KR102437787B1 - Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치 - Google Patents

Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고준위 방사성물질을 취급하는 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 검사하기 위한 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치에 관한 것이다. 이는 핫셀(hot cell)의 납 차폐벽(1) 내부에 설치되고 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)와 조사기 선원 안내관(510)으로 연결되어 검사에 사용되는 Co-60 선원이 장착되며 상하, 전후, 좌우로 이동하는 선원 콜리 메터(100), 납 차폐벽(1)을 사이에 두고 동일한 위치의 납 차폐벽(1) 외부에 설치되어 납 차폐벽(1)을 통과하는 방사선량을 검출하고 상하 전후좌우로 이동하는 검출기 콜리 메터(200) 및 검출기 콜리 메터(200)에 의해 검출된 방사선량을 신호 처리하여 선량 데이터를 전송하는 선량율 신호 처리모듈(300)로 구성된다.

Description

Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치{Shield inspection equipment of hot cell shield by using Co-60 source}
본 발명은 고준위 방사성 물질을 취급하는 핫셀 차폐벽(체)의 차폐성능을 검사하기 위한 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 납 차폐벽 내부에 Co-60 선원을 위치하고, 납 차폐벽 외부에 방사선 검출기를 배치한 후, 이들을 전후, 좌우로 원격 이동시켜 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 위치별로 정밀하게 검사할 수 있도록 하는 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치에 관한 것이다.
방사선 차폐성능 검사는 주로 원자력사용시설에서 수행하여지는 검사로서, 원자력발전소, 핵연료 취급시설, 동위원소 생산시설, 동위원소 사용시설, 방사성물질 취급시설, 의료용 동위원소 및 발생장치를 사용하는 병원의 차폐시설, 동위원소 조사시설 등의 차폐물에 대하여 방사선 작업을 안전하게 할 수 있도록 차폐벽의 성능을 검사하는 것이다.
지금까지의 차폐벽의 검사방법과 기술은 사용시설에 직접 사용할 선원 또는 방사성물질을 차폐벽 내부에 위치시키거나, 실제 사용하는 선원 또는 방사성물질을 사용하여 검사가 불가능한 경우에는 유사한 성질을 가지는 방사성 동위원소 등을 차폐벽 내에 위치시킨 후, 차폐벽 외부에서의 누설 및 투과 방사선을 휴대형 선량계로 측정하는 간단하고 보수적인 측정방법으로 수행하여 왔다.
그러나 이러한 간단한 휴대형 선량계를 사용한 차폐벽 검사방법으로 수행한 결과, 방사선의 누출과 차폐벽의 결손부위를 사전에 확인하지 못하게 되며, 이로 인하여 추후 차폐벽의 긴급보수와 일부 재시공의 위험도 있을 수 있다. 그리고 원자력 기술 개발기에는 감마선이나 중성자를 취급하는 사용시설의 차폐벽을 설계할 때 직접 방사선이 노출된 곳에만 차폐벽을 설치하는 간단한 차폐기술로 인하여, 일부 차폐시설의 상부천정, 차폐문, 통로와 침투배관 등으로 방사선 산란현상으로 누설된 방사선이 허용치보다 높은 지점도 발생하게 된다.
이와 같이 단순한 차폐기술의 적용으로 발생될 원자력시설의 차폐벽에 대한 방사선 안전성을 보장하기 위하여 새로운 방법의 정밀하고 선진화된 차폐벽 검사방법이 꾸준히 요구되고 있다.
또한, 핫셀 내부에는 방사성물질이 취급, 조작, 절단 또는 저장되므로, 핫셀 내부에서 방사성물질의 안정적인 관리가 필요함은 물론, 방사성물질을 취급하는 작업자들에 대한 피폭으로부터의 안전 확보가 중요하다. 특히, 핫셀 내부에서 방사성물질을 외부로 이송하여 제거하는 경우, 핫셀 외부에서 방사성물질의 안정적인 차폐가 이루어지는 것이 필요하다. 따라서, 핫셀(hot cell)은 방사선을 완벽하게 차폐할 수 있는 두꺼운 차폐 구조물로서, 방사성물질의 원격검사, 수리, 교체, 시험 및 보관이 내부에서 이루어질 수 있도록 핫셀 외각에는 두꺼운 차폐벽으로 둘러싸여 구성되어야 한다.
고준위 방사성물질을 취급하는 핫셀(hot cell)의 외각을 구성하고 보호하는 구조물에 차폐벽이 설치되어 있으며, 이 차폐벽에 대한 차폐성능을 검사하기 위한 정밀하고 선진화된 차폐벽 검사장치는 지금까지 개발된 사례가 거의 없다. 이에 규모가 큰 방사성물질 사용시설인 핫셀 차폐벽에 대한 차폐성능을 정밀하고 정확하게 검사하기 위하여 핫셀내벽에 방사선원을 사용하고 외벽에 검출기 콜리 메터를 사용하여 검출기에 측정된 방사선 신호를 측정하고 분석하게 된다. 이러한 선진 검사기술로 핫셀 차폐벽의 방사선 안전성을 보호하고 차폐벽의 감소와 결손 문제를 사전에 해결하기 위하여 감마선 검사장치가 필요하다.
