KR102261846B1 - 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법 - Google Patents

이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이동형 우라늄 농축도 분석 장치는 내부의 시료대에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉되는 챔버, 상기 챔버의 내부의 공기를 배출하고 가스를 주입하는 가스조절부, 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 기화시키는 제1 레이저부, 기화된 기체시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 일정 시간 간격으로 조사하는 제2 레이저부, 상기 U-235에서 발생된 제1 형광 및 상기 U-238에서 발생된 제2 형광을 측정하는 수광부, 상기 U-235에 대응되는 제1 형광의 광량과 상기 U-238에 대응되는 제2 형광의 광량을 분석하는 분광부 및 상기 U-235와 U-238의 광량 세기의 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출하는 제어부를 포함하는 본체가 이동체에 탑재된다.

Description

이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING MOBILE URANIUM CONCENTRATION}
본 발명은 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원자력시설 사찰 시 핵무기급 우라늄 제조 여부를 현장에서 판별하기 위한 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력시설의 사찰 시 핵무기급 우라늄 제조 여부를 판별하기 위하여 우라늄 농축도를 이용하고 있다. 상기 우라늄 농축도는 U-235와 U-238의 비율로 구할 수 있다.
이상적으로 현장에서 바로 우라늄 농축도를 분석할 수 있다면 분석 목적을 보다 효과적으로 달성할 수 있으며, 특히 우라늄 농축도의 이상 여부를 현장에서 판단하여 추가 분석을 위한 시료수를 결정할 수 있다.
하지만 현장에서는 정밀한 분석이 이루어질 수 없기 때문에 샘플에 포함된 우라늄의 농축도를 구하기 위하여 채취한 시료를 전문 실험장비가 마련된 원거리의 분석실로 이송 후 분석하고 있다.
이로 인해 우라늄 농축도 분석시간이 과다하게 소모되는 단점이 있으며, 시료를 채취하여 이송하는 과정에서 오염되거나 위험에 노출될 수 있고, 시료가 다른 시료로 교체될 가능성이 있으며 복잡한 전처리 과정이 요구되어 시료의 준비가 어렵기 때문에 신속한 분석을 더욱 어렵게 하는 문제점이 있다.
따라서, 현장에서 간편하게 우라늄 농도를 측정할 수 있는 개선된 우라늄 농축도 검출방법의 요구가 증대되고 있다
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 우라늄 농축도 분석이 필요한 현장에서 듀얼 레이저를 이용한 분광분석 알고리즘을 통해 시료의 정확한 우라늄 농축도를 즉시 분석할 수 있는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이동형 우라늄 농축도 분석 장치는, 내부의 시료대에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉되는 챔버; 상기 챔버의 내부의 공기를 배출하고 가스를 주입하는 가스조절부; 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 기화시키는 제1 레이저부; 기화된 기체시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 일정 시간 간격으로 조사하는 제2 레이저부; 상기 U-235에서 발생된 제1 형광 및 상기 U-238에서 발생된 제2 형광을 측정하는 수광부; 상기 U-235에 대응되는 제1 형광의 광량과 상기 U-238에 대응되는 제2 형광의 광량을 분석하는 분광부; 및 상기 U-235와 U-238의 광량 세기의 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 이동형 우라늄 농축도 분석 장치는, 상기 가스조절부, 상기 제1 및 제2 레이저부 및 수광부가 배치된 챔버; 및 상기 분광부와 상기 제어부가 배치되되 상기 챔버와 인접하게 위치하는 하우징을 포함하는 본체 및 이를 이동시키는 이동체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이동체는, 상기 본체가 탑재되는 사각형상의 프레임, 상기 프레임의 각 꼭지점 하단부에 설치된 바퀴, 상기 각 꼭지점에 수직으로 설치된 가이드 축 및 외부 운송수단과 연결을 위한 링크부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스조절부는, 상기 챔버 내부의 공기를 강제 배기하여 공기 압력이 낮은 진공 분위기를 형성하고 상기 가스를 주입할 수 있다.
