KR20200014208A

KR20200014208A - 방사성 핵종 분석 시스템

Info

Publication number: KR20200014208A
Application number: KR1020190088794A
Authority: KR
Inventors: 김현철; 임종명; 장미; 김창종; 이진형; 홍상범; 이완로
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-02-10
Also published as: KR102484833B1

Abstract

본 발명은 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리하기 위한 분리 유닛; 및 상기 분리된 방사성 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하고, 상기 분리 유닛 및 측정 유닛은 상기 방사성 시료가 존재하는 현장에 배치될 수 있도록 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비되는 것인 방사성 핵종 분석 시스템에 관한 것이다.

Description

방사성 핵종 분석 시스템{Radionuclide Analyzing System}

본 발명은 현장에서도 적용이 가능한 방사성 폐기물의 방사성 특성을 평가하기 위한 방사성 핵종 분석 시스템에 관한 것이다.

원자력 운영시설 해체 공정 중 발생한 방사성 폐기물의 방사성 특성 평가는 반드시 필요한 절차이다. 방사성 특성 평가란, 발생한 방사성 폐기물의 방사선적 특성, 즉 방사성 핵종(감마, 알파, 베타 핵종) 별 방사능 농도를 정량 분석하는 평가를 말한다. 이러한 방사성 폐기물의 방사성 특성 평가 결과에 따라, 자체처분 방사성 폐기물, 극저준위 방사성 폐기물, 저준위 방사성 폐기물, 중준위 방사성 폐기물로 구분되어 처분될 수 있다. 이 중 자체처분 방사성 폐기물은 발생지에서 일반 폐기물과 같이 처분이 가능하다. 그러나 그 외의 방사성 폐기물은 방사성 특성 평가가 선행된 후에, 극저준위 방사성 폐기물, 또는 중/저준위 방사성 폐기물로 분류되어 방사성 폐기물 처분장으로 이송된다.

원자력 운영시설의 해체 공정은 해체 폐기물에 방사성 물질이 포함되었다는 점에서, 일반 건축물의 해체 공정과 가장 큰 차이가 있다. 따라서 원자력 운영시설 부지 내에서 방사성 폐기물은 엄격한 규제 하에 입/출입이 통제되며, 원자력 운영시설의 해체 중에 발생한 방사성 폐기물을 방사성 특성 평가를 위해 해체 부지 외부로 유출하는 것이 쉽지 않다. 방사성 특성 평가 이전에는 발생한 방사성 폐기물의 방사능 위험 정도를 확인할 수 없기 때문이다.

기존에는 원자력 운영시설의 해체 후 발생하는 방사성 폐기물을 방사성 특성 평가 시설로 이송하여서 평가가 이루어졌기 때문에 이송과정에서 운반자의 방사능 노출의 위험성, 시설 주변 주민들의 불안감 고조 등 사회적인 수용성 측면에서 문제가 있었다. 방사성 폐기물에 대하여 최종적으로 방사성 특성 평가가 완료된 후 적합한 용기에 포장이 끝난 후에야, 적법한 절차에 따라 방사성 폐기물 처분장으로 이송할 수 있으므로, 위와 같은 문제점을 최소화하기 위해서, 원자력 운영시설 해체 중 발생한 방사성 폐기물은 해체와 동시에 현장에서 방사성 특성 평가가 이루어질 필요가 있다.

한편 위와 같은 방사성 특성 평가 중에 2차 방사성 폐기물이 발생할 수 있다. 방사성 특성 평가 공정에서 발생한 모든 폐기물은 기본적으로 방사성 폐기물로 분류가 되며, 이러한 2차 방사성 폐기물 역시 방사성 폐기물 처분 공정에 따라 처분되어야 한다. 해체 시설의 사업자 입장에서는 이 2차 방사성 폐기물 마저 처분 비용의 상승으로 이어지기 때문에, 가능한 2차 방사성 폐기물의 발생을 최소화하고, 이왕이면 처분이 쉬운 형태의 폐기물로 유도해야 한다.

방사성 핵종 중 100℃ 또는 고온에서 휘발하는 H-3, C-14, Tc-99, I-129 등의 휘발성 방사성 핵종은 연소과정을 통해 방사성 시료에서 분리될 수 있다. 종래 국내에서 수입하여 사용되는 기존의 연소로는 H-3, C-14만을 추출하기 위해 설계된바, Pyrolizer(Raddec, Great Britain)라 불리는 이러한 장비는 시료를 연소시킨 후, 0.1M HNO₃ 용액이 담긴 포집기에서 H-3을 포집하고, carbosorb이라 불리는 CO₂ 흡수섬광용액이 담긴 포집기에서 C-14을 순서대로 포집한다.

시료를 보트(boat) 형상으로 제작한 석영용기(이하 "보트"라 한다)에 넣고, 이러한 보트를 석영 연소관에 놓은 후, 연소로 안으로 투입하게 된다. 연소로는 세 개의 영역(zone)으로 구분되는데, 첫 번째 영역은 시료가 놓인 곳의 온도를 목표 온도까지 상승시키는 영역이고, 두 번째 영역은 온도 상승 완충 구역에 해당하며, 세 번째 영역은 고온의 환경에서 촉매와 반응하는 구역으로 구성되어 있다. 연소로를 빠져나온 가스는 유리관-실리콘 튜브를 거쳐 H-3와 C-14 포집기로 이어진다.

그러나 기존 연소로에서 Tc-99는 두 번째 영역에 해당하는 완충구역에 이르러 대부분 연소관 내에서 재승화하게 되는바, 두 번째 영역이 상대적으로 온도가 매우 낮아 기화했던 Tc-99가 다시 고체로 승화되어 유리관 내에 침착하게 되므로 Tc-99를 추출할 수 없다. 또한 연소로에서 빠져나온 가스는 실리콘 튜브와 유리관을 지나 H-3 포집기로 이동하게 되는데, I-129 가스는 그 특성상 실리콘 튜브에 잘 흡착되므로, I-129 역시 추출되기 어렵다는 문제가 있다.

또한, H-3 가스 포집기에서 기화된 수분 중 일부가 C-14 포집 용액으로 월류(overflow)하는 단점이 존재한다. 이에 따라 H-3을 100% 포집하지 못 하게 되는 것은 물론, C-14를 포집하는 carbosorb의 CO₂ 포집 능력이 저하되는 문제가 있다. 실제로 기존의 연소로를 운영할 때, H-3 포집용액을 지나 C-14 포집용액으로 연결하는 유리관 내에 물방울이 맺히는 것을 관찰할 수 있는데, 분석 기술 측면에서 시료 중 H-3의 100%가 H-3 포집용액에 포집된다는 가정하에 H-3을 정량분석하고 있다. 그러나 실제로 연소로 운영 과정에서 시료의 H-3 일부가 C-14 포집용액으로 넘어가게 되는바, 이로 인해 H-3 100%가 포집될 수 없고, C-14 포집용액의 carbosorb가 넘어온 수분에 의해 CO₂ 포집 능력이 저하되는 것은 물론, 액체섬광계수기를 이용하여 C-14를 분석할 때 월류된 H-3의 영향으로 피크 겹침 현상이 나타나 그 농도가 과대평가되는 문제점이 있다.

위와 같은 휘발성 방사성 핵종 외에도, 알파 핵종 및 베타 핵종은 방사성 핵종 별 분리가 반드시 필요하며, 위와 같은 분리과정에는 숙련된 분석자가 필요하고 복잡한 절차로 인해 시간이 오래 걸린다. 특히 분석자의 숙련도에 따라 일관된 분리 효율을 나타내기 어려울 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 종래 대한민국 등록특허 제10-1574901호 “자동 축차 방사성 핵종 분리기, 분리방법, 및 분리기의 제어기”가 개시되어 있다.

그러나 종래의 자동 축차 방사성 핵종 분리기는 칼럼에 시료 또는 시약을 주입하기 위하여 4-channel인 두 대의 펌프를 사용하였으며, 펌프에 연결된 튜빙에 가해지는 압력이 모두 동일하지 않거나, 하나의 펌프에 연결된 4개의 튜빙의 성능이 동일하지 않아서 펌핑되는 유량이 상이할 수 있어서 칼럼의 운영 유량을 동일하게 맞추기 어려운 문제가 있다. 그리고 계절에 따라 실험실 온도가 낮을 경우 관심 방사성 핵종의 분리/정제 효율이 감소할 수 있다. 대용량의 방사성 시료의 경우에는 처리(분리)가 불가능하며, 강산이 포함된 시약 및 시료로부터 분석자가 위험에 노출되는 문제점이 있다.

또한 기존에는 Fe-55와 Ni-59이 함유된 방사성 폐기물(콘크리트, 토양 등)로부터 두 핵종을 분리하기 위해서는 알칼리 용융을 진행한 후에, 화학적 분리 과정을 거친 후 액체섬광 계수기(Liquid Scintillation Counter, LSC), 저에너지 게르마늄 검출기(Low Energy Germanium Detector, LEGe), 또는 실리콘 리튬 반도체 검출기(Si(Li) semiconductor detector) 등을 사용하여 분석을 진행하였다.

그러나 콘크리트 또는 토양 재질을 녹일 수 있는 알칼리 용융 과정 이후 다음 단계인 화학적 분리 과정에서, 화학적 용액의 첨가 과정을 통한 분리를 진행하기 때문에 추가적인 유기 용액 등이 필요하고, 해당 단계에서 분리를 위해 많은 시간이 소요되며, 유기 폐액 등의 2차 방사성 폐기물이 발생하는 문제점이 있다. 그리고 LSC 측정을 위해서는 유기 용매인 LSC-cocktail을 이용하여 분석 대상 시료와 섞어서 측정을 하며 이 때 유기 폐액이 방사성 폐기물 분석 대상 시료와 약 1 대 1의 비율로 발생하기 때문에 원자력 운영시설 해체 시에 발생하는 방사성 폐기물들을 대표할 수 있는 대표성을 가질 수 있는 방사성 시료의 개수만큼 수많은 방사성 핵종이 포함된 유기 폐액이 발생하는 문제점이 있으며 해당 폐액은 액체 방사성 폐기물로 분류된다.

또한 Fe-55와 Ni-59는 저에너지 X선을 방출하는 핵종이며, Fe-55와 Ni-59는 서로 인접한 에너지 대역에서 X선 방출 피크를 나타내는데, 이와 같이 서로 근접한 에너지 대역의 피크를 나타내는 두 핵종을 LSC, LEGe, 또는 Si(Li) 반도체 검출기를 이용하여 분리하려는 경우에는 Fe-55와 Ni-59로부터 방출되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼에서 피크의 분해능(해상도)이 낮아서 두 핵종의 분리가 불가능한 문제가 있다. 더불어 LEGe 또는 Si(Li) 반도체 검출기는 충분한 전도율과 좋은 해상도를 위해서는 반드시 액체질소를 이용하여 저온을 유지해야 하기 때문에, 상온에서 이용하는 경우에는 문제가 발생하며, 액체질소 탱크 등의 부수적인 장비를 구비 및 관리해야 함에 따른 장비 소형화에 한계가 있다.

따라서, 위와 같은 기존의 검출기로는 원자력 운영시설의 해체 시 발생하는 다량의 콘크리트 또는 토양 재질의 방사성 폐기물을 분석하는데 있어 많은 시간과 인력이 소요되며 저온에서 사용(액체질소 등의 냉각)해야만 하는 문제가 있어서, 검출기의 교체가 잦기 때문에 추가 인력의 필요 등의 여러 불편함을 가지고 있다.

또한 방사성 특성 상 화학적인 분리 과정을 반드시 거쳐야만 하는 알파 핵종 및 베타 핵종과 달리, 감마 핵종의 경우에는, 방사성 시료를 곧바로 측정용기에 담아 방사능 농도를 측정하게 된다. 종래에는 방사성 시료에 대한 방사능 농도 측정/분석이 종료될 때마다 작업자가 차폐체의 뚜껑을 열어서 시료를 교체하고 다시 차폐체의 뚜껑을 닫는 방식으로 분석 과정이 진행되었다. 그러나, 이러한 방식은 분석자가 분석이 끝날 때마다 시료를 교체해야 하는 번거로움이 있으며 시료가 많을 경우 분석처리의 효율성이 떨어진다는 문제점이 있다. 특히 대용량의 방사성 폐기물이 발생할 수 있는 원자력 발전소 해체 사업의 경우 핵종 분석의 효율성이 낮으면 해체공정의 소요시간 및 해체 비용이 증가하게 된다는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방사성 폐기물의 해체와 동시에 방사성 폐기물이 존재하는 현장(또는 그 부근)에서 방사성 특성 평가가 이루어질 수 있는 모바일랩의 특성을 가지는 방사성 핵종 분석 시스템을 제공하고자 한다.

이에 더해 방사성 핵종 분석 시스템의 분리 유닛에 포함되는 연소부를 통해서, 휘발성 방사성 핵종을 동시에 핵종 별로 분리해 낼 수 있으며, 자동 방사성 핵종 분리 장치를 이용함에 따라 신속하면서도 2차 방사성 폐기물 발생을 최소화할 수 있는 방사성 핵종 분석 시스템을 제공하고자 한다.

나아가 X선 방출 방사성 핵종으로부터 발생되는 X선을 검출하여 얻은 에너지 스펙트럼 상의 두 핵종의 피크가 서로 겹치지 않고 명확하게 구분이 되어서, 방사성 폐기물에 함유된 X선 방출 방사성 핵종의 정성 및 정량 분석이 가능하고, 감마 핵종 분석을 위한 방사성 시료를 차폐용기로 자동으로 공급하여 분석이 가능한 방사성 핵종 분석 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리하기 위한 분리 유닛; 및 상기 분리된 방사성 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하고, 상기 분리 유닛 및 측정 유닛은 상기 방사성 시료가 존재하는 현장에 배치될 수 있도록 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비되는 것인 방사성 핵종 분석 시스템을 제공한다.

본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템에 의하면, 방사성 폐기물을 처분하는 과정에 있어서, 방사성 폐기물이 존재하는 현장(또는 그 부근)에서 방사성 핵종의 방사능 농도를 측정 및 분석할 수 있기 때문에, 기존의 방사성 폐기물을 해체 시설로 이송함에 따른 주변 주민들의 방사능 노출 불안을 해소할 수 있으며, 나아가 방사성 해체 시설을 최소화 할 수 있어서 경제적인 측면 및 사회적인 수용성 측면에서도 기존의 방사성 특성 평가 시스템에 비하여 매우 유리하다.

이와 더불어 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 연소부를 이용하는 경우에는 휘발성 방사성 핵종에 해당하는 H-3, C-14, Tc-99, I-129를 동시에 핵종 별로 분리할 수 있는 이점이 있으며, 항온 수조를 이용하여 H-3, C-14를 완벽하게 회수할 수 있고, 기존 연소로 대비 그 크기를 약 1/2 수준으로 줄일 수 있어서 공간 활용성이 개선되는 이점이 있다.