또한, 의료용 동위원소 생산시설을 건설할 때 방사성 동위원소를 안전하게 취급할 수 있고 동위원소 생산 및 분배 작업을 수행하기 위하여 핫셀(hot cell)을 사용한다. 원자력발전소 핵연료의 연소성능 시험평가, 건전성 평가, 손상원인 규명시험 등의 원전 핵연료의 종합성능시험 평가를 위한 핫셀시설을 이용한다. 원자로에서 중성자를 조사한 핵연료 및 원자로 재료의 성능평가 시험, 국내에서 가동 중인 원자력발전소 노심 부품의 운전성능 검증시험과 사용후핵연료의 평화적 재활용 기술 등을 수행하는데 비교적 규모가 큰 다양한 종류의 핫셀을 사용한다.
병원에서 이용하는 의료용 동위원소는 싸이크로트론(Cyclotron) 동위원소의 표적물질에 입자를 충돌시켜 동위원소를 얻고 방사성의약품의 제조하고 분배하는데 핫셀을 사용한다. 또한, 향후 수명이 끝난 원자력발전소를 가동정지하고 해체할 경우 원자로심 뿐만 아니라 고준위 폐기물을 제염하고 해체해야 한다. 해체 시, 원자로심 구조물이나 손상된 핵연료 파편, 냉각수계통 방사화물질에 대한 조사유기응력 및 부식균열 시험을 수행하기 위한 납차폐벽으로 구성되는 핫셀을 계획하고 있으며, 수년 내 원전 부지 내에 핫셀이 포함된 해체연구소를 건설할 계획도 추진되고 있다. 국내 동남권지역에 동위원소 생산을 목적으로 하는 원자로가 조만간 건설될 예정이며, 의료용 동위원소는 암진단과 치료, 영상의료 진단을 위한 방사선 약품과 장비에 사용된다. 이 원자로에서 의료용 동위원소를 생산하기 위한 대단위 핫셀이 건설될 예정이다.
이와 같이 향후 국내에서 의료용 동위원소 생산과 분배를 목적으로 하는 대단위 핫셀과 원전 해체 시, 발생하는 원자로 부품과 고준위 방사성물질을 취급할 다양한 종류의 핫셀이 건설될 계획이 있으므로 핫셀의 차폐벽에 대한 차폐성능을 확인하고 검사하기 위한 감마선 검사장치가 필수적으로 소요될 예정이다.
현재까지 국내외에서 설계하여 건설되고 현재 사용되고 있는 기존 설치된 핫셀에 대한 차폐성능 검사는 구체적으로 검사장치를 사용하여 차폐성능 검사를 사전에 수행한 실적이 거의 없으며, 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사는 사용허가를 획득한 후 시설검사를 하기 전에 실제로 동위원소나 방사성물질을 초기에 사용하면서 방사선 누설 및 투과 선량을 차폐벽 외부에서 휴대형 선량계로 측정하여 확인하는 간단한 검사절차로 수행되고 있다.
이때 일부 지점에 기준치를 초과하는 선량이 측정되는 경우가 있으며, 이때 초과된 부분을 다시 추가 차폐벽의 설치 및 재보수하여 선량율을 기준치 이하로 감소시켜 사용하고 있다. 원자력 개발 초기에 핫셀의 차폐벽은 간단한 차폐계산으로 보수적으로 설계하여 더 두꺼운 차폐벽을 설치하고 있다. 그러나 컴퓨터와 전산코드를 활용한 방사선 차폐설계 및 해석기술의 선진화로 원자력시설의 차폐벽의 재료나 두께가 경제적 및 공간적으로 최적화해야 하는 단계에서, 차폐기술이 발달하여 최적의 두께와 경제적인 차폐 재료를 사용하는 기술을 발전시켜 적용하고 있다.
위와 같은 종래의 방사선 차폐성능 시험 및 검사장치에 관해서는 아래와 같이 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 개시되어 있다.
그 기술내용을 보면, 특허문헌 1의 '방사선 차폐 성능 측정장치 및 이를 이용한 측정방법'은, 방사선 선원(source)으로부터 방출되는 방사선을 차폐하는 피시험체가 횡방향으로 회전함에 따라 피시험체와 방사선 선원이 대응하는 영역이 변화되어 피시험체의 다양한 영역에 대한 방사선 투과 강도를 측정하는 실험실 규모의 차폐성능 측정장치로서 실시간으로 측정할 수 있다.
