다. 이로 인해 U-235에서 유도된 핵분열의 상대적인 수가 U-238에 대한 것보다 상당히 크게 되어 중성자의 효율을 효과적으로 증가시키고 U-238 활성화로부터의 배경 신호를 감소시킨다. 도 10은 도 3에 도시된 제 1 연료봉 채널(30)의 위치에서 MCNP로부터 출력되는 대표적인 중성자 에너지 스펙트럼을 도시한다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 높은 에너지 테일(tail)은 고온열 영역의 전체에 걸쳐 중성자 집단에 비해 매우 낮다.
표 1은 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)(즉, 열 채널)에서 U-235 및 U-238 활성화 횟수를 나타내는 반면에, 표 2는 5 % 원자 자연 가돌리늄을 함유하는 연료봉에 대한 제 1 연료봉 채널(30)(즉, 고온열 채널)에서 U-235 및 U-238 활성화 횟수를 나타낸다.
표 1: 열 라인에서 U-235 및 U-238 활성화 밀도
U-235 농축도 (%) U-235 활성화 밀도
(핵분열/㎝ 3 -s) 		U-238 활성화 밀도
(핵분열/㎝ 3 -s) 		U-235로부터의 핵분열 (%)
0 0.0E+00 1.2E+03 0
1.60 1.1E+06 1.2E+03 99.89
2.40 1.6E+06 1.2E+03 99.93
3.60 2.4E+06 1.2E+03 99.95
3.95 2.6E+06 1.2E+03 99.96
4.40 2.9E+06 1.2E+03 99.96
4.90 3.2E+06 1.2E+03 99.96
표 2 : 고온열 라인에서 U-235 및 U-238 활성화 밀도
U-235 농축도 (%) U-235 활성화 밀도
(핵분열/㎝ 3 -s) 		U-238 활성화 밀도
(핵분열/㎝ 3 -s) 		U-235로부터의 핵분열 (%)
0 0.0E+00 3.0E+03 0
1.60 3.0E+04 3.0E+03 90.97
2.40 4.5E+04 3.0E+03 93.72
3.60 6.6E+04 3.0E+03 95.62
3.95 7.2E+04 3.0E+03 95.98
4.40 7.9E+04 3.0E+03 96.34
4.90 8.7E+04 3.0E+03 96.67
표 1(즉,열 채널(40, 50))에서 보여진 바와 같이, 모든 농축도에서 발생하는 거의 모든 핵분열 현상은 U-235에서 있다. 표 2(즉, 고온열 채널(30))에서 보여진 바와 같이, U-235에서 발생하는 핵분열의 비율은 U-238보다 훨씬 높은 규모로 되어 있으며, 이러한 배경 수준은 공지된 U-238 반응을 빼서 계산될 수 있으며, 이는 연료봉의 U-235 농축도에 기초한 백분율 단위로 변화할 것이다.
도 11 및 도 12는 핵 연료봉 채널(30, 40 및 50)이 동일한 높이로 서로 평행하게 위치되어 있는 감쇄기(20)의 대안적인 실시 양태에 대한 각각의 고온열 중성자 유속 및 고속 중성자 유속을 도시하고 있다. 이러한 실시 양태에서, 제 1 연료봉 채널은 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50)에 대해 등거리인 위치에서 제 2 및 제 3 연료봉 채널(40, 50) 사이에 제공된다. 도 12에서 보여진 바와 같이, 제 1 연료봉 채널(30)의 고속 중성자 유속은 크게 감소되며; 그러나, 이것은 보다 낮은 고온열 중성자 유속의 희생으로 주어진다(도 11 참조). 다른 실시 양태에서, 연료봉 채널(30,40,50) 중 적어도 하나는 고온열 채널이고, 연료봉 채널(30,40,50) 중 적어도 하나는 열 채널이다. 고온열 채널(들)은 열 채널(들)과 동일한 높이에 위치되거나 그 위 또는 그 아래에 위치될 수 있다.