또한 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리해 내는 과정에서 방사성 핵종 별로 가장 적합한 공정을 적용하고, 일부 방사성 핵종을 최종적으로 방사성 핵종 별로 분리해 내는 과정에서 자동 방사성 핵종 분리 장치를 이용함에 따라 보다 신속하게 분석이 가능하며, 방사성 핵종을 분리하는 과정에서 발생할 수 있는 2차 폐기물을 최소화 할 수 있고, 무엇보다 분석자가 부담해야하는 방사능 노출의 위험과 노동을 감소시켜줄 수 있는 효과가 있다. 또한 칼럼 별로 펌프가 설침됨에 따라 동일 유량을 지속적으로 확보할 수 있고, 히팅모듈을 통해 일정온도를 유지할 수 있어서 일관된 분리/정제 효율을 얻을 수 있으며, 샘플로딩라인을 통해 대용량의 분석 대상 시료를 처리할 수 있고, 퓸방지부를 통해 분석자의 안전도 확보할 수 있는 이점이 있다.

나아가 X선을 전하로 변환하고, 상기 전하가 드리프트(drift) 전기장에서 이동할 때 매개 물질로서 실리콘을 이용하여 광자에너지의 세기를 측정하는 X선 검출기를 이용함으로써, 유기 폐액 등의 2차 방사성 폐기물이 발생하지 않으면서도 액체질소를 이용한 냉각 과정 없이 상온에서 Fe-55 및 Ni-59로부터 발생되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 두 핵종의 정량 및 정성 분석이 가능하다는 장점이 있다.

또한 본 발명의 감마 핵종 분석 장치를 이용하는 경우에는 방사성 시료를 차폐용기 내부로 자동으로 공급할 수 있어서 분석공정의 효율성을 향상시킬 수 있고, 분석자가 방사선에 피폭될 위험을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템을 이용한 방사성 핵종 분석 절차의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템에 포함되는 분리 유닛의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템에 포함되는 분리 유닛의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템에 포함되는 측정 유닛의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템에 포함되는 시료준비부의 모식도 및 사시도이다.
도 6은 모바일랩 개념의 본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템을 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 분리 유닛에 포함된 연소부의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 분리 유닛에 포함된 연소부의 일요부인 가열부를 나타내는 도시이다.
도 9는 본 발명의 분리 유닛에 포함된 연소부의 일요부인 연결부를 나타내는 도시이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 분리 유닛에 포함된 연소부의 정면도 및 다른 방향에서 본 사시도이다.
도 12는 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치의 정면도이다.
도 13는 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치의 제어모듈의 펌프 별 유량 결정 알고리즘을 나타내는 도시이다.
도 15a는 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치의 사시도이다.
도 15b는 도 15a에 도시된 샘플로딩라인에 포함된 로딩블록의 모식도이다.
도 16은 종래 자동 방사성 핵종 분리 장치의 시약탱크를 나타내는 도시이다.
도 17a는 도 13에 도시된 시약탱크(111, 121)에 설치된 체크밸브에서, 차단볼이 개방부를 막고 있는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 17b는 도 13에 도시된 시약탱크(111, 121)에 설치된 체크밸브에서, 외부가스에 의해 차단볼이 이동되어 개방부가 개방된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 18a는 도 13에 도시된 정제시료탱크에 설치된 시약관을 나타내는 모식도이다.
도 18b는 도 18a에 도시된 캡의 단면도이다.
도 19a는 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치의 히팅모듈을 나타내는 모식도이다.
도 19b는 도 19a에 도시된 히팅블록의 모식도이다.
도 20는 본 발명의 일 실시형태에 따른 자동 방사성 핵종 분리 장치의 히팅모듈을 나타내는 개념도이다.
도 21은 본 발명의 분리 유닛에 포함되는 자동 방사성 핵종 분리 장치를 통해 구현되는 자동 축차 분리 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 22는 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 X선 검출기를 이용하여 얻어진 Fe-55로부터 방출되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 23은 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 X선 검출기를 이용하여 얻어진 Ni-59로부터 방출되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 24는 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 X선 검출기를 이용하여 얻어진 Fe-55 및 Ni-59 함유 시료로부터 방출되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 25는 본 발명의 Fe-55 및 Ni-59 함유 시료와 X선 검출기 자동화 시스템의 3D 렌더링 이미지 및 시스템의 배치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 26은 종래기술에 따라서 Fe-55 및 Ni-59 함유 시료로부터 방출되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 LEGe 검출기로 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 27은 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 감마 핵종 분석 장치의 사시도이다.
도 28은 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 감마 핵종 분석 장치의 측단면도이다.
도 29 내지 도 33은 본 발명의 측정 유닛에 포함되는 감마 핵종 분석 장치의 작동 과정을 개념적으로 나타내는 단면 사시도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 방사능 시설의 해체 또는 방사성 폐기물의 절단 후에 발생하는 시료는 방사성 폐기물 처분장으로의 이송을 위하여 포장용기에 옮겨지게 된다. 이 때 포장용기에 담긴 방사성 폐기물에 대하여 방사성 핵종 별 방사능 농도를 측정/평가하여 방사선 특성 평가가 시행되고, 평가된 방사능 농도에 따라 극저준위, 저준위, 중준위 방사성 폐기물로 분리할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 일련의 과정을 방사성 폐기물이 존재하는 현장 또는 현장 부근에서 이루어질 수 있도록 하기 위해 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비되는 방사성 핵종 분석 시스템을 제공한다.

본 발명의 방사성 핵종 분석 시스템은 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리하기 위한 분리 유닛; 및 상기 분리된 방사성 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하고, 상기 분리 유닛 및 측정 유닛은 방사성 시료가 존재하는 현장 또는 현장 부근에 배치될 수 있도록 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비될 수 있다.

상기 분리 유닛 및 상기 측정 유닛은 동일한 이동식 구조물 내에 구비될 수도 있으나, 효율 및 관리 측면에서 상기 분리 유닛 및 상기 측정 유닛은 독립적으로 별개의 이동식 구조물 내에 구비될 수도 있다. 상기와 같이 상기 분리 유닛 및 상기 측정 유닛이 독립적으로 별개의 이동식 구조물 내에 구비되는 경우에는, 이동 및 방사능 유출 방지의 측면에서 각각의 이동식 구조물이 서로 인접하여 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 이동식 구조물은 방사능이 외부로 유출되는 것을 방지하도록 밀폐되어 있을 수 있다.

상기 이동식 구조물은 상기 분리 유닛 및 측정 유닛을 이동하여 설치할 수 있는 구조물이기만 하면 제한 없이 이용될 수 있으며, 예를 들어 이동이 용이하도록 마련된 컨테이너, 선박, 열차, 트럭 등의 차량일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 방사성 시료는 방사성 폐기물을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 방사성 고체 폐기물을 포함할 수 있고, 더 구체적으로는 방사성 폐기물 중 토양과 콘크리트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 상기 방사성 시료는 방사성 폐기물을 대표할 수 있는 시료일 수 있다. 즉, 상기 방사성 시료는 방사성 폐기물을 소정의 크기로 분쇄하여 정량 분석에 적합하도록 균질하게 얻어낸 시료일 수 있다. 즉, 균질하게 얻어낸 시료이기 때문에 상기 방사성 폐기물로부터 분쇄되어 얻어지는 상기 방사성 시료들은 모두 동일한 방사성 핵종을 동일한 함량으로 포함하고 있을 수 있다.

이에 따라 상기 방사성 핵종 분석 시스템은 방사성 폐기물을 소정의 크기로 분쇄하여 상기 방사성 시료를 얻기 위한 분쇄 유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 분쇄 유닛은 상기 방사성 폐기물을 소정의 크기로 분쇄하기 위한 분쇄부를 포함할 수 있고, 상기 분쇄부는 밀링 머신(milling machine) 등을 이용할 수 있다. 상기 분쇄부는 동시에 복수 개의 방사성 폐기물을 처리(분쇄)할 수 있어서, 신속하게 방사성 시료를 준비할 수 있다.

또한 상기 분쇄 유닛에서 균질하게 분쇄되어 얻어지는 상기 방사성 시료들을 보관하기 위한 시료 보관함을 더 포함할 수 있다.

상기 분쇄 유닛은 상기 분리 유닛 또는 측정 유닛과 마찬가지로, 방사성 시료가 존재하는 현장 또는 현장 부근에 배치될 수 있도록 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비될 수 있다. 즉, 상기 분쇄 유닛, 분리 유닛, 또는 측정 유닛은, 하나의 동일한 이동식 구조물 내에 구비될 수도 있고, 유닛 별로 별개의 이동식 구조물 내에 구비되어 이동성이 부여될 수 있다.

먼저 상기 분리 유닛은 상기 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리해 낼 수 있다. 상기 방사성 시료에는 방사성 폐기물 분류 및 자체처분 기준에 관한 규정(2017-65호)에 개시된 H-3, C-14, Co-60, Ni-59, Ni-63, Sr-90, Nb-94, Tc-99, I-129, Cs-137, 전알파 핵종 외에 Fe-55, Co-58, Ce-144을 추가하여 총 14개의 방사성 핵종이 포함될 수 있다.

상기 방사성 시료에는 위와 같은 14개의 방사성 핵종 외에도, 전베타 핵종, 알파 핵종(예를 들어, 플루토늄 등) 등의 방사능을 방출하는 방사성 핵종이 더 포함될 수 있다.

이 중에서, Co-58, Co-60, Nb-94, Cs-137, Ce-144와 같은 감마 핵종은 기본적으로 비파괴분석법으로 분석/평가될 수 있으며, 그에 따라 상기 방사성 시료에 포함되는 감마 핵종은 별도의 분리과정이 필요없다. 따라서, 상기 감마 핵종으로부터 방출되는 방사능 농도는 상기 분리 유닛을 거치기 전의 방사성 시료를 곧바로 측정 유닛에서 측정/분석할 수도 있고, 또는 분리 유닛을 거친 후의 방사성 시료를 측정 유닛에서 측정/분석할 수도 있다.

상기 분리 유닛은 전술한 감마 핵종을 제외한 나머지 방사성 핵종인 H-3, C-14, Ni-59, Ni-63, Sr-90, Tc-99, I-129, Fe-55, 전알파 핵종과 같은 알파 또는 베타 핵종을 상기 방사성 시료로부터 분리해 낼 수 있다.

상기 분리 유닛은 제1 분리 유닛과 제2 분리 유닛을 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 분리 유닛은, 상기 방사성 시료를 연소시켜서 상기 방사성 시료로부터 휘발성 방사성 핵종을 분리해내기 위한 연소부; 상기 방사성 시료를 용융시켜 상기 알칼리 용융성 방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리해내기 위한 용융부; 및 상기 방사성 시료를 산처리하여 상기 방사성 시료로부터 산 분해성 방사성 핵종을 분리해내기 위한 산 분해부; 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 연소부에서 분리되는 휘발성 방사성 핵종은 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 용융부에서 분리되는 알칼리 용융성 방사성 핵종은 Fe-55, Ni-59, Ni-63, 및 전알파 핵종 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 산 분해부에서 분리되는 산 분해성 방사성 핵종은 Sr-90, 및 Tc-90 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 연소부에 관해서는 본 발명자의 선행 출원인 한국 특허출원번호 제2016-0175557호에 개시된 내용의 일부 또는 전부가 적용될 수 있다.

상기 연소부는, 상기 방사성 시료를 연소시켜서 상기 방사성 시료로부터 H-3, C-14, I-129, 및/또는 Tc-99를 포함하는 휘발성 방사성 핵종을 분리하되, 상기 방사성 시료의 이동 방향으로 온도 구배가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 방사성 시료의 이동 방향으로 동일한 온도를 유지하는 가열부(1000); 및 상기 가열부(1000)에서 발생한 상기 방사성 핵종 가스(H-3, C-14, I-129, 및/또는 Tc-99)를 포집할 수 있도록 상기 가열부(1000)와 연결되며, 항상 동일한 온도를 유지하는 가스 포집부;를 포함할 수 있다.

같은 방사성 핵종이어도 매질에 따라 그 분리방법이 상이할 수 있으나, 토양, 콘크리트 등과 같은 방사성 고체 폐기물 중의 휘발성 방사성 핵종(H-3, C-14, I-129, 및/또는 Tc-99)에 대해서는 위와 같은 연소부를 통해 분리할 수 있다.

특히 상기 연소부를 이용하여 상기 휘발성 방사성 핵종을 분리하는 경우에는, 방사성 고체 폐기물 중 휘발성 방사성 핵종에 해당하는 H-3, C-14, I-129를 동시에 추출할 수 있는 이점이 있고, 항온 수조를 이용하여 H-3, C-14를 완벽하게 회수할 수 있는 이점이 있다. 또한, 기존 연소부 대비 그 크기를 약 1/2 수준으로 줄일 수 있어서 공간 활용성이 개선되는 이점도 있으며, 하나의 방사성 시료로부터 동시에 다수의 방사성 핵종을 추출, 분리할 수 있기 때문에, 분석 비용이 절감되는 것은 물론, 방사성 해체 폐기물 분석 시장에서 다양한 수요를 기대할 수 있는 이점이 있다.

상기 가열부(1000)는 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99 중 어느 하나 이상의 휘발성 방사성 핵종을 포함하는 방사성 시료를 연소시켜 휘발성 방사성 핵종을 동시에 분리해 내는 역할을 할 수 있다. 이러한 가열부(1000)의 내부 공간은 방사성 시료의 이동 방향으로 동일한 온도를 유지함으로써, 기화된 Tc-99의 재승화를 방지하여 Tc-99를 분리 가능하도록 할 수 있다.

이와 같이, 가열부(1000)의 내부 온도는 방사성 시료의 이동 방향에 따라 영향을 받지 않고 동일하게 유지되어야 하는바, 기존과 달리 온도 상승 영역, 완충 영역, 촉매 영역을 별도로 구성할 필요가 없으므로, 종래기술 대비 가열부(1000)를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

이로 인해 상기 연소부는 기존 장치에 비하여 약 1/2 정도 크기로 제조 가능하므로 공간 활용성이 개선될 수 있다. 또한 종래 방사성 시료의 불완전 연소를 방지하고, 완전 연소를 위해 필요하였던 촉매 영역을 생략할 수 있어서, 이로 인해 발생할 수 있는 불완전 연소로 인한 C-14 손실을 방지하기 위해 방사성 시료에 바나듐을 촉매로 혼합하여 사용함으로써 C-14 손실을 최소화할 수 있다.

상기 가열부(1000)는, 상기 방사성 시료의 이동 방향으로 그 내부 온도가 동일하게 유지되는 하우징(1100); 상기 방사성 시료를 담은 보트가 투입될 수 있도록 그 일단이 상기 하우징(1100)의 외측에 결합된 투입관(1200); 상기 하우징(1100)의 내부에 설치되고, 상기 하우징(1100)의 내측에 결합되며, 상기 투입관(1200)과 내통하는 연소관(1300); 및 상기 하우징(1100)의 내부에 설치되어 상기 연소관(1300)에서 발생하는 가스를 이송시키되, 상기 연소관(1300)과 분리 가능하도록 결합되며, 상기 가스 포집부(2000)와 연결되는 유리관(1400);을 포함할 수 있다.

상기 하우징(1100)은 다양한 형상으로 형성 가능하며, 그 내부는 빈 공간으로 형성될 수 있고, 그 내부 공간의 온도는 시료의 흐름 방향에 따라 서로 달라지지 않고 동일하게 유지될 수 있다.

