KR100931827B1 - 환형 He―3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기 - Google Patents
환형 He―3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 폴리에틸렌(PE : Polyethylene) 재질의 감속재로 구성된 몸통에 하나 이상의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 핵물질 샘플을 넣기 위한 샘플공동을 가지며, 중성자 감속재로 이루어진 몸통; He-3 가스가 주입된 적어도 하나의 환형 가스층 및 상기 환형 가스층에 등간격으로 입설된 복수의 양극봉으로 구성되는 환형 He-3 검출기;를 포함하되, 상기 환형 He-3 검출기는 상기 몸통 내부에 상기 샘플공동을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기를 제공한다. 상기 중성자 계수기는 부피가 매우 큰 종래의 계수기보다 크기가 대폭 줄어들고 단순화되어, 고장률이 감소되는 효과를 갖는다.
중성자 계수기, He-3 검출기, 중성자, 감속재, 양극봉
Description
본 발명은 핵물질 등에서 방출하는 중성자의 수를 정확히 검출함으로써 핵물질 내에 존재하는 U-235나 Pu과 같은 특수 핵물질(SNM : Special Nuclear Material)을 정량 측정하는 중성자 계수기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리에틸렌(PE : Polyethylene) 재질의 감속재에 하나 이상의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기에 관한 것이다. 시료를 상기 중성자 계수기 내부에 넣고 중성자를 계수하여 핵물질의 양을 정량 측정할 수 있다.
사용후핵연료의 핵물질을 금속전환하여, 먼저 핵분열생성물을 분리하고, 2 차적으로 우라늄과 다른 물질을 분리하는 화학공정(Pyroprocess 공정)에서 각 단위공정별로 핵물질의 양을 정확하게 측정하는 것은 핵투명성을 보장하기 위해서 매우 중요하며, IAEA의 권고 사항이다. 이 화학공정이 진행되는 핫셀이라는 악조건하에, 이와 같은 다양한 형태의 핵물질을 신속하고 정확하게 측정하기 위해선, 중성자 계수기가 단순화되어야 하고, 고효율을 가져야 한다.
일반적으로 각종 핵연료물질에는 핵분열을 일으킬 수 있는 핵분열성물질이 포함되어 있다. 이러한 핵연료물질을 이용하여 원자로에서 태울 수 있는 핵연료를 만들기 위하여 먼저 핵연료물질에 포함되어 있는 핵분열성 물질의 함유량을 정확히 측정해야 한다. 이를 위하여 사용되는 측정방법은 파괴방법과 비파괴방법으로 크게 나누어진다. 먼저, 파괴방법은 화학적인 분석방법으로서 전통적으로 분석정확도가 양호하다는 장점이 있으나 분석 시간이 오래 걸리는 등 경제적인 면에서 불리하여 사용빈도가 적은 편이다. 반면에 비파괴방법은 감마선이나 중성자를 측정하여 분석하는 방법으로서 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있으나 신 핵연료에 대해서만 감마선 스펙트럼 분석방법이 사용되어 왔으며, 사용후핵연료에 포함된 핵분열성 물질에 대해서는 주요한 중성자 선원인 Cm에서 방출하는 중성자를 측정하여 Cm을 정량화하고, 이를 바탕으로 U-235나 Pu를 정량화하는 방법을 사용한다. 이때, 고효율의 중성자 검출기가 필요하다.
최근 1990년대에 들어서 검출효율이 좋은 중성자 검출튜브가 개발되어 왔으며, 이러한 검출튜브는 중성자 증배계수 측정방법으로 주로 플로토늄의 함유량을 측정하는 기술에 활용하여 왔다. 특히 미국의 경우 로스알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory) 등을 위주로 많은 연구가 행해졌고, 이들 일부는 Canberra와 같은 계측장비 제작회사에서 제품으로 출시되기도 하였으며, 국제원자력협력기구(IAEA : International Atomic Energy Agency)에서는 이들 제품을 실제로 핵물질 계량관리 및 사찰활동에 널리 활용하고 있다.
