KR101452790B1 - 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납 차폐체를 선원함 내부에 위치시켜 에너지가 감쇠되기 전 중성자와 폴리에틸렌 차폐체가 반응하여 발생된 감마선을 우선 차폐하도록 하여 납 차폐체의 중량을 줄일 수 있도록 한 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함을 제공하기 위한 것이다.

Description

최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함{Californium neutron source container with optimum lead shielding}

본 발명은 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 납 차폐체를 선원함 내부에 위치시켜 에너지가 감쇠되기 전 중성자와 폴리에틸렌 차폐체가 반응하여 발생된 감마선을 우선 차폐하도록 하여 납 차폐체의 중량을 줄일 수 있도록 한 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함에 관한 것이다.

원자력 안전법령에서는 의도하지 않는 방사선에 피폭될 우려가 있는 구역에 대하여 방사선 관리구역으로 지정하여 방사선 준위를 정기적으로 측정하도록 하고 있으며, 특히 원자력발전소의 경우 원자로와 가까운 구역에 대해 중성자에 의한 작업자의 피폭을 추가로 관리하도록 하고 있다.

이러한 목적으로 사용되는 중성자 선량율 측정기 및 중성자 개인피폭선량계를 교정하기 위하여 칼리포르늄 중성자 선원을 사용하며 교정 작업자의 방사선 피폭을 최소화하기 위하여 작업할 때 이외에는 선원함에 수납하여 보관하고 있다.

칼리포르늄 선원에서 방출되는 중성자를 차폐하기 위해서는 파라핀, 폴리에틸렌 등 수소원자가 다량 함유된 물질을 사용하여 중성자와 수소원자와의 탄성산란에 의한 에너지 감쇠를 이용하게 되는데 취급이 간편하고 성형이 쉬운 폴리에틸렌을 주로 사용하고 있다. 이 때 폴리에틸렌과 중성자가 반응할 때 발생하는 감마선의 감쇠를 위하여 대표적인 차폐체인 납을 사용하고 있다.

그러나, 중성자와 폴리에틸렌이 반응하여 발생하는 감마선을 효과적으로 차폐하기 위해서는 폴리에틸렌 차폐체 외부에 납 차폐체를 위치시키는 방법이 가장 좋으나 이 경우 납 차폐체의 크기가 커지기 때문에 선원함의 중량이 증가하게 되며 이에 따라 차폐체 비용 또한 증가하게 되는 단점이 있다.
종래 비특허문헌으로서 한국표준과학연구원의 삶의질측정표준본부 방사선표준센터의 중성자 표준 조사시스템 설계보고서(2012.06)가 보고된 바 있다.

이에 본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 납 차폐체를 선원함 내부에 위치시켜 에너지가 감쇠되기 전 중성자와 폴리에틸렌 차폐체가 반응하여 발생된 감마선을 우선 차폐하도록 하여 납 차폐체의 중량을 줄일 수 있도록 한 칼리포르늄 중성자 선원함을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 제1특징에 의하면, 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함은 중심부에 장착되어 있는 칼리포르늄 선원; 상기 칼리포르늄 선원을 공기압 또는 케이블에 의해 교정에 필요한 위치로 이송할 수 있는 선원 안내관; 상기 칼리포르늄 선원을 내부에 수용하고 있는 납으로 이루어진 차폐체, 상기 납으로 이루어진 차폐체를 감싸고 있는 폴리에틸렌으로 이루어진 차폐체로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 납으로 이루어진 차폐체는 중성자와 폴리에틸렌이 반응하여 발생하는 감마선의 강도가 가장 큰 부분인 중성자의 에너지가 감쇠되어 열중성자로 바뀌는 지점에 위치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함은

첫째, 중성자와 폴리에틸렌의 반응으로 발생하는 감마선을 감쇠시키기 위한 납으로 이루어진 차폐체를 폴리에틸렌 차폐체의 중간에 위치하도록 함으로써 불필요한 납 차폐를 줄일 수 있어 중량 감소 및 그에 따른 비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.