상기 투입관(1200)은 방사성 시료가 담긴 보트가 투입되는 곳으로, 그 일단이 하우징(1100) 외측에 결합되어 하우징(1100)과 내통하도록 구비될 수 있다.

상기 투입관(1200)을 통해 하우징(1100) 내부로 진입한 방사성 시료가 연소될 수 있도록 하우징(1100) 내부에는 연소관(1300)이 설치되며, 이러한 연소관(1300)은 투입관(1200)과 내통한다. 연소관(1300)은 석영 재질로 제조되는바, 하우징(1100)의 폭 방향으로 길게 설치된다. 상기 방사성 시료는 투입관(1200)을 통해 연소관(1300)으로 이동하면서 하우징(1100) 내부 공간에서 연소되며, 상술한 방사성 시료로부터 휘발성 방사성 핵종이 가스 형태로 분리된다.

상기 유리관(1400)은 하우징(1100) 내부에 설치되어 연소관(1300)에서 발생한 휘발성 방사성 핵종 가스를 가스 포집부(2000)로 이송시키며, 연소관(1300)과 분리 가능하도록 결합된다. 즉, 유리관(1400)의 일단은 연소관(1300)과 분리 가능하도록 연결되고, 그 타단은 하우징(1100) 내벽에 결합되어 가스 포집부(2000)와 연결되는 것이다.

상기 연소부는 종래기술과 달리 유리관(1400)을 하우징(1100) 내부에 설치하되, 이러한 유리관(1400)을 연소관(1300)과 분리 가능하게 결합함으로써, 기화된 휘발성 방사성 핵종 가스가 유리관(1400) 통과 시 그 내벽에 침적되는 것을 최소화하고, 설령 그 내벽에 침적된다고 하더라도 연소관(1300)으로부터 유리관(1400)을 쉽게 제거함으로써, 승화되어 그 내벽에 침적된 휘발성 방사성 핵종을 분리해 낼 수 있다.

또한 상기 연소부는 종래기술과 달리 유리관(1400)과 연결되는 별도의 실리콘 재질의 튜브에 관한 구성을 생략함으로써, 휘발성 방사성 핵종 가스 중 하나인 I-129를 효율적으로 분리 가능하도록 하였다.

상기 가열부(1000)는 연소관(1300) 및 유리관(1400)이 서로 분리 가능하도록 내열 재질의 연결부(1500)를 이용하여 연결할 수도 있다. 상기 연결부(1500)는 내열 재질을 갖고, 유리관(1400) 및 연소관(1300)을 분리 가능하도록 연결할 수 있는 것이라면, 그 구조, 형상 및 재질은 설계자의 의도에 따라 다양하게 변형 가능하다.

또한 상기 연결부(1500)는 피팅(1520) 및 스프링(1540)을 포함할 수 있다.

상기 피팅(1520) 및 스프링(1540)은 각각 세라믹, 인코넬 재질로 형성될 수 있는바, 상기 피팅(1520)은 유리관(1400) 및 연소관(1300)을 매개하는 역할을 할 수 있다. 이러한 피팅(1520)은 중공의 형상으로 형성되어 그 일단에는 상술한 유리관(1400)이 삽입 체결되고, 그 타단에는 연소관(1300)이 삽입 체결될 수 있다.

세라믹 재질의 피팅(1520)과, 이러한 피팅(1520)에 삽입 체결되는 유리관(1400)은 그 재질이 서로 상이하기 때문에, 서로 다른 열팽창율을 가지고 있는바, 고온에서 열팽창율 차이로 인하여 유리관이 파손될 수도 있다. 스프링(1540)은 피팅 내주면에 설치되어, 고온에서 피팅이 열 팽창함으로써 유리관(1400)을 압박하는 것을 방지함으로써, 유리관(1400)이 파손되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.

상기 투입관(1200), 연소관(1300), 유리관(1400), 연결부(1500)는 하나의 모듈로 구성하여 하우징(1100)에 설치되는바, 이러한 모듈은 하우징(1100)에 복수 개가 종 방향 또는 횡 방향으로 서로 평행하게 설치되어, 복수 개의 방사성 시료로부터 동시에 다양한 휘발성 방사성 핵종을 추출할 수도 있다.

상기 가스 포집부(2000)는, 상기 하우징(1100)의 외부에 설치되어 상기 유리관(1400)과 연결되는 가스 포집관(2100); 항온 수조(2200); 및 상기 항온 수조(2200)에 내장되어 상기 가스 포집관(2100)으로부터 상기 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99 가스를 공급받아 포집하는 가스 포집조(2300);를 포함할 수 있다.

상기 가스 포집부(2000)는 가열부(1000)로부터 발생한 휘발성 방사성 핵종 가스를 냉각하여 종류별로 포집하기 위한 구성으로서, 그 내부에는 항온 수조(2200)가 설치될 수 있다.

상기 항온 수조(2200)는 다양한 휘발성 방사성 핵종 가스를 포집할 수 있도록 복수 개가 설치될 수 있으며, 각각의 항온 수조(2200)에는 휘발성 방사성 핵종을 포집할 수 있는 용액이 내장된다.

0.1M HNO₃ 용액이 담긴 항온 수조(2200)에서 가열부(1000)로부터 발생되는 휘발성 방사성 핵종 가스 중 H-3을 1차적으로 포집하고, 2차적으로 C-14를 포집하는 용액이 담긴 별도의 항온 수조(2200)에서 C-14를 포집하되, H-3 포집 시 H-3이 증발하여 C-14를 포집하는 용액으로 월류(overflow)하는 것을 방지할 수 있도록 항온 수조(2200)는 20℃ 이하로 유지되어야 한다. 상기 항온 수조(2200)의 온도를 유지할 수 있다면, 항온 수조(2200)는 구조, 형상, 재질의 제한을 받지 않고, 설계자의 의도에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

예를 들어, 상기 항온 수조(2200)를 펠티어 소자를 이용하여 제조함으로써, 항온 수조(2200) 내부를 냉각 영역으로 설계할 수도 있으며, 온도 컨트롤러(미도시)를 통해 자동적으로 가스 포집조(2300)가 설치된 항온 수조(2200) 내부 온도를 20℃ 이하로 유지하는 것도 가능하다.

또한, 가스 포집부(2000)에 복수의 항온 수조(2200)를 설치하는 경우, Tc-99, I-129를 순차적으로 포집할 수도 있다.

이렇게, 상기 방사성 시료에 바나듐 촉매를 혼합하여 보트에 담아 투입관(1200)을 통해 하우징(1100) 내부에 설치된 연소관(1300)으로 공급하면, 연소관(1300) 내부에서 방사성 시료가 연소되면서 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99 중 어느 하나 이상의 휘발성 방사성 핵종 가스가 발생하고, 상기 휘발성 방사성 핵종 가스는 유리관(1400)을 통해 가열부(1000) 외부에 설치된 가스 포집부(2000)로 이동하며, 1차적으로 가스 포집부(2000) 내부에 설치된 항온 수조(2200)를 통과하면서 1차 포집구(2110)에 의해 H-3, I-129, 및 Tc-99가 포집되고, 1차 포집구(2110) 후방에 위치한 2차 포집구(2120)에 의해 C-14가 순차적으로 포집될 수 있다.

위와 같이 상기 연소부를 이용하여 상기 방사성 시료로부터 분리해낸 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99는 측정 유닛으로 이동되어 방사성 핵종에 따라 선택되는 분석장비로 방사능 농도를 측정/평가하게 된다.

이어서, 상기 용융부는 알칼리 용융액과 상기 방사성 시료를 반응시켜 알칼리 용융성 방사성 핵종을 용융시키는 알칼리 용융법을 이용하여서, 상기 방사성 시료로부터 Fe-55, Ni-59, Ni-63, 및/또는 전알파 핵종을 포함하는 방사성 핵종을 분리해내는 것일 수 있다.

즉, 상기 알칼리 용융액은 고체의 수산화 알칼리를 가열하여 용융시킨 용액을 포함할 수 있으며, 상기 용융부는 상기 알칼리 용융액 속에서 방사성 시료를 반응시켜 방사성 시료로부터 Fe-55, Ni-59, Ni-63, 및/또는 전알파 핵종을 포함하는 알칼리 용융성 방사성 핵종을 용융하여 액체 상태로 분리해 낼 수 있다.

상기 용융부의 온도는 약 1,000℃일 수 있다. 상기와 같이 방사성 시료로부터 용융된 Fe-55, Ni-59, Ni-63, 및/또는 전알파 핵종 함유 시료(molten solution)는 다시 0.5 내지 1 M의 질산 수용액(HNO₃)(구체적으로는 0.7 M의 질산 수용액)에 혼합한 다음, 제2 분리 유닛에서 분리될 수 있다.

상기 전알파 핵종은 알칼리 용융법에 의한 분리 후에, 추가적인 분리 과정 없이 곧바로 측정 유닛에서 방사능 농도의 측정(정량 분석)이 가능하며, Fe-55, Ni-59, Ni-63를 함유한 시료는 다시 제2 분리 유닛에서 방사성 핵종 별로 분리될 수 있다.

상기 용융부는 일반적으로 알칼리 용융에 이용되는 알칼리 용융 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 알칼리 용융 장치로는 katanax 등을 이용할 수 있다.

상기 산 분해부는 상기 방사성 시료에 산성 수용액을 처리하여서, 방사성 시료로부터 Sr-90 및/또는 Tc-99를 포함하는 산 분해성 방사성 핵종을 분리해내는 것일 수 있다.

위와 같이 분리해낸 Sr-90 및/또는 Tc-99 함유 시료는 제2 분리 유닛에서 방사성 핵종 별로 분리될 수 있다.

상기 산 분해부의 산성 수용액 처리 시 강산이 이용될 수 있으며, 상기 강산은 10 내지 15 M의 질산 수용액(HNO₃)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 구체적으로는 14 M의 HNO₃일 수 있다.

상기 산성 수용액 처리(산 처리)에 따라 방사성 시료를 강산에 용해시키면, 상기 방사성 시료의 표면에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있던 Sr-90 및 Tc-99가 이온화되어 방사성 시료로부터 분리될 수 있다.

상기 산 분해부는 반응 속도를 높이기 위하여 120 내지 170℃의 온도에서 수행될 수 있다. 이를 위해 상기 산 분해부는 가열 장치(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 방사성 시료의 가열을 위해 통상적으로 이용되는 핫플레이트(hot plate)를 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 분리 유닛은, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 방사성 핵종 별로 분리해내기 위한 추출부를 포함하는 제2 분리 유닛을 포함할 수 있다. 특히 상기 제2 분리 유닛은, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 Fe-55, Ni-59, Ni-63, Sr-90, 및/또는 Tc-99를 포함하는 방사성 핵종을 핵종 별로 분리해낼 수 있다.

이 때, 상기 제2 분리 유닛은 추출 크로마토그래피를 이용할 수 있다. 상기 추출 크로마토그래피는 컨디셔닝(conditioning)-로딩(loading)-워싱(washing)-용리(elution)의 절차를 따르며, 이온 크로마토그래피(Ion Chromatography (IC))와 원리가 유사하다.

상기 추출 크로마토그래피는 컬럼에 다양한 수지(resin)를 이용할 수 있으며, 구체적으로는 음이온 수지, 니켈 수지, Sr 수지, TEVA 수지 등을 정지상으로 포함할 수 있다.

또한 상기 제2 분리 유닛은 복수 개의 추출 크로마토그래피를 일련으로 배열하여 연속적으로 복수 개의 방사성 핵종을 분리해낼 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 Fe-55, Ni-59, Ni-63 함유 시료는 음이온 수지를 포함한 추출 크로마토그래피와, 니켈 수지를 포함한 추출 크로마토그래피를 순차적, 연속적으로 이용하여 방사성 핵종 별로 분리해 낼 수 있다. 음이온 수지를 포함한 추출 크로마토그래피를 통과시켜 Fe-55를 먼저 분리해 내고, 남아있는 시료를 니켈 수지를 포함한 추출 크로마토그래피에 통과시켜서 Ni-59와 Ni-63을 독립적(개별적)으로 분리해 낼 수 있다.

상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 Sr-90 및 Tc-99 함유 시료는 Sr 수지를 포함한 추출 크로마토그래피를 통과시켜서 Sr-90을 분리해 낼 수 있고, TEVA 수지를 포함한 추출 크로마토그래피를 통과시켜서 Tc-99를 분리해 낼 수 있다.

이 때, 상기 제2 분리 유닛에 관해서는 본 발명자의 선행 출원인 한국 특허출원번호 제2017-0013943호에 개시된 내용의 일부 또는 전부가 적용될 수 있다.

상기 제2 분리 유닛은, 방사성 핵종 별 추출을 위하여 자동 방사성 핵종 분리 장치를 포함하고, 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치는 케이스; 시약을 저장하는 시약탱크로 구성된 시약부, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 포함하는 분석 대상 시료를 저장하는 분석시료탱크로 구성된 분석시료부, 시약과 분석 대상 시료를 이송하는 펌프로 구성된 펌프부, 상기 펌프부에서 이송된 시약과 분석 대상 시료가 유입되는 칼럼으로 구성된 칼럼부, 상기 칼럼부를 통과한 정제시료를 저장하는 정제시료탱크로 구성된 저장부를 구비하는 분리모듈; 상기 펌프부의 구동을 제어하는 제어모듈; 및 상기 시약탱크, 분석시료탱크, 정제시료탱크 중 어느 하나 이상의 내부에 형성되는 퓸(Fume)이 외부로 배출되는 것을 방지하는 퓸방지부;를 포함하고, 상기 칼럼과 상기 펌프는 복수 개로 구성되며, 상기 펌프는 개별적으로 상기 칼럼에 각각 연결되는 자동 방사성 핵종 분리 장치를 포함할 수 있다.

또는 상기 제2 분리 유닛은, 케이스; 시약을 저장하는 시약탱크로 구성된 시약부, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 포함하는 분석 대상 시료를 저장하는 분석시료탱크로 구성된 분석시료부, 시약과 분석 대상 시료를 이송하는 펌프로 구성된 펌프부, 상기 펌프부에서 이송된 시약과 분석 대상 시료가 유입되는 칼럼으로 구성된 칼럼부, 및 상기 칼럼부를 통과한 정제시료를 저장하는 정제시료탱크로 구성된 저장부를 구비하는 분리모듈; 상기 펌프부의 구동을 제어하는 제어모듈; 및 상기 케이스에 설치된 히팅모듈;을 포함하고, 상기 칼럼과 상기 펌프는 복수 개로 구성되며, 상기 펌프는 개별적으로 상기 칼럼에 각각 연결되는 자동 방사성 핵종 분리 장치를 포함할 수 있다.

또는 상기 제2 분리 유닛은, 케이스; 시약을 저장하는 시약탱크로 구성된 시약부, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 포함하는 분석 대상 시료를 저장하는 분석시료탱크로 구성된 분석시료부, 시약과 분석 대상 시료를 이송하는 펌프로 구성된 펌프부, 상기 펌프부에서 이송된 시약과 분석 대상 시료가 유입되는 칼럼으로 구성된 칼럼부, 상기 칼럼부를 통과한 정제시료를 저장하는 정제시료탱크로 구성된 저장부를 구비하는 분리모듈; 상기 펌프부의 구동을 제어하는 제어모듈; 및 상기 분석시료탱크에 저장된 분석 대상 시료와, 상기 분석시료탱크에 저장된 분석 대상 시료 이외의 추가 분석 대상 시료를 이송하기 위한 샘플로딩라인;을 포함하고, 상기 칼럼과 상기 펌프는 복수 개로 구성되며, 상기 펌프는 개별적으로 상기 칼럼에 각각 연결되는 자동 방사성 핵종 분리 장치를 포함할 수 있다.

