KR20200100176A - 핵분열 물질의 작동 모니터링 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사성 물질을 검출하기 위한 방법 및 기구의 개발과 관련된 기술 분야에 관한 것이다. 제안된 본 발명의 구조는 2 개의 동축으로 배열된 실린더: 감마 쉴드 및 중성자 승수 역할을 하는 납으로 만든 내부 실린더와 중성자 열화기로서 작용하는 폴리에틸렌으로 제조된 외부 실린더를 포함한다. 카드뮴 필터가 있는 15 개의 헬륨-3 카운터는 생성기와 평행한 원으로 외부 실린더의 벽에 등거리로 내장되어 있다. 등방성 중수소-트리튬 14 MeV 중성자 생성기는 생성기와 직각인 외부 실린더의 벽에 장착된다. 내부 실린더의 하부에는 수직축 방향의 이동이 가능한 받침대가 배치된다. 장치에 로딩하기 전에, 용기 및 용기에 포함된 구조 재료에 감마 스캐닝을 실시한다. 그 다음에, 이동식 받침대에 의해, 용기는 구조 재료의 질량 중심이 검출기의 반대쪽에 위치되도록 내부 실린더에 장착된다. 제안된 장치는 핵분열성 물질의 고정밀 고속 탐지 기능을 제공한다.
Description
본 발명은 방사성 물질을 검출하기 위한 방법 및 장치의 개발, 특히 핵분열 물질의 신속한 검출을 위한 설비의 개발에 관한 기술 분야에 관한 것으로, 폐열 생성 조립체의 구조 재료의 이용에 있어 금속 매트릭스 내의 핵분열 재료 함량의 비파괴 검사에 사용된다.
구조 재료에서 핵분열 재료의 내용물을 비파괴 검사하는 장치는 능동 중성자 제어 방법에 기반한 분석 도구이다. 진보된 SNUP SNF 재처리 기술에서 주요 측정 매개 변수 중 하나는 SHPA(spent heat-producing assemblies)의 구조적 구조 요소에서 핵분열 물질의 함량이다. 따라서, 0.001 wt.% 초과의 구조 재료의 핵분열 물질 함량에서, 악티늄 추출의 추가 작업 제공이 필요하다.
러시아 특허 RU2589269 (IPC G01N 23/05)는 핵 물질을 탐지하는 장치를 제시한다. 여기에는 D-D 반응의 결과로 생성 된 2.5 MeV 중성자 소스, 감지 장치 및 처리 장치가 포함된다. 이 장치는 밀폐된 용기 및 이동식 플랫폼(트럭)을 사용하는 차폐 물질(철)로 덮인 것과 같은 것 안에 있는 핵 물질(우라늄-235 및 플루토늄 -239)의 함량을 감지하도록 설계되었다. 핵 물질 탐지의 본질은 다음과 같이 구성된다. 2.5 MeV 중성자의 펄스 소스는 한 차량에 있고, 감지 장치와 처리 장치는 다른 차량에 있다. 중성자 공급원 및 검출 유닛이 컨테이너에 인접하여 위치되도록 차량은 검사될 컨테이너 근처에서 정지한다. 그런 다음 중성자 소스가 켜지고 감지 장치의 도움으로 펄스 모드에서 중성자 측정이 수행된다. 장치 작동의 결과 10Hz의 중성자 발생기 주파수에서 측정 10분당 1kg의 우라늄-235를 감지한다. 이 장치의 단점은 감마선 조사에서 감지 장치를 보호 할 수 없다는 것이다. 중성자 공급원으로 DD 생성기를 사용하여 발생하는 핵분열 물질의 최소 검출 가능한 질량의 높은 값은 자체 중성자 배경과 비교하여 신호 Pu -239의 매우 낮은 레벨을 제공한다(도 1).