중성자 에너지가 증가함에 따라 연료봉(32) 내의 가연성 독(예를 들어, 가돌리늄)에 의해 중성자를 포획하기 위한 단면이 급격히 감소한다. 그러므로, 조사기 내의 연료봉 채널에서 중성자 집단의 평균 에너지를 증가시킴으로써, 연료봉 내의 독에 의해 흡수되는 중성자의 백분율을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 더욱이, 우라늄 핵분열 단면의 감소는 평균 중성자 에너지가 증가함에 따라 독에 의해 중성자 포획의 흡수 단면이 감소하는 만큼 빠르게 감소하지 않는다. 따라서, 핵 연료봉 채널 위치에서 고온열 중성자 유속을 최적화함으로써, 핵분열을 유도하고 감마선 검출기에서 측정 가능한 신호를 발생시키는데 사용되는 중성자의 백분율은 상당히 증가될 수 있다. 이러한 기술은 규칙적인 핵 연료봉뿐만 아니라 가연성 독을 함유 한 핵 연료봉에서 별도로 또는 동시에 핵분열 물질 함량 및 공간 분포를 측정하기 위하여 활성 중성자 심문을 활용할 수 있게 한다.
상술한 시스템(100)은 도 13에 예시된 바와 같이, 능동적 스캐닝 시스템(1000) 내로 조합될 수 있다. 능동적 스캐닝 시스템(1000)은 표준 연료봉(예를 들어, U02 연료봉(63)) 및 가연성 독을 함유한 연료봉(예를 들어, GdUO2 연료봉(32))을 단일 스캐너로 스캐닝하도록 구성된다. 도 15에 예시된 하나의 실시예에서, 능동적 스캐닝 시스템(1000)은 연료봉의 수동 투입 및 스캐닝된 연료봉의 자동 배출을 진행하도록 구성된다. 도 16 및 도 17을 참조하면, 능동적 스캐닝 시스템(1000)은 백그라운드 검출기, 농도계, 조사기, 활성화 검출기, 가돌리니아(gadolinia) 측정 시스템, 봉 이동 하드웨어 및 시스템을 작동시키는데 요구되는 모든 필요한 컴퓨터, 전자 장치 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 검출기 배치(도 17 참조)는 순간 핵분열에 의해 발생된 즉각적인 감마선이 활성화 측정에 영향을 미치지 않고 지연된 감마 스펙트럼만 계산되게 하도록 되어있다. 따라서, 지연 감마선의 우라늄 핵분열 스펙트럼이 측정되어, 연료 컬럼(column)에 존재하는 농축도 백분율, 총 그램 우라늄 및 임의의 단일 펠릿 편차를 결정할 수 있게 한다. 일부 실시 양태에서, 백그라운드 감마선 검출기는 조사 전에 봉의 감마선 방출을 측정하는데 사용된다. 이 백그라운드는 정확도를 향상시키고 연료의 수명을 확인하기 위해 지연된 감마 신호에서 뺄 수 있다. 부가적으로, 제안된 스캐너는 지연된 중성자를 측정하여 농축도 데이터를 더욱 구체화한다.
도 14는 중복 서비스 및 신속한 서비스를 위한 백업 조사기(1001) 및 스캔을 필요로 하는 연료봉의 자동 충전/비충전 및 자동 복귀를 위한 완전 자동화된 로드 핸들링 장비(1002)의 선택적 구성을 추가한 도 13의 능동적 스캐닝 시스템(1000)을 예시한다. 백업 조사기는 단일 실패 지점일 수 있는 단일 중성자 발생기를 갖는 것과 관련된 위험을 처리하기 위해 포함될 수 있다. 이러한 위험을 제거하는 것 외에도, 백업 조사기는 중성자 발생기 유지 또는 수리와 관련된 가동 중지 시간을 줄임으로써 전체 스캐너 가용성을 향상시킨다. 추가적인 로드 핸들링 장비는 트레이 충전 및 비충전을 자동화함으로써 작업자의 개입을 줄여 주기 때문에, 작업자는 스캐닝할 봉의 트레이를 충전/비충전 영역으로 전달하고 동일한 영역에서 스캐닝한 봉의 트레이를 회수할 수 있다. 또한, 추가적인 로드 핸들링 장비는 시스템으로 하여금 검역 후 이어서 잠재적으로 결함이 있는 봉들의 재-스캔을 자동으로 처리할 수 있게 한다.
전술한 능동적 스캐닝 시스템의 실시 양태에서, 검출기는 순간 핵분열에 의해 발생된 신속한 감마선이 활성화 측정에 영향을 미치지 않고, 지연된 감마 스펙트럼만 계산되게 하도록 배치된다.