위와 같이 상기 제2 분리 유닛에서 추출 크로마토그래피를 이용하되, 위와 같은 자동 방사성 핵종 분리 장치를 이용하는 경우에는, 칼럼 별 펌프가 설치되어서, 칼럼 별로 동일한 유량을 지속적으로 확보할 수 있고, 히팅모듈을 통해 칼럼을 일정온도로 유지할 수 있어서, 일관된 분리 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 샘플로딩라인을 통해 대용량의 분석 대상 시료를 처리할 수 있고, 퓸방지부를 통해서 분석자의 안정도 확보할 수 있는 이점이 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 케이스(11), 분리모듈(20), 제어모듈(30)을 포함할 수 있다.

상기 케이스(11)는 일측면에 펌프(153)와 칼럼(163)이 설치된 공간부(14)(도 20에 도시)가 형성되어 있을 수 있고, 상기 공간부(14)를 개폐하는 도어(13)가 설치되어 있을 수 있다.

그리고 상기 케이스(11)의 상부에는 한 쌍의 트레이(12)가 형성되어 있으며, 상기 트레이(12)에 후술되는 시약탱크(111, 121), 분석시료탱크(131, 141), 정제시료탱크(171, 181)가 배치될 수 있다.

상기 분리모듈(20)은 두 개의 제1 및 제2 분리모듈(21, 22)로 구성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 분리모듈(21, 22)이 연결되어 자동 방사성 핵종 분리가 구현된다.

상기 제1 및 제2 분리모듈(21, 22)에는 각각 4개의 칼럼(163)이 포함되며, 총 8개의 칼럼(163)을 이용하여 4개의 시료를 동시에 축차 분리할 수 있고, 8개의 시료에서 동시에 단일 방사성 핵종의 분리가 가능하다.

상기 제1 및 제2 분리모듈(21, 22)은 시약부(110, 120), 분석시료부(130, 140), 펌프부(151, 152), 칼럼부(161, 162), 저장부(170, 180)를 공통적으로 포함할 수 있다.

상기 제1 분리모듈(21)은 제1 시약부(110), 제1 분석시료부(130), 제1 펌프부(151), 제1 칼럼부(161), 및 제1 저장부(170)를 포함하도록 형성될 수 있다.

제1 시약부(110)는 시약을 저장하는 시약탱크(111)가 구비되어 있으며, 상기 시약탱크(111)는 복수 개로 구성되어 있을 수 있다.

그리고 상기 제1 시약부(110)에는 상기 시약탱크(111) 중 어느 하나의 시약을 선택적으로 통과시키는 시약선택밸브가 구비될 수 있다.

상기 제1 분석시료부(130)는 시약에 의해 분석되는 시료를 저장하는 분석시료탱크(131)가 구비되어 있으며, 상기 분석시료탱크(131)는 복수 개로 구성되어 있을 수 있다.

그리고 상기 제1 분석시료부(130)에는 상기 분석시료탱크(131)에 저장된 분석 대상 시료와 상기 시약선택밸브를 통과한 시약 중 어느 하나를 선택적으로 통과시키는 시약시료선택밸브가 구비될 수 있다

상기 시약시료선택밸브는 삼방(3-way) 밸브로서, 복수 개로 구성되어 상기 분석시료탱크(131)에 각각 연결되어 있을 수 있다.

상기 시약선택밸브와 상기 시약시료선택밸브 간에는 시약분배밸브가 연결되어 있으며, 상기 시약선택밸브를 통과한 시약을 상기 시약시료선택밸브로 분배하는 역할을 할 수 있다.

상기 제1 펌프부(151)는 상기 제1 시약부(110)와 제1 분석시료부(130)의 시약과 시료를 상기 제1 칼럼부(161)로 이송하기 위한 구성으로서, 펌프(153)와 펌프 컨트롤러를 포함할 수 있다.

상기 펌프(153)는 상기 칼럼(163)의 수만큼 구비되어 있으며, 상기 펌프(153)에 연결된 튜브의 일측은 상기 시약시료선택밸브에 연결되며, 타측은 상기 칼럼(163)에 연결될 수 있다.

상기 펌프 컨트롤러는 아날로그 출력단자를 통해 상기 펌프(153)의 회전속도를 조절하는 역할을 할 수 있다.

상기 제1 칼럼부(161)는 상기 제1 펌프부(151)에서 이송되는 시약과 분석 대상 시료가 유입되며, 복수 개의 상기 칼럼(163)이 구비되어 있을 수 있다.

상기 제1 저장부(170)는 복수 개의 정제시료탱크(171)와 분리밸브를 포함할 수 있다.

상기 분리밸브는 사방(4-way)밸브로서, 그 일측은 상기 칼럼(163)에 각각 연결되고, 타측은 상기 정제시료탱크(171) 및 후술되는 상기 제2 분리모듈(22)의 전환부(190)에 연결되어 있을 수 있다.

상기 정제시료탱크(171, 181)는 상기 분리밸브에 각각 연결되어 있으며, 상기 칼럼(163)을 통과한 정제시료를 수집할 수 있다.

상기 제1 저장부(170)는 폐기물탱크(200)에 연결되고, 상기 제1 저장부(170)를 통과한 시약 또는 분석 대상 시료가 상기 폐기물탱크(200)로 배출될 수 있다.

상기 제2 분리모듈(22)은 전술한 바와 같이 상기 제1 분리모듈(21)과 유사하며, 상기 제2 분리모듈(22)은 제2 시약부(120), 제2 분석시료부(140), 제2 펌프부(152), 전환부(190), 제2 칼럼부(162), 제2 저장부(180)를 포함할 수 있다.

상기 제2 시약부(120), 제2 분석시료부(140)는 상기 제1 시약부(110), 제2 분석시료부(140)와 같이 시약탱크(121), 분석시료탱크(141), 밸브 구성이 구비되어 있으며, 상기 제2 펌프부(152)의 구성 또한 상기 제1 펌프부(151)와 동일하다.

상기 제2 분리모듈(22)은 상기 제1 분리모듈(21)과 달리, 상기 전환부(190)를 포함할 수 있다.

상기 전환부(190)는 상기 제2 펌프부(152)와 상기 제1 저장부(170)에 상호 연결되며, 복수 개의 전환밸브가 구비되어 있을 수 있다.

상기 전환밸브는 상기 제2 펌프부(152)를 구성하는 상기 펌프(153)의 타측에 연결되어 있으며, 상기 제1 저장부(170)에서 유출되는 시약 및 분석 대상 시료와 상기 제2 펌프부(152)에서 이송되는 시약을 선택적으로 통과시켜 상기 제2 칼럼부(162)로 이송시킬 수 있다.

상기 제2 칼럼부(162)는 상기 제2 펌프부(152)에서 이송되는 시약과 분석 대상 시료가 유입되며, 복수 개의 상기 칼럼(163)이 구비되어 있다.

상기 제2 저장부(180)는 복수 개의 정제시료탱크(181), 분리밸브, 로딩아웃탱크(182)를 포함할 수 있다.

상기 분리밸브는 사방(4-way) 밸브로서, 그 일측은 상기 제2 칼럼부(162)의 상기 칼럼(163)에 각각 연결되고, 타측은 상기 정제시료탱크(181) 및 로딩아웃탱크(182)에 각각 연결될 수 있다.

상기 정제시료탱크(181)는 상기 분리밸브에 각각 연결되어 있으며, 상기 칼럼(163)을 통과한 정제시료를 수집할 수 있다.

또한, 상기 로딩아웃탱크(182)는 상기 칼럼(163)에 고정되지 않거나 통과한 분석 대상 시료 성분을 저장할 수 있다.

아울러, 상기 제2 저장부(180)는 상기 폐기물탱크(200)에 연결되고, 상기 제2 저장부(180)를 통과한 시약 또는 분석 대상 시료가 상기 폐기물탱크(200)로 배출될 수 있다.

상기 제어모듈(30)은 전술한 각종 밸브들과 상기 펌프(153)의 구동, 즉 상기 펌프 컨트롤러를 제어할 수 있다.

종래의 자동 방사성 핵종 분리 장치는 칼럼에 시료 또는 시약을 주입하기 위하여 4-채널(channel)인 두 대의 펌프를 사용하였으며, 펌프에 연결된 튜빙에 가해지는 압력이 모두 동일하지 않거나, 하나의 펌프에 연결된 4개의 튜빙의 성능이 동일하지 않아서 펌핑되는 유량이 상이함에 따라 칼럼의 운영 유량을 동일하게 맞추기 어렵다는 문제가 있다.

상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 상기 칼럼(163) 각각에 상기 펌프(153)가 연결되어 있으며, 펌프 별 유량을 분석자의 요구에 맞춰 조절할 수 있어서, 위와 같은 문제를 해소할 수 있다.

펌프 별 유량은 상기 펌프(153)에 가해지는 전압을 달리하는 상기 제어모듈(30)의 알고리즘(도 14)을 통해 결정될 수 있다.

상기 펌프(153)의 유량 특성을 파악하기 위해, 초순수를 이용하여 같은 운영시간/전압 조건에서 상기 펌프(153)를 구동한 다음 상기 칼럼(163)을 통과한 초순수의 무게를 잰다.

일 예로 초순수 밀도 1 g/ml 전제 하에, 유량은 1.48 ml/min/V로 표시할 수 있다.

분석자가 요구하는 유량이 1.48 ml/min이라면, 각각의 상기 펌프(153) 별 구동 시간이 같은 조건 하에 같은 유량을 나타내도록 상기 펌프(153)에 가해지는 전압을 달리할 수 있다.

하기 표 1을 참조하면, 펌프 1과 펌프 4의 결정된 유량은 1.475 ml/min/V와 1.481 ml/min/V이다.

분석자의 요구조건이 2.96 ml의 부피, 1.48 ml/min의 유량일 때, 펌프 1부터 펌프 8에 가해지는 전압은 하기 표 1의 '가해지는 전압(V)'처럼 각각 상이하다.

즉, 8 개의 상기 칼럼(163)은 동일한 유량을 유지하기 때문에, 8 개의 상기 칼럼(163)은 동일한 조건(유량, 사용하는 용액 부피)에서 운영될 수 있다.

펌프 별 유량(ml/min/V) 결정 후, 분석자의 조건에 따른 작동예시

구분	펌프 1	펌프 2	펌프 3	펌프 4	펌프 5	펌프 6	펌프 7	펌프 8
원하는 부피(mL)	2.96	2.96	2.96	2.96	2.96	2.96	2.96	2.96
원하는 유량 (mL/min)	1.48	1.48	1.48	1.48	1.48	1.48	1.48	1.48
작동시간(min)	2	2	2	2	2	2	2	2
결정된 유량 (mL/min/V)	1.475	1.479	1.476	1.481	1.476	1.476	1.476	1.478
가해지는 전압(V)	0.997	0.999	0.997	1.001	0.997	0.997	0.997	0.999

상기 폐기물탱크(200)는 상기 제1 저장부(170)와 상기 제2 저장부(180)에 연결될 수 있다.

상기 제1 시약부(110)의 시약과 상기 제1 분석시료부(130)의 분석 대상 시료는 상기 제1 저장부(170)를 통해 직접적으로 상기 폐기물탱크(200)로 유출될 수 있을 뿐 아니라, 상기 제1 저장부(170)를 통과한 후 상기 전환부(190)를 경유하여 상기 제2 저장부(180)를 통해 간접적으로 상기 폐기물탱크(200)로 배출될 수도 있다.

도 15a 및 도 15b를 참조하면, 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)를 통해 생산되는 정제시료는 상기 칼럼(163) 별 최대 5종류이며, 칼럼 수 8개를 고려하면 최대 40개의 정제시료가 생산될 수 있다.

따라서 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 효율적인 공간사용을 위해, 상기 시약탱크(111, 121), 분석시료탱크(131, 141), 정제시료탱크(171, 181) 모두 상기 트레이(12)에 배치되어 보관될 수 있다.

한편 방사성 핵종에 따라 분석 대상 시료의 부피가 매우 클 수 있다.

예를 들어, 해수 6 L 중 Sr-90 분석을 DGA로 분리할 경우, 약 1.2 L의 분석 대상 시료를 처리해야 하며, 이러한 대용량 분석 대상 시료를 상기 트레이(12)에 배치할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 상기 대용량 분석 대상 시료를 이송하기 위한 샘플로딩라인을 더 포함할 수 있다.

상기 샘플로딩라인은 대용량 분석 대상 시료 유입부(41), 분석 대상 시료 유입부(42), 로딩블록(50)을 포함할 수 있다.

상기 대용량 분석 대상 시료 유입부(41)는 상기 대용량 분석 대상 시료가 유입되는 라인으로서, 상기 케이스(11)의 일측면, 보다 구체적으로 대용량 분석 대상 시료가 수용된 탱크의 높이를 고려하여 상기 케이스(11)의 일측면 하부에 형성되어 있을 수 있다.

상기 분석 대상 시료 유입부(42)는 상기 트레이에 배치된 분석 대상 시료가 유입되는 라인으로서, 상기 분석시료탱크(131, 141)가 배치된 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)의 상부, 보다 구체적으로 한 쌍의 상기 트레이(12) 사이에 형성되어 있을 수 있다.

상기 로딩블록(50)은 상기 대용량 분석 대상 시료 유입부(41)와 분석 대상 시료 유입부(42)로부터 유입되는 분석 대상 시료를 상기 펌프부(151, 152)로 전달하는 역할을 할 수 있다.

상기 로딩블록(50)의 일측면에는 상기 대용량 분석 대상 시료 유입부(41)에 연결되는 제1 유입라인부(52)와, 상기 분석 대상 시료 유입부(42)에 연결되는 제2 유입라인부(51)가 형성되고, 상기 로딩블록(50)의 타측면에는 상기 펌프부(151, 152)에 연결된 펌프라인부(53)가 형성될 수 있다.

상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)를 운영하기 위해, 고농도의 질산 용액이나 염산 용액을 시약으로 사용할 수 있고, 분석 대상 시료 역시 원활한 분리를 위해 강산을 포함할 수 있다.

상기 시약탱크(111, 121)와 상기 분석시료탱크(131, 141)에서 시약/시료를 펌핑하면 탱크 내에 음압이 형성되기 때문에 외부와 완전히 밀폐시킬 수는 없다. 즉, 외부의 공기가 자유롭게 탱크 안으로 들어갈 때, 탱크 안의 강산에 의한 퓸(Fume)이 탱크 외부로 빠져나갈 수 있다.

특히 시약은 1 L의 양으로 보관하기 때문에 분석자의 안전을 위하여 발생하는 퓸이 그대로 탱크 외부로 유출되어서는 안 된다.