러시아 특허 RU2349906 (IPC G01N 23/06)은 가방, 승객 수하물, 화물 및 운송 수단에 숨겨진 소량의 특수 핵 물질을 검출하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 운반 컨테이너를 스캐닝하기 위한 두개의 에너지 방사선 촬영 시스템의 사용에 기초한다. 결과적으로, 감마선 양자가 통과할 때, 물질의 원자 번호 Z에 따라 서로 다른 감쇠가 발생한다. 따라서, 제안된 방법은 원자 번호가 높고 밀도가 높은 물질을 함유하는 물체 영역 내에서 결정하고 국소화하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 목적을 해결하기 위한 적용에 대한 해당 제어 방법의 결함은 원자 번호 Z가 높은 다른 물질로부터 악티늄 족의 반응을 분리 할 수 없고, 구조 재료 및 유지 용기 내에 철 원자의 존재이다. 따라서, 구조 재료의 존재 하에서 소량의 핵분열 물질의 검출은 어렵다.
토양의 적절한 부분 또는 고속 중성자의 펄스 또는 간헐적 흐름(1 MeV 이상의 에너지)으로 세관검사소에서의 운송 수하물, 또는 중성자 카운터에 의한 강제 핵분열에 의해 형성된 지연된 중성자 및 열 중성자를 조사(irradiation)하는 핵분열 물질 검출 방법이 알려져 있다(1994년 6월 1일, 출원 번호 94020227, IPC G01N 23/222, 공개 1996년 04월 10일). 우라늄-235, 플루토늄-239를 검출하기 위해, 열 중성자에 의해 야기되는 핵분열 과정이 사용되는데, 그의 단면은 상기 요소, 즉 586 및 748 반(barn)의 단면과 동일하고, 우라늄 -238 및 플루토늄 -238을 검출하기 위해, 조사(irradiation)는 고속 중성자의 직접 플럭스에 의해 수행되어야 한다. 플루토늄-239에 대한 방법의 감도는 0.0001%에 이른다. 이 방법의 단점은 SHPA의 구조 재료에 특징적인 강력한 감마 소스 Co -60 및 Mn -54의 존재하에 사용되도록 의도되지 않았다는 점이다.
승객의 항공 수하물의 핵분열 물질을 검출 및 제어하기 위한 설비가 알려져 있다(Ye.P. Bogolubov, S.A. Korotkov, L.A. Korytko, 수하물의 핵분열 물질 검출을 위한 펄스 중성자 생성기 기반의 방법 및 시스템, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2004). 상기 문헌에서, 핵분열 물질의 무단 전송을 제어하기 위한 다양한 방법이 또한 설명되어 있다. 상기 문제의 해결을 위해 차동 감쇠 방법이 선택된다. 설비의 주요 요소는 조사 대상이 놓여지는 유기 유리로 만들어진 측정 챔버이다. 챔버의 바닥에는 ING이 내장되어 있다. 검출기(He-3 카운터)는 챔버 외부에 위치하며 핵분열의 중성자를 등록한다. 챔버 내부에는 부피의 열 중성자 필드를 제어하는 검출기가 있다(그들의 존재로 인해 수하물의 중성자 흡수 물질을 감지 할 수 있다). 검출기의 신호는 시간 분석기로 공급되어 컴퓨터에서 추가로 처리된다. 결과적으로 이 설비는 5초마다 5g의 235U를 감지할 수 있다. 본 설비의 단점은 측정 챔버의 작은 크기와 구조 재료의 유도된 활동으로 인한 높은 감마 배경에 대한 구조적 적응성이 없다는 것이다.
별도로, 중성자 소스로서 다른 핵분열성 방사성 핵종이 사용되는 능동 제어 장치의 장치를 고려해야 한다. 이러한 장치는 외국 및 러시아 국내 회사가 개발한바 있다. 예를 들어, AWCC(Active Well Matchcidence Counter)에서는 두 개의 AmLi 소스가 방사선 소스로 사용된다. 중성자 일치 기술은 수동 모드와 능동 모드 모두에서 사용된다. 이 시스템에서, 활성 모드에서, 검출 가능한 최소 235U의 질량은 약 1g이다. 이들 시스템의 단점으로서, 다수의 검출기 및 작은 치수의 측정 챔버의 사용이 언급될 수 있다.
