KR20230004587A - 축방향 및 반경방향 고밀도 센서와 향상된 분열 감마 측정 감도로 구성된 sic 쇼트키 다이오드를 사용하는 고정형 인-코어 검출기 설계 - Google Patents

축방향 및 반경방향 고밀도 센서와 향상된 분열 감마 측정 감도로 구성된 sic 쇼트키 다이오드를 사용하는 고정형 인-코어 검출기 설계 Download PDF

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마이클 디 하이벨
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

중성자 조사된 재료의 감마 분광을 측정하기 위한 시스템은, 복수의 반도체 센서를 포함한다. 반도체 센서 각각은 n-도핑된 활성 층과 접촉하여 쇼트키 층 위에 배치된 감마선 수용 표면을 포함한다. 수용 표면은 감마선에 의한 조사 시 전자를 방출하도록 구성된다. 수용 표면은, 수용 표면과 쇼트키 층 사이의 거리를 조절하도록 구성된 조절 가능한 접이식 마운트와 접촉한다. n-도핑된 층은 정의된 에너지보다 큰 전자를 통과하도록 설계된 두께를 갖도록 제작된다. 조절 가능한 수용 표면 및 활성 층 두께의 조합은, 각각의 센서의 최소 및 최대 에너지 반응을 정의한다. 다수의 센서는 각각의 센서가 자체 에너지 반응을 갖는 어레이에 통합될 수 있다. 이러한 센서 어레이는 중성자로 조사된 재료의 감마 스펙트럼을 측정할 수 있다.

Description

축방향 및 반경방향 고밀도 센서와 향상된 분열 감마 측정 감도로 구성된 SIC 쇼트키 다이오드를 사용하는 고정형 인-코어 검출기 설계
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 4월22일에 출원된 미국 특허 가출원 제63/013,859호의 이익을 주장하며, 그 내용은 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명은 방사선 검출기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력 분포 측정을 위해 분열 감마 방사선을 측정하기 위한 복수의 쇼트키 다이오드 어셈블리에 관한 것이다.
감마 방사선은, 핵 반응기에서 발생하는 핵 분열과 같은 핵 붕괴에 의해 생성된다. 핵 반응기는 감마 방사선을 검출하고 측정하는 측정 시스템을 갖추고 있다. 그러나, 새로운 핵 연료 및 반응기 설계의 증가는, 연료 설계 성능 예측을 확인하고 연료 사이클 동안 상세한 작동 성능을 측정하기 위한 기존 측정 시스템의 능력에 대한 도전 과제를 제공한다.
핵 반응기 설계는, 정상 작동 조건 및 다양한 사고 시나리오 모두에서 반응기 구성 요소에 대한 성능 예측뿐만 아니라 코어 설계 및 연료 성능 예측을 위한 소프트웨어 시뮬레이션에 의존할 수 있다. 소프트웨어 성능 예측은 결국 상업적 또는 시험 반응기에서의 정상 작동 조건 하에서의 실제 측정 또는 시험 반응기에서의 시뮬레이션과 비교된다.
초기 세대의 경수로(LWR) 설계는, 전력 분포 측정 및 코어 설계 소프트웨어 방법을 벤치마킹하기 위해, 반응기 내 연료 어셈블리의 대략 1/3의 길이를 따라 중성자 플럭스를 연속적으로 측정하는 소형 분열 챔버를 사용하였다. 이러한 유형의 측정 시스템은 이동식 인-코어 검출기 시스템(MIDS)으로 지칭된다. MIDS 측정 시스템이 제공하는 미세 간격의 축방향 중성자 분포 측정 해상도(~2.4인치)는, 연료 봉 보우, 열 전달기 반응성에 영향을 미치는 연료 로드의 외부에 있는 잔해 침착물, 및 유입구 유동 분포 비대칭과 같이, 심각한 반응기 작동 문제를 야기하는 많은 연료 성능 문제의 식별 및 진단을 가능하게 하였다. MIDS의 사용과 연관된 주요 부정적인 작동 문제는, 연관된 배관 및 센서의 사용과 연관된 복잡성, 필요한 크기, 및 작동 및 유지보수 비용이다.
고정식 인-코어 검출기(FID) 시스템으로 지칭되는 반응기 전력 분포 측정 시스템의 전류 발생은, 반응기 코어 내부의 고정된 축방향 및 반경방향 위치의 제한된 수의 방사선 센서에 의존한다. 도 1은 MIDS 검출기 시스템과 비교하여 FID 검출기 시스템의 사용에 대한 양태(600)를 도시한다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, FID 센서로부터의 신호는 감지 요소의 활성 길이에 의해 정의된 고정된 축방향 영역에 대한 평균 반응기 전력을 나타낸다. 통상적인 Rh FID 검출기 시스템 구성(610)의 일례는 약 12 인치에서 검출기의 축방향 간격(613)을 나타낸다. OPARSSEL V 검출기 시스템 구성(620)의 두번째 예시는 약 24인치에서 검출기의 축방향 간격(623)을 나타낸다. 연료 어셈블리 FID 측정의 반경방향 분포는 반응기 용기 내의 침투와 관련된 위치를 필요로 하며, 이에 제한된다. FID 시스템의 필수적인 평균화 및 반경방향 분포 위치 제약조건은 고도로 국부화되고 상세한 측정 대 예측 전력 분포 및 장기 작동 특성 사이의 차이를 관찰하는 것을 어렵게 한다. 예를 들어, 중첩된 플럭스 분포 그래프(630)는, 측정된 플럭스 분포 대 추적 지점 또는 반응기 코어 깊이를 도시한다. 다수의 MIDS 검출기 구성(625)을 사용하여 수득된 데이터의 경우, 깊이 대 플럭스 측정의 더 미세한 해상도는, Rh FID 구성(610) 또는 OPARSSEL V FIG 구성(620)에 의해 가능한 것보다 더 쉽게 수득된다. 이러한 차이를 검출하는 능력은 반응기의 설계의 검증 및 연료와 반응기 둘 모두의 안전한 작동에 있어서 매우 중요할 수 있다.