그런데 상기와 같은 중성자 검출튜브방법의 경우, 시료의 밀도가 높거나 양이 많은 경우에는 시료 내에서 유도핵분열이 일어나 중성자 증폭되어 측정결과가 과대평가될 수 있으므로, 이를 보정하기 위해서는 시료의 종류마다 증배계수를 미리 알아야 하는 어려움이 있다. 이를 개선할 수 있는 방법으로서 증배모드(Multiplicity Mode) 장치(예 : Canberra의 JSR-14)를 사용하여 증배된 중성자를 제외시키고 측정하는 방법이 있다. 그러나 이 방법으로 사용하기 위해서는 계수기의 40% 이상 되어야 하고, 이런 높은 효율을 얻기 위해서는 많은 He-3 튜브 검출기가 장착되어야 한다. 예를 들어 효율 60 % 정도를 달성하기 위해서는 120 개 정도의 He-3 튜브 검출기를 장착해야 하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 많은 He-3 튜브 검출기를 사용하게 되면, 비용이 많이 들고 기기의 규모가 매우 커져 설치 및 유지보수의 어려움이 크다는 문제점이 있다.
도 1은 종래 이탈리아 Ispra 연구소에 개발하여 사용한 바 있는 MOX 핵연료의 Pu 함량을 상대오차 2 % 내로 측정할 수 있는 계수기로서, 4개의 링 형태로 He-3 튜브 검출기를 125개 장착한 Multiplicity Mode가 가능한 중성자 계수기의 사진이다. 상기 계수기의 직경은 96cm 정도이고 무게가 1,200kg 정도이나, 효율은 50~60% 정도에 이르는 것으로 알려져 있다. 앞에서 기술한 바와 같이 상기와 같은 계수기는 많은 He-3 튜브 검출기를 필요로 하기 때문에 규모가 커져 사용후핵연료 화학공정실험시설인 핫셀(Hot Cell)에 설치하기가 용이하지 않고 유지보수 또한 매우 힘들다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 환형 가스층을 포함하는 환형 He-3 검출기를 장착한 고효율의 우물형 중성자 계수기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래 기기에 비하여 효율을 높이면서도 고장률을 감소시키며 크기를 줄여 형태를 단순화한 컴팩트형 중성자 계수기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 내부에 핵물질 샘플을 넣기 위한 샘플공동을 가지며, 중성자 감속재로 이루어진 몸통; He-3 가스가 주입된 적어도 하나의 환형 가스층 및 상기 환형 가스층에 등간격으로 입설된 복수의 양극봉으로 구성되는 환형 He-3 검출기;를 포함하되, 상기 환형 He-3 검출기는 상기 몸통 내부에 상기 샘플공동을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기를 제공한다.
상기 가스층의 밑면은 상기 몸통 하부에서 서로 연결될 수 있으며, 상기 중성자 계수기는 상기 샘플공동(sample cavity)의 밑면과 상기 가스층 사이에 상기 핵물질 샘플로부터 방출되는 중성자를 감속시키기 위한 흑연층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 중성자 계수기는 상기 샘플공동을 덮기 위한 상부뚜껑을 더 포함하고, 상기 상부뚜겅은 흑연층을 포함할 수 있다.