이러한 특허문헌 1의 성능 측정장치는, 실험실규모의 소형 차폐 성능시험장치로 낮은 강도의 선원을 사용하여 비교적 소규모의 차폐 재료와 소재의 투과강도 측정하여 시험하는 장치로 적합하다.
또한, 특허문헌 2의 '방사선 차폐기능 비교대비용 레퍼런스 블록 및 이의 운용방법'은, 방사선 차폐능 비교대비용 레퍼런스 블록(reference block)의 재질은 방사선 사용시설에 설치되는 차폐벽과 동일하고, 두께는 상기 차폐벽의 두께에 맞추어 조합하여 사용할 수 있게 다양한 두께로 제조된다. 방사선 차폐능 비교대비용 레퍼런스 블록의 운용방법은 방사선 사용시설에 설치되는 방사선 차폐벽의 두께와 동일한 방사선원을 조합블록에 투과시켜 측정한 방사선량으로 방사선 차폐벽의 두께를 측정하여 그 두께가 허용오차를 벗어나면 수정 보완하여 재검사를 실시하는 방사선 차폐벽의 검증단계로 이루어진다.
이러한 특허문헌 2의 방사선 차폐능 측정장치는 방사선 차폐능 비교대비용 레퍼런스 블럭을 만들어서 사용한다.
또한, 특허문헌 3의 '자동화된 차폐성능 비파괴 시험장치'는, 시험장치와 떨어진 곳에서 장치를 조작하는 기능이 있다. 차폐벽의 차폐성능을 측정하는 캐비넷형 기기로서 계측기 전면에 부착된 접촉센서와 계측기가 있으며, 이것을 컴퓨터에 의해 제어되는 차폐성능 비파괴 시험장치에 관한 것으로 시험장치와 떨어진 곳에서 장치를 조작하고 결과를 디스플레이하는 자동화된 차폐성능 비파괴 시험장치를 제공하고 있다.
이러한 특허문헌 3의 차폐성능 시험장치는 방사선 발생선원과 차폐성능시험 대상 차폐벽의 종류와 구조가 기술되지 않는 규격화된 캐비넷형 시험장치로 판단된다.
또한, 고준위 방사능을 운반하고 저장하는데 사용하는 운반 및 저장용기의 차폐성능을 검사하기 위하여 제작을 완료한 후 성능시험을 실제로 수행한 사례가 있다. 국내 처음으로 개발된 사용 후 핵연료 수송용기는 납차폐벽의 두께가 100㎜ 정도이고 20 ㎜ 정도의 스테인리스강관 원주형 차폐벽으로 구성되어 있으며, 원주형 납주조가 완료된 후 이것에 대한 차폐성능 검사를 수행하기 위하여 내부 중앙에 수직관을 설치하고 이곳 내부에 Co-60 선원을 위치시켜 수직으로 이동시키면서 납차폐벽 외부에서 계측기로 선량율을 측정하여 차폐성능을 검사한 사례가 있다.
그리고, 원자력발전소 폐수지 운반용기를 개발하여 제작하였는데, 차폐벽으로 강(steel) 200㎜ 정도이며 이 차폐벽에 대하여 차폐성능 시험을 Co-60(36 Ci)을 사용하고 차폐벽 표면에서 선량율은 휴대형 서베이메터(survey meter)로 측정하여 국내에서 차폐성능시험을 수행한 사례가 있다.
상기한 바와 같은 특허문헌 1 내지 3을 포함하는 종래기술은 핫셀 등의 차폐벽(벽)의 복수의 위치에 대하여 차폐성능을 검사하는 경우, 위치가 바뀔 때마다 차폐성능장치의 위치 역시 매번 바꿔야 하는 문제점이 있다.