또한, 반응기 작동 중에 생성된 핵종은, 중성자 및 감마 방사선 분광법을 포함하는 다양한 유형의 분광 측정의 사용에 의해 검출되고 결정될 수 있다. 기존의 방법 및 장비를 사용하여 감마 방사선 분광법을 수행하는 정확성은, 종종 펄스 관심 연속체를 생성하는 검출기의 활성 부피에서 상이한 방사선 에너지의 상호작용에 의해 제한된다. 이는 또한 반응기 내의 다수의 위치에 배치하기에 충분히 작은 감마 방사선 분광 센서에도 유용하다. 현재 다른 고체 상태 감마 검출기 분광 시스템으로 달성할 수 있는 것보다 분석 중인 재료로부터 방출되는 감마 에너지 및 세기를 훨씬 더 명확하게 나타낼 수 있게 하는 방법 및 시스템이 본원에 개시된다.
다음 내용은 개시된 실시예에 고유한 일부 혁신적인 특징의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되며, 완전한 설명이 되도록 의도되지 않는다. 실시예의 다양한 양태에 대한 완전한 이해는, 전체 명세서, 청구범위, 요약서 및 도면을 총괄하여 취함으로써 얻을 수 있다.
어셈블리는, 전력 분포 측정에 적합한 인-코어 전력 분포 검출을 위해 본원에 설명된다. 어셈블리는, 일반적으로 원자로 내에 배치하기 위한 세장형 하우징, 및 복수의 고체 상태 감마 방사선 검출기를 포함한다. 각각의 검출기는, 각각의 인접한 검출기에 대해 반경방향으로 이격된 관계로 하우징 내에 축방향으로 위치한다.
각각의 감마선 검출기는, 활성 반도체 영역 및 상기 활성 반도체 영역의 적어도 일부 위에 쇼트키 컨택을 갖는 쇼트키 다이오드, 상기 활성 반도체 영역의 적어도 일부 아래에 있는 오믹 컨택 층, 입사 감마선과 반응하여 소스 재료의 소스 원자를 둘러싸는 전자와 상호 작용하여 고 에너지 콤프턴 및 광전자를 생성하여 쇼트키 컨택을 통해 쇼트키 다이오드의 활성 영역 내로 침투하며 상기 쇼트키 컨택 위에서 지지되는 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층, 상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이에 개재된 유체 층, 및 소스 재료에 근접한 방사선 검출기로부터 상향 연장되는 제1 리드 및 오믹 컨택 층에 근접한 방사선 검출기로부터 상향 연장되는 제2 리드를 포함한다. 검출기는, 각각의 검출기의 제1 및 제2 리드가 복수의 검출기 중 다른 하나의 제1 및 제2 리드로부터 이격되도록, 하우징 내에서 이격된다.
각각의 검출기는 중간 층 및 외부 층에 의해 덮일 수 있다. 다양한 양태에서, 중간 층은 알루미늄 산화물 층이다. 다양한 양태에서, 외부 층은 스테인리스 강 층이다.
다양한 양태에서 쇼트키 컨택과 콤프턴 및 광전자 소스 재료의 층 사이의 거리가 조절될 수 있다. 다양한 양태에서, 거리는 최고 에너지 즉각적 분열 감마 방사선만을 검출하도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 거리는 약 5 MeV 초과의 분열 감마 방사선을 검출하도록 조절될 수 있다.
본 개시의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 고정식 대 이동식 코어 센서 구성에 의해 결정되는 반응기 코어 플럭스의 측정을 나타낸 그래프를 도시한다.
도 2는 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 쇼트키 컨택을 갖는 예시적인 종래 기술의 감마 검출기의 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 원자로 내에서의 전력 분포 검출을 위해, 예시적인 어셈블리에 사용된 예시적인 감마 검출기의 개략도의 측단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 원자로 내에서 전력 분포 검출을 위해, 심블 튜브 내에서 서로에 대해 회전된, 세개의 스택형 감마 검출기의 배열을 보여주는 개략도의 축방향 도면을 도시한다.
도 5는 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 원자로 내의 전력 분포 검출을 위해, 심블 튜브의 둘레 주위로 회전 신호 출력 리드의 배열을 반경 방향 뷰로 나타내는, 심블 튜브 내의 복수의 예시적인 감마 검출기의 스택에 대한 상부 평면도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 중성자 활성화 분석을 사용하여 조사된 샘플에 존재하는 원소를 식별하는 데 사용될 수 있는 감마 에너지 대 세기 측정의 그래프이다.
도 7은 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따라, 원자로 내에 배치된 감마 방사선 분광계의 일부로서 사용되는, 도 3에 도시된 감마 검출기의 측단면도이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 달리 명확하게 언급하지 않는 한, "하나", "일", 및 "특정한 하나"의 단수 형태는 복수의 참조를 포함한다.
본원에서 사용되는 방향 문구, 예컨대 제한 없이, 상단, 하단, 좌측, 우측, 하부, 상부, 전방, 후방, 및 이들의 변형은 첨부 도면에 나타낸 요소의 배향과 관련될 것이며, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 청구범위를 제한하지 않는다.