상기 환형 가스층은 상기 양극봉들 사이에 등각 간격으로 설치된 칸막이를 포함할 수 있으며, 상기 칸막이는 접지 전극의 금속재질과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 상기 환형 가스층은 상부와 하부를 따라 그 방사상 폭을 달리할 수 있으며, 상기 환형 가스층의 방사상 폭은 상부와 하부가 중앙부에 비하여 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
상기 중성자 계수기는 상기 양극봉에서 검출되는 신호를 분석하기 위한 신호분석기를 더 포함하고, 상기 신호분석기는 신호 릴레이를 통하여 각각의 상기 양극봉에서 검출되는 신호를 개별적으로 받을 수 있는 기능과 모든 상기 양극봉에서 검출되는 신호를 합해서 받을 수 있는 기능을 모두 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 우물형 중성자 계수기는 검출기 사이로 누출되는 중성자의 손실을 없앰으로써 증배모드로 측정할 수 있는 높은 효율을 갖는다. 또한 전극의 수가 현저히 줄어들어, 고효율을 얻기 위하여 He-3 검출기를 2~4개 링으로 배열하는 부피가 매우 큰 종래의 계수기보다 크기가 대폭 줄어들고 단순화되어, 고장률이 감소되는 작용효과를 발휘한다.
또한 본 발명에 의한 우물형 중성자 계수기는 He-3 검출기의 환형 가스층에 구비되는 칸막이의 재질이 접지전극의 금속재질과 동일한 재질로 구성됨으로써 각 칸막이에 전극이 한 개씩 들어갈 수 있으므로 측정신호의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의한 우물형 중성자 계수기는 실제 측정시 릴레이장치를 활용하여 단일 전극에서 나오는 신호를 개별적으로 받을 수 있도록 설계함으로써, 반 경방향의 방향별 중성자의 상대적인 세기를 측정할 수 있어 시료에서 발생하는 중성자의 방향성을 측정할 수 있으며, 단순히 총 중성자 수를 얻고자 할 때, 각 전극에서 얻은 중성자 측정신호를 종합하는 신호분석기를 활용할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우는 해당되는 발명의 상세한 설명 부분에서 그 의미를 기재하였으므로 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로 본 발명을 파악하여야 한다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명이 상기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 환형 가스층을 포함하는 환형 He-3 검출기가 장착된 제1 우물형 중성자 계수기의 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 우물형 중성자 계수기(100)는 상부와 하부에 각각 중성자 반사체역할을 하는 상부뚜껑(60)과 하부베이스(70)가 구비되고 그 내부에는 속빈 원주형태의 하나의 가스층에 다수의 전극(20)이 장착된 구성을 갖는다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 내부와 외부의 구조를 나타내는 단면사시도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 우물형 중성자 계수기(100)의 중심부에는 중성자를 방출하는 중성자선원이나 사용후핵연료 샘플(50)이 삽입되며, 그 바깥으로 He-3 가스를 주입하기 위한 하나의 환형 가스층(90)을 포함하는 환형 He-3 검출기가 구비되며, 상기 He-3 검출기의 환형 가스층(90)에는 He-3 가스가 채워진다.
