KR100928772B1 - 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광분석장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감마선분광분석법을 이용하여 디스크 형태의 사용후핵연료봉 시편에 대한 평균 연소도를 결정하기 위한 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치이다. 본 발명의 감마선 분광 분석장치의 시준기는 원추형 모양으로 관통된 제1 슬릿을 가진 제1 부재 및 제1 부재와 대응되도록 원추형으로 관통된 제2 슬릿을 가진 제2 부재를 포함하고, 제1 부재 및 제2 부재는 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 내경이 작은 부분이 서로 마주보도록 배치되어 구성된다. 따라서, 감마선을 측정하기 위한 입체각이 커져 사용후핵연료의 전체 면적을 커버할 수 있기 때문에 단 1회 측정으로 평균 연소도를 결정할 수 있으며, 측정시간을 단축할 수 있다.

사용후핵연료, 시준기, 원추형, 입체, 연소도, 농도분포

Description

시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치{Collimator and spent nuclear fuel’s gamma ray spectroscopic analysis apparatus}

본 발명은 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치에 관한 것으로서, 감마선을 측정하기 위한 입체각을 크게 하여 사용후핵연료의 전체 면적을 커버할 수 있기 때문에, 단 1회 측정으로 평균 연소도를 결정할 수 있으며, 측정시간을 단축할 수 있는 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치에 관한 것이다.

지금까지 감마선분광분석법을 이용하여 디스크 형태의 사용후 핵연료봉 시편에 대한 핵분열 생성물의 농도분포 및 연소도를 결정할 때, 4각형 슬릿(slit)의 감마선 시준기를 사용하였다. 비록 핵연료봉 시편은 작은 크기의 시편이지만 비교적 많은 양의 감마광자가 방출되기 때문에 계수율 조절 및 직경 방향의 특정위치 측정을 위해서 시준기 사용이 필수적이다.

시편 표면의 특정 위치에서 핵분열 생성물의 농도분포 또는 연소도를 얻기 위해서는 미세공간 분할 가능한 4각형 형태의 시준슬릿을 사용하여 여러 지점을 측정하여야 한다. 특히, 연소도는 시편의 위치에 따라 다르기 때문에 여러 지점을 측정한 후, 평균 연소도를 계산하여야 한다. 이로 인해 4각형 형태의 시준슬릿을 사용할 경우에는, 수회에 걸쳐 감마선을 측정하고 분석하는 작업을 해야 함으로 측정시간 및 측정비용이 많이 소요된다.

이러한 문제점을 보완하기 위해서 감마선을 차폐하는 동시에 입체각을 크게 함으로서 안전하면서도, 핵연료봉 시편에 대한 정보를 신속 정확하게 알아낼 수 있는 시준기 개발의 필요성이 대두되고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 디스크형 사용후핵연료의 시편으로부터 감마선을 단 한번 측정하여 시편의 평균 연소도 및 농도분포를 알아낼 수 있는 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 사용후핵연료로부터 나오는 감마선을 흡수 및 차폐하도록 하여 적정량의 감마선만이 검출기로 입사되도록 할 수 있는 시준기 및 이를 포함하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 사용후핵연료로부터 나오는 감마선을 분석하기 위한 본 발명의 감마선 분광 분석장치의 시준기는 제1 부재 및 제2 부재를 포함한다.

상기 제1 부재는 원추형 모양으로 관통된 제1 슬릿을 가진다. 그리고, 제2 부재는 상기 제1 부재와 대응되도록 형성되는데, 원추형 모양으로 관통된 제2 슬릿을 가진다. 상기 제1 부재 및 제2 부재는 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 직경이 작은 부분이 서로 마주보도록 하여 배치될 수 있다. 이때 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿은 연통된 홀을 형성하며, 상기 사용후핵연료로부터 나오는 감마선이 통과하는 경로를 제공한다.

상기 제1 부재 및 제2 부재는 각각 별개로 형성될 수 있으며, 또는 일체로 형성될 수 있다. 상기 제1 부재 및 제2 부재가 일체로 형성되는 경우에는, 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿은 서로 연통될 수 있다.

상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿의 길이는 각각 약 50㎜ 내지 70㎜가 될 수 있으며, 바람직하게는 60㎜로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 사용되는 상기 사용후핵연료는 봉(rod)형태로 형성되며, 감마선을 측정하기 위해서 상기 봉 형태로 형성된 사용후핵연료를 디스크 형태로 절단할 수 있다. 이러한 상기 사용후핵연료는 상기 제1 슬릿의 입구부와 인접하도록 위치할 수 있다. 상기 제1 슬릿의 입구부 내경은 약 10 내지 20㎜로 형성될 수 있고, 상기 사용후핵연료로부터 나오는 감마선은 상기 제1 슬릿의 입구부를 통해 상기 제1 슬릿의 내측으로 들어갈 수 있다.