즉, 중성자 선원함의 기본 구조에서는 중성자 차폐를 위한 폴리에틸렌보다는 감마선 차폐를 위한 납 때문에 중량이 크게 늘어난다. 중성자가 폴리에틸렌에 포함된 수소원자와의 탄성충돌로 인해 에너지를 잃고 폴리에틸렌에 포획되면 2.2 Mev의 고에너지 감마선이 발생하며 이를 차폐하기 위해 일반적으로 무거운 원소인 납을 사용하는 것이다. 흔히 폴리에틸렌 외부를 납으로 차폐하여 감마선을 감쇠시키는데 이 방법은 납을 많이 사용할 수 밖에 없는 구조이며 필연적으로 중량의 증가를 가져오며, 이에 따른 비용이 증가하게 된다.

둘째, 납은 재질이 무르기 때문에 외부에 위치시킬 경우 충분한 강도를 확보할 수 없고 별도의 케이싱을 구성해야 하는 등 제작에 어려움이 있다. 이에 따라 본 발명에서는 가공성이 좋지 않은 납 소재의 차폐체를 최소화 함으로써 선원함의 기계적인 강도를 향상시켜 내구성을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함의 측단면도이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 한 구현예로서 첨부한 도면은 단지 실시예를 설명하기 위한 것으로 본 발명의 일반적인 개념을 한정하는 것은 아니다. 다음의 상세한 설명은 동일한 기준에서 본 발명의 모든 주제에 적용한다.

도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함의 측단면도로서, 부호 1은 칼리포르늄 중성자 선원함이고, 2는 칼리포르늄 선원이며, 3은 폴리에틸렌 차폐체이고, 4는 선원 안내관이며, 5는 납 차폐체이다.

본 발명의 제1특징에 의하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 칼리포르늄 중성자 선원함(1)은 그의 중심부에 칼리포르늄 선원(2)이 장착되어 있다.

중성자 선원은 자발적으로 중성자를 방출하는 선원(칼리포르늄 등)과 입자 또는 방사선과 반응하여 중성자를 방출하는 선원(아메리슘+베릴륨)이 있다. 칼리포르늄 선원은 반감기가 2.64 년이며 방출되는 중성자의 평균 에너지는 2.3 MeV 이다. 에너지 분포가 원자력발전소에서 발생되는 중성자의 에너지 분포와 유사하여 중성자 선량율 측정기의 교정 및 개인선량계의 기준 조사에 널리 사용된다.

본 발명에 의하면, 다수의 선원을 장착하고 선택하여 인출하기 위하여 캐로셀(carousel) 방식의 저장함을 채택하며 저장함을 회전시켜 원하는 선원이 장착된 홀(hole)을 선택할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 한 구현예에 의하면, 중심부에 장착된 칼리포르늄 선원에는 공기압 또는 케이블에 의해 교정에 필요한 위치로 이송할 수 있는 역할을 하는 선원 안내관(4)이 설치되어 있다. 보통 선원은 선원 홀더에 장착하게 되는데 최종적으로 선원 홀더를 공기압 또는 케이블을 이용하여 이송하게 된다.

본 발명에 의하면, 교정 작업을 하지 않는 때의 중성자 및 감마선에 의한 작업자 피폭선량을 최소화하기 위하여 상기 칼리포르늄 선원함(1)의 중심부에 위치하고 있는 칼리포르늄 선원(2)의 주위를 납으로 이루어져 있는 차폐체(5)와 폴리에틸렌으로 이루어진 차폐체(3)가 이중으로 감싸고 있다.