청구된 발명에 가장 유사한 것은 컨테이너에 핵분열 물질의 질량의 능동 중성자 제어를 설치하는 것이다(중성자 차동 다이 어웨이 기술(neutron differential die-away technique)을 통한 핵분열 물질 검출, International Journal of Modern Physics, VF BATYAEV, OV BOCHKAREV, SV SKLYAROV. Vol. 27, pp. 1460130-1-1460130-8, 싱가포르 (2014)). 저자에 의해 제안된 능동 중성자 제어의 설치는 벽에 통합된 카드뮴 필터를 갖는 8 헬륨 -3 카운터와 평행 육면체 형태의 폴리에틸렌 용기이다. 활성화제로서 중성자 ING-07T의 중수소-삼중 수소 공급원이 작용한다. 측정 용기의 부피에서 핵분열 물질의 위치로부터 신호 검출 효율의 의존성 및 동위 원소 Co -60 및 Mn -54의 유도된 활성으로부터 감마-배경에 의해 중대한 에러가 발생함이 단점으로 알려져 있다.
SHPA 구조 재료의 특징은 유도된 방사능에 의한 감마 배경으로, 보존적 방사능 측정법에 의한 측정에 중대한 오류를 유발하고, 용기를 고정할 때 재료의 불균일한 배열이 측정 정확도에 악영향을 미친다. 따라서, SHPA의 구조 재료를 후-정제 또는 이용으로 보내는 것에 대한 결정을 하기 위해서는, 0.001 중량 %의 농도로 핵분열 물질의 함량을 작동적으로 제어하는 신뢰할 수 있는 방법이 필요하고, 이것은 감마 배경 및 재료의 공간 배열에 둔감하다. 오늘날 이용 가능한 기술적 해결책은 주로 기술 적용을 목적으로 하지 않고, 주로 생태 제어 및 핵 물질의 불법 운송 제한 문제를 해결하기 위한 것이다.
이에 따라 본 발명의 목적은 핵분열성 물질의 고정밀 고속 탐지 기능을 가진 비파괴 검사 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 폴리에틸렌 용기에 설치된 카드뮴 필터와 펄스 중성자 발생기가 있는 헬륨 -3 카운터를 기반으로 밀폐 용기에서 저농도의 핵분열성 물질의 작동을 검사하는 비파괴 검사 장치로서, 상기 장치는 2 개의 동축으로 배열된 실린더의 형태를 가지며, 내부는 납으로 만들어지고, 동시에 감마 방사선 보호 및 중성자 육종으로서 작용하고, 외부는 폴리에틸렌으로 만들어지고, 중성자 감속제역할을 하고, 내부 실린더의 하부에는 받침대가 축을 따라 수직으로 움직일 수 있는 받침대가 장착되어, 구조 재료의 질량 중심이 검출기의 반대편에 위치하도록 내부 실린더에서 구조 재료 함께 예비 감마 스캔 용기를 위치시키는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명의 바람직한 실시예에 띠르면, 카드뮴 필터를 갖는 15 개의 헬륨-3 카운터가 상기 발생기와 평행한 원에서 상기 외부 실린더의 벽에 등거리로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자들은 SHPA의 구조 재료에서 소량(0.001 질량 %)의 핵분열 물질을 탐지하기 위한 설비를 개발하는 작업에 직면했다. 상기 설비는 고전력 감마-배경의 조건 하에서 기능하고 수용 용기에서의 구조 재료의 공간 배열에 둔감하다.