또한, 상기 이동형 우라늄 농축도 분석 장치는, 상기 시료대의 하면을 지지하여 3차원 공간으로 이동시키고, 상기 레이저빔의 초점이 맺혀 광량이 최대가 되는 시료지점에 상기 시료대를 고정하는 위치조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 위치조절부는, 다관절 매니퓰레이터(Manipulator)로 구성되어 엔드 이펙터에 상기 시료대를 장착하고 기구학적 자세제어를 통해 상기 시료대의 위치 이동을 조절 할 수 있다.
또한, 상기 이동형 우라늄 농축도 분석 장치는, 상기 제1 레이저부 및 제2 레이저부에 각각 레이저 신호를 발생하되, 우라늄 농축도 분석을 위해 상기 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 상기 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 발생하는 레이저 발생부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 레이저부를 대체하여 열증착 또는 전자빔증착방법으로 시료를 기화시키는 기화장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 복수로 준비된 시료 별 우라늄 농축도를 누적하여 저장하고 평균값을 계산하여 표시부에 표출하거나 유무선 통신수단이 구비된 통신부를 통해 외부정보통신기기로 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 원자력시설 현장으로 이송된 이동형 우라늄 농축도 분석 장치의 우라늄 농축도 분석 방법은, a) 시료대에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉된 챔버의 내부 공기를 배출하고 가스를 주입하는 단계; b) 제1 레이저부를 통해 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 기화시키는 단계; c) 제2 레이저부를 통해 기화된 기체시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)을 조사하여 발생되는 제1 형광(F1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 조사하여 발생되는 제2 형광(F2)을 측정하는 단계; 및 d) 상기 U-235의 제1 형광(F1)과 U-238의 제2 형광(F2)의 광량 세기의 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 기화 시 발생되는 광을 분석하고 위치조절부를 통해 상기 시료대를 이동하여 상기 광량이 최대가 되는 시료지점을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 레이저빔(LB1) 및 제2 레이저빔(LB2)은 동일한 조건의 일정 시간으로 조사될 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 우라늄 농축도를 표시부를 통해 운영자에게 표시하거나 통신부를 통해 연결된 외부의 정보통신기기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계와 c) 단계 사이에는, LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)기반으로 상기 제1 레이저부를 상기 시료에 조사하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에서 발생하는 상기 U-235 및 U-238에 대응되는 각 분광선의 광량비를 분석하여 우라늄 농축도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 d) 단계 이후에, 상기 LIBS기반으로 상기 제1 레이저부를 통해 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 분석된 우라늄 농축도와 상기 c) 단계에서 상기 제2 레이저부를 통해 상기 기체시료에 레이저빔을 조사하여 분석된 우라늄 농축도 결과를 종합하여 최종 우라늄 농축도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 최종 우라늄 농축도는 각 우라늄 농축도 결과를 종합한 평균을 산출하거나 각 우라늄 농축도별 가중치에 따른 결과로 도출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 원자력시설의 사찰 시 이동형 우라늄 농축도 분석 장치를 통해 현장에서 우라늄 농축도를 직접 분석하고 우라늄 농축도의 이상여부를 현장에서 판단함으로써 신속한 분석이 가능하고 추가분석을 위한 시료수의 결정이 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 현장에서 우라늄 농축도 분석을 수행하므로 기존 시료의 이송과정에서 발생되는 시료 변조를 예방할 수 있으며, LIBS와 레이저 형광분석(LIF)을 활용하여 별도의 시료 전처리 없이 빠른 시간 내에 시료 성분을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동형 우라늄 농축도 분석 장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 장치의 세부 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위치조절부의 작동상태를 나타내낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동형 우라늄 농축도 분석 장치의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이동형 우라늄 농축도 분석 장치(100)는 레이저빔을 시료에 입사하여 발생되는 형광을 측정하는 레이저 형광분석 방식(Laser Induced Fluorescence, LIF)을 기반으로 시료의 우라늄 농축도를 검출하는 장치로써 밀봉형 챔버(110), 하우징(120), 제어반(130)이 적층된 구조의 본체와 상기 본체가 탑재되는 이동체(140)를 포함한다. 상기 레이저 형광분석 방식(LIF)은 별도의 시료 전처리 없이 빠른 시간 내에 시료 성분을 얻을 수 있다는 특징을 가진다.
우라늄 농축도 분석 장치(100)는 본체가 이동체(140)의 상부에 안착되어 이동형 구조를 이루고, 차량에 탑재 후 현장으로 이동되어 우라늄 농축도 분석을 실시할 수 있다.