특허 제10-1997409호(2019. 07. 01. 등록공고) 특허 제10-0652937호(2006. 11. 24. 등록공고) 특허 제10-0254144호(2005. 10. 19. 등록공고_
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 납 차폐벽의 안팎에 위치한 선원 콜리메터와 검출기 콜리메터의 위치를 서로 마주보게 원격으로 이동시켜 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 위치별로 정밀하게 검사할 수 있도록 하는 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적은, 핫셀(hot cell)의 납 차폐벽 내부에 설치되고 비파괴 검사용 Co-60 검사기와 조사기 선원 안내관으로 연결되어 검사에 사용되는 Co-60 선 선원이 장착되며 상하, 전후, 좌우로 이동하는 선원 콜리 메터; 상기 납 차폐벽을 사이에 두고 동일한 위치의 상기 납 차폐벽 외부에 설치되어 상기 납 차폐벽을 통과하는 방사선량을 검출하고 상하, 전후, 좌우로 이동하는 검출기 콜리 메터; 및 상기 검출기 콜리 메터에 의해 검출된 방사선량을 신호 처리하여 선량 데이터를 전송하는 선량율 신호 처리모듈로 구성되는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 상기 선원 콜리 메터는, 일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관(steel pipe); 중공부를 가지고 상기 강관 내에 내입되는 납관; 및 상기 납관의 중공부에 고정된 조사기 선원 안내관의 끝단에 위치한 Co-60 선원으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 Co-60 선원은, 비파괴 검사용 Co-60 조사기로부터 조사되는 Co-60 선원인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 선원 콜리 메터는, 상기 선원 콜리 메터 양측면의 돌기에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 선원 콜리메터 이동각관; 일단이 상기 선원 콜리 메터에 고정되고 상기 선원 콜리메터 이동각관 상단의 도르래를 경유하여 하향지게 배치된 케이블; 및 바닥에 고정되고 상기 케이블의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 선원 콜리메터 수직 이동 서보모터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 선원 콜리 메터는, 상기 선원 콜리 메터의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴; 및 상기 복수의 이동 바퀴 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 선원 콜리메터 수평 이동 서보모터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 검출기 콜리 메터는, 일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관; 중공부를 가지고 상기 강관 내에 내입되는 납관; 및 상기 납관의 중공부 내에 고정된 형광 검출기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 형광 검출기는, NaI 신틸레이터(NaI scintillator)를 구비하여, 방사선량 측정효율을 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 검출기 콜리 메터는, 상기 검출기 콜리 메터 양측면의 돌기에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 검출기 콜리메터 이동각관; 일단이 상기 검출기 콜리 메터에 고정되고 상기 검출기 콜리메터 이동각관 상단의 도르래를 경유하여 하향지게 배치된 케이블; 및 바닥에 고정되고 상기 케이블의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 검출기 수직이동 서보모터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 검출기 콜리 메터는, 상기 검출기 콜리 메터의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴; 및 상기 복수의 이동 바퀴 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 검출기 콜리메터 수평 이동 서보모터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 선원 콜리 메터 및 상기 검출기 콜리 메터는, 유무선 원격 제어로 사전에 정해진 위치로 이동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 선량율 신호 처리모듈로부터 전송되는 선량 데이터를 기초로 방사선 선량율 자료를 구하고, 이를 분석하여 위치별로 납 차폐벽의 차폐성능을 평가하는 컴퓨터(예를 들어, 컴퓨터와 모니터)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 납 차폐벽 내부에 Co-60 선원을 배치하고, 납 차폐벽 외부에 방사선 검출기를 배치한 후 이들의 상하, 전후, 좌우로 원격 이동시켜 가면서 차폐성능을 검사함으로써, 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 위치별로 원격으로 정밀하게 검사할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 향후 의료용 동위원소 생산 및 분배, 동위원소 사용 및 취급, 원전 해체 폐기물 취급 등에 사용될 핫셀과 관련시설 등에 널리 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치의 전체 계통 구성도이다.
도 2는 도 1에 개시된 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터를 상세하게 보여주는 평면도이다.
도 3은 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사방법 및 공정절차 흐름도이다.
도 4는 핫셀 내에서 선원 콜리 메터에 감마선 선원을 장착시키기 위하여 비파괴 검사용 Co-60 조사기 내에 내장된 Co-60 선원의 인출, 이동, 조사, 등 조사기 원격 조작 시, 그 조작순서와 절차를 보인 흐름도이다.
도 5는 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터의 수직/수평 이동을 위한 복수의 서보모터의 구동을 제어하는 서보 모터 위치 제어루프를 보인 도면이다.
도 6a는 핫셀 내부와 외부에 설치된 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터를 포함하는 차폐 성능 검사장치의 전자계산 시뮬레이션 모델의 평면도이다.
도 6b는 핫셀 내부와 외부에 설치된 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터를 포함하는 차폐 성능 검사장치의 전자계산 시뮬레이션 모델의 단면도이다.
도 7은 검출기 콜리 메터 근방의 전산모델에서 측정거리에 따라 검출되는 선량율 분포도를 보여주는 도면이다.
도 8은 납 차폐벽의 두께가 감소되어 차폐성능이 떨어지는 것을 추정하여 선량율 계산을 위한 전산해석 모델을 보여주는 도면이다.
도 9는 핫셀 차폐벽의 두께가 150㎜에서부터 감소하는 두께를 1㎜에서 12㎜까지로 하여 계산된 선량율 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치의 전체 계통 구성도이고,
도 2는 도 1에 개시된 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터를 상세하게 보여주는 평면도이다.