본원에서 청구범위를 포함하여 달리 명시되지 않는 한, 수량, 값 또는 특성을 표현하는 모든 숫자는, 모든 경우에 단어 "약"에 의해 변형된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, "약"이라는 용어가 숫자와 함께 명시적으로 나타나지 않더라도 "약"이라는 단어가 앞에 있는 것처럼 숫자를 읽을 수 있다. 따라서, 반대로 표시하지 않는 한, 하기 설명에 제시된 임의의 수치 파라미터는, 본 개시에 따른 조성물 및 방법에서 수득하고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 적어도, 청구범위의 범주에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도가 아니면, 본 설명에 설명된 각각의 수치 파라미터는, 적어도 보고된 유효 자릿수의 수를 고려하여 그리고 통상적인 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
본원에 인용된 임의의 수치 범위는, 그 안에 포함되는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 인용된 최소값 1과 인용된 최대값 10 사이의(및 이를 포함하는), 즉 1 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "축방향"은 축방향 또는 축과 정렬된 방향을 의미한다. 두 개 이상의 물체에 대해, 축방향은 공동 축방향 정렬 또는 축방향과 평행한 축을 따라 물체가 위치함을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "반경방향으로 이격된"은 물체가 원의 원호를 따라 서로 이격되거나 반경을 따라 위치하도록 둘 이상의 물체가 위치하는 것을 의미한다.
도 4는, 최근의 핵연료 및 반응기 설계를 위한 전력 분포 측정에 적합한 인-코어 전력 분포 검출용 어셈블리(100)를 나타낸다. 어셈블리(100)는 복수의 감마 검출기(10')(도 3 및 도 7에 도시됨)를 사용하며, 바람직하게는 튜브(40)와 같은 세장형 용기 내에서 서로의 상단에 축방향으로 위치한다. 검출기(10')는 각각 두 개의 리드(26 및 28)를 갖는다. 각각의 검출기(10')의 리드가 다른 검출기의 리드와 간섭하지 않도록 그리고 획득될 수 있는 측정의 밀도를 최대화하도록, 검출기(10')의 축방향 스택은 세장형 용기(40)의 길이를 따라 서로에 대해 회전된다.
다양한 양태에서, 도 3 및 도 7에 도시된 검출기(10')는 발명의 명칭이 "향상된 감마 방사선 감도를 갖는 고체 상태 방사선 검출기"인 미국 특허 제9,831,375호에 설명된 것들의 변형일 수 있으며, 이는 그 전체가 모든 목적을 위해 참조로서 본원에 포함된다. 도 2에 도시된, 이전 개시의 감마 검출기(10)는 반도체 영역의 적어도 일부분 위에 활성 반도체 영역 및 쇼트키 컨택을 갖는 쇼트키 다이오드를 포함할 수 있다. 본원에서 및 미국 특허 제9,831,375호에 설명된 검출기(10)는, 에피택셜 실리콘 카바이드(16)의 층에 의해 덮인, 실리콘 카바이드 전도성 기판(14) 아래에 위치한, 예를 들어 텅스텐으로 제조된 오믹 컨택 층(12)을 포함한다. 다양한 양태에서의 기판(14)은 두께가 대략 300 μm이고, 다양한 양태에서의 에피택셜 층(16)은 두께가 대략 3 내지 100 μm이다. 에피택셜 실리콘 카바이드 층(16)은 쇼트키 컨택(18)에 의해 덮인다. 쇼트키 컨택(18)은 두께가 약 1 마이크론인, 백금 또는 금과 같은 고 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 백금 또는 다른 적절한 고 원자 도너 재료, 예컨대 리튬 플루오라이드 또는 텅스텐으로 제조된 콤프턴 및 광전자 소스 재료(20)의 얇은 층은 쇼트키 컨택(18)의 적어도 일부로부터 위에 위치하고 이격되어 있고, 입사 감마 방사선에 반응하여, 활성 영역(16)을 관통하고 영역(14)에서 하전된 입자의 수집에 기여할 전자를 방출할 갭(22)을 정의한다. 입사 감마선에 반응하여, 소스 또는 전자 라디에이터 재료(20)는, 활성 영역(16)을 관통하고 활성 영역 내의 하전 입자의 수집에 기여할 전자를 방출할 것이다.
쇼트키 컨택(18)과 추가 소스 층(20) 사이의 갭(22)에 의해 정의된 거리는 조절 가능하며, 바람직하게는 전자 도너 층(20)과 쇼트키 컨택(18) 사이에서, 70°F(21℃)에서 20% 이하의 상대 습도를 갖는 1 기압에서의 공기의 특성과 같이, 낮은 유효 원자 수 및 무시할 만한 전도도를 갖는 유체를 포함한다. 공지된 밀도 및 전자 감쇠 특성을 갖는 임의의 이러한 유체가, 갭(22)에 사용될 수 있다.
또한, 소스 층(20)과 쇼트키 컨택(18) 사이의 갭(22)은, 원하는 에너지의 감마선에 의해 생성된 전자만이 측정된 신호에 기여하도록 구성될 수 있다.