그리고 상기 He-3 검출기의 환형 가스층(90)에는 원주방향으로 다수의 전극, 즉 양극봉(20)이 일정한 간격을 유지하며 길이방향으로 장착되어 있다. 상기 양극봉(20)의 크기는 상기 제1 우물형 중성자 계수기의 규모 또는 구조에 따라 수㎛로부터 수mm에 이르기까지 다양하게 구성될 수 있다. 상기 He-3 검출기는 PE재질의 중성자 감속재로 구성되며, 상기 용기의 외벽은 Cd판(30)으로 둘러싸여 외부로부터의 열중성자를 흡수하여 계수기 내부로의 진입을 차단하고, 상기 Cd판(30)의 외측으로 계수기를 보호하기 위하여 SUS판(40)이 구비된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 전기적인 연결상태를 보여주는 측정시스템이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 우물형 중성자 계수기(100)는 상기 He-3 검출기에서 생성된 전기 신호를 분석하기 위하여 전자장치인 신호분석기와 연결될 수 있다. 본 발명의 제1 우물형 중성자 계수기(100)는 핵물질 샘플을 삽입하기 위한 샘플공동을 포함하고, 상기 샘플공동에 있는 핵물질 샘플로부터 중성자가 발생하여 상기 He-3 검출기에서 PE 재질로 된 2중의 환형벽 중 내측의 중성자 감속재(10B)를 통과하여 상기 가스층 내의 He-3와 반응하여 양성자와 삼중수소핵을 생성한다. 이 두 하전입자는 가스층 내부에 충전되어 있는 기체를 이온화시키고, 이때 발생하는 전자는 양극(즉, 양극봉(20))으로 이동하면서 전자눈사태(avalanche)를 형성하여 전기가 흐르게 되며, 이 전기 신호 는 상기 신호분석기에 포함되어 있는 전치증폭기(Pre-AMP)(80)에 의해 증폭한 후 개별적으로 계수하거나 또는 각 전기신호를 합하여 계수할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 평면 및 단면을 보여주는 상세도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 우물형 중성자 계수기(100)의 He-3 검출기에 포함되는 가스층(90)은 상부와 하부의 방사상폭을 중간부에 비하여 상대적으로 두껍게 설계할 수 있다. 가스층(90)을 동일한 두께로 하게되면, 시료의 위치가 상ㆍ하부에 놓일 경우 중심에 놓이는 것에 비해서 시료에서 방출되는 중성자가 검출기에 전달되는 양이 적게 된다. 따라서 동일한 시료라도 위치에 따라 측정값이 다르게 나타나며, 이와 같은 불균질을 방지하게 위하여 상기 He-3 검출기에 포함된 가스층(90)의 상부와 하부의 폭을 넓게 한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 평면 및 단면을 보여주는 상세도이다. 도 6을 참조하면, 상기 제1 우물형 중성자 계수기(100)의 He-3 검출기는 내부에 칸막이(110)가 설치된 환형 가스층(90)을 포함할 수 있다. 즉, 양극봉(20)이 일정한 간격을 유지하며 길이방향으로 장착되어 있고, 각 양극봉(20)마다 별도의 셀을 형성하도록 인접하는 양극봉(20) 사이에 칸막이가 존재한다. 상기 He-3 검출기의 환형 가스층(90) 내부에 구비되는 칸막이(110)의 재질은 상기 He-3 검출기에서 발생한 전기를 접지하기 위한 접지전극의 금속재질과 동일한 재질로 구성함으로써 검출신호를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 제2 우물형 중성자 계수기의 사시도이다. 도 7을 참조하면, 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)의 He-3 검출기는 환형 가스층(90)의 개수 외에는 도 3에 도시된 하나의 환형 가스층(90)을 포함하는 환형 He-3 검출기가 장착된 제1 우물형 중성자 계수기(100)와 유사하다. 상기 제2 우물형 중성자 계수기의 He-3 검출기는 복수의 환형 가스층(90)을 포함하고, 각 가스층(90)에는 양극봉이 일정한 간격을 유지하며 길이방향으로 장착된다. 따라서 시료로부터 나오는 중성자는 내측의 중성자 감속재(10B)를 통과한 후 제1 가스층(90B)에서 He-3와 반응하여 양성자와 삼중수소핵을 생성하고, 상기 내측 중성자 감속재(10B) 및 중간측 중성자 감속재(10A)를 통과한 중성자는 제2 가스층(90A)에서 He-3와 반응하여 양성자와 삼중수소핵을 생성할 수 있다.