또한, 본 발명의 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치는 사용후핵연료, 원추형 모양의 홀로 형성되어 상기 사용후핵연료로부터 나오는 감마선에 경로를 제공하기 위한 제1 슬릿을 가지는 제1 부재, 원추형 모양의 홀로 형성되어 상기 제1 슬릿을 통과한 상기 감마선에 경로를 제공하기 위한 제2 슬릿을 가지는 제2 부재 및 상기 사용후핵연료의 대향측에 위치하고 상기 제2 슬릿을 통과한 상기 감마선이 입사되고, 입사된 감마선을 분석하여 상기 사용후핵연료의 평균 연소도 및 핵분열 생성물의 농도를 결정하는 검출 시스템을 포함하고, 상기 제1 부재 및 제2 부재는 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 직경이 작은 부분을 서로 마주보도록 하여 배치될 수 있다.

상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿의 길이는 상기 사용후핵연료로부터 방사되어 상 기 검출기에 입사되는 감마선의 양에 따라 변화될 수 있다.

또한, 본 발명의 시준기 조립방법은 원추형 형상으로 관통된 제1 슬릿을 가지는 제1 부재를 제공하는 단계, 원추형 형상으로 관통된 제2 슬릿을 가지는 제2 부재를 제공하되, 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 직경이 작은 부분을 서로 마주보도록 배치하는 단계 및 상기 제1 슬릿의 중심선과 상기 제2 슬릿의 중심선을 일치시키는 단계를 포함한다.

상기 중심선을 일치시키는 단계는 상기 제1 부재 및 제2 부재를 배치하기 위한 고정틀을 제공하는 단계, 상기 고정틀에 상기 제1 부재 및 제2 부재를 수납하는 단계를 포함한다.

이와 같이 구성하여 감마선을 측정하기 위한 입체각이 커져 사용후핵연료로부터 나오는 감마선을 한번 측정함으로써 사용후핵연료의 평균 연소도와 핵분열 생성물을 농도를 결정할 수 있고, 측정시간을 절약할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시준기의 슬릿을 원추형으로 형성하여 입체각을 크게 함으로써 한번의 측정으로도 사용후핵연료의 평균 연소도와 핵분열 생성물의 농도를 결정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 사용후핵연료의 디스크형 시편으로부터 나오는 감마선의 일부가 시준기에 흡수 또는 차폐되도록 하여 검출기에는 필요한 양만큼의 감마선이 입사되도록 하여 검출기의 성능을 유지하고, 측정의 정확성을 높이는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해 당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치의 구조를 설명하기 위해 도시한 평면도이다. 본 발명에서 사용되는 사용후핵연료는 디스크형 시편으로 형성되나, 그 형상이 이에 한정되거나 제한되지는 않는다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치(1)는 사용후핵연료(100), 시준기(200) 및 검출기(300)를 포함하여 구성된다.

상기 시준기(200)는 제1 부재(210) 및 제2 부재(220)로 구성되어 각각의 부재에 원추형의 관통된 홀인 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)이 형성된다. 그리고, 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)은 그 형상이 서로 반대가 되도록 형성된다.

상기 시준기(200)는 방사능 차폐 능력을 보유하는 재질로 제조될 수 있다. 일반적으로 방사능을 차폐할 수 있는 재질로써, 보통 높은 밀도를 가지는 텅스텐(W)이나 납(Pb)을 이용할 수 있다. 그런데, 상기 텅스텐은 납보다 밀도가 높아서 차폐능력이 우수하지만, 재료비 및 가공비가 높기 때문에 작은 크기로 높은 차폐효과를 요구할 경우에만 주로 사용된다. 그 대신에, 납은 비용이 저렴하고 가공이 용이하여 널리 이용된다. 한편 본 발명의 상기 시준기(200)를 제조하는 경우에 는 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)은 정밀하게 가공되어야 함으로 연성이 높은 순수납을 이용하는 대신에 납을 포함하는 합금을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서 사용되는 시준기는 주형틀에 납합금의 주물을 넣고 냉각시킨 후, 주형틀에서 분리하는 과정을 통해 제조될 수 있다.

상기 검출기(300)는 상기 시준기(200)의 외측에 위치하며, 도 1에서는 상기 제1 슬릿(212)의 상측에 위치한다. 상기 검출기(300)는 상기 감마선을 통해 상기 사용후핵연료의 물성치를 알아낼 수 있다. 구체적으로 상기 물성치는 상기 사용후핵연료의 평균 연소도와 핵분열 생성물의 농도이다.