사용된 재료 및 소스 층(20)의 두께는 최종 사용자에 의해 검출되도록 타겟팅되는 감마 방사선의 에너지 범위에 기초하여 선택된다. 조절 가능한 전자 도너 층(층(24)을 둘러싸는 접이식 슬리브로 기호 표시됨), 즉 쇼트키 컨택(18)로부터 두께와 거리를 조절할 수 있는 것은, 감마 방사선이 도너 재료(20) 내의 소스 원자를 둘러싸는 전자와 상호 작용하여, 실리콘 카바이드 검출기(10)의 활성 영역(16) 내로 침투하는 도너 층 내부의 고 에너지 콤프턴 및 광전자를 생성하게 한다. 예를 들어, 갭(22)에 개재되는 유체의 두께는, 도너 전자의 에너지를 제어하여 활성 영역에서 수집되도록 한다.
고정된 시간에 걸쳐 증착된 전하는 층(20) 상에 입사하는 감마 방사선의 에너지에 비례함으로, 감마 에너지 및 감마 방사선 세기는 실리콘 카바이드 장치로부터의 전기 출력의 적절한 분석으로부터 결정될 수 있다.
도 3 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 전술한 검출기(10)는 오믹 컨택 층(12)과 전도 층(14) 사이에 절연 층(34)을 포함하도록 변형될 수 있다(검출기(10')). 절연 층(34)은 전자의 방전을 방지하고, 텅스텐 오믹 컨택(12)의 단락을 방지한다. 다양한 양태에서, 변형된 검출기(10')의 활성 영역은 SiC 층(14 및 16)을 포함한다. 에피택셜 층(16)은 추가 전자의 소스 n-로 가볍게 도핑된 SiC로 제조될 수 있다. 이러한 맥락에서, 가벼운 도핑은 약 1014 cm-3 내지 약 1016 cm-3의 정도로 전자 공여 원소의 농도에 대응할 수 있다. 전도 층(14)은 추가 전자의 소스 n+로 더 많이 도핑된 SiC로 형성될 수 있다. 이러한 맥락에서, 많은 도핑은 약 1018 cm-3 내지 약 1020 cm-3의 정도로 전자 공여 원소의 농도에 대응할 수 있다. 많이 도핑된 영역은 오믹 컨택으로의 더 양호한 전자 수송을 보장할 수 있다. 따라서, 역방향 바이어스는 n- 영역(16)에서 전자를 고갈시키고, 이온화 방사선은 고갈된 영역에서 전자-홀 쌍을 생성한다. 전하는 컨택 양단에 인가된 전압의 영향 하에 오믹 컨택에서 수집될 수 있다.
대안적인 양태에서, 활성 영역은 두 개의 영역으로 이루어진 에피택셜 층(16)을 포함할 수 있으며, 하나는 두께가 약 1 μm인 양으로 도핑된 층이고 다른 하나는 두께가 약 3~10 μm인 음으로 도핑된 층이다. 전도 층(14)은 다양한 양태에서 수소 이온을 포함할 수 있다.
검출기(10')는 매우 작으며, 약 5 mm3 미만이다. SiC 검출기는, 바람직하게는 소스 재료(20)와 SiC 에피택셜 층(16)의 n- 영역 사이의 거리를 조절함으로써, 최고 에너지 즉각적 분열 감마 방사선(>~5 MeV)만을 검출하도록 구성된다.
도 3 및 도 7을 다시 참조하면, 검출기(10')의 외부 표면은 중간 층(30)에 의해 덮이고, 이는, 다양한 양태에서 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 마그네슘 산화물(MgO)로 만들어지고, 전기적 유전체로서 작용하며, 스테인리스 강 인클로저에 더하여 검출기 내의 전도성 재료를 서로 격리시킨다. 중간 층(30)은 바람직하게는 스테인리스 강 또는 IconelTM로 만들어진 외부 층(32)에 의해 덮이며, 이는 검출기(10')에 구조적 무결성을 제공하는 인클로저로서 작용한다.
알루미늄 산화물 층(30) 및 외부 스테인리스 강 층(32)에 의해 또한 덮인 제1 리드(26)는, 지점(44)에서 소스 재료 층(20) 부근의 검출기(10')의 상단으로부터 연장된다. 알루미늄 산화물 층(30) 및 외부 스테인리스 강 층(32)에 의해 또한 덮인 제2 리드(28)는, 지점(46)에서 오믹 컨택 층(12) 부근의 검출기(10')의 하단으로부터 연장된다. 제1 및 제2 리드(26, 28)는 검출기(10')의 대향면 상에 있다. 따라서, 반경방향 구성에서, 감마 검출기(10')의 제1 리드(26) 및 제2 리드(28)는, 예를 들어 서로로부터 180° 떨어져 위치할 수 있다. 제1 리드와 제2 리드 사이의 거리는 도 3 내지 도 5 및 도 7에 전압 차이를 나타내는 △V로 표시되어 있다.
도 4 및 도 5는 전력 분포 측정을 위한 어셈블리(100)의 구현예를 포함하는 검출기(10')의 배열을 나타낸다. 검출기
(10')는, 예를 들어 연료 봉에 인접한 반응 용기에서 사용시 위치하는 기구 튜브(40)와 같은 세장형 용기에 수용되는 것으로 나타나 있다. 튜브(40)의 내부 표면과 검출기(10')의 외부 표면 사이의 거리는 공기, 아르곤 또는 다른 불활성 가스로 채워진 개방 공간(42)을 정의한다.