이동체(140)는 사각형상의 지지 프레임(141), 상기 지지 프레임(141)의 각 꼭지점 하단부에 설치된 바퀴(142), 상기 각 꼭지점에 수직으로 설치된 가이드 축(143), 외부 운송수단과 연결을 위한 링크부재(144)를 포함한다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 장치의 세부 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도 1에 표시된 챔버(110)의 A-A 단면 구성들과 연동되는 하우징(120) 및 제어반(130)에 실장된 구성들을 개략적인 블록도를 통해 보여주고 있다.
챔버(110)는 제1 레이저부(111), 제2 레이저부(112), 수광부(113), 가스조절부(114), 시료대(115) 및 위치조절부(116)을 포함한다.
챔버(110)는 금속으로 제작된 소형 밀봉형 챔버로써 출입문으로 일면이 개방되어 시료대(115)에 우라늄(Uranium, U) 시료가 놓인 후 닫히면 외부가스가 챔버 내에 흡입되지 않도록 밀봉된다. 이때, 가스조절부(114)는 밀봉된 챔버(110)의 내부의 공기를 배출하여 압력을 낮추고 가스를 주입할 수 있다.
제1 레이저부(111)와 제2 레이저부(112)는 다이오드 레이저로 구성될 수 있으며 이를 활용하여 우라늄 농축도를 검출하므로 듀얼 레이저라 명명될 수 있다.
제1 레이저부(111)는 시료대(115)의 상부에 설치되며, 광학렌즈를 거친 레이저빔(LB)을 시료에 조사한다. 이때, 상기 레이저빔(LB)빔이 조사된 시료지점이 기화된다.
또는, 다른 실시 예로써, 챔버(110)에는 제1 레이저부(111)를 대체하여 레이저 이외의 방법인 열증착 또는 전자빔증착방법으로 우라늄 시료를 기화시키는 기화장치를 포함하여 구성될 수 있다.
제2 레이저부(112)는 시료대(115)의 일측부에 설치되며, 광학렌즈를 거친 레이저빔(LB)을 기화된 기체시료에 조사한다. 상기 제2 레이저부(112)는 우라늄 농축도 분석을 위해 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 일정 시간 간격으로 조사할 수 있다. 이때, 상기 제1 레이저빔(LB1)과 상기 제2레이저 빔(LB2)이 조사된 상기 기체시료에서 형광(F)이 발생한다.
또는, 제2 레이저부(112)는 상기 각각 대응되는 파장을 발생시키는 별도의 2대의 레이저로 구성될 수 있다.
수광부(113)는 상기 제1 레이저부(111)에 의한 레이저빔(LB) 조사와 상기 제2레어저부에 의한 제1 레이저빔(LB1)과 제2레이저빔(2)에 의한 광을 수광하여 분광부(122)로 전송한다.
가스조절부(114)는 챔버(110) 내부의 공기를 강제 배기하여 공기 압력이 낮은 진공 분위기를 형성하고 가스를 주입할 수 있다. 이를 위해, 도면에서는 생략되었으나 가스조절부(114)의 배기라인에는 공기 배출을 위한 펌프가 연결되고 급기라인에는 가스입력 탱크 및 밸브가 마련될 수 있다.
챔버(110)의 내부에서 레이저를 이용한 형광분석 시에는 주변 가스의 종류 및 압력에 따라 발생되는 광의 세기에 차이가 있으며, 분석성능 향상을 위해서는 광량 세기를 크게 해야 한다. 이에 가스조절부(114)는 밀봉 챔버 내 공기를 가스로 교체하고 압력을 낮게 조절함으로써 레이저빔 조사에 따른 광 세기를 극대화 할 수 있는 이점이 있다. 상기 가스의 종류와 압력은 사전 실험자료를 통하여 결정되며, 이러한 가스의 예로는 비활성 기체의 아르곤(Ar)이 사용될 수 있다.
시료대(115)는 우라늄 시료가 놓이는 받침대로써 레이저빔에 대한 비반응 소재로 구성될 수 있다.
위치조절부(116)는 시료대(115)의 하면을 지지하고 상하좌우의 3차원 좌표(x, y, z)로 자유롭게 이동하는 기구물로 구성된다.