도 16에 도시된 바와 같이, 종래의 방사성 핵종 분리 장치는 시약, 분석 대상 시료, 정제시료에 포함된 강산에서 발생하는 퓸이 외부로 배출되는 것을 방지하기 위하여 탱크에 튜빙을 연결하여 탱크의 내/외부 가스 흐름을 조절하였다. 하지만 탱크 개수만큼 튜빙 개수가 많아서 장치 관리가 어려운 문제점이 있다.

상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 상기 시약탱크(111, 121), 분석시료탱크(131, 141), 정제시료탱크(171, 181) 중 어느 하나의 내부에 형성되는 퓸이 외부로 배출되는 것을 방지하는 퓸방지부(80, 90)를 더 포함함으로써, 위와 같은 문제를 해결할 수 있었다.

퓸방지부(80, 90)는 상기 시약탱크(111, 121)와 상기 분석시료탱크(131, 141)에 설치되는 체크밸브(80)와, 상기 정제시료탱크(171, 181)에 설치된 시약관(90)으로 구성될 수 있다.

도 17a 및 도 17b를 참조하면, 상기 체크밸브(80)는 상기 시약탱크(111, 121)와 상기 분석시료탱크(131, 141)의 내/외부 가스 흐름을 한 방향으로 유지하기 위한 구성으로서, 상기 시약탱크(111, 121)와 상기 분석시료탱크(131, 141)의 상부에 결합된 뚜껑(85)에 설치되어 있을 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 체크밸브(80)는 전체적으로 지팡이 형상이며, 상기 뚜껑(85)의 상부로부터 상방 연장되어 수평방향으로 절곡된 제1 절곡부(81)와, 상기 제1 절곡부(81)로부터 연장되어 하방 절곡된 제2 절곡부(82)를 포함한다.

그리고 상기 제2 절곡부(82)의 단부에 형성된 개방부(83)와, 상기 개방부(83)에 걸쳐지도록 상기 개방부(83)에 배치된 차단볼(84)을 포함할 수 있다.

상기 개방부(83)는 탱크의 내부에 형성된 음압에 의해 외부가스가 유입되고, 상기 차단볼(84)은 상기 개방부(83)로부터 유입되는 외부가스에 의해 상기 제2 절곡부(82) 측으로 이동될 수 있다.

즉, 평상시 상기 차단볼(84)은 상기 개방부(83)를 항상 닫고 있으므로 탱크의 내부가스는 탱크 외부로 유출되지 않는다.

반대로 탱크 내부에 음압이 형성되면 외부가스가 상기 차단볼(84)을 들어 올리면서 탱크 내부로 유입된다.

상기 차단볼(84)은 외부가스에 의해 자연스럽게 들어올려질 수 있는 무게여야 하며, 내산성 강화를 위해 테프론(Teflon) 등으로 코팅되는 것이 바람직하다.

도 18a 및 도 18b를 참조하면, 상기 정제시료탱크(171, 181)는 상기 칼럼(163)에서 정제된 시료를 수집하는 용기로서, 상기 정제시료탱크(171, 181)의 내부가스는 외부로 배출되어야 한다.

상기 정제시료는 산을 포함한 용액이기 때문에, 퓸이 형성될 수 있다.

상기 시약관(90)은 외부로 배출되는 상기 정제시료탱크(171, 181)의 내부가스에서 퓸을 제거하기 위한 구성으로서, 상기 정제시료탱크(171, 181)의 상부에 결합된 캡(94)에 설치되어 있을 수 있다.

상기 시약관(90)은 상기 정제시료탱크(171, 181)의 내부에 형성된 퓸을 제거하는 퓸제거시약(91)과, 상기 퓸제거시약(91)의 하부에 배치된 프리트(frit)(93)를 포함할 수 있다.

그리고 상기 퓸제거시약(91)의 상부에 배치되고, 상기 퓸제거시약(91)을 통과한 상기 정제시료탱크(171, 181)의 내부가스가 외부로 유출되는 배출마개를 포함할 수 있다.

상기 프리트(93)는 상기 퓸제거시약(91)이 상기 정제시료탱크(171, 181) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 구성으로서, 0.1 ㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

분석 대상 시료/방사성 핵종에 따라 시료 정제 후, 1. 추가 화학처리, 2. 직접 분석을 하는 경우가 있다.

방사성 핵종에 따라 수집해야 하는 정제시료의 부피가 다르므로, 상기 정제시료탱크(171, 181)가 방사성 핵종에 따라 다른 조건에서 사용된다.

통상 사용되는 상기 정제시료탱크(171, 181)는 10 ml tube, 15 ml tube, 20ml LSC vial, 50 ml tube일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 각 탱크의 상부 측 외경에 맞도록 정제튜브라인(T)이 연결된 상기 캡(94)의 내주면에는 상기 정제시료탱크(171, 181)의 상부 측 외경에 대응되는 체결부(95)가 형성되어 있다.

상기 체결부(95)는 상기 캡(94)의 하부로부터 상부로 갈수록 직경이 감소(d1>d2>d3)하는 단차가 형성되어 있다.

즉, 하나의 상기 캡(94)으로 여러 종류의 상기 정제시료탱크(171, 181)를 적용할 수 있다.

상기 칼럼(163)에 사용되는 수지(resin)는 방사성 핵종 별로 다르며, 수지에 따라 방사성 핵종을 분리/정제하는 적정 온도가 있다. 항온되지 않는 실험실의 경우, 계절에 따라 실험실 온도가 낮을 경우, 방사성 핵종의 분리/정제 효율이 감소할 수 있다.

이를 방지하기 위하여 항온 실험실을 유지하는 것보다, 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10) 내에 "칼럼히팅시스템"을 적용하는 것이 경제적으로 효율적이고, 확실하게 상기 칼럼(163) 내 온도를 유지할 수 있는 방법이며, 이에 따라 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 상기 케이스(11)에 설치된 히팅모듈(60)을 더 포함할 수 있다.

도 19a 및 도 19b를 참고하면, 상기 히팅모듈(60)은 상기 칼럼(163)의 외주면을 감싸는 히팅블록(61)과, 상기 히팅블록(61)을 가열하기 위하여 상기 히팅블록(61)에 권회되어 설치된 열선(62)을 포함할 수 있다.

즉, 8개의 상기 칼럼(163)에 상기 히팅블록(61)을 설치하고, 상기 히팅블록(61)이 약 18 ~ 20℃를 유지할 수 있도록 상기 열선(62)에 전원이 공급될 수 있다.

도 20에 따르면, 상기 히팅모듈(70)은 펠티어 소자(71), 히터코어(72), 송풍팬(73)을 포함할 수 있다.

상기 펠티어 소자(71)는 상기 케이스(11)의 내부에 설치되어 있으며, 상기 히터코어(72)는 상기 펠티어 소자(71)의 일측, 보다 구체적으로 상기 펠티어 소자(71)의 발열측면에 설치되어 있다.

상기 송풍팬(73)은 상기 펠티어 소자(71)에 의해 가열된 상기 케이스(11)의 내부 공기를 상기 칼럼(163)측으로 유동시키기 위한 구성으로서, 상기 히터코어(72)의 일측에 설치되어 있다.

상기 케이스(11)은 상기 송풍팬(73)에 의해 상기 케이스(11)의 내부와 상기 공간부(14)의 공기를 순환시키기 위하여 상기 공간부(14)의 일측면에 형성된 공기순환부(15, 16)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 공기순환부(15, 16)는 제1 및 제2 공기순환부(15, 16)로 구성될 수 있으며, 상기 제1 공기순환부(15)는 상기 공간부(14)의 일측면에서 상기 칼럼(163)의 상부 측에 형성될 수 있다.

상기 제2 공기순환부(16)는 상기 공간부(14)의 일측면에서 상기 칼럼(163)의 하부 측에 형성될 수 있으며, 상기 히팅모듈(60, 70)은 상기 제1 및 제2 공기순환부(15, 16) 중 어느 하나의 인근에 설치되어 있을 수 있다.

상기 히팅모듈(70)이 상기 제1 공기순환부(15)의 인근에 설치된 것을 기준하여, 상기 송풍팬(73)에 의해 상기 케이스(11)의 내부 공기가 상기 제1 공기순환부(15)을 통해 상기 공간부(14)의 내부로 유동되고, 상기 공간부(14)의 내부 공기가 상기 케이스(11)의 내부로 유동될 수 있다.

상기 공간부(14)로 유동된 상기 케이스(11)의 내부 공기에 의하여 상기 칼럼(163)의 온도을 일정하게 유지할 수 있다.

이하, 도 21을 참조하여 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)를 통해 구현되는 자동 축차(Sequential) 방사성 핵종 분리 과정과 단일 방사성 핵종 분리 과정을 살펴보도록 한다.

전술한 바와 같이, 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)는 두 개의 상기 제 1 및 제2 분리모듈(21, 22)로 구성되며, 이들을 순차적으로 배열하여 2개의 칼럼으로 축차 분리를 수행할 수 있고, 별도로 병렬 배치하여 1개의 칼럼으로 단일 방사성 핵종을 분리할 수 있다.

즉, 하나의 방사성 핵종에 대해 동시에 8개 시료를, 둘 이상의 방사성 핵종에 대해 동시에 4개 시료를 처리할 수 있으며, 둘 이상의 방사성 핵종을 처리할 경우, 상기 제1 칼럼부(161)와 상기 제2 칼럼부(162)를 사용할 수 있다.

그리고 상기 분리밸브가 사방(4-way) 밸브로 구성되어, 도 21에 도시된 바와 같이 축차 분리 기능을 확대할 수 있다.

축차 분리 또는 단일 방사성 핵종 분리 중에서 선택하고, 선택된 분리 과정에 따라 분리할 분석 대상 시료의 개수를 결정할 수 있다.

축차 분리 과정은 초기화 단계, 로딩 단계, 정제 단계, 용출 단계, 세정 단계를 포함할 수 있다.

초기화 단계에서, 수지(resin)가 주입된 상기 칼럼부(161, 162)에 초기화 시약을 공급하고, 상기 칼럼부(161, 162)를 통과한 초기화 시약은 상기 폐기물탱크(200)로 배출될 수 있다.

로딩 단계에서, 상기 제1 분석시료부(130)에 저장된 분석 대상 시료를 상기 칼럼부(161, 162)로 공급할 수 있다.

즉, 상기 제1 분석시료부(130)의 분석 대상 시료가 상기 제1 저장부(170)를 통과하여 상기 전환부(190)로 이동하여 상기 제2 칼럼부(162)로 공급될 수 있다.

여기서, 방사성 핵종은 이온교환 고정되고, 상기 칼럼부(161, 162)를 통과한 분석 대상 시료는 상기 폐기물탱크(200)로 배출되거나, 상기 로딩아웃탱크(182)에 수집될 수 있다.

정제 단계에서, 상기 칼럼부(161, 162)에 정제 시약을 공급하고, 상기 칼럼부(161, 162)를 통과한 정제 시약은 상기 폐기물탱크(200)로 배출될 수 있다.

즉, 상기 제1 시약부(110)에 저장된 정제 시약이 상기 제1 칼럼부(161)를 거치고, 상기 제1 저장부(170)를 통과하여 상기 전환부(190)로 이동한 후, 상기 제2 칼럼부(162)에 공급될 수 있다.

또는, 상기 제1 시약부(110)에 저장된 정제 시약은 제1 칼럼부(161)에만 공급된 후 상기 폐기물탱크(200)로 배출되고, 상기 제2 시약부(120)에 저장된 정제 시약은 상기 제2 칼럼부(162)에 제공될 수 있다.

용출 단계에서, 상기 제1 시약부(110)에 저장된 용출 시약을 상기 제1 칼럼부(161)에 공급하고, 상기 제2 시약부(120)에서 저장된 용출 시약을 상기 제2 칼럼부(162)에 공급할 수 있다.

이를 통해, 상기 칼럼부(161, 162)의 수지에 고정된 방사성 핵종을 이온교환 분리하여 용출액을 상기 제1 저장부(170)의 상기 정제시료탱크(171, 181)와 상기 제2 저장부(180)의 상기 정제시료탱크(171,181)로 배출할 수 있다.

세정 단계는 방사성 핵종 분리를 완료하는 단계로서, 증류수를 이용하여 상기 칼럼부(161, 162)의 상기 칼럼(163)들을 세정할 수 있다.

즉, 방사성 핵종 분리에 사용되는 시약은 질산 등과 같은 강산 수용액이기 때문에, 상기 칼럼(163)들에 포함되어 있는 시약 등을 세정하여 상기 칼럼(163)들에 어떠한 물질도 포함되지 않은 청결한 상태로 다음 분리 작업까지 상기 자동 방사성 핵종 분리 장치(10)를 보관하는 것이 바람직하다.

도 21을 참조하여 로딩 단계, 정제 단계, 용출단계를 살펴보면 다음과 같다.

하나의 분석 대상 시료(①)를 상기 제1 칼럼부(161)에 통과시키고, 시약 A(②)를 상기 제1 칼럼부(161)에 통과시켜 정제된 시료를 상기 제1 저장부(170)의 상기 정제시료탱크(171, 181)에 수집(①', ②', ①'+②')한다.

그리고 시약 B(③)를 상기 제1 칼럼부(161)에 통과시켜 정제된 시료를 상기 제1 저장부(170)의 상기 정제시료탱크(171, 181)에 수집한다(③').

상기 제1 칼럼부(161)를 통과한 ②', ①'+②'를 수집하거나 또는 상기 제2 칼럼부(162)로 통과시킨 다음 ②''를 수집할 수 있다.

시약 C(④)와 시약 D(⑤)를 상기 제2 칼럼부(162)에 통과시켜 정제된 시료를 상기 제2 저장부(180)의 상기 정제시료탱크(171, 181)에 수집(④'+⑤')하고, 시약 E(⑥)를 상기 제2 칼럼부(162)에 통과시켜 정제된 시료(⑥')를 수집할 수 있다.

정제시료 ③', ⑥'은 방사성 핵종에 대해 최종 정제된 시료이며, 그 외 ①', ②', ④'+⑤'는 ③', ⑥'외의 방사성 핵종을 대상으로 정제되었거나 간단한 추가 처리를 통해 정제될 수 있다. 즉, 하나의 시료에서 여러 방사성 핵종을 동시에 분리/정제할 수 있다.

단일 방사성 핵종 분리 과정은 초기화 단계, 로딩 단계, 정제 단계, 용출 단계, 세정 단계를 포함한다. 여기서, 축차 분리 과정과 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명한다.

초기화 단계에서, 수지(resin)가 주입된 상기 칼럼부(161, 162)에 초기화 시약을 공급하고, 상기 칼럼부(161, 162)를 통과한 초기화 시약은 상기 폐기물탱크(200)로 배출된다. 이 때, 상기 제1 분리모듈(21)에서는 상기 제1 시약부(110)에 저장된 초기화 시약을 상기 제1 칼럼부(161)에 공급하고, 상기 제2 분리모듈(22)에서는 상기 제2 시약부(120)에 저장된 초기화 시약을 상기 제2 칼럼부(162)에 공급한다. 로딩 단계에서, 상기 제1 분석시료부(130)에 저장된 분석 대상 시료를 상기 제1 칼럼부(161)로 공급하고, 상기 제2 분석시료부(140)에 저장된 분석 대상 시료를 상기 제2 칼럼부(162)에 공급할 수 있다.