도 4는 예시 목적으로 단지 세 개의 축방향 이격된 검출기를 보여주는 어셈블리(100)의 축방향 개략도이다. 도 5는 도 3에 나타낸 어셈블리(100)의 단면도로서, 튜브(40) 및 검출기(10') 배열을 나타내고, △V1, △V2 및 △V3으로 표시된 거리만큼 분리된 세 세트의 리드(26/28), 및 n이 임의의 수의 추가 검출기(10')일 수 있음을 나타내기 위해 △Vn으로 표시된 다른 세트를 나타낸다. 사용 시, 복수의 검출기(10')가 있을 것이다. 예를 들어, 61개의 검출기(10')가 핵 반응기(미도시)에 사용되는 일반적인 기기 튜브(40) 내에 배치될 수 있다. 임의의 튜브(40) 내의 검출기(10')의 수는 튜브의 길이 및 반응기의 측정 요구에 따라 달라질 것이다. 검출기(10')는 각각의 검출기(10')의 리드(26/28)가 튜브(40) 내의 검출기(10')의 나머지 리드(26/28)로부터 반경방향으로 이격되도록 배열될 것이다.
이러한 접근법은 측정 신호에서 분열 생성물 감마 방사선의 기여를 본질적으로 제거할 것이다. 다양한 양태에서, SiC 검출기(10')는, 예를 들어 연료 어셈블리 중앙 기기 심블의 내부 또는 반응기 내부 또는 주위 및/또는 반응기 용기 내부의 다른 전략적 측정 위치에 끼워질 수 있을 정도로 충분히 작은 외경을 갖는 건조 튜브(40)의 내부 및 길이를 따라 서로 다른 밀접하게 이격된 위치에 위치한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "밀접하게 이격된"은 약 12 인치 미만을 의미할 수 있으며, 다양한 양태에서, MIDS 측정 시스템이 제공하는 미세하게 이격된 축 방향 중성자 분포 측정 해상도(~2.4 인치)에서의 간격과 동일하거나 작은 약 2 내지 3 인치 이하, 바람직하게는 약 2.4 인치 이하를 의미한다.
반응기 코어 내에 또는 그 주위에 위치한 많은 SiC 검출기(10') 각각에 대해 코어 설계 소프트웨어에 의해 예측될 SiC 신호 응답이 있다. 작지만 밀접하게 이격된 SiC 검출기(10')의 사용은, 도 1의 630에 나타낸 바와 같이, 긴 연료 어셈블리 길이에 걸쳐 플럭스 측정을 평균화하는 효과를 본질적으로 제거한다. 　 전술한 바와 같이, 현재 사용되는 FID 시스템의 필연적인 평균화 및 반경방향 분포 위치 제약조건은 고도로 국부화되고 상세한 측정 대 예측 전력 분포 및 장기 작동 특성 사이의 차이를 관찰하는 것을 어렵게 한다. 본원에 설명된 SiC 검출기(10')의 구성은 MIDS 이동식 분열 챔버 축방향 측정 밀도(예, 2.4 인치당 하나)의 분포를 밀접하게 모방할 것이고, 그리드, 열 전달 또는 반응성에 영향을 미치는 연료 봉의 외부에 있는 잔해 침착물(예, CRUD)의 존재, 및 국소 끓는점이 반응기 코어에 갖는 충격을 해결할 수 있는 능력을 가질 것이다. 이는 개발될 축방향 플럭스 분포의 보다 정확한 합성을 허용한다. 측정된 검출기 신호와 예측된 검출기(10') 신호 사이의 차이는 코어 설계 모델링 도구의 정확성을 고도로 상세하게 결정하고, 연료 성능 이상의 존재를 식별하는 데 사용될 수 있는 고도로 상세한 코어 전력 분포 측정을 생성하는 데 사용될 수 있다.
검출기(100) 어셈블리는 모든 연료 어셈블리 기기 심블의 내부 또는 반응기 연료 매트릭스 내의 준비된 위치 내부에 영구적으로 위치할 수 있다.
검출기 튜브(40) 내의 검출기 신호를 출력하는 데 사용되는 신호 리드(26/28)는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 배향되고, 신호 리드에 대한 표준 광물질 절연 케이블 설계를 사용하면서 최대 가능 SiC 감지 요소 활성 부피 표면적 및 축방향 밀도를 허용하도록 한다. SiC 신호는 측정된 전압 차이를 신호 처리 전자기기에 결합하는 전기 커넥터의 구성을 단순화하기 위해 공통 반응기 접지부를 사용할 것이다.
본원에 설명되고 나타낸 검출기 어셈블리(100) 설계의 신규 양태는, 예를 들어 다음을 포함한다:
1. 튜브(40) 내부의 검출기(10')의 축방향 위치의 함수로서 회전 배열을 사용하는 것은, 튜브(40) 내에 포함될 수 있는 동일한 검출기(10')의 수를 최대화하고 건조 튜브(40)에 요구되는 외경을 최소화한다.
2. 최대 에너지 즉각적 분열 감마 에너지를 검출하기 위해 각각의 검출기(10') 내의 갭(22)을 조절함으로써 조정되는 어셈블리(100)의 SiC 검출기(10')를 사용하는 것은, 반응기 분열 전력 분포의 연속적인 측정을 허용한다. 이러한 즉각적 분열 정보는 단일 센서 설계로부터 반응기 이상 검출, 연속 전력 분포 모니터링, 및 반응기 보호에 사용될 수 있다.
3. 감마 감응형 SiC 검출기(10') 어셈블리(100) 설계를 사용하는 것은, 방사선 노출의 함수로서 분해되거나 감소되어야 하는 구성 요소가 없기 때문에, 이 어셈불리를 반응기의 수명 동안 계속 사용하는 것을 허용할 수 있다.
4. 도 5에 나타낸 SiC 검출기 설계의 열적 특성은, 압력 물 반응기, 끓는 물 반응기, 고온 가스 냉각 반응기, 및 액체 금속 냉각 반응기에 대한 설계에 사용하는 것을 허용할 수 있다.