예컨대, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위치조절부의 작동상태를 나타내낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치조절부(116)는 다관절 매니퓰레이터(Manipulator)로 구성되어 엔드 이펙터에 시료대(115)를 장착하고 소형모터를 통한 기구학적 자세제어를 통해 시료대(115)의 위치 이동을 다방면으로 자동 조절할 수 있다. 이때, 위치조절부(116)는 레이저빔(LB)의 초점이 맺혀 광량이 최대가 되는 시료지점에 고정될 수 있다.
광학렌즈를 통하여 시료에 도달한 레이저빔(LB)의 초점이 시료표면의 적합한 지점에 맺혀지면 레이저빔(LB)에 의하여 시료에서 만들어진 플라즈마 발생으로 형광(F)의 광량 세기가 최대가 되고, 레이저빔(LB)의 초점이 시료표면 적합한 위치의 위나 아래에 맺혀지면 광량 세기가 낮아진다.
그러므로, 최대 광량 세기의 광량을 얻기 위해서는 시료표면과 광학렌즈 사이의 거리가 중요하다. 본 발명의 실시 예에 따른 위치조절부(116)는 시료대(115)의 위치를 상기 광량 세기에 따라 자동으로 조정되는 기능을 포함하여 시료분석 시 시료의 위치가 광량이 최대가 되는 시료지점에 고정될 수 있다.
이때, 위치조절부(116)는 수광부(113)에서 측정된 형광(F)의 광량 세기에 기반하여 z 방향으로 시료대(115)를 자동으로 이동하여 광량 세기가 최대가 되는 지점에 시료가 위치하도록 할 수 있다.
또한, 위치조절부(116)는 시료대(115)가 z 방향과 수직으로 회전하도록 하여 시료의 여러 지점을 동시에 분석할 수 있도록 하여 시료가 불균일할 경우에도 정확한 분석이 가능하도록 할 수 있다.
다만, 본 발명의 실시 예에 따른 위치조절부(116)는 상기한 매니퓰레이터에 한정되지 않으며 전후/좌우 방향으로 이동되는 레일 시스템에 수직방향으로 탑재된 액추에이터 혹은 자바라를 탑재하고 그 선단에 시료대(115)를 장착하여 자유롭게 동시 킬 수 있다.
한편, 하우징(120)은 레이저 발생부(121), 분광부(122), 통신부(123) 및 제어부(124)를 포함한다.
레이저 발생부(121)는 제1 레이저부(111) 및 제2 레이저부(112)에 연결되어 각각 조사되는 레이저 신호를 발생한다.
레이저 발생부(121)는 우라늄 농축도 분석을 위해 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 발생할 수 있다. 이때, U-235에 입사하여 광을 발생시키는 제1 레이저빔(LB1)의 파장과 U-238에 입사하여 광을 발생시키는 제2 레이저빔(LB2)의 파장은 서로 다르게 설정된다.
예를 들면, 제1 레이저빔(LB1)의 파장은 682.6736 nm의설정으로 U-235에만 반응하여 제1 형광(F1)을 발생시키고, 제2 레이저빔(LB2)의 파장은 682.6913 nm의 설정으로 U-238에만 반응하여 제2 형광(F2)을 발생시킬 수 있다. 이때 발생하는 각 형광의 세기는 시료 내 해당 동위원소의 양과 비례한다.
분광부(122)는 수광부(113)에서 측정된 형광(F)의 광량을 분석하여 제어부(124)로 전달한다.
분광부(122)는 상기 우라늄 농축도 분석을 위해 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1) 조사에 따라 기체시료에서 발생되는 제1 형광(F1)의 형광량을 분석한다. 또한, 상기 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2) 조사에 따라 기체시료에서 발생되는 제2 형광(F2)을 분석한다.
통신부(123)는 다채널 인터페이스를 통해 상기 각부에서 상호 연동되는 구성을 연결하고, 유/무선 인터넷, 무선랜, 블루투스 등의 통신수단을 통해 컴퓨터(서버), 노트북, 스마트폰 등의 외부 정보통신장치와 통신할 수 있다.