도 1 및 도 2에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치는, 핫셀(hot cell)의 납 차폐벽(1) 내부에 설치되고 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)와 조사기 선원 안내관(510)으로 연결되어 검사에 사용되는 Co-60 선원이 장착되며 상하, 전후, 좌우로 이동하는 선원 콜리 메터(100), 납 차폐벽(1)을 사이에 두고 동일한 위치의 납 차폐벽(1) 외부에 설치되어 납 차폐벽(1)을 통과하는 방사선량을 검출하고 상하, 전후, 좌우로 이동하는 검출기 콜리 메터(200) 및 검출기 콜리 메터(200)에 의해 검출된 방사선량을 신호 처리하여 선량 데이터를 전송하는 선량율 신호 처리모듈(300), 선량율 신호 처리모듈(300)로부터 전송되는 선량 데이터를 기초로 방사선 선량율 자료를 구하고, 이를 분석하여 위치별로 납 차폐벽의 차폐성능을 평가하는 컴퓨터(예를 들어, 컴퓨터와 모니터)(400) 및 조사기 선원 안내관(510)을 통해 선원 콜리 메터(100)에 선원을 조사하는 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)로 구성된다.
여기서, 선원 콜리 메터(100), 검출기 콜리 메터(200) 및 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)는 수직이동 및 수평이동 서보모터 제어기(125)(134) 및 선원 조작기(520)에 의해 원격 제어된다. 또한, 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)는 각각 별도의 지지대(133)(233)에 거치될 수 있다.
위의 선원 콜리 메터(100)는, 일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관(steel pipe)(111), 중공부(112)를 가지고 강관(111) 내에 내입되는 납관(113) 및 상기 납관(113)의 중공부(112)에 고정된 조사기 선원 안내관(510)의 끝단에 위치한 Co-60 선원(114)으로 구성된다.
이러한 선원 콜리 메터(100)는, 선원 콜리 메터(110) 양측면의 돌기(101)에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 선원 콜리메터 이동각관(121), 일단이 상기 선원 콜리 메터(100)에 고정되고 선원 콜리메터 이동각관(121) 상단의 도르래(122)를 경유하여 하향지게 배치된 케이블(123) 및 바닥에 고정되고 케이블(123)의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 선원 콜리메터 수직 이동 서보 모터(124)를 더 포함하여 구성되어, 상하 이동이 가능하다. 또한, 선원 콜리 메터(100)는, 선원 콜리 메터(100)의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴(131) 및 복수의 이동 바퀴(131) 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 선원 콜리메터 수평 이동 서보모터(132)를 더 포함하여 구성되어, 전후, 좌우, 즉 수평이동이 가능하다.
그리고, 검출기 콜리 메터(200)는, NaI 신틸레이터(NaI scintillator)를 구비하여, 방사선량 측정효율을 높이는 것으로서, 일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관(211), 중공부(212)를 가지고 강관(211) 내에 내입되는 납관(213) 및 납관(213)의 중공부(212) 내에 고정된 형광 검출기(214)로 구성된다.
이러한 검출기 콜리 메터(200)는, 검출기 콜리 메터(200) 양측면의 돌기(201)에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 검출기 콜리메터 이동각관(221), 일단이 검출기 콜리 메터(200)에 고정되고 검출기 콜리메터 이동각관(221) 상단의 도르래(222)를 경유하여 하향지게 배치된 케이블(223) 및 바닥에 고정되고 케이블(223)의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 검출기 콜리메터 수직이동 서보모터(224)를 더 포함하여 구성되어, 상하이동이 가능하다.
또한, 검출기 콜리 메터(200)는, 검출기 콜리 메터(200)의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴(231) 및 복수의 이동 바퀴(231) 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 검출기 콜리메터 수평이동 서보모터(232)를 더 포함하여 구성되어, 전후, 좌우 즉, 수평 이동이 가능하다.
위와 같은 선원 콜리 메터(100) 및 상기 검출기 콜리 메터(200), 즉 복수의 서보모터(124)(224)(132)(232)는 수직 및 수평이동 서보보터 제어기(125)(134)를 이용한 유무선 원격 제어로 사전에 정해진 위치로 이동할 수 있다. 물론, 위와 같은 위치 제어는 실시간으로도 가능하다.
도 3은 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사방법 및 공정절차 흐름도이다.
도 3에 의하면, 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 검사하기 전에 관리자는 선원 콜리 메터(100)에 감마선, 즉 Co-60 선원(114)을 장착한다(S1). 이어서, 관리자는 수직이동 및 수평이동 서보모터 제어기(125)(134)를 조작하여 복수의 서보 모터(124)(224)(132)(232)의 구동으로 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)를 상하, 전후, 좌우로 이동시켜 납 차폐벽의 차폐성능을 검사하기 위한 위치로 이동시키게 된다(S2)(S3).
이렇게 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)를 측정하고자 하는 위치로 이동시킨 후 Co-60 선원(114)로부터 조사되어 납 차폐벽을 통과하여 형광 검출기(114)에 의해 검출되는 방사선을 측정하게 된다(S4).
위와 같이 형광 검출기(114)에 의해 검출되는 방사선 측정신호가 선량율 신호 처리모듈(300)에 전송되어, 선량율 신호 처리모듈(300)에 의해 방사선 선량율을 구하고, 이를 표시하게 된다(S5).