도 7에서는 2개의 환형 가스층(90)을 포함하는 He-3 검출기를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 복수의 환형 가스층(90)을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 우물형 중성자 계수기(200)를 포함한다. 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200) 내부의 상세한 구조는 도 8을 참조하여 설명된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 제2 우물형 중성자 계수기의 단면도를 도시한다. 도 8을 참조하면, 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)는 상기 제1 우물형 중성자 계수기(100)처럼 중앙에 핵물질 샘플을 주입하기 위한 샘플공동을 포함한다. 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)의 He-3 검출기는 복수의 환형 가스층(90)을 포함하고 있으며, 상기 복수의 가스층(90)의 밑면은 상기 He-3 검출기의 하부에서 서로 연결될 수 있다. 비록 도 8에서는 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)만을 도시하고 있으나, 제1 우물형 중성자 계수기(100)에 포함되는 하나의 가스층(90)의 밑면도 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)는 감속능력이 높은 적어도 하나의 흑연층(Graphite)(130)을 포함할 수 있으며, 상기 흑연층(130)은 상기 가스층(90)과 상기 샘플공동의 밑면 사이 및 상부뚜껑(60) 내부에 위치할 수 있다. 본 발명은 상기 흑연층(130)의 위치에 제한되지 않는다. 또한, 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)는 감마선 차폐를 위한 적어도 하나의 Pb층(120)을 포함할 수 있다. 유사하게 상기 제1 우물형 중성자 계수기(100)도 흑연층 및 Pb층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 우물형 중성자 계수기(200)는 신호분석기를 연결하기 위한 신호분석기연결부(140)를 포함한다. 상기 신호분석기연결부(140)에 연결되는 신호분석기의 기능은 도 4를 참조하여 기술된 신호분석기와 동일한 기능을 가지므로, 구체적인 설명은 생략한다.
이상과 같이 본 발명에서는 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래 다수의 He-3 튜브 검출기를 구비한 계수기의 사진
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 제1 우물형 중성자 계수기의 사시도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 내부와 외부의 구조를 나타내는 단면 사시도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 전기적인 연결상태를 보여주는 측정시스템
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 평면 및 단면을 보여주는 상세도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 우물형 중성자 계수기의 환형 가스층에 칸막이가 설치된 구성을 보여주는 개념도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 제2 우물형 중성자 계수기의 사시도
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 환형 가스층을 포함하는 He-3 검출기가 장착된 제2 우물형 중성자 계수기의 단면도
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10 : He-3 검출기 (10A : 내측벽, 10B : 외측벽)
20 : 양극봉 30 : Cd층
40 : SUS층 50 : 핵물질 샘플
60 : 상부뚜껑 70 : 하부베이스
80 : Pre-AMP 90 : 환형 가스층
100 : 제1 우물형 중성자 계수기
110 : 칸막이 120 : pb층
130 : 흑연층 140 : 신호분석기 연결부
200 : 제2 우물형 중성자 계수기
Claims (9)
- 내부에 핵물질 샘플을 넣기 위한 샘플공동을 가지며, 중성자 감속재로 이루어진 몸통; 및He-3 가스가 주입된 적어도 하나의 환형 가스층 및 상기 환형 가스층에 등간격으로 입설된 복수의 양극봉으로 구성되는 환형 He-3 검출기;를 포함하되,상기 환형 He-3 검출기는 상기 몸통 내부에 상기 샘플공동을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 1 항에 있어서,상기 환형 가스층의 밑면은 상기 몸통의 하부에서 서로 연결되는 되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 우물형 중성자 계수기는상기 샘플공동의 밑면과 상기 가스층 사이에 상기 핵물질 샘플로부터 방출되는 중성자를 감속시키기 위한 흑연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 3 항에 있어서, 상기 우물형 중성자 계수기는상기 샘플공동을 덮기 위한 상부뚜껑을 더 포함하고, 상기 상부뚜겅은 흑연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 환형 가스층은 상기 양극봉 사이에 등각 간격으로 칸막이가 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 환형 가스층은 상부와 하부를 따라 그 방사상 폭을 달리하는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 7 항에 있어서,상기 환형 가스층의 방사상 폭은 상부와 하부가 중앙부에 비하여 상대적으로 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 우물형 중성자 계수기는상기 양극봉에서 검출되는 신호를 분석하기 위한 신호분석기를 더 포함하고, 상기 신호분석기는 신호 릴레이를 통하여 각각의 상기 양극봉에서 검출되는 신호를 개별적으로 받을 수 있는 기능과 모든 상기 양극봉에서 검출되는 신호를 합해서 받을 수 있는 기능을 모두 갖춘 것을 특징으로 하는 환형 He-3 검출기를 장착한 우물형 중성자 계수기.
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