원칙적으로, 도 4 및 도 5에 나타낸 방사선 검출기 어셈블리(100) 설계 및 구성은, 핵 반응기 작동에 사용되는 다른 모든 방사선 센서를 대체할 수 있다. 또한, 현재의 측정 시스템으로부터 본원에 설명된 방사선 검출기 어셈블리(100)로 전환하려는 노력은 매우 용이하고 비용 효율적이다.
원자로에서, 연료 채널을 통한 냉각제의 흐름 속도가 알려질 것이며, 원하는 대로 공지된 기술에 의해 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 측정 가능한 감마 방사선을 생성하기 위해 클래딩 튜브에서 누출이 발생하는 경우에 충분한 양으로 존재할 것으로 예상되는 분열 생성물이 선택될 수 있다. 예시적인 분열 생성물은 La140인데, 그 이유는 UO2를 분열 재료로 사용하는 반응기에서 가장 보편적인 분열 생성물 중 하나이기 때문이다. 또한, Xe135로부터 방출된 즉각적 n-γ와 같이 비교적 낮은 에너지의 감마 방사선을 생성하는 냉각제 내의 다른 분열 생성물의 존재 시에 변화를 모니터링하는 것이 유용할 수 있다. 이 생성물은 연료 클래딩 결함을 통해 연료 매트릭스로부터 탈출할 가능성이 훨씬 더 높기 때문에, 연료 클래딩에서 누출이 발생하는 경우에 La140보다 냉각제에 더 높은 농도로 존재할 수 있다. 따라서, 분광 측정을 통해 감마 방출 생성물의 유형을 식별할 수 있는 감마 검출기 어레이를 사용하는 것이 유용할 것이다. 또한, 일부 중성자 조사 재료는 감마 방사선을 방출할 수 있는 핵종을 형성할 수 있다. 감마 에너지 및 세기 측정은 당업자에게 잘 알려진 중성자 활성 분석(NAA) 기술을 사용하여, 그 양과 함께 중성자 조사 원소의 조성을 결정하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있다.
중성자 조사 재료 샘플에 존재하는 원소의 일부 예는 도 6에 나타낸 것과 같은 감마 에너지 스펙트럼의 측정에 의해 결정될 수 있다. 감마 에너지 및 세기 측정은 당업자에게 잘 알려진 중성자 활성 분석(NAA) 기술을 사용하여 조사된 재료에 존재하는 원소 및 양을 결정하는 데 필요한 정보를 제공한다. 도 6에서 관찰된 연속 노이즈의 억제는, 현재 감마 분광 장비를 사용하여 현재 달성 가능한 것보다 단일 감마 에너지 피크의 세기를 보다 정확하게 결정할 수 있게 한다. 연속 노이즈 억제는 2019년 6월 12일에 출원된 "CANDU-유형 원자로에서 클래딩 천공을 갖는 연료 다발의 인-코어 위치를 검출하고 위치 설정하는 방법 및 시스템"이라는 제목의 미국 특허 출원 제16/439,061호에 설명된 바와 같이 연료 채널에서의 분열 생성물 농도 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있게 할 수 있으며, 그 내용은 그 전체가 모든 목적을 위해 참조로서 본원에 포함된다. 이러한 측정은 연료 채널에서 연료 결함의 존재 및 축방향 위치를 식별하는 데 유용할 수 있다.
감마 방사선에 특히 민감하도록 구성된 고체 상태 방사선 검출기의 사용은, 도 6에 예시된 것과 같이 중성자 조사 재료 샘플로부터 감마 방사선 스펙트럼을 생성시킬 수 있다. 이러한 검출기는 미국 특허 번호 제9,831,375호에 설명되어 있으며, 이전에 참조되고 도 3 및 도 7에 개략적으로 또 나타나 있다. 각각의 SiC 검출기는, 각각의 검출기가 매우 좁은 감마 에너지 범위를 커버할 수 있게 입력되는 단일 채널 분석기(SCA)(예, ORTEC® 550A 단일 채널 분석기)로서 구성될 수 있다. 에너지 범위는 전자 방출기(20)와 쇼트키 컨택(18) 사이의 갭(22)의 깊이 및 n- 활성 영역(16)의 깊이(Te)에 따라 결정될 수 있다.
전자 방출기(20)와 쇼트키 컨택(18) 사이의 갭(22)은, 전술한 바와 같이 쇼트키 컨택(18)과 콤프턴 및 광전자 방사선 재료(20) 층 사이에 개재된 유체(24)를 포함할 수 있다. 전자 방출기(20)에 충돌하는 감마 방사선(810)은, 충돌하는 감마 방사선(810)의 에너지와 관련된 에너지를 갖는 전자를 생성할 것이다. 저 에너지 감마 방사선은, 대응하는 저 에너지 콤프턴 또는 광전기적으로 산란된 전자를 생성할 수 있다. 저 에너지는, 전자가 갭(22)의 전체 두께를 통과할 수 없게 하는 에너지로서 정의될 수 있고, 따라서 활성 n-영역(16) 내로 진입하지 못할 것이다. 그 결과, 이러한 저 에너지 전자는 SCA에 의해 검출되지 않을 수 있다. 이러한 검출기 요소의 어레이는 개별 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 요소는 전자 방출기(20)와 쇼트키 컨택(18) 사이에 상이한 두께의 갭(22)을 갖는다. 갭(22)의 크기가 검출기에 대해 낮은 에너지 컷오프를 결정하기 때문에, 어레이는 그들의 하한치 에너지 검출 능력이 상이한 다수의 검출기 요소를 포함할 수 있다.