이어서, 해당 방사선 선량율에 대한 정보를 전달받은 컴퓨터(400)는 방사선 준위 분석을 행하고(S6), 설정된 위치에서의 방사선 고준위 검출여부, 차폐성능을 확인한 후 이를 화면을 통해 표시하게 된다(S7).
이렇게 설정된 위치에서의 고준위 방사선 위치, 즉 핫셀 차폐벽의 차폐성능을 평가한 후(S8) Co-60 선원을 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)로 이동시키게 된다(S90).
그리고, 핫셀 차폐벽의 다음 위치에서의 차폐성능을 검사하기 위해, 복수의 서보모터(124)(224)(132)(232)의 구동시켜 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)를 다음 위치로 이동시키게 된다(S10).
도 4는 핫셀 내에서 선원 콜리 메터에 Co-60 선원을 장착시키기 위하여 비파괴 검사용 Co-60 조사기 내에 내장된 Co-60 선원의 인출, 이동, 조사, 등 조사기 원격 조작 시, 그 조작순서와 절차를 보인 흐름도이다.
우선, 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사에서 중요하게 고려되어야 할 것은 Co-60 선원의 취급, 방사선 조사 그리고 안전 조작기술이다. Co-60 선원은 방사능 세기도 크고 감마선 에너지도 높기 때문에 검사과정에서 방사선에 노출위험을 최소화하기 위하여 방사선 안전관리와 종사자의 선량 피폭관리에 중점을 두어야 한다. 감마선 조사용기는 감마선 선원(Co-60)을 담아두는 비파괴 검사용 Co-60 조사기(선원용기), Co-60 선원을 정해진 위치까지 보내기 위한 조사기 선원 안내관(510)(또는 전송관, 조작관), Co-60 선원을 비파괴 검사용 Co-60 조사기에 출입 조작하는 제어기로 구성되어 있다. 비파괴 검사용 Co-60 조사기(본체)인 선원용기는 주로 감손 우라늄이나 텅스텐 재료가 차폐벽으로 사용된다. 조사기 선원 안내관(510)의 끝단에는 납이나 텅스텐 재료의 소형 콜리 메터를 사용하여 방사선의 집속기능과 작업자를 보호하는 기능을 한다.
이러한 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)의 조작순서는 도 4에 도시한 바와 같이, 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)를 핫셀 내부로 이동시키고(S11), 선원 조작기(520)를 핫셀 바닥을 통해 핫셀 외부로 이동시키게 된다(S12).
이어서, 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)와 선원 조작기(520)를 연결한 후(S13), 관리자는 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)와 조사기 선원 안내관(510)을 연결하여, 핫셀 내에서 조사기 선원 안내관(510)을 선원 콜리 메터(100)로 이동시키게 된다(S15).
위와 같이 조사기 선원 안내관(510)을 선원 콜리 메터(100)로 이동시킨 후 관리자(종사자)는 조사기 선원 안내관(510)의 끝단을 선원 콜리 메터(100) 납관(113)의 중공부(112) 내로 연결하여 고정하게 된다(S16). 이후 관리자는 선원 조작기(520)가 위치한 핫셀 외부로 이동하게 된다(S17).
이어서, 관리자는 선원 조작기(520)를 조작하여 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)의 Co-60 선원을 선원 콜리 메터(100)에 장착하여(S18), 핫셀 내의 선원 콜리 메터(100)로부터 방출되는 방사선이 핫셀 외부의 검출기 콜리 메터(200)로 방출되는지를 확인하게 된다(S19).
그리고, 핫셀 내의 선원 콜리 메터(100)로부터 방출되는 방사선을 핫셀 외부의 검출기 콜리 메터(200)에서 검출하여, 핫셀 차폐벽 위치별 선량율을 측정하여 핫셀 차폐 성능 검사를 진행한다(S10).
도 5는 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터의 수직/수평 이동을 위한 복수의 서보 모터의 구동을 제어하는 서보 모터 위치 제어 루프를 보인 도면이다.
도 5에 의하면, 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)의 수직 위치이동은 복수의 서보모터(124)(224)에 의해 이루어진다. 즉, 복수의 서보모터(124)(224)의 구동을 제어하는 수직이동 서보모터 제어기(125)는 도 5의 서보 모터 위치 제어 루프에 의해 이루어진다.
이러한 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200)의 수직 이동을 위한 복수의 서보모터(124)(224)는 미리 설정된 위치 정보로 대략 100mm 정도의 거리를 입력하여 상하로 이동시키게 된다. 핫셀 내부에 위치한 선원 콜리 메터(100)와 핫셀 외부에 위치한 검출기 콜리 메터(200)가 정확하게 동일한 위치에 있게 하기 위하여 사전에 예비 위치이동시험을 수행할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 두 개의 서보모터(124)(224), 즉 서보 모터의 위치 제어 루프는 내부에 속도 제어 루프와 위치 제어 루프를 포함하고 있다. 위치명령이 주어지면 검출센서와 검출 증폭기로부터 나오는 현재 속도신호를 위치연산을 하여 현재의 위치 제어신호로 그 신호를 변경하여 위치 오차연산을 실시하고 제어연산 증폭기(610)를 통하여 속도 제어 루프로 전달하게 된다.