여기서, 폴리에틸렌이 중성자를 차폐하는 원리는 폴리에틸렌을 이루고 있는 수소와 중성자의 탄성충돌에 의해 에너지가 감쇠되고 최종적으로 흡수되기 때문이다. 밀도가 0.95 g/㎤ 이상이 되면 고밀도 폴리에틸렌으로 분류하는데 밀도가 높을수록 단위 부피당 수소원자의 수가 많아져서 중성자의 탄성 충돌 확률을 높일 수가 있다. 결과적으로 밀도가 높은 폴리에틸렌을 사용할 경우 선원함의 부피를 그 만큼 줄일 수 있다.

본 발명에서 선원함에 폴리에틸렌을 채우는 양은 중성자 선원의 세기에 따라 다르며 MCNP 등의 모사 프로그램을 이용하여 계산하게 된다. 폴리에틸렌은 원통형으로 채우게 되며 원통의 중심부에 중성자 선원이 위치하게 된다.

본 발명에서, 폴리에틸렌은 일정한 두께의 원판 형태로 가공하여 바닥에서부터 적층하게 되며, 원통 형태의 철재 틀을 만들고 용융 상태의 납을 부어 주조한 납 차폐체를 폴리에틸렌 중간 부분에 위치시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 납으로 이루어진 차폐체는 중성자와 폴리에틸렌이 반응하여 발생하는 감마선의 강도가 가장 큰 부분에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 중성자 선원함의 기본 구조에서는 중성자 차폐를 위한 폴리에틸렌보다는 감마선 차폐를 위한 납 때문에 중량이 크게 늘어난다. 2.2 MeV 고에너지 감마선은 감속되어 열중성자로 바뀐 중성자가 폴리에틸렌에 포획되어 발생하기 때문에 폴리에틸렌 외부를 납으로 차폐하는 구조로서 감마선 선량을 낮추게 된다. 납의 역할은 일차적으로 2.2 MeV 감마선을 차폐하는 것이고 폴리에틸렌에서 감속되어 열중성자로 바뀌게 되는 폴리에틸렌의 최소 두께는 중성자 에너지에 의하여 결정되기 때문에 그 최소 두께 외부에 납을 삽입하고 그 외부를 다시 폴리에틸렌으로 감싸서 차폐하게 되는 것이다.

이러한 최소 두께 즉 감마선의 강도가 가장 큰 부분은 중성자의 에너지가 감쇠되어 열중성자로 바뀌는 지점이 되며 이는 MCNP 등 모사 프로그램을 사용하여 산출할 수 있다. 이 때 발생하는 감마선은 여러 연구결과를 바탕으로 두께 5 cm 납으로 차폐하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 특징적인 점은 중성자와 감마를 차폐함에 있어 폴리에틸렌과 납을 사용하는 순서이다. 즉, 본 발명에서와 같이 "폴리에틸렌 + 납 + 폴리에틸렌" 의 순서로 차폐체를 구성할 경우 감마선이 발생하는 최소 거리에 납 차폐체를 위치시킴으로 인해 납의 양을 최소화 할 수 있으며, 전체 선원함의 중량을 줄일 수 있다는 것이고 부수적으로 기계적인 강도를 증가시킬 수 있는 잇점도 얻을 수 있다.

1 : 칼리포르늄 중성자 선원함
2 : 칼리포르늄 선원
3 : 폴리에틸렌 차폐체
4 : 선원 안내관
5 : 납 차폐체

Claims (2)

1. 중심부에 장착되어 있는 칼리포르늄 선원; 상기 칼리포르늄 선원을 공기압 또는 케이블에 의해 교정에 필요한 위치로 이송할 수 있는 선원 안내관; 상기 칼리포르늄 선원을 내부에 수용하고 있고, 중성자와 폴리에틸렌이 반응하여 발생하는 감마선의 강도가 가장 큰 부분인 중성자의 에너지가 감쇠되어 열중성자로 바뀌는 지점에 위치하는 납으로 이루어진 차폐체, 상기 납으로 이루어진 차폐체를 감싸고 있는 폴리에틸렌으로 이루어진 차폐체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 최적 납 차폐 방법을 적용한 칼리포르늄 중성자 선원함.
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