Te의 값, n-층(16)의 깊이는, 센서에 의해 검출될 수 있는 콤프턴 또는 광전기적으로 산란된 전자(820)의 상한치를 정의하도록 선택될 수 있다. Te는 L. Katz 및 A.S. Penfold의 Rev. Mod. Phys., 24 (1952), p.28에 주어진 다음 실험식에 따라 계산될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, Eβ는 최대 베타 에너지[MeV]이다. 베타 방사선을 정지시키는 능력은 주로 흡수체 내의 전자의 수(즉, cm2당 전자의 수인 면적 밀도)에 따라 달라진다. 따라서, 재료의 밀도 두께(g/cm2)로서 표현될 경우의 범위는, 다양한 흡수체가 비교될 수 있는 일반적인 양자화를 제공한다.
활성 부피(16, 14)의 두께를 따라 Te보다 큰 전이 거리를 초래하는 에너지를 갖는 모든 전자(815)가, 본질적으로 동일한 진폭을 갖는 SCA에서 펄스를 생성할 것임을 이해할 수 있다. 이러한 고 에너지 전자(815)는 전자 라디에이터 층(20)에 충돌하는 고 에너지 감마 방사선(810)에 대응하는 광전 효과 및 콤프턴 산란으로부터 기인할 수 있다. 생성된 고 에너지 전자(815)는 검출기의 활성 영역(16)의 두께인 Te를 완전히 침투하여 후방 오믹 컨택(12) 상에 충돌하기에 충분한 에너지를 가질 수 있다. 이들 이벤트와 연관된 펄스는, 모두 본질적으로 동일한 펄스 진폭을 가질 것이고, SCA의 상위 수준 구별자 성분에 의해 제거될 수 있다. 따라서, Te의 두께가 센서에 의해 검출된 에너지의 상한 범위를 결정한다는 것을 이해할 수 있다.
중간 에너지 전자(820)는 중간 에너지 감마선(810)에 대응하는 광전 효과 및 콤프턴 산란에 의해 생성될 수 있다. 정의에 따라, 중간 에너지 전자(820)는, 활성 n-영역(16)을 지나 통과하지 않고 전자 방사선 층(20)과 쇼트키 컨택(18) 사이의 갭(22)을 투과할 수 있는 전자일 수 있다. 이러한 전자는 SCA에 의해 활성적으로 계수되는 것들로서, 상한치 구별자에 의해 필터링된 최대 펄스 높이 미만의 펄스 높이를 갖는 것일 수 있다. 따라서, 검출기 어레이는 쇼트키 센서 어레이로부터 제작될 수 있으며, 각각의 센서는 갭(22) 및 활성 영역 깊이 Te에 의해 정의된다. 따라서, 각각의 센서는 더 낮은 에너지 단부(갭(22) 깊이) 및 더 높은 에너지 단부(Te 층의 두께) 모두에서 조정될 수 있다. 갭(22) 및 Te의 상이한 값을 갖는 SCA 어레이 내의 각각의 감마 에너지 센서로부터의 데이터는, 도 6의 스펙트럼에 나타낸 것과 같이, 감마 에너지를 생성하기 위해 조합될 수 있고, 감마 세기 측정과 연관될 수 있다. 그러나, 갭(22) 두께의 변화는 특정 핵종과 연관된 측정 감마 에너지로부터 낮은 연속 신호 레벨을 감소시킬 수 있다. 이는, 더 낮은 에너지 및 세기 값으로 훨씬 더 급격하게 정의된 에너지 피크를 검출시킬 있게 할 것이다.
본원에 언급된 모든 특허, 특허 출원, 공보, 또는 다른 개시 자료는, 각각의 개별 참조가 각각 참조로서 명시적으로 포함된 것처럼 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다. 본원에 참조로서 포함된다고 언급된 모든 참조 및 임의의 물질, 또는 이들의 일부는, 포함된 물질이 본 개시에 기재된 기존의 정의, 진술, 또는 다른 개시 자료와 충돌하지 않는 정도로만 본원에 포함된다. 이와 같이, 그리고 필요한 정도로, 본원에 설명된 개시 내용은 본원에 참조로 포함된 임의의 상충되는 자료, 및 본 출원 통제에 명시적으로 설명된 개시 내용을 대체한다.
본 발명은, 다양한 예시적인 구현예를 참조하여 설명되었다. 본원에 설명된 구현예는 개시된 본 발명의 다양한 구현예의 다양한 세부 사항의 예시적인 특징을 제공하는 것으로 이해되고; 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 가능한 정도까지 하나 이상의 특징부, 요소, 구성 요소, 구성 성분, 성분, 구조, 모듈, 및/또는 개시된 구현예의 양태가, 개시된 발명의 범주로부터 벗어나지 않는다면 하나 이상의 다른 특징부, 요소, 구성 요소, 구성 성분, 성분, 구조, 모듈, 및/또는 개시된 구현예의 양태와 조합, 분리, 상호 교환, 및/또는 재배열될 수 있음을 이해한다. 따라서, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는다면 임의의 예시적인 구현예의 다양한 치환, 변형 또는 조합이 이루어질 수 있음을 당업자는 인지할 것이다. 또한, 당업자는 본 명세서의 검토 시 본원에 설명된 본 발명의 다양한 구현예에 대한 수많은 균등물을 일상적인 실험을 사용하여 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 구현예의 설명에 의해 제한되지 않고, 오히려 청구범위에 의해 제한된다.