본 실시예의 상기 검출기(300)는 고순도 게르마늄 검출기(HPGe Detector)를 이용할 수 있다.

한편, 상기 검출기(300)는 상기 감마선으로부터 분석된 상기 사용후핵연료의 물성치를 시각화하기 위한 디스플레이를 구비할 수 있으며, 이러한 상기 디스플레이는 각각의 물성치에 대한 수치, 비율 등을 표시할 수 있다.

도 2는 도 1에서 시준기의 구조를 설명하기 위해 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에서 감마선이 슬릿을 경유하여 검출기에 도달하는 장면을 도시한 작동도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시준기(200)는 한 쌍으로 구성되며, 구체적으로 그 모양이 서로 대응되도록 형성된 제1 부재(210) 및 제2 부재(220)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 부재(210) 및 제2 부재(220)는 대략 원기둥 모양으로 형성되며, 각각에는 원추형 형태로 관통된 홀인 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)이 각각 형성된 다. 그리고, 상기 제1 부재(210) 및 제2 부재(220)는 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)에서 내경이 작은 부분이 서로 마주보도록 하여 배치된다. 이러한 배치 구조로 인해 상기 시준기(200)에 형성된 홀은 외측부분에서 중앙부분으로 들어 갈수록 내경이 작아지는 형태를 가진다.

본 발명에서 사용되는 사용후핵연료는 봉 형태로 형성되고, 감마선 측정을 위해서는 디스크 형태로 제공된다. 일반적으로 상기 사용후핵연료가 봉으로 형성될 경우에, 그 직경은 약 10㎜ 내외이다.

상기 제1슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)에서 가장 큰 내경 칫수는 약 10㎜ 내지 20㎜로 형성된다. 이는 상기 사용후핵연료의 직경에 대응되도록 형성하기 위함이다. 즉, 상기 사용후핵연료의 시편을 위치시킬 때, 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)의 범위를 벗어날 수도 있기 때문에 편차를 고려하여 상기 사용후핵연료의 직경보다 크게 형성한다.

또한, 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)의 각각의 길이는 시편의 방사능 세기를 고려하여 약 60㎜로 결정하였다. 여기서, 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)의 길이를 약 60㎜로 형성하는 이유는, 상기 사용후핵연료 디스크형 시편(100)의 방사능 세기를 1Ci로 가정할 때, 방출되는 감마 광자가 맹시준기(슬릿이 없는 시준기)를 통과하여 검출기에 도달하는 양이 최소가 되도록 하기 위함이다. 즉, 구조물의 크기를 최소화하면서, 동시에 자연방사능 (background) 도 최소한 낮게 유지할 수 있는 길이이다. 만약, 자연방사능이 높을 경우에는 상기 사용후핵연료의 시편에 대한 감마선 스펙트럼으로부터 특정 핵종의 피이크를 정확하게 찾아내 기 어렵다.

상기 사용후핵연료 디스크형 시편(100)은 도 3에서 상기 시준기(200)의 좌측에 위치하며, 상기 사용후핵연료 디스크형 시편(100)의 감마선을 검출하는 검출기(300)는 상기 시준기(200)의 우측에 위치한다.

상기 사용후핵연료 디스크형 시편(100)으로부터 나오는 감마선은 상기 제1 슬릿(212)의 입구부(212a)로 입사된다. 상기 제1 슬릿(212)은 내측으로 갈수록 내경이 줄어듦으로 상기 제1 슬릿(212)으로 입사된 감마선의 대부분은 상기 시준기(200)의 내부로 흡수되고, 그 중 일부는 상기 제1 슬릿(212)의 출구부(212b)를 거쳐 상기 제2 슬릿(222)의 입구부(222a)로 입사된다. 즉, 상기 사용후핵연료 디스크형 시편의 각 미소부위로부터 나오는 감마선 중에서 오직 상기 제1 슬릿(212)의 출구부(212a) 측으로 방사되는 감마선만이 상기 제1 부재(210)의 내부로 흡수되거나 차폐되지 않고, 상기 제2 슬릿(222)으로 입사될 수 있다.

상기 제2 슬릿(222)의 입구부(222a)로 들어온 감마선은 이전 경로의 연장선을 따라 계속 이동하여 상기 제2 슬릿(222)의 출구부(222b)로 나온다. 그리고, 상기 감마선은 상기 검출기(300)로 입사한다.

상기 검출기(300)는 상기 제1 슬릿(212) 및 제2 슬릿(222)을 통과한 감마선을 검출하고, 그런 다음 감마선 스펙트럼을 분석함으로써 상기 사용후핵연료 디스크형 시편(100)의 평균 연소도를 알아낼 수 있다.