전술한 실시 양태에서, 핵 연료봉이 우라늄 연료봉으로서 기술되었지만, 본 출원은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시 양태에서, 핵 연료봉은 플루토늄 연료봉 또는 우라늄 및 플루토늄을 함유하는 연료봉일 수 있다. 이외에도, 상기 기술된 실시 양태에서 가연성 독이 가돌리늄이지만, 본 출원은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시 양태에서, 붕소와 같은 임의의 공지된 가연성 독이 이용될 수 있다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어들은 본 발명의 주 사항이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 허용되는 어법과 조화하여 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 발명을 검토하는 당업자라면, 이들 용어들이 이들 특징의 범위를, 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않고 기재 및 청구된 특정 특징들의 설명을 허용하기 위한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 이들 용어는 기재 및 청구된 주 사항들의 실질적이이지 않거나 중요하지 않은 변형 또는 변경이 청구 범위에 인용된 본 발명의 범위내에 있는 것으로 간주된다는 것을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 실시 양태들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 "예시적인"이라는 용어는 이러한 실시 양태들이 가능한 실시 양태들의 가능한 실시예들, 표현들 및/또는 예시들임을 나타내기 위한 것임에 유의해야 한다(이러한 용어는 이러한 실시 양태들이 반드시 비범하거나 또는 최상의 실시예들이라는 것을 함축하고 있는 것으로 의도되지 않는다 ).
본 명세서에 사용된 용어 "결합된", "연결된" 등과 같은 것은 2 개의 부재가 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 것을 의미한다. 이러한 결합은 정지 상태(예를 들어, 영구적) 또는 이동 가능한 상태(예를 들어, 제거 가능한 또는 해제 가능한)일 수 있다. 이러한 결합은 2 개의 부재 또는 서로 단일 통합체로서 일체적으로 형성된 2 개의 부재와 임의의 부가적인 중간 부재로 달성될 수 있거나, 또는 2 개의 부재 또는 서로 부착되는 2 개의 부재와 임의의 부가적인 중간 부재로 달성될 수 있다.
본 명세서에서 요소들(예를 들어, "상부", "기저부", "위로", "아래로" 등)의 위치에 대한 언급들은 도면에서 다양한 요소들의 방향을 설명하기 위해 단순히 사용된다. 다양한 요소들의 방향은 다른 예시적인 실시 양태들에 따라 다를 수 있으며, 그러한 변화들은 본 발명에 의해 포괄되는 것으로 의도된다는 것을 알아야한다.
다양한 예시적인 실시 양태들에서 도시되고 및/또는 기술된 핵 연료봉의 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템의 구성 및 배치는 단지 예시적이라는 것을 아는 것이 중요하다. 몇몇 실시 양태들만이 본 명세서에서 상세히 기술되었을 지라도, 본 명세서를 검토하는 당업자라면, 본 명세서에서 기술된 주 사항들의 신규한 교수 및 장점들을 실질적으로 벗어남이 없이 많은 변형(예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 매개 변수들의 값, 장착 배치, 재료의 사용, 색상, 방향 등의 변화)이 가능하다는 것을 쉽게 알 수있을 것이다. 예를 들어, 일체적으로 형성된 것으로 도시된 요소들은 다수의 부품들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반대로 되거나 또는 다르게 변화될 수 있으며, 개별적인 요소들 또는 위치들의 특성 또는 개수는 대체되거나 또는 변경될 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계들의 순서 또는 연속성은 대안적인 실시 양태들에 따라서 변경되거나 또는 재 배치될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 양태들의 설계, 작동 조건 및 배치에 있어서 다른 대체, 변경, 변화 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.