이러한 제어구조를 가지고 있기 때문에 결국 서보 모터를 제어하게 되는 것은 모터에 인가되는 전력, 즉 전류에 의하여 모터를 회전시키고 검출센서를 통하여 피드백되는 신호와 기준신호를 비교 연산하여 오차의 편차를 빠른 시간 내에 줄이고 최소화할 수 있다. 위치의 계산을 위하여 속도신호로 부터 위치신호로 그 연산이 이루어지도록 구성되어 있지만, 실제 서브 드라이버에서는 검출센서로 광학식 엔코더를 사용하고 있기 때문에 엔코더에서 발생하는 두개의 펄스열을 카운트하여 현재의 위치를 추종하는 구조를 가지고 있다.
또한, 선원 콜리 메터(100)의 수평 위치 이동은 선원 콜리메터 수평이동 서보 모터(132)를 지지대, 즉 하단 구조물(133)에 설치하고 구동축과 연결시켜 이동이 용이하도록 사용한다. 이동을 위한 동력을 제공하기 위한 선원 콜리메터 수평이동 서보모터(132)가 내장되고, 선원 콜리메터 수평이동 서보모터(132)로 이루어진 동력장치는 앞바퀴 축에 연결되어 선원 콜리 메터(100) 전동식 이동대차의 전후 및 좌우방향으로의 방향전환이 가능하도록 한다.
이동 바퀴(131)는 앞축에 두 개, 뒷축에 두 개씩 총 4개가 형성될 수 있으며, 이것은 전동식 이동대차의 전후, 좌우 이동에 필요한 수량이다. 검출기 콜리 메터(200)의 수평 위치이동은 검출기 콜리메터 수평이동 서보모터(232)를 지지대(233)에 설치하고 구동축과 연결시켜 이동 바퀴(2321)에 동력이 전달되도록 한다. 이동을 위한 동력을 제공하기 위한 검출기 콜리메터 수평이동 서보모터(232)가 내장되고, 검출기 콜리메터 수평이동 서보 모터(232)로 이루어진 동력장치는 앞바퀴 축에 연결되어 선원 콜리 메터(200) 전동식 이동대차의 전후 및 좌우방향으로의 방향전환이 가능하도록 한다.
도 6a 및 도 6b는 핫셀 내부와 외부에 설치된 선원 콜리 메터와 검출기 콜리 메터를 포함하는 차폐 성능 검사장치의 전자계산 시뮬레이션 모델의 평면도 및 단면도이다.
여기서, 핫셀의 납 차폐벽(1)은 고준위 방사선을 차폐할 수 있는 두께 150㎜ 정도의 두꺼운 납(lead)으로 구성한다. 이와 같이 두꺼운 납으로 핫셀을 구성하는 것은 협소한 기존 시설공간과 좁은 작업 공간 그리고 향후 이동가능한 설비로 사용할 경우 주로 사용된다. 검출기 콜리 메터(200) 근방의 전산모델에서 측정거리에 따른 검출되는 선량율 분포는 도 7에 도시한 바와 같으며, 검출기 콜리 메터(200) 중심부에서 선량율값이 40 μSv/hr 정도로 높게 검출되고 좌우로 10cm 떨어진 위치에서 급격히 감소하는 분포를 보여주고 있으며, 이것으로 검출기 콜리 메터(200)의 검출 효율을 예측할 수 있다.
또한, 선원 콜리 메터(100)와 검출기 콜리 메터(200) 사이에 납 차폐벽 모델을 구성하고 이 납 차폐벽의 두께가 감소되어 차폐성능이 떨어지는 것을 추정하여 선량율 계산을 위한 전산해석 모델은 도 8에 표시한 바와 같다. 핫셀 차폐벽의 두께가 150mm에서부터 감소하는 두께를 1mm에서 12mm까지로 하여 계산된 선량율 결과는 도 9에 나타난 바와 같다. 두께 감소가 없을 경우 33 μSv/hr 정도 측정된 선량율이 두께 감소가 12mm로 크게 나타났을 경우 선량율값은 72 μSv/hr로 2배 이상 증가한 것으로 분포를 보여주고 있다. 이러한 전산해석 결과는 실제 핫셀 차폐벽의 성능검사에 유익한 참고 자료로 제공된다.