로딩 단계에서, 상기 제1 시약부(110)에 저장된 정제 시약을 상기 제1 칼럼부(161)에 공급하고, 상기 제2 시약부(120)에 저장된 정제 시약을 상기 제2 칼럼부(162)에 제공할 수 있다.

용출 단계에서, 상기 제1 시약부(110)에서 저장된 용출 시약을 상기 제1 칼럼부(161)에 공급하고, 상기 제2 시약부(120)에 저장된 용출 시약을 상기 제2 칼럼부(162)에 공급할 수 있다.

세정 단계에서, 증류수를 이용하여 상기 칼럼부(161, 162)의 상기 칼럼(163)들을 세정할 수 있다.

상기 분리 유닛은 분리 유닛에서 발생되는 2차 방사성 폐기물 등을 수집하기 위한 폐수수집통을 분리 유닛 내부 또는 외부에 더 포함할 수 있으며, 상기 분리 유닛에서 발생하는 방사성 물질들이 외부로 유출되지 않도록 공조 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 공조 장치는 HEPA 필터 등의 기체 필터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 측정 유닛은, X선 검출장치를 포함할 수 있으며, 상기 X선 검출장치에 관해서는 본 발명자의 선행 출원인 한국 특허출원번호 제2019-0046890호에 개시된 내용의 일부 또는 전부가 적용될 수 있다.

구체적으로 상기 측정 유닛은, 상기 분리 유닛에서 얻어진 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료를 보관하기 위한 제1 보관용기; 상기 제1 보관용기로부터 일정한 거리에 배치되며, 상기 X선 방출 방사성 핵종으로부터 발생되는 X선을 전하로 변환하고, 상기 전하가 드리프트 전기장에서 이동할 때 매개 물질로서 실리콘을 이용하여 광자에너지의 세기를 측정하여, 상기 X선 방출 방사성 핵종의 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 얻는 적어도 하나의 X선 검출기; 및 상기 얻어진 X선 방출 방사성 핵종의 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 시료에 함유된 X선 방출 방사성 핵종의 방사능 농도를 결정하는 결정부;를 포함하는 X선 검출장치를 포함할 수 있다.

상기 측정 유닛은, X선을 전하로 변환하고, 상기 전하가 드리프트(drift) 전기장에서 이동할 때 매개 물질로서 실리콘을 이용하여 광자에너지의 세기를 측정하는 X선 검출기를 이용함으로써, 유기 폐액 등의 2차 방사성 폐기물이 발생하지 않으면서도 액체질소를 이용한 냉각 과정 없이 상온에서 X선 방출 방사성 핵종으로부터 발생되는 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 두 방사성 핵종을 정량 및 정성 분석이 가능함에 따라, 종래에 X선 검출기로 이용되던 액체섬광 계수기(LSC)에서 유기 폐액이 발생하는 문제, 저에너지 게르마늄 검출기(LEGe), 또는 Si(Li) 반도체 검출기에서 액체질소 사용으로 인한 검출기 교체를 위한 번거로움, 다량의 방사성 핵종 함유 콘크리트 또는 토양을 분석함에 있어서 많은 시간과 인력이 소요되는 문제점을 극복할 수 있으며, 액체질소 유지 장비 등의 추가 관리를 위한 설비가 필요하지 않아 소형화된 시스템의 구성이 가능하다.

이에 따라, 소형화된 여러 대의 장비를 동시에 배치하여 분석 효율을 높이거나, 일련으로 배치하여 연속적으로 분석(즉, 자동화 공정에 적용)할 수 있어서, 한 개의 시료를 분석할 수 있는 효율이 증가하여 방사성 시료로부터 X선 방출 방사성 핵종의 분석 시간이 단축될 수 있는 이점이 있다.

상기 X선 방출 방사성 핵종은 Fe-55 및/또는 Ni-59을 포함할 수 있으며, 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료는 상기 분리 유닛에서 침전물의 형태로 얻어질 수 있고, 상기 침전물(시료)은 약 3 내지 5 cm의 지름을 가지고, 10 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

또한 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료는 더욱 높은 분석 효율 및 분석 시간의 단축을 위하여, 씰링(sealing)하는 단계를 거친 뒤(X선 검출기의 오염을 방지)에 X선 검출기와 직접 맞닿게 배치하여 방사능 농도를 측정/분석할 수 있다.

특히 위와 같이 상기 측정 유닛이 상기 X선 검출장치를 포함하는 경우에는 액체섬광 계수기(LSC)를 사용하지 않고 침전방식의 시료 전처리 방식을 도입할 수 있어서, 유기 폐액이 전혀 발생하지 않는 장점이 있다.

즉 상기 측정 유닛은 유기 폐액을 포함하는 2차 방사성 폐기물이 실질적으로 발생하지 않는 것일 수 있고, 상기 유기 폐액을 포함하는 2차 방사성 폐기물이 실질적으로 발생하지 않는 것의 의미는, 유기 폐액이 포함된 2차 방사성 폐기물이 전혀 발생하지 않거나 상기 X선 방출 방사성 핵종의 X선 유래의 에너지 스펙트럼 검출에 영향을 미치지 않을 만큼 소량 발생하는 것일 수 있다.

상기 X선 검출기는 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료에 함유된 Fe-55 및 Ni-59로부터 발생되는 X선을 전하로 변환시키고, 상기 전하가 드리프트(drift) 전기장에서 이동할 때 매개 물질로서 실리콘을 이용하여 광자에너지의 세기를 측정하여서 상기 Fe-55 및 상기 Ni-59의 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다.

상기 X선 검출장치는 X선 검출기로서 실리콘 기반의 반도체 검출기를 포함할 수 있다. 상기 반도체 검출기는 X선에 의해 발생한 전하(또는 이온화 입자)가 반도체 검출기에 입사하게 되면 전자-양공쌍이 생성되고, 이 전자와 양공들이 전기장을 따라 전극으로 이동하여 전기 신호(광자에너지)를 만들게 된다. 위와 같은 반도체 검출기는 전자-양공쌍을 생성하는데 필요한 에너지가 전자-이온쌍을 생성하는데 필요한 에너지보다 10 배 정도 작기 때문에, 같은 양의 입자 에너지에 대하여 기체 검출기보다 더욱 많은 하전 입자가 생성되고 그 결과 에너지 분해능이 향상될 수 있다.

상기 X선 검출기는 매개 물질로서 고순도의 실리콘을 이용할 수 있다. 또한, 상기 X선 검출기는 편평한 음극을 사용하고 중심에 작은 원을 형성하는 양극과 동심원을 가지는 일련의 전극들을 포함할 수 있다. 따라서 상기 X선 방출 방사성 핵종으로부터 발생되는 X선에 의해 생성된 전하(또는 이온)들은 동심원을 그리게 된다. 상기 동심원의 일련의 전극들은 전하를 이동시키는 드리프트 전기장을 형성하게 되고, 상기 전하들은 중심의 양극으로 모이게 되며, 작은 면적의 상기 양극은 매우 작은 정전 용량을 유지하여 전자적 잡음을 줄임에 따라 보다 향상된 해상도(약 123 내지 135 eV FWHM at 4 ㎲ peaking time @ 5.9 keV)를 가질 수 있게 된다.

Si(Li) 또는 Ge(Li) 반도체 검출기는 공핍층의 두께를 보다 두텁게 하기 위하여 p형 Si 또는 p형 Ge에 Li을 확산시켜 p-n 접합을 형성시킨 후 역전압을 걸어서 리튬(Li) 이온을 유동(drift)시켜 줌으로써 p형과 n형 사이에 i층(intrinsic region)이라고 불리는 진성반도체 부분을 첨가하여 형성되는 것으로써, 위와 같이 전하를 이동(또는 유동)시키는 매개 물질로 실리콘이 아닌 리튬을 이용하며, 리튬 유동 보정영역을 유지하거나 드리프트 시킨 리튬 이온의 상온에서의 확산을 방지하기 위하여 항상 액체질소 온도로 냉각시켜서 보존 및 사용해야만 한다.

그러나 상기 측정 유닛에서 이용되는 X선 검출기는 매개 물질로 리튬이 아닌 실리콘을 이용하는 것이어서 액체질소 온도와 같은 냉각 과정을 포함하지 않아도 된다. 즉 상기 측정 유닛은 액체질소를 이용하여 냉각하는 과정을 실질적으로 포함하지 않을 수 있고, 위와 같이 액체질소를 이용하여 냉각하는 과정을 실질적으로 포함하지 않는다는 것의 의미는, 액체질소를 이용하여 냉각하는 과정이 전혀 수행되지 않아도 된다는 것을 의미할 수 있다. 따라서 상기 측정 유닛은 액체질소를 이용하기 위한 냉각부재를 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 상기 냉각부재를 실질적으로 포함하지 않는다는 것의 의미는, 상기 측정 유닛이 냉각부재를 전혀 포함하지 않아도 된다는 것을 의미할 수 있다.

전술한 바와 같이 상기 X선 검출기는 매개 물질로 리튬이 아닌 실리콘을 이용하는 것이어서 액체질소 온도와 같은 냉각 과정을 포함하지 않을 수 있으며, 이에 따라 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료로부터 방사능 농도를 분석하는 공정은 5 내지 30℃에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 10 내지 30℃, 더 구체적으로는 15 내지 25℃에서 수행될 수 있다. 이를 위해 상기 측정 유닛은 온도 조절 수단을 더 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 X선 검출기는 실리콘 기반의 반도체 검출기 중에서도 SDD(Silicon Drift Detector)를 포함할 수 있다.

한편 Fe-55와 Ni-59에 대하여 각각 독립적으로 상기 X선 검출기로 검출하여 얻은 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 살펴보면, 도 22에 나타낸 바와 같이 Fe-55는 5.6 내지 6.0 keV와 6.2 내지 6.6 keV의 에너지 대역에서 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있고, 도 23에 나타낸 바와 같이 Ni-59는 6.7 내지 7.0 keV와 7.4 내지 7.8 keV의 에너지 대역에서 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다.

구체적으로 Fe-55는 5.9 keV와 6.5 keV의 에너지 대역에서 X선 방출 피크를 보이며 Ni-59는 6.9 keV와 7.7 keV의 에너지 대역에서 X선 방출 피크를 나타낸다.

이와 같이 근접한 에너지 대역의 피크를 나타내는 두 X선 방출 방사성 핵종 (Fe-55, Ni-59)을 기존의 방사선 검출기(예를 들어, LSC, LEGe, Si(Li) semiconductor detector)를 통해 분리해 내는 것은 쉽지 않으나, 상기 측정 유닛에 포함되는 상기 X선 검출기로 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료의 Fe-55 및 Ni-59에서 방출되는 X선을 검출하여 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 측정하면, 도 24와 같이 총 4개의 피크(peak)가 정확하게 구분이 가능한 것을 확인할 수 있다.

상기 측정 유닛은 상기 X선 방출 방사성 핵종의 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료에 함유된 Fe-55와 Ni-59로부터 방출되는 방사능 농도를 결정할 수 있다.

구체적으로 Fe-55 및 Ni-59의 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 X선 방출 방사성 핵종에 함유된 Fe-55와 Ni-59의 방사능 농도를 결정하는 단계는, 방사능을 알고 있는 표준 방사성 핵종을 이용하여 검출기 교정을 통해 상기 X선 검출기의 계측 효율을 결정한 뒤, 미지의 시료에 대하여 상기 X선 검출기로 측정 시에 얻어지는 에너지 스펙트럼에서 특정 피크 영역의 계수율(1초당 계측값)을, 앞서 결정된 계측 효율과 측정 대상 방사성 핵종(Fe-55 또는 Ni-59)의 붕괴 확률(방사성 핵종(Fe-55 또는 Ni-59)이 특정 에너지의 X선을 붕괴하여 방출할 수 있는 방사성 붕괴 확률)을 곱한 값으로 나누어서, 상기 시료에 함유된 Fe-55 또는 Ni-59에서 방출되는 방사능의 총량(Bq)을 계산하는 방법을 통해서 수행될 수 있다.

상기 표준 방사성 핵종이란 핵종에 함유된 방사능을 알고 있는 핵종으로서, 방사능에 대한 표준 선원 등에 대해 제작 기관 (NPL, Ekert & Zigler 등)에서 보증하는 방사성 핵종이기만 하면 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 100 Bq/g의 농도를 가진 Ni-59 표준 인증 물질(Certified Reference Material, CRM) 1mL를 방사성 동위원소가 포함되어 있지 않은 증류수 9 ml와 희석하여 최종적으로 1,000 Bq의 Ni-59를 시료로 이용할 수 있다.

상기 계측 효율은, 방사능을 알고 있는 표준 방사성 핵종을 통해 상기 X선 검출기의 검출기 특성을 결정할 때 사용하는 지수로서, 상기 표준 방사성 핵종에서 발생하는 X선을 상기 X선 검출기로 측정할 때, 단위시간 동안 카운터(Counter)에 들어오는 X선 광양자 개수(계수율, counts per sec.(cps))를 측정하여 얻어진 값을, 상기 표준 방사성 핵종의 방사능과 표준 방사성 핵종의 방사성 핵종 에너지 붕괴확률의 곱으로 나누어준 값의 백분율(%)을 의미한다.

또한 상기 측정 유닛은, 도 25에 나타낸 바와 같이 상기 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료가 수용된 상기 제1 보관용기를 일정한 시간 간격으로 외부로 이송시켜서, 상기 제1 보관용기를 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료가 수용된 제2 보관용기로 대체시키기 위한 이송부재를 더 포함할 수 있다.

즉, 상기 제1 보관용기에 수용된 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료로부터 Fe-55와 Ni-59의 방사능 농도를 결정한 후에, 상기 제1 보관용기를 외부로 이송하고, X선 방출 방사성 핵종 함유 시료가 수용된 제2 보관용기로 대체시키는 단계를 포함하는 사이클을 일정한 시간 간격으로 반복적으로 수행할 수 있다.

도 25에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 보관용기의 상기 제2 보관용기로의 대체는 이송부재를 이용할 수 있고, 상기 이송부재는 상기 제1 보관용기를 일정한 시간 간격으로 외부로 이송시키고, 상기 제1 보관용기를 제2 보관용기로 대체할 수 있다. 상기 이송부재는 상기 제1 보관용기를 이송시킬 수 있는 것이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로, 견인기, 이동식 벨트, 자동 견인 로봇 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게 상기 이송부재는 이동식 벨트(moving belt)를 포함할 수 있다. 상기 이동식 벨트는 구체적으로 컨베이어 벨트, 플레이트 벨트 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 상기 이송부재 상에 상기 제1 보관용기와 상기 제2 보관용기가 일련(series)으로 배열되어 있을 수 있다.

상기 제1 보관용기는 폴리올레핀 재질의 바이알(vial), 또는 필터를 이용할 수 있다. 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프로필렌, 폴리부티렌 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 필터는 유리 섬유 필터(glass microfiber filter)를 포함할 수 있다. 상기 유리 섬유 필터는 기공 크기가 1 내지 1.5 ㎛, 바람직하게는 1.2 ㎛인 필터를 포함할 수 있으며, 예를 들어 Whatman 사의 GF/C(pore size: 1.2 ㎛) 필터를 포함할 수 있다.

상기 제1 보관용기로 필터를 이용하는 경우에는 필터에 수용되는 미지의 시료의 표면 보호 및 X선 검출기의 오염 방지를 위하여 폴리프로필렌 필름을 이용할 수 있다.