상기 특징들에 의해 제공되는 기술적 결과는(수동 중성자 제어 방법과 비교하여) 배경의 3배 오차보다 높은 신호 레벨의 12배 증가로 인한 FM의 높은 정확성 및 결정 속도이며 또한 플루토늄 -239의 함량을 직접 명확하게 결정하고 알려진 비율 Pu : Am에서 다른 악티늄 족을 간접적으로 결정할 수 있으며 샘플의 공간 배열 및 감마선 조사에 대한 측정 결과의 비감도 가능성이다. 또한, 설비는 수동 모드에서 작동 할 수 있는데, 즉 Cm의 함량을 결정한다. 결과적으로 Cm -242 및 Cm -244의 함량과 Pu -239를 알면 MPu239 / (MCm242 + MCm244)의 비율을 찾을 수 있으며, 이는 결과적으로 SHPA의 구조 재료 및 열 생산 요소에 포함된 다른 악티늄 족의 질량을 안정적으로 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 DT 중성자 생성기 사용에 의한 활성 중성자 제어 계산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 의한 헬륨-3 카운터의 반응에 대한 질량중심의 위치 효과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 질량중심에서 핵분열 물질의 활성 중성자 제어 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 헬륨-3 카운터의 반응에 대한 질량중심의 위치 효과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 질량중심에서 핵분열 물질의 활성 중성자 제어 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 기술적 결과는 다음에 의해 달성된다 : 제안된 발명의 설계의 기초는 2 개의 동축으로 배열된 실린더(감마선 방호 및 중성자 종축과 동시에 작동하는 납의 내부 실린더 및 중성자 열 분해기 역할을 하는 폴리에틸렌으로 된 외부 실린더)이다. 카드뮴 필터가 있는 15개의 헬륨-3 카운터는 생성기와 평행한 원으로 외부 실린더의 벽에 등거리로 설치된다. 펄스 등방성 중수소-트리튬 14 MeV 중성자 생성기는 외부 실린더의 벽에 있는 생성기에 수직으로 장착된다.
내부 실린더의 하부에는 축을 따라 수직으로 변위 될 수 있는 받침대가 있다. 장치의 구성은 도 3에 도시되어 있다. 설비에 적재하기 전에 구조 재료가 있는 용기는 질량 중심을 설정하기 위해 감마 스캐닝을 받는다. 그 다음에, 이동식 받침대에 의해 용기는 구조 재료의 질량 중심이 검출기의 반대쪽에 위치하는 방식으로 내부 실린더에 배치된다.
본 발명의 기술적 해결책은 카드뮴 필터를 갖는 헬륨-3 카운터, 펄스형 14 MeV 중수소-삼중 수소 중성자 발생기, 및 중성자 육종자 역할을 하는 감마선에 대한 납 보호를 동시에 사용하는 중성자의 차등 감쇠 방법에 기초한다. 수용 용기 및 이동식 받침대의 예비 감마 스캐닝은 중성자 발생기와 검출기 사이에 CM의 질량 중심을 정확하게 위치시킴으로써 높은 효율의 신호 등록을 달성할 수 있게 한다. 헬륨-3 카운터의 응답에 대한 수용 용기에서의 핵분열 물질의 위치의 효과가 도 2에 도시되어 있다.
Claims (2)
- 폴리에틸렌 용기에 설치된 카드뮴 필터와 펄스 중성자 발생기가 있는 헬륨 -3 카운터를 기반으로 밀폐 용기에서 저농도의 핵분열성 물질의 작동을 검사하는 비파괴 검사 장치로서, 상기 장치는 2 개의 동축으로 배열된 실린더의 형태를 가지며, 내부는 납으로 만들어지고, 동시에 감마 방사선 보호 및 중성자 육종으로서 작용하고, 외부는 폴리에틸렌으로 만들어지고, 중성자 감속제 역할을 하고, 내부 실린더의 하부에는 받침대가 축을 따라 수직으로 움직일 수 있는 받침대가 장착되어, 구조 재료의 질량 중심이 검출기의 반대편에 위치하도록 내부 실린더에서 구조 재료와 함께 예비 감마 스캔 용기를 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 카드뮴 필터를 갖는 15 개의 헬륨-3 카운터가 상기 발생기와 평행한 원에서 상기 외부 실린더의 벽에 등거리로 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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