이상에서 설명한 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있으므로 본 발명의 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 납 차폐벽 100 : 선원 콜리 메터
101 : 돌기 111 : 강관
112 : 중공부 113 : 납관
114 : Co-60 선원 121 : 선원 콜리메터 이동각관
122 : 도르래 123 : 케이블
124 : 선원 콜리메터 수직이동 서보모터
125 : 수직이동 서보모터 제어기 131 : 이동 바퀴
132 : 선원 콜리메터 수평 이동 서보 모터
133 : 지지대 134 : 수평이동 서보모터 제어기
200 : 검출기 콜리 메터 201 : 돌기
211 : 강관 212 : 중공부
213 : 납관 214 : 형광 검출기
221 : 검출기 콜리메터 이동각관 222 : 도르래
223 : 케이블
224 : 검출기 콜리메터 수직이동 서보모터
231 : 이동 바퀴
232 : 검출기 콜리메터 수평이동 서보모터
233 : 지지대 300 : 선량율 신호 처리모듈
400 : 컴퓨터(모니터 포함)
500 : 비파괴 검사용 Co-60 조사기
510 : 조사기 선원 안내관 520 : 선원 조작기

Claims (11)

  1. 핫셀(hot cell)의 납 차폐벽(1) 내부에 설치되고 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)와 조사기 선원 안내관(510)으로 연결되어 검사에 사용되는 Co-60 선원이 장착되며 상하, 전후, 좌우로 이동하는 선원 콜리 메터(100);
    상기 납 차폐벽(1)을 사이에 두고 동일한 위치의 상기 납 차폐벽(1) 외부에 설치되어 상기 납 차폐벽(1)을 통과하는 방사선량을 검출하고 상하, 전후, 좌우로 이동하는 검출기 콜리 메터(200)는 일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관(211); 중공부(212)를 가지고 상기 강관(211) 내에 내입되는 납관(213); 및
    상기 납관(213)의 중공부(212) 내에 고정된 형광 검출기(214)로 구성되고, 상기 형광 검출기는 NaI 신틸레이터(NaI scintillator)를 구비하여, 방사선량 측정효율을 높이는 것으로 구성되며; 상기 검출기 콜리 메터(200)에 의해 검출된 방사선량을 신호 처리하여 선량 데이터를 전송하는 선량율 신호 처리모듈(300)
    로 구성되는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선원 콜리 메터(100)는,
    일측이 개방되고 타측에 통공이 형성된 강관(steel pipe)(111);
    중공부(112)를 가지고 상기 강관(111) 내에 내입되는 납관(113); 및
    상기 납관(113)의 중공부(112)에 고정된 조사기 선원 안내관(510)의 끝단에 위치한 Co-60 선원(114)
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Co-60 선원은, 비파괴 검사용 Co-60 조사기(500)로부터 조사되는 Co-60 선원인 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선원 콜리 메터(100)는,
    상기 선원 콜리 메터(110) 양측면의 돌기(101)에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 선원 콜리메터 이동각관(121);
    일단이 상기 선원 콜리 메터(100)에 고정되고 상기 선원 콜리메터 이동각관(121) 상단의 도르래(122)를 경유하여 하향지게 배치된 케이블(123); 및
    바닥에 고정되고 상기 케이블(123)의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 선원 콜리메터 수직 이동 서보모터(124)
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선원 콜리 메터(100)는,
    상기 선원 콜리 메터(100)의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴(131); 및
    상기 복수의 이동 바퀴(131) 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 선원 콜리메터 수평 이동 서보모터(132)
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 검출기 콜리 메터(200)는,
    상기 검출기 콜리 메터(200) 양측면의 돌기(201)에 대응하는 안내홈을 가지고 일정간격을 두고 수직으로 고정된 2개의 ㄷ자 형상의 검출기 콜리메터 이동각관(221);
    일단이 상기 검출기 콜리 메터(200)에 고정되고 상기 검출기 콜리메터 이동각관(221) 상단의 도르래(222)를 경유하여 하향지게 배치된 케이블(223); 및
    바닥에 고정되고 상기 케이블(223)의 타단이 회전축에 고정되어 감겨지는 검출기 콜리메터 수직 이동 서보모터(224)
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 검출기 콜리 메터(200)는,
    상기 검출기 콜리 메터(200)의 저면에 설치된 복수의 이동 바퀴(231); 및
    상기 복수의 이동 바퀴(231) 중 적어도 2개의 이동 바퀴에 전후, 좌우로 이동 가능하도록 동력을 제공하는 검출기 콜리메터 수평이동 서보모터(232)
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 선원 콜리 메터(100) 및 상기 검출기 콜리 메터(200)는, 유무선 원격 제어로 사전에 정해진 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 선량율 신호 처리모듈(300)로부터 전송되는 선량 데이터를 기초로 방사선 선량율 자료를 구하고, 이를 분석하여 위치별로 차폐벽의 차폐성능을 평가하는 컴퓨터(예를 들어, 컴퓨터와 모니터)(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, Co-60 선원을 이용한 핫셀 차폐벽의 차폐성능 검사장치.
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