상기 X선 검출기는 상기 제1 보관용기로부터 거리가 20 mm 이하일 수 있다. 또한 상기 Fe-55 및 Ni-59 함유 시료(침전물)는 전술한 바와 같이 씰링(sealing) 하는 단계를 거친 뒤(X선 검출기의 오염을 방지)에 X선 검출기와 직접 맞닿게 배치하여 방사성 핵종을 분석할 수도 있다.

또한 상기 적어도 하나의 X선 검출기는 일정한 간격으로 이격된 복수의 X선 검출기일 수 있다. 예를 들어 하나의 시료(sample)의 상부 및/또는 하부에 각각 하나의 X선 검출기(SDD)가 배치될 수도 있으나, 하나의 시료(sample)의 상부 및/또는 하부에 복수 개의 X선 검출기(SDD)가 배치될 수도 있으며, 복수의 X선 검출기가 상기 시료(제1 보관용기)로부터 동일한 위치에 배치되어 있으면, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 보관용기로부터 상기 X선 검출기까지의 거리는 20 mm 이하일 수 있고, 상기 적어도 하나의 X선 검출기는 일정한 간격으로 이격된 복수의 X선 검출기일 수 있다.

이하에서는 미지의 방사성 시료의 Fe-55 및 Ni-59의 정성/정량 분석을 수행하기 전에, 기지의 방사능(Bq)의 표준 방사성 핵종을 이용하여 X선 검출기의 계측 효율을 계산하는 구체적인 방법을 서술하였다.

예를 들어, Fe-55와 Ni-59이 혼합된 표준 방사성 핵종(기지의 방사능(Bq)의 표준 방사성 핵종) 혼합물을 알칼리 용융시킨 후에 원심분리용 15 mL 튜브에 0.2 중량% 질산 용액 5 mL에 캐리어로서 철과 니켈을 2 mg씩 추가한 후 Fe-55와 Ni-63을 각각 첨가하여 준비할 수 있다. 혼합된 용액은 뚜껑을 닫고 잘 흔들어 섞어준 후, 4 M 수산화나트륨 용액을 첨가하여 pH를 8~9 사이로 높여준다. 이후 침전이 잘 숙성되도록 30분 가량을 상온에서 방치한 후 Whatman GF/C (pore size: 1.2 μm) 필터를 이용하여 지름 2 cm, 최대 두께 50 ㎛의 침전물을 분리할 수 있다. 분리가 끝난 필터는 건조 후에, 표면을 보호하고 검출기의 오염을 방지하기 위해 폴리프로필렌 필름 (두께: 0.2 μm)으로 감싸서 시료를 준비할 수 있다.

상기 시료에 대하여 본 발명의 X선 검출기인 SDD (XR-100 Fast SDD-70)를 이용하여 측정한 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 도 24에 나타내었다.

위에서 제조한 시료를 이용하여 상온에서 상기 SDD의 카운터(Counter)에 들어오는 Fe-55 및 Ni-59의 X선 광양자 개수(계수)를 측정하여 계수율(단위 시간 당 계수)을 측정하고, 표준 방사성 핵종의 방사능(Bq)과 Fe-55와 Ni-59의 각 에너지 영역에서의 방사성 핵종 에너지 붕괴확률을 곱한 값으로 나누어 주어서(하기 계산식 1 참조), Fe-55 및 Ni-59의 각 에너지 영역에서 상기 SDD의 계측 효율을 산출할 수 있다.

<계산식 1>

(여기서, A: 방사능(Bq), CPS: 계수율, ε: SDD 검출기 계측효율, γ: 방사성 핵종 에너지 붕괴확률)

Fe-55와 Ni-59의 각 에너지 영역에서의 방사성 핵종 에너지 붕괴확률은 이론값으로서 Monographie BIPM-Table of Radionuclides Vol.3, page 5 및 Vol.6, page 7에서 얻어질 수 있다.

상기에서 산출된 SDD의 계측 효율은 표준 방사성 핵종의 방사능, 방사성 핵종 에너지 붕괴확률, 측정횟수 등에 따라서 오차가 있을 수 있으며, 이러한 오차를 줄이기 위해 보정 과정을 거쳐서 얻어지는 계측 효율(보정치)을 이용할 수도 있다.

이러한 계측 효율(보정치)를 이용하여서, 상기 SDD를 이용하여 미지의 방사성 시료에 대한 정성 분석 및 정량 분석을 수행할 수 있다.

구체적으로 상기 방사성 시료에 대하여, 본 발명의 X선 검출기인 SDD를 이용하여 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 측정하였을 때, 도 3과 같은 에너지 스펙트럼이 얻어진다면, 상기 미지의 방사성 시료에는 Fe-55와 Ni-59가 함유되어 있다는 것을 알 수 있다.

다음으로는, 상기 방사성 시료에 대해 상온에서 상기 SDD의 카운터(Counter)에 들어오는 Fe-55 및 Ni-59의 X선 광양자 개수(계수)를 일정 시간 동안 측정하여 계수율(단위 시간 당 계수)을 계산하고, 이를 사전에 산출된 SDD의 계측 효율과 Fe-55와 Ni-59의 각 에너지 영역에서의 방사성 핵종 에너지 붕괴확률을 곱한 값으로 나누어 주어서, 상기 계산식 1을 통해 방사성 시료에 함유된 Fe-55 및 Ni-59의 각 에너지 영역에서 유래되는 방사능 농도(Bq)을 측정할 수 있다.

특히 본 발명의 X선 검출기(SDD)를 이용하는 경우에는 Fe-55와 Ni-59이 함유된 방사성 시료에 대하여 각각의 에너지 영역에서의 피크가 겹치지 않고 명백히 구분되어 4개로 나타나는 것을 확인할 수 있는 반면에, 기존의 LEGe 검출기(ORTEC사, GLP-36360/13)를 이용하여 측정한 경우에는 도 26에 나타낸 바와 같이 X선 유래의 에너지 스펙트럼 피크가 서로 겹치는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 X선 검출기를 통한 분석 전에 Fe-55와 Ni-59 핵종을 분리하는 과정이 수행되어야만 하는 것을 알 수 있다.

상기 측정 유닛이 상기 X선 검출장치를 포함하는 경우에는, 상기 방사성 시료에 함유된 Fe-55와 Ni-59의 두 핵종에 대한 사전 분리 과정 없이도 X선 유래의 에너지 스펙트럼에서 두 핵종의 각 에너지 영역대별 피크가 육안으로도 명백하게 구분이 되어서, 정성 분석 및 정량 분석이 단일의 측정만으로도 가능하였다. 이는 본 발명에 따른 X선 검출장치가 Fe-55와 Ni-59의 X선 유래의 에너지 스펙트럼 피크의 분해능(해상도)이 기존의 검출기에 비하여 우수하기 때문임을 확인할 수 있었다.

또한 상기 측정 유닛은, 감마 핵종 분석 장치를 포함할 수 있고, 상기 감마 핵종 분석 장치에 관해서는 본 발명자의 선행 출원인 한국 특허출원번호 제2018-0132511호에 개시된 내용의 일부 또는 전부가 적용될 수 있다.

상기 측정 유닛은, 상기 방사성 시료 내의 감마 핵종으로부터 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한, 내부에 상기 방사성 시료가 배치될 수 있는 시험 공간이 형성되고, 상부에 상기 시험 공간과 외부를 연통하도록 용기 개구가 형성되는 차폐용기; 상기 방사성 시료가 안착될 수 있게 제공되고 상기 차폐용기의 상부에 배치되는 시료 안착부재; 및 상기 시료 안착부재에 안착된 상기 방사성 시료를 상기 시험 공간의 내부로 이동시키는 이동기;를 포함하는 감마 핵종 분석 장치를 포함할 수 있다.

상기 감마 핵종 분석 장치를 이용하는 경우에는, 차폐용기 내부로 분석 대상 시료를 자동으로 공급하고, 분석 공정의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 방사성 폐기물 처리 공정에서 분석자가 방사선에 피폭될 위험을 저감시키는 효과가 있다.

도 27 및 도 28를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 감마 핵종 분석 장치(1)는 차폐용기(300), 시료 안착부재(400), 검출기(500), 이동기(600), 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

차폐용기(300)는 소정의 두께를 가지며 차폐재로 형성되어 자연 방사선이 내부의 시험 공간(350)으로 들어오는 것을 차폐할 수 있다. 예를 들어, 차폐용기(300)는 10 cm 이상의 두께를 가지는 납으로 형성될 수 있다. 이러한 차폐용기(300)는 후술할 이동기(600)의 프레임(610)에 대한 상대적인 위치가 변화되지 않도록 고정될 수 있다.

상기 차폐용기(300)는 용기 상부(310), 용기 측부(320), 및 용기 하부(330)를 포함하는 용기 몸체; 및 이러한 용기 몸체의 내부에 형성된 시험 공간(350)을 포함할 수 있다. 용기 상부(310)는 차폐용기(300)의 상부에 배치되고, 원형의 플레이트 형상을 가질 수 있다. 용기 상부(310)의 중앙부에는 용기 상부(310)를 두께방향으로 관통하도록 원형의 용기 개구(340)가 형성될 수 있다. 용기 측부(320)는 속이 빈 원형의 파이프 형상을 가질 수 있다. 용기 측부(320)의 상부는 용기 상부(310)와 연결되고, 용기 측부(320)의 하부는 용기 하부(330)와 연결된다. 용기 하부(330)는 용기 상부(310)와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 용기 측부(320)와 용기 하부(330)는 개방되지 않고 자연 방사선이 시험 공간(350)을 향해 측방 및 하방으로 유입되는 것을 효과적으로 차폐할 수 있도록 형성될 수 있다.

용기 개구(340)는 홀더(620)와 동일하거나 홀더(620)보다 약간 큰 크기를 가지되, 상측에서 보았을 때 후술할 시료 안착부재(400)의 관통홀(410)과 동일한 폭을 가질 수 있다. 또한, 용기 개구(340)는 차폐용기(300)의 상부에서 상방을 향하여 개방되도록 형성될 수 있다. 차폐용기(300)는 용기 개구(340)가 닫히지 않고 개방된 상태로 유지되게끔 구성될 수 있다.

시험 공간(350)은 용기 상부(310), 용기 측부(320) 및 용기 하부(330)에 의해 둘러싸여 형성될 수 있다. 시험 공간(350)은 용기 상부(310)의 용기 개구(340)를 통해 외부와 연통될 수 있다. 시험 공간(350) 내에는 검출기(500)가 안착될 수 있다.

시료 안착부재(400)는 상기 방사성 시료가 안착될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 시료 안착부재(400)는 차폐용기(300)의 용기 상부(310)의 상측에 배치될 수 있다. 시료 안착부재(400)에는 관통홀(410)과 안착부(420)가 형성될 수 있다.

관통홀(410)은 상기 방사성 시료가 시험 공간(350)으로 출입하기 위해 시료 안착부재(400)의 두께방향으로 관통 형성된 구멍일 수 있다. 관통홀(410)은 용기 개구(340)와 연통하도록 형성되며, 시료 안착부재(400)의 중심부에 형성될 수 있다.

안착부(420)는 검출기(500)에 의해 아직 분석되기 전의 방사성 시료, 또는 검출기(500)에 의해 분석이 완료된 방사성 시료가 안착될 수 있는 공간일 수 있다. 안착부(420)는 시료 안착부재(400)의 상면으로부터 하방으로 뚫린 홈일 수 있다. 안착부(420)는 복수 개로 마련될 수 있으며 상측에서 보았을 때 관통홀(410)의 주변에 배치될 수 있다. 다시 말해, 관통홀(410)은 복수 개의 안착부(420)보다 시료 안착부재(400)의 중심측에 더 가까이 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 안착부(420)는 관통홀(410)과 서로 동일한 거리를 가질 수 있다. 또한, 관통홀(410)과 안착부(420)는 상측에서 보았을 때 동일한 크기를 가질 수 있다. 다시 말해, 관통홀(410)과 안착부(420)는 동일한 폭을 가지는 홀로 형성될 수 있다.

검출기(500)는 상기 방사성 시료의 감마 핵종을 분석하고, 검출된 감마 핵종들의 방사능 농도를 검출할 수 있다. 검출기(500)는 시험 공간(350)의 내부에 배치되되 용기 개구(340)의 직하방에 배치될 수 있다. 또한, 검출기(500)는 분석될 상기 방사성 시료가 안착될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 검출기(500)는 분석될 상기 방사성 시료가 시험 공간(350) 내에서 수직방향에 있어서의 중심보다 아래에 배치되도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 검출기(500)에 안착된 상기 방사성 시료는 시험 공간(350)의 중심보다 아래에 위치할 수 있다.

이동기(600)는 시료 안착부재(400)에 안착된 상기 방사성 시료를 지지하여 시험 공간(350)의 내부로 이동시킬 수 있다. 이동기(600)는 프레임(610), 홀더(620), 제1 동작부(630), 및 제2 동작부(640)를 포함할 수 있다.

프레임(610)은 제2 동작부(640)를 지면에 대해 수평 방향으로 이동 가능하게 지지할 수 있다. 프레임(610)은 이동기(600)의 골조를 이룰 수 있다. 또한, 프레임(610)은 차폐용기(300)가 지면으로부터 소정의 높이만큼 이격되도록 차폐용기(300)를 지지할 수 있다.

홀더(620)는 상기 방사성 시료를 선택적으로 지지할 수 있다. 이러한 홀더(620)는 상기 방사성 시료의 상면을 흡착함으로써 상기 방사성 시료를 지지할 수도 있다. 이동기(600)는 상기 방사성 시료를 지지하기 위한 공압을 홀더(620)에 제공하기 위해 홀더(620)와 연결된 진공 발생 장치(미도시)를 더 포함할 수도 있고, 이러한 진공 발생 장치는 진공 펌프 등일 수 있다. 또한 홀더(620)의 하면에는 상기 방사성 시료를 지지하기 위한 홈이 형성될 수 있다. 상기 방사성 시료는 홀더(620) 하면의 홈에 삽입된 상태로 홀더(620)에 지지될 수 있다. 상측에서 보았을 때 홀더(620)는 방사성 시료보다 큰 크기를 가질 수 있다. 또한, 홀더(620)는 용기 개구(340) 및 관통홀(410)을 통과할 수 있도록 용기 개구(340) 및 관통홀(410)보다 작게 형성될 수 있다.

제1 동작부(630)는 홀더(620)를 지면에 대하여 수직방향으로 이동시킬 수 있고, 모터 등의 구동유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 동작부(630)는 슬라이드 방식 또는 자바라 방식으로 선택적으로 지면에 대하여 수직방향으로 연장됨으로써 홀더(620)를 수직방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 제1 동작부(630)는 홀더(620)를 지지하는 하부와 제2 동작부(640)에 지지되는 상부를 포함할 수 있다. 제1 동작부(630)는 제2 동작부(640)에 지지되어 수평방향으로 이동될 수 있다. 이동기(600)의 제1 동작부(630)는 방사성 시료를 시료 안착부재(400)로부터 소정의 거리만큼 하방으로 이격된 거리에 위치할 수 있도록 상기 방사성 시료를 시험 공간(350) 내부로 이동시키도록 구성될 수 있다.