제어반(130)은 우라늄 농축도 분석 장치(100)의 작동 제어를 위한 조작부(131) 및 우라늄 농축도 분석 장치(100)의 운용에 따른 정보를 표출하는 표시부(132)를 포함한다. 조작부(131)와 표시부(132)는 터치스크린으로 통합 구성되어 메뉴입력을 위한 사용자 인터페이스 및 기기의 작동정보가 표시될 수 있다.
한편, 제어부(124)는 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석을 위한 상기 각 부의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 적어도 하나의 프로세서, 프로그램 및 데이터를 포함한다.
제어부(124)는 제1 레이저부(111)를 통해 시료에 레이저(LB)빔을 조사하여 해당 시료를 기화시킨다.
제어부(124)는 우라늄 농축도 분석을 위해 제2 레이저부(112)를 통해 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)을 기체시료에 조사하여 발생되는 제1 형광(F1)의 광량을 측정하고, 이후 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 상기 기체시료에 조사하여 발생되는 제2 형광(F2)의 광량을 측정하여, 이로부터 얻은 상기 U-235와 U-238의 광량 세기 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출할 수 있다.
제어부(124)는 준비된 시료 별 우라늄 농축도를 누적하여 저장하고 평균값을 계산하여 표시부(132)에 표출하거나 통신부(123)를 통해 외부정보통신기기로 전송할 수 있다.
이러한, 제어부(124)는 우라늄 농축도 분석이 필요한 현장에서 듀얼 레이저를 이용한 형광분석 알고리즘을 통해 시료의 정확한 우라늄 농축도를 즉시 분석할 수 있도록 하는 목적을 위하여 설정된 프로그램에 의하여 동작될 수 있다. 상기 듀얼 레이저를 이용한 형광분석 알고리즘은 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다. 이러한 우라늄 농축도 분석 방법은 아래의 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법은 우라늄 농축도 분석 장치(100)를 원자력시설 현장으로 이동시킨 상태에서 개시되는 것을 가정한다.
제어부(124)는 챔버(110)의 시료대(115)에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉되면(S110), 가스조절부(114)를 통해 밀봉된 챔버(110)의 내부 공기를 배출하고 가스를 주입한다(S120).
제어부(124)는 제1 레이저부(111)를 통해 시료에 레이저빔(LB)을 조사하여 기화시킨다(S130).
제어부(124)는 상기 레이저빔(LB)을 시료에 조사하여 기화 시 발생되는 형광(F)의 광량을 분석하고 위치조절부(116)를 통해 시료대(115)를 자동으로 이동하여 광량이 최대가 되는 시료지점을 결정한다(S140). 이때, 제어부(124)는 상기 시료지점이 결정되면 동일한 형광량 측정조건 유지를 위해 시료대(115)의 이동을 중지하고 위치를 고정할 수 있다.
제어부(124)는 제2 레이저부(112)를 이용하여 기화된 기체시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)을 조사하고, 그에 따라 발생되는 제1 형광(F1)을 측정하여 광량을 분석한다(S150).
또한, 제어부(124)는 제2 레이저부(112)를 이용하여 상기 기화된 기체시료에 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 조사하고, 그에 따라 발생되는 제2 형광(F2)을 측정하여 광량을 분석한다(S160). 상기 제1 레이저빔(LB1) 및 제2 레이저빔(LB2)은 동일한 조건의 일정 시간으로 조사되어 U-235의 제1 형광(F1) 및 U-238의 제2 형광(F2)이 각각 측정될 수 있다.
제어부(124)는 상기 제1 형광(F1)과 제2 형광(F2)의 광량비에 따른 우라늄 농축도를 산출한다(S170). 제어부(124)는 상기 우라늄 농도를 표시부(132)를 통해 운영자에게 표시할 수 있으며, 필요 시 통신부(123)를 통해 연결된 외부의 정보통신기기로 전송할 수 있다.
제어부(124)는 상기한 과정의 단계를 실시하여 하나의 시료에 대한 우라늄 농축도를 분석을 종료하고, 다음 시료가 더 존재하면 리턴 되어 상술한 과정을 반복할 수 있다.