Claims (37)

  1. 핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템이,
    이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하는 전기적으로 구동되는 중성자 발생기;
    중성자 발생기를 둘러싸고 있으며, 중성자 발생기에 의해 발생된 중성자를 감쇄시키도록 구성된 감쇄기;
    감쇄기 내에서 배치되어 있으며, 제 1 핵 연료봉을 수용하고, 제 1 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키도록 구성된 제 1 연료봉 채널; 및
    복수의 방사선 검출기를 포함하며,
    여기서, 중성자는, 제 1 핵 연료봉 내의 핵분열 물질의 양 및 제 1 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 복수의 방사선 검출기에 의해 검출되는 신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하는,
    핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연료봉 채널은, 가연성 독을 함유한 상기 제 1 핵 연료봉을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 연료봉 채널은, 상기 가연성 독으로 이루어지고 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층을 갖는 내부 고온열 쉘(shell)을 포함하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부 고온열 쉘은, 고속 중성자를 고온열 영역 내로 확산시키도록 구성된 내부층을 추가로 포함하고,
    상기 내부층은, 상기 외부층과 동심원으로 되어 있는
    시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 내부층은, 베릴륨으로 구성되는 시스템.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료봉 채널은, 가돌리늄 또는 붕소를 함유한 상기 제 1 핵 연료봉을 수용하도록 구성되는 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 중성자 유속은, 고온열 중성자 유속이고, 고온열 중성자는 상기 복수의 방사선 검출기에 의해 검출된 2차 방사선을 유도하는 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 공급원은, 마이크로파 이온 공급원 또는 전자 사이클로트론(electron-cyclotron) 공명(ECR) 이온 공급원인 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표적은, 티탄, 구리, 지르코늄, 우라늄, 팔라듐 또는 알루미늄 중 적어도 하나로 구성되는 고체 표적인 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감쇄기는, 상기 표적을 둘러싸는 챔버, 상기 챔버를 둘러싸는 중성자 감쇄기 및 상기 중성자 감쇄기를 둘러싸는 추가적인 중성자 감쇄기를 포함하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버는, 유전체성 고체, 액체 또는 가스를 포함하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 챔버는, 플루오리너트(fluorinert) 액체를 포함하는 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버를 둘러싸고 있는 상기 중성자 감쇄기는, 흑연, D20 또는 폴리에틸렌으로 구성되는 시스템.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 중성자 감쇄기는, 폴리에틸렌으로 구성되는 시스템.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 중성자 감쇄기는, 5 % 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성되는 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료봉 채널은, 상기 가연성 독으로 이루어지고, 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하는 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은, 제 2 핵 연료봉을 수용하고, 상기 제 2 핵 연료봉을 소정의 열 중성자 유속에 종속시키도록 구성되는 제 2 연료봉 채널을 추가로 포함하며,
    상기 제 2 연료봉 채널은, 감쇄기 내에 배치되고,
    상기 열 중성자는, 상기 복수의 방사선 검출기들 중 적어도 하나에 의해 검출되는 제 2 핵 연료봉 내에서 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하여 핵분열 물질의 양 및 제 2 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는
    시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 연료봉 채널은, 알루미늄으로 구성된 외부층 및 폴리에틸렌으로 구성된 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하는 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은, 핵 연료봉을 수용하고 상기 핵 연료봉을 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속에 종속하도록 구성되는 적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널을 추가로 포함하며,
    상기 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속의 중성자는, 상기 복수의 방사선 검출기 중 적어도 하나에 의해 검출되는 핵 연료봉 내에서 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하여 핵분열 물질의 양 및 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하는
    시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 표적은, 티탄으로 구성된 고체 표적이며;
    상기 중성자 감쇄기는, 흑연으로 구성되며;
    상기 추가적인 중성자 감쇄기는, 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성되며;
    상기 제 1 연료봉 채널은, 가돌리늄으로 이루어지고, 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층 및 베릴륨으로 이루어지고 고속 중성자를 고온열 에너지 영역으로 확산시키도록 구성된 내부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며;
    상기 제 1 연료봉 채널은, 가돌리늄을 함유한 핵 연료봉을 수용하도록 구성되며;
    상기 제 2 연료봉 채널은, 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하며; 그리고
    상기 제 2 연료봉 채널은, 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 수용하도록 구성되는
    시스템.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 표적은, 티탄으로 구성된 고체 표적이며;
    상기 중성자 감쇄기는, 흑연으로 구성되며;
    상기 추가적인 중성자 감쇄기는, 붕산화된 폴리에틸렌으로 구성되며;
    상기 제 1 연료봉 채널은, 붕소로 이루어지고 열 중성자를 흡수하도록 구성된 외부층 및 베릴륨으로 이루어지고 고속 중성자를 고온열 에너지 영역으로 확산시키도록 구성된 내부층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며;
    상기 제 1 연료봉 채널은, 붕소를 함유한 핵 연료봉을 수용하도록 구성되며;
    상기 제 2 연료봉 채널은, 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하며; 그리고
    상기 제 2 연료봉 채널은, 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 수용하도록 구성되는
    시스템.