제2 동작부(640)는 제1 동작부(630)를 수평방향으로 이동시킬 수 있다. 제2 동작부(640)는 프레임(610)에 대해 슬라이드 방식으로 선택적으로 이동할 수 있으며, 제1 동작부(630)를 이동시키는 방향은 지면에 대하여 수평방향일 수 있다. 또한, 제2 동작부(640)는 제1 동작부(630)가 홀더(620)를 승강시킨 상태에서 제1 동작부(630)를 수평방향으로 이동시키도록 작동된다. 이러한 제2 동작부(640)는 제1 수평방향 이동유닛(641) 및 제2 수평방향 이동유닛(642)을 포함할 수 있다. 제1 수평방향 이동유닛(641)과 제2 수평방향 이동유닛(642)은 모터 등의 구동유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 제1 수평방향 이동유닛(641)은 제1 동작부(630)를 일 방향을 따라 수평으로 이동시킬 수 있도록 구성되고, 제2 수평방향 이동유닛(642)은 제1 수평방향 이동유닛(641)을 일 방향과 직각인 방향을 따라 수평으로 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

이동기(600)는 상기 방사성 시료를 검출기(500)에 안착시킨 후 검출기(500)에 의해 상기 방사성 시료의 분석이 진행되는 동안에도 홀더(620)가 시험 공간(350)내에 위치하도록 제어될 수 있다. 홀더(620)가 방사성 시료 주위에서 시료의 분석이 완료될 때까지 대기함으로써 홀더(620)를 지지하여 이동시키는 시간이 좀 더 짧아질 수 있다.

제어부는 검출기(500) 및 이동기(600)의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 제어부에는 분석되어야 할 상기 방사성 시료의 개수 및 시료 안착부재(400)상의 방사성 시료의 위치가 미리 입력될 수 있다. 제어부는 이동기(600)에 의해 안착된 방사성 시료에 대한 분석이 진행되는 동안 홀더(620)가 시험 공간(350) 내에 머무르도록 이동기(600)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 상기 방사성 시료의 분석결과를 검출기(500)로부터 전달받아 저장할 수 있다. 제어부는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치 및/또는 메모리에 의해 구현될 수 있으며, 그 구현 방식은 당업자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 자세한 설명을 생략한다.

이하, 도 29 내지 도 33을 참조하여, 감마 핵종 분석 장치(1)의 작동에 대하여 설명한다.

분석자는 시료 안착부재(400)의 안착부(420)에 복수 개의 상기 방사성 시료를 안착시킨 상태에서 감마 핵종 분석 장치(1)를 구동시킨다. 감마 핵종 분석 장치(1)의 제어부는 시료 안착부재(400)의 안착부(420)에 안착된 복수 개의 상기 방사성 시료 중 제1 방사성 시료를 홀더(620)가 지지하도록 이동기(600)를 제어한다[도 29].

이동기(600)는 제어부에 따라 제1 방사성 시료를 시험 공간(350)으로 이동시켜 검출기(500) 상에 안정적으로 안착시킬 수 있다. 이 때 이동기(600)는 방사성 시료가 시료 안착부재(400)로부터 소정의 거리만큼 하방으로 이격된 위치에 위치할 수 있도록 방사성 시료를 시험 공간(350)의 내부로 이동시킨다.

이동기(600)가 검출기(500)에 제1 방사성 시료를 안착시킨 후에는 검출기(500)가 이러한 제1 방사성 시료를 분석하도록 검출기(500)를 구동시킬 수 있다[도 30]. 검출기(500)가 구동되는 동안 홀더(620)는 시험 공간(350) 외부로 이동하지 않고 시험 공간(350) 내에 머물러 있을 수 있고, 차폐용기(300)의 용기 개구(340)는 방사성 시료의 분석이 진행되는 동안 개방 상태가 유지된다.

또한, 검출기(500)에 의해 제1 방사성 시료의 분석이 완료되면 이동기(600)는 제1 방사성 시료를 시험 공간(350)으로부터 시료 안착부재(400)의 안착부(420)로 이동시킨다[도 31]. 상기 방사성 시료의 분석이 진행되는 동안 홀더(620)는 시험 공간(350)의 내부에 머물러 있으므로 이동기(600)는 신속하게 제1 방사성 시료를 지지할 수 있다. 상기 제1 방사성 시료의 분석이 완료되면 검출기(500)는 분석결과를 제어부에 전달하고 제어부는 상기 제1 방사성 시료의 분석결과를 저장할 수 있다.

제어부는 시료 안착부재(400)에 안착된 상기 방사성 시료 중 검출기(500)에 의해 아직 분석되지 않은 방사성 시료가 있는지 판단하고, 홀더(620)를 분석되지 않은 시료(제2 방사성 시료)로 이동시킨다[도 32]. 이후 이동기(600)는 상기 제2 방사성 시료를 지지하여 시험 공간(350)으로 이동시키고 검출기(500) 상에 안정적으로 안착시키고, 검출기(500)는 제2 방사성 시료를 분석한다[도 33].

또한 상기 측정 유닛은, 액체섬광 계수기(LSC), 유도결합 플라즈마-질량분석기(ICP-MS), 유도결합 플라즈마-분광분석기(ICP-OES), 알파/베타 카운터(α/β counter) 및 알파 핵종 분석 장치(alpha spectrometer) 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 측정 유닛은, H-3, C-14, Fe-55, Sr-90, 및 Ni-63 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 액체섬광 계수기(LSC); I-129 및 Tc-99 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 유도결합플라즈마-질량분석기(ICP-MS); Fe-55 및 Sr-90 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 유도결합플라즈마-분광분석기(ICP-OES); 전알파/전베타 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 알파/베타 카운터(α/β counter); 및 플루토늄을 포함하는 알파 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 알파 핵종 분석 장치(alpha spectrometer); 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 액체섬광 계수기(LSC)는 일반적으로 사용되는 액체섬광 계수기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 액체섬광 계수기로는 Hidex사의 300SSL 등을 이용할 수 있다.

또한 상기 측정 유닛은 상기 액체섬광 계수기에 사용되는 섬광용액을 보관하기 위한 섬광용액 보관함을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 방사성 핵종의 분석 장치는, 상기 측정 유닛에서 방사능 농도 측정/분석 후에 남은 시료를 폐기할 수 있는 폐기수집라인을 더 포함할 수 있다.

상기 유도결합플라즈마-질량분석기(ICP-MS)는 일반적으로 사용되는 유도결합플라즈마-질량분석기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 유도결합플라즈마-질량분석기는 Thermo Fisher Scientific사의 iCAP-RQ 등을 이용할 수 있다.

상기 유도결합플라즈마-분광분석기(ICP-OES)는 일반적으로 사용되는 유도결합플라즈마-분광분석기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 유도결합플라즈마-분광분석기는 SPECTRO 사의 SPECTROBLUE 등을 이용할 수 있다.

상기 알파/베타 카운터(α/β counter)는 일반적으로 사용되는 알파/베타 카운터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 알파/베타 카운터는 Canberra 사의 Series 5 XLB^TM 등을 이용할 수 있다.

상기 알파 핵종 분석 장치(alpha spectrometer)는 일반적으로 사용되는 알파 핵종을 분광 분석하기 위한 장치를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 알파 핵종 분석 장치는 Ortec 사의 Ultra^TM(Silicon Charged-Particle Detector) 등을 이용할 수 있다.

Claims

방사성 시료로부터 방사성 핵종을 분리하기 위한 분리 유닛; 및
상기 분리된 방사성 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 측정 유닛;
을 포함하고,
상기 분리 유닛 및 측정 유닛은 상기 방사성 시료가 존재하는 현장에 배치될 수 있도록 동일한 또는 별개의 이동식 구조물 내에 구비되는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분리 유닛은,
상기 방사성 시료를 연소시켜서 상기 방사성 시료로부터 휘발성 방사성 핵종을 분리해내기 위한 연소부;
상기 방사성 시료를 용융시켜 상기 방사성 시료로부터 알칼리 용융성 방사성 핵종을 분리해내기 위한 용융부; 및
상기 방사성 시료를 산처리하여 상기 방사성 시료로부터 산 분해성 방사성 핵종을 분리해내기 위한 산 분해부;
중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 제1 분리 유닛을 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 연소부에서 분리되는 상기 휘발성 방사성 핵종은 H-3, C-14, I-129, 및 Tc-99 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
상기 용융부에서 분리되는 상기 알칼리 용융성 방사성 핵종은 Fe-55, Ni-59, Ni-63, 및 전알파 핵종 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
상기 산 분해부에서 분리되는 상기 산 분해성 방사성 핵종은 Sr-90, 및 Tc-90 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 연소부는,
상기 방사성 시료를 연소시켜서 상기 방사성 시료로부터 휘발성 방사성 핵종을 분리하되, 상기 방사성 시료의 이동 방향으로 온도 구배가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 방사성 시료의 이동 방향으로 동일한 온도를 유지하는 가열부; 및
상기 가열부에서 발생한 방사성 핵종 가스를 포집할 수 있도록 상기 가열부와 연결되며, 항상 동일한 온도를 유지하는 가스 포집부;
를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 가열부는,
상기 방사성 시료의 이동 방향으로 그 내부 온도가 동일하게 유지되는 하우징;
상기 방사성 시료를 담은 보트가 투입될 수 있도록 그 일단이 상기 하우징의 외측에 결합된 투입관;
상기 하우징의 내부에 설치되고, 상기 하우징의 내측에 결합되며, 상기 투입관과 내통하는 연소관; 및
상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 연소관에서 발생하는 가스를 이송시키되, 상기 연소관과 분리 가능하도록 결합되며, 상기 가스 포집부와 연결되는 유리관;
을 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 가스 포집부는,
상기 하우징의 외부에 설치되어 상기 유리관과 연결되는 가스 포집관;
항온 수조; 및
상기 항온 수조에 내장되어 상기 가스 포집관으로부터 상기 방사성 핵종 가스를 공급받아 포집하는 가스 포집조;
를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 용융부는 알칼리 용융액과 상기 방사성 시료를 반응시켜 알칼리 용융성 방사성 핵종을 용융시키는 알칼리 용융법을 이용하여서, 상기 방사성 시료로부터 알칼리 용융성 방사성 핵종을 분리해내는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 산 분해부는 상기 방사성 시료에 산성 수용액을 처리하여서, 방사성 시료로부터 산 분해성 방사성 핵종을 분리해내는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 산성 수용액은 10 내지 15 M의 질산 수용액을 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 분리 유닛은,
상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 핵종 별로 분리해내기 위한 추출부를 포함하는 제2 분리 유닛을 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 분리 유닛은 추출 크로마토그래피를 이용하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 분리 유닛은 방사성 핵종 별 추출을 위하여 자동 방사성 핵종 분리 장치를 포함하고,
상기 자동 방사성 핵종 분리 장치는,
케이스;
시약을 저장하는 시약탱크로 구성된 시약부, 상기 제1 분리 유닛에서 얻어진 방사성 핵종을 포함하는 분석 대상 시료를 저장하는 분석시료탱크로 구성된 분석시료부, 시약과 분석 대상 시료를 이송하는 펌프로 구성된 펌프부, 상기 펌프부에서 이송된 시약과 분석 대상 시료가 유입되는 칼럼으로 구성된 칼럼부, 및 상기 칼럼부를 통과한 정제시료를 저장하는 정제시료탱크로 구성된 저장부를 구비하는 분리모듈;
상기 펌프부의 구동을 제어하는 제어모듈; 및
상기 시약탱크, 분석시료탱크, 정제시료탱크 중 어느 하나 이상의 내부에 형성되는 퓸(Fume)이 외부로 배출되는 것을 방지하는 퓸방지부;
를 포함하고,
상기 칼럼과 상기 펌프는 복수 개로 구성되며, 상기 펌프는 개별적으로 상기 칼럼에 각각 연결되는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 자동 방사성 핵종 분리 장치는, 상기 케이스에 설치된 히팅모듈을 더 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 유닛은,
상기 분리 유닛에서 얻어진 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료를 보관하기 위한 제1 보관용기;
상기 제1 보관용기로부터 일정한 거리에 배치되며, 상기 X선 방출 방사성 핵종으로부터 발생되는 X선을 전하로 변환하고, 상기 전하가 드리프트 전기장에서 이동할 때 매개 물질로서 실리콘을 이용하여 광자에너지의 세기를 측정하여, 상기 X선 방출 방사성 핵종의 X선 유래의 에너지 스펙트럼을 얻는 적어도 하나의 X선 검출기; 및
상기 얻어진 X선 유래의 에너지 스펙트럼으로부터 상기 시료에 함유된 상기 X선 방출 방사성 핵종의 방사능 농도를 결정하는 결정부;
를 포함하는 X선 검출장치를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 14에 있어서,
상기 X선 검출기는 SDD(Silicon Drift Detector)를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 보관용기를 일정한 시간 간격으로 외부로 이송시켜서, 상기 제1 보관용기를 X선 방출 방사성 핵종 함유 시료가 수용된 제2 보관용기로 대체시키기 위한 이송부재를 더 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 유닛은,
상기 방사성 시료에 포함되는 감마 핵종으로부터 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한,
내부에 상기 방사성 시료가 배치될 수 있는 시험 공간이 형성되고, 상부에 상기 시험 공간과 외부를 연통하도록 용기 개구가 형성되는 차폐용기;
상기 방사성 시료가 안착될 수 있게 제공되고 상기 차폐용기의 상부에 배치되는 시료 안착부재; 및
상기 시료 안착부재에 안착된 상기 방사성 시료를 상기 시험 공간의 내부로 이동시키는 이동기;
를 포함하는 감마 핵종 분석 장치를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 방사성 시료를 분석할 수 있고, 상기 시험 공간의 내부에 배치되되 상기 용기 개구의 직하방에 위치하는 검출기를 더 포함하고,
상기 차폐용기는,
상기 방사성 시료가 상기 이동기에 의해 상기 시험 공간의 내부로 이동되어 상기 검출기에 의해 분석되는 동안 상기 용기 개구의 개방 상태가 유지되도록 구성되는 감마 핵종 분석 장치를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 유닛은,
액체섬광 계수기(LSC), 유도결합 플라즈마-질량분석기(ICP-MS), 유도결합 플라즈마-분광분석기(ICP-OES), 알파/베타 카운터(α/β counter) 및 알파 핵종 분석 장치(alpha spectrometer) 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 19에 있어서,
상기 측정 유닛은,
H-3, C-14, Fe-55, Sr-90 및 Ni-63 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 액체섬광 계수기(LSC);
I-129 및 Tc-99 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 유도결합 플라즈마-질량분석기(ICP-MS);
Fe-55 및 Sr-90 중에서 선택되는 적어도 하나에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 유도결합 플라즈마-분광분석기(ICP-OES);
전알파/전베타 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 알파/베타 카운터(α/β counter); 및
플루토늄을 포함하는 알파 핵종에서 방출되는 방사능 농도를 측정하기 위한 알파 핵종 분석 장치(alpha spectrometer);
중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.
청구항 1에 있어서,
방사성 폐기물을 소정의 크기로 분쇄하여 상기 방사성 시료를 얻기 위한 분쇄 유닛을 더 포함하는 것인 방사성 핵종 분석 시스템.