다만, 상술한 우라늄 농축도 분석 방법은 제어부(124)를 주체로 설명되었으나 제어부(124)는 기능별로 세분화된 우라늄 농축도 분석 장치(100)의 일부 제어구성이므로 그 기능이 통합된 우라늄 농축도 분석 장치(100)를 주체로도 설명될 수 있음은 자명하다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 원자력시설의 사찰 시 이동형 우라늄 농축도 분석 장치를 통해 현장에서 우라늄 농축도를 직접 분석하고 우라늄 농축도의 이상여부를 현장에서 판단함으로써 신속한 분석이 가능하고 추가분석을 위한 시료수의 결정이 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 현장에서 우라늄 농축도 분석을 수행하므로 기존 시료의 이송과정에서 발생되는 위험문제를 해결할 수 있으며, 레이저 형광분석(LIF)을 활용하여 별도의 시료 전처리 없이 빠른 시간 내에 시료 성분을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 밀봉형 챔버의 가스 공간에서 듀얼 레이저를 이용하여 시료를 기화시킨 후 기화된 기체시료의 U-235 및 U-238에 대한 광량비 검출함으로써 보다 정확한 우라늄 농축도를 분석할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 추가 변경이 가능하다.
예컨대, 도 4에 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 LIF 기만의 우라늄 농축도 분석 방법을 위주로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 우라늄 농축도 분석 장치(100)는 레이저 유도 플라즈마 분광법(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) 방식으로 우라늄 농축도를 더 분석하고 LIBS로 얻은 결과와 LIF로 얻은 결과를 종합하여 시료의 우라늄 농축도를 결정하도록 하는 기능을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 흐름과 유사하므로 중복되는 설명은 생략하고 다른 부분을 위주로 설명한다.
제어부(124)는 도 4에 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 우라늄 농축도 분석 방법의 S140 단계 이후에, 제1 레이저부(111)를 통해 레이저빔을 시료에 조사하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에서 발생하는 상기 U-235 및 U-238에 대응되는 각 분광선의 광량비를 분석하여 우라늄 농축도를 산출하는 단계(S145)를 더 포함될 수 있다. 이는 시료에 레이저빔을 직접 조사하는 것으로써 과정은 상술한 S150 및 S160 단계와 유사하게 진행될 수 있다.
그리고, 제어부(124)는 S170 단계 이후에, 상기 LIBS로 도출된 제1 우라늄 농축도와 LIF로 도출된 제2 우라늄 농축도 결과를 종합하여 시료의 최종 우라늄 농축도를 결정하는 단계(S180)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 레이저부와 제2 레이저부로부터 얻은 분광선을 분석하여 시료의 우라늄 농도를 결정할 수 있다. 이때, 제어부(124)는 각 우라늄 농축도 결과를 종합한 평균을 산출하거나 각 우라늄 농축도별 가중치에 따른 결과를 도출할 수 있다.
이를 통해, 보다 정확하고 신뢰성 있는 우라늄 농축도를 도출할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이동형 우라늄 농축도 분석 장치 110: 챔버
111: 제1 레이저부 112: 제2 레이저부
113: 수광부 114: 가스조절부
115: 시료대 116: 위치조절부
120: 하우징 121: 레이저 발생부
122: 분광부 123: 통신부
124: 제어부 130: 제어반
131: 조작부 132: 표시부
140: 이동체 141: 지지 프레임
142: 바퀴 143; 가이드 축
144: 링크 부재 145: 탄성 부재
LB: 레이저빔 LB1, LB2: 제1, 제2 레이저빔
F: 형광 F1, F2: 제1, 제2 형광

Claims (16)

  1. 내부의 시료대에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉되는 챔버;
    상기 챔버의 내부의 공기를 배출하여 진공 분위기를 형성하고 가스를 주입하는 가스조절부;
    상기 시료에 레이저빔을 조사하여 기화시키는 제1 레이저부;
    기화된 기체시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 일정 시간 간격으로 조사하는 제2 레이저부;
    상기 U-235에서 발생된 제1 형광 및 상기 U-238에서 발생된 제2 형광을 측정하는 수광부;
    상기 U-235에 대응되는 제1 형광의 광량과 상기 U-238에 대응되는 제2 형광의 광량을 분석하는 분광부; 및
    상기 U-235와 U-238의 광량 세기의 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출하는 제어부;
    를 포함하며,