도 4는 본 발명의 시준기의 조립방법을 설명하기 위해 도시한 순서도이다. 이에 도시한 바와 같이, 먼저 원추형 형상으로 관통된 제1 슬릿이 형성된 제1 부재 를 제공한다(S1).

다음, 원추형 형상으로 관통된 제2 슬릿이 형성된 제2 부재를 제공한다(S2).

다음, 상기 제1 부재 및 제2 부재를 수납하기 위한 고정틀을 제공한다(S3). 여기서, 상기 고정틀에는 상기 제1 부재와 제2 부재의 외형에 대응되는 홈이 형성된다.

다음, 상기 고정틀의 홈에 상기 제1 부재 및 제2 부재를 수납한다(S4). 이때 상기 고정틀에서 수납된 상기 제1 부재 및 제2 부재는 그 중심선들이 서로 일치된다.

도 1은 본 발명의 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치의 구조를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.

도 2은 도 1에서 시준기의 구조를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.

도 3는 도 2에서 감마선이 슬릿을 경유하여 검출기에 도달하는 장면을 도시한 작동도이다.

도 4는 본 발명의 시준기의 조립방법을 설명하기 위해 도시한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치 100: 사용후핵연료

200: 시준기 210: 제1 부재

212: 제1 슬릿 220: 제2 부재

222: 제2 슬릿 300: 검출기

Claims (12)

1. 사용후핵연료로부터 나오는 감마선을 분석하기 위한 감마선 분광 분석장치의 시준기에 있어서,

   원추형 모양으로 관통되어 상기 감마선의 경로를 제공하는 제1 슬릿을 가진 제1 부재;

   상기 제1 부재와 대응되어 형성되되, 원추형 모양으로 관통되어 상기 제1 슬릿과 마주함으로써 상기 감마선의 경로를 제공하는 제2 슬릿을 가진 제2 부재;

   를 포함하고,

   상기 제1 슬릿의 입구부 내경은 상기 사용후핵연료의 직경보다 크게 형성되며, 상기 제1 및 제2 부재는 상기 제1 및 제2 슬릿에서 내경이 작은 부분이 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 부재 및 제2 부재는 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 슬릿의 길이 및 제2 슬릿의 길이는 각각 50㎜ 내지 70㎜인 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 사용후핵연료는 디스크 형태의 시편으로 형성되는 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 슬릿의 입구부 내경은 10㎜ 내지 20㎜인 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 사용후핵연료는 상기 제1 슬릿의 입구부에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 감마선 분광 분석장치의 시준기.
7. 사용후핵연료;

   원추형 모양의 홀로 형성되어 상기 사용후핵연료로부터 나오는 감마선에 경로를 제공하기 위한 제1 슬릿을 가지는 제1 부재;

   원추형 모양의 홀로 형성되어 상기 제1 슬릿을 통과한 상기 감마선에 경로를 제공하기 위한 제2 슬릿을 가지는 제2 부재; 및

   상기 사용후핵연료의 대향측에 위치하여 상기 제2 슬릿을 통과한 상기 감마선이 입사되고, 입사된 감마선을 분석하여 상기 사용후핵연료의 평균 연소도 및 핵분열 생성물의 농도를 결정할 수 있는 검출 시스템;

   를 포함하고, 상기 제1 부재 및 제2 부재는 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 직경이 작은 부분을 서로 마주보도록 하여 배치되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 슬릿의 중심선과 상기 제2 슬릿의 중심선은 서로 일치되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 제1 슬릿의 길이 및 제2 슬릿의 길이는 상기 사용후핵연료로부터 방출되어 상기 검출 시스템에 입사되는 상기 감마선의 양에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치.
10. 제7항에 있어서,

    상기 사용후핵연료는 디스크형 시편으로 형성된 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 감마선 분광 분석장치.
11. 원추형 형상으로 관통된 제1 슬릿을 가지는 제1 부재를 제공하는 단계;

    원추형 형상으로 관통된 제2 슬릿을 가지는 제2 부재를 제공하되, 상기 제1 슬릿 및 제2 슬릿에서 직경이 작은 부분을 서로 마주보도록 배치하는 단계; 및

    상기 제1 슬릿의 중심선과 상기 제2 슬릿의 중심선을 일치시키는 단계;

    를 포함하며,

    상기 중심선을 일치시키는 단계는,

    상기 제1 부재 및 제2 부재를 배치하기 위한 고정틀을 제공하는 단계; 및

    상기 고정틀에 상기 제1 부재 및 제2 부재를 수납하는 단계;

    를 포함하는 시준기 조립방법.
12. 삭제

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