Claims (14)

  1. 감마 방사선 검출기를 제작하는 방법으로서, 상기 방법은,
    SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계(상기 SiC 방사선 검출기는,
    활성 반도체 영역 및 상기 활성 반도체 영역의 적어도 일부 위에 쇼트키 컨택을 갖는 쇼트키 다이오드;
    입사 감마 방사선과 반응하여, 상기 쇼트키 컨택을 통해 상기 쇼트키 다이오드의 활성 반도체 영역 내로 침투하도록 콤프턴 및 광-전기 전자를 방출하도록 구성되는 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층으로서, 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층은 상기 쇼트키 컨택 위에 지지되는, 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층; 및
    상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이에 개재된 유체 층을 포함함);
    상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이의 거리를 조절함으로써 상기 SiC 방사선 검출기의 최소 검출 에너지를 결정하는 단계;
    상기 활성 반도체 영역이 특정 두께를 갖도록 제작함으로써, 상기 SiC 방사선 검출기의 최대 검출 에너지를 결정하는 단계; 및
    상기 SiC 방사선 검출기를 단일 채널 분석기의 전하 입력부에 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계는, n- 활성 반도체 영역을 갖는 SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계는, 상기 활성 반도체 영역 아래에 배치된 n+ 전도 영역을 갖는 SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이의 거리를 조절하는 단계는, 사이에 있는 상기 유체 층을 둘러싸는 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료와 접촉하는 접이식 슬리브를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 활성 반도체 영역이 특정 두께를 갖도록 제작하는 단계는, 다음에 따르는 두께를 갖는 상기 활성 반도체 영역을 제작하는 단계를 포함하고, 상기 다음은,
    Figure pct00002

    여기서 Eβ는 최대값[MeV]인, 방법.
  6. 감마 방사선 검출기 어레이를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    복수의 SiC 방사선 검출기를 제공하는 단계(상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각은,
    활성 반도체 영역 및 상기 활성 반도체 영역의 적어도 일부 위에 쇼트키 컨택을 갖는 쇼트키 다이오드;
    입사 감마 방사선과 반응하여, 상기 쇼트키 컨택을 통해 상기 쇼트키 다이오드의 활성 반도체 영역 내로 침투하도록 콤프턴 및 광-전기 전자를 방출하도록 구성되는 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층으로서, 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층은 상기 쇼트키 컨택 위에 지지되는, 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층; 및
    상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이에 개재된 유체 층을 포함함);
    상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이의 거리를 조절함으로써, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각의 최소 검출 에너지를 결정하는 단계;
    상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 활성 반도체 영역이 특정 두께를 갖도록 제작함으로써, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각의 최대 검출 에너지를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각을 복수의 단일 채널 분석기 중 하나의 전하 입력부에 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이의 거리를 조절하는 단계는, 제2 SiC 방사선 검출기의 콤프턴 광전자 소스 재료 층과 상기 쇼트키 컨택 사이의 거리와 상이한 제1 SiC 방사선 검출기의 콤프턴 광전자 소스 재료 층과 상기 쇼트키 컨택 사이의 거리를 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 활성 반도체 영역이 특정 두께를 갖도록 제작하는 단계는, 제1 SiC 방사선 검출기의 활성 반도체 영역이 제1 특정 두께를 갖도록 제작하는 단계, 및 제2 SiC 방사선 검출기의 활성 반도체 영역이 제2 특정 두께를 갖도록 제작하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각의 최소 검출 에너지를 결정하는 단계는, 제2 SiC 방사선 검출기의 최소 검출 에너지와 상이한 제1 SiC 방사선 검출기의 최소 검출 에너지를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각의 최대 검출 에너지를 결정하는 단계는, 제2 SiC 방사선 검출기의 최대 검출 에너지와 상이한 제1 SiC 방사선 검출기의 최대 검출 에너지를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 감마 방사선의 에너지 및 진폭을 측정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    복수의 SiC 방사선 검출기를 포함하되, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각은,
    활성 반도체 영역 및 상기 활성 반도체 영역의 적어도 일부 위에 쇼트키 컨택을 갖는 쇼트키 다이오드;
    입사 감마 방사선과 반응하여, 상기 쇼트키 컨택을 통해 상기 쇼트키 다이오드의 활성 반도체 영역 내로 침투하도록 콤프턴 및 광-전기 전자를 방출하도록 구성되는 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층으로서, 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층은 상기 쇼트키 컨택 위에 지지되는, 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층; 및
    상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료 층 사이에 개재된 유체 층을 포함하며,
    상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 쇼트키 컨택과 상기 콤프턴 및 광전자 소스 층 사이의 거리는 조절 가능하고,
    상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각에 대해, 상기 활성 반도체 영역이 특정 두께를 갖도록 제작됨으로써, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각의 최대 검출 에너지를 결정하고,
    복수의 단일 채널 분석기를 포함하되, 상기 복수의 단일 채널 분석기 각각의 전하 입력부는 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 중 하나와 접촉하도록 구성되는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단일 채널 분석기 각각은 그와 연관된 SiC 방사선 검출기 양단에 역방향 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는, 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각은 상기 유체 층을 둘러싸는 상기 콤프턴 및 광전자 소스 재료와 접촉하는 조절 가능한 접이식 슬리브를 포함하는, 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 복수의 SiC 방사선 검출기 각각은 오믹 컨택 층과 상기 활성 반도체 영역 사이에 절연 층을 추가로 포함하는, 시스템.
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