    레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS ; Laser Induced Breakdown Spectroscopy)기반으로 상기 제1 레이저부를 상기 시료에 조사하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에서 발생하는 상기 U-235 및 U-238에 대응되는 각 분광선의 광량비를 분석하여 우라늄 농축도를 산출하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스조절부, 상기 제1 및 제2 레이저부 및 수광부가 배치된 챔버; 및 상기 분광부 및 상기 제어부가 배치되되 상기 챔버와 인접하게 위치하는 하우징을 포함하는 본체 및 이를 이동시키는 이동체를 포함하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이동체는,
    상기 본체가 탑재되는 사각형상의 프레임, 상기 프레임의 각 꼭지점 하단부에 설치된 바퀴, 상기 각 꼭지점에 수직으로 설치된 가이드 축 및 외부 운송수단과 연결을 위한 링크부재를 포함하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시료대의 하면을 지지하여 3차원 공간으로 이동시키고, 상기 레이저빔의 초점이 맺혀 광량이 최대가 되는 시료지점에 상기 시료대를 고정하는 위치조절부를 더 포함하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치조절부는,
    다관절 매니퓰레이터(Manipulator)로 구성되어 엔드 이펙터에 상기 시료대를 장착하고 기구학적 자세제어를 통해 상기 시료대의 위치 이동을 조절하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저부 및 제2 레이저부에 각각 레이저 신호를 발생하되, 우라늄 농축도 분석을 위해 상기 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)과 상기 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 발생하는 레이저 발생부를 더 포함하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저부를 대체하여 열증착 또는 전자빔증착방법으로 시료를 기화시키는 기화장치를 포함하는 우라늄 농축도 분석 장치.
  9. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    복수로 준비된 시료 별 우라늄 농축도를 누적하여 저장하고 평균값을 계산하여 표시부에 표출하거나 유무선 통신수단이 구비된 통신부를 통해 외부정보통신기기로 전송하는 이동형 우라늄 농축도 분석 장치.
  10. 원자력시설 현장으로 이송된 이동형 우라늄 농축도 분석 장치의 우라늄 농축도 분석 방법에 있어서,
    a) 시료대에 우라늄 시료가 놓인 후 밀봉된 챔버의 내부 공기를 배출하여 진공 분위기를 형성하고 가스를 주입하는 단계;
    b) 제1 레이저부를 통해 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 기화시키는 단계;
    c) 제2 레이저부를 통해 기화된 시료에 U-235에 대응되는 파장의 제1 레이저빔(LB1)을 조사하여 발생되는 제1 형광(F1)과 U-238에 대응되는 파장의 제2 레이저빔(LB2)을 조사하여 발생되는 제2 형광(F2)을 측정하는 단계; 및
    d) 상기 U-235의 제1 형광(F1)과 U-238의 제2 형광(F2)의 광량 세기의 비율을 토대로 상기 시료의 우라늄 농축도를 산출하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 b) 단계와 c) 단계 사이에서
    레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS ; Laser Induced Breakdown Spectroscopy)기반으로 상기 제1 레이저부를 상기 시료에 조사하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에서 발생하는 상기 U-235 및 U-238에 대응되는 각 분광선의 광량비를 분석하여 우라늄 농축도를 산출하는 우라늄 농축도 분석 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 기화 시 발생되는 광을 분석하고 위치조절부를 통해 상기 시료대를 이동하여 상기 광량이 최대가 되는 시료지점을 결정하는 단계를 포함하는 우라늄 농축도 분석 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레이저빔(LB1) 및 제2 레이저빔(LB2)은 동일한 조건의 일정 시간으로 조사되는 우라늄 농축도 분석 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    상기 우라늄 농축도를 표시부를 통해 운영자에게 표시하거나 통신부를 통해 연결된 외부의 정보통신기기로 전송하는 단계를 더 포함하는 우라늄 농축도 분석 방법.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    상기 LIBS기반으로 상기 제1 레이저부를 통해 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 분석된 우라늄 농축도와 상기 c) 단계에서 상기 제2 레이저부를 통해 상기 시료에 레이저빔을 조사하여 분석된 우라늄 농축도 결과를 종합하여 최종 우라늄 농축도를 결정하는 단계를 더 포함하는 우라늄 농축도 분석 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 최종 우라늄 농축도는
    각 우라늄 농축도 결과를 종합한 평균을 산출하거나 각 우라늄 농축도별 가중치에 따른 결과로 도출되는 우라늄 농축도 분석 방법.
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