  22. 이온 공급원, 가속기 및 표적을 포함하여 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 중성자를 발생시키는 단계;
    중성자 발생기를 둘러싸는 감쇄기로 중성자를 감쇄하는 단계;
    감쇄기 내에 배치된 제 1 연료봉 채널 내에 제 1 핵 연료봉을 배치하는 단계;
    신속하고 지연된 감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위하여 제 1 핵 연료봉을 소정의 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및
    핵분열 물질의 양 및 제 1 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 복수의 방사선 검출기로 2차 방사선을 검출하는 단계를 포함하는,
    핵 연료봉에 대한 능동적 스캐닝을 수행하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 핵 연료봉은, 가연성 독을 함유하는 방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 핵 연료봉은, 가돌리늄 또는 붕소를 함유하는 방법.
  25. 제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 중성자 유속은, 고온열 중성자 플럭스이며,
    상기 고온열 중성자는, 상기 복수의 방사선 검출기에 의해 검출된 2차 방사선을 유도하는
    방법.
  26. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료봉 채널은, 가연성 독으로 구성된 층을 갖는 내부 고온열 쉘을 포함하며;
    상기 제 1 핵 연료봉을 상기 소정의 중성자 유속에 종속시키는 단계가, 상기 내부 고온열 쉘의 외부층에서 열 중성자를 흡수하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 내부 고온열 쉘의 내부층에서 고속 중성자를 고온열 에너지 영역 내로 확산시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가연성 독을 함유하지 않은 제 2 핵 연료봉을 제 2 연료봉 채널 내에 배치하는 단계;
    감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위하여 제 2 핵 연료봉을 소정의 열 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및
    상기 핵분열 물질의 양 및 상기 제 2 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 상기 복수의 방사선 검출기들 중 적어도 하나에 의해 상기 제 2 핵 연료봉으로부터 2차 방사선을 검출하는 단계를 추가로 포함하는
    방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 연료봉 채널은, 알루미늄으로 이루어진 외부층 및 폴리에틸렌으로 이루어진 내부층을 갖는 내부 열 쉘을 포함하며,
    상기 방법은, 내부 열 쉘의 내부층 및 외부층으로 고온열 중성자 집단을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는
    방법.
  30. 제 22 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가적인 연료봉 채널에서 가연성 독을 함유하지 않은 핵 연료봉을 배치하는 단계;
    감마선 방출, 중성자 방출 또는 이들의 조합의 2차 방사선을 유도하기 위하여 핵 연료봉을 소정의 고온열 중성자 유속 또는 열 중성자 유속에 종속시키는 단계; 및
    상기 핵분열 물질의 양 및 상기 핵 연료봉의 길이를 따라서 핵분열 물질의 공간 분포를 결정하기 위하여 상기 복수의 방사선 검출기 중 적어도 다른 하나에 의해 상기 핵 연료봉으로부터 2차 방사선을 검출하는 단계를 추가로 포함하는
    방법.
  31. 제 22 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표적은, 중수소 원자로 매립된 고체 표적이고,
    상기 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 중성자를 발생시키는 단계는, 중수소-중수소 융합 반응을 통해 중성자를 발생시키기 위하여 가속된 중수소 이온 빔으로 상기 고체 표적을 타격하는 단계를 포함하는
    방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 고체 표적을 상기 가속화된 중수소 이온 빔으로 조사함으로써, 고체 표적에 매립된 중수소 원자를 보충하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 고체 표적은, 티탄, 구리, 지르코늄, 우라늄, 팔라듐 또는 알루미늄 중 적어도 하나로 구성되는 방법.
  34. 제 22 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감쇄기는, 상기 표적을 둘러싸는 챔버, 챔버를 둘러싸는 중성자 감쇄기, 및 중성자 감쇄기를 둘러싸는 추가적인 중성자 감쇄기를 포함하며,
    상기 감쇄기로 중성자를 감쇄하는 단계는, 중성자 감쇄기를 사용하여 전기적으로 구동되는 중성자 발생기로 생성된 중성자를 열중성자화하고 추가적인 중성자 감쇄기로 열중성자화된 중성자를 흡수하는 단계를 포함하는
    방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 챔버를 둘러싸고 있는 중성자 감쇄기는, 흑연, D20 또는 폴리에틸렌으로 구성되고,
    상기 추가적인 중성자 감쇄기는, 폴리에틸렌으로 구성되는
    방법.
  36. 제 34 항 또는 제 35 항에 있어서,
    상기 챔버는, 유전체성 고체, 액체 또는 가스를 함유하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 챔버는, 플루오리너트 액체를 함유한 플루오리너트 챔버인 방법.
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