[학위논문]OTDR 기반의 광섬유 온도 센서 및 CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기의 개발 Development of a Fiber-optic Temperature Sensor Based on an OTDR and a Radiation Detector Using a CMOS Image Sensor원문보기
전 세계적으로 인구증가, 경제발전 및 소비패턴의 변화로 인한 에너지의 수요 증가와 대부분의 에너지를 공급해주는 화석연료의 고갈문제 등으로 인해, 우리나라뿐만 아니라 세계 여러 국가에서 낮은 연료의 비용으로 높은 효율의 에너지를 생산하는 원자력발전소(원전)를 가동·건설 중이거나 건설계획 중에 있다. 우리나라 원전에서는 원자로 냉각재로 경수 및 중수를 사용하고 있으며, 방사능 누출을 예방하기 위하여 폐회로 순환으로 냉각하고 있다. 최근 원전 가동호기 및 운전년수가 증가함에 따라 원전배관에서의 결함 발생 가능성 및 손상 사례가 점차 증가 추세를 보이고 있다. 운전 중 배관의 손상 및 결함으로 인한 ...
전 세계적으로 인구증가, 경제발전 및 소비패턴의 변화로 인한 에너지의 수요 증가와 대부분의 에너지를 공급해주는 화석연료의 고갈문제 등으로 인해, 우리나라뿐만 아니라 세계 여러 국가에서 낮은 연료의 비용으로 높은 효율의 에너지를 생산하는 원자력발전소(원전)를 가동·건설 중이거나 건설계획 중에 있다. 우리나라 원전에서는 원자로 냉각재로 경수 및 중수를 사용하고 있으며, 방사능 누출을 예방하기 위하여 폐회로 순환으로 냉각하고 있다. 최근 원전 가동호기 및 운전년수가 증가함에 따라 원전배관에서의 결함 발생 가능성 및 손상 사례가 점차 증가 추세를 보이고 있다. 운전 중 배관의 손상 및 결함으로 인한 냉각재의 감소는 원자로 핵연료 냉각율을 부족하게 하여 노심 안정성에 치명적인 결과를 초래할 수 있고, 열교환기 혹은 격납용기에서 대기 중으로 고방사화 경수가 누설될 경우에는 작업자를 비롯한 주변 주민의 방사선 피폭을 초래할 수 있다. 현재 원전 배관의 용접부에서 주로 발생되는 냉각재 누설을 측정하기 위해 다양한 방법들이 시행되고 있으나, 대부분 수작업에 의한 오프라인 검사를 실시하고 있어 실시간 측정의 어려움 및 작업자의 방사선 피폭에 대한 문제점을 가지고 있다. 따라서 원거리에서 냉각재 배관의 파단 전 누설 여부를 조기에 감지할 수 있는 센서와 방사성 물질의 유출로 인한 작업자의 피폭을 방지하기 위해 방사선 위험구역을 실시간 모니터링 할 수 있는 센서의 연구개발은 원전 시설의 안전성 측면에서 매우 중요하다. 광섬유를 이용한 온도 센서는 온도변화에 따라 광학적 특성이 변하는 광학 감지물질과 광 신호를 전송해주는 광섬유로 구성되어 있으므로, 경량화 및 소형화하여 제작이 가능하다. 또한, 기존의 전자식 온도 센서와 다르게 전자파 간섭에 대한 내성을 가지고 있으며, 원거리에서 실시간으로 온도를 측정할 수 있다. 그러나 대부분의 광섬유 온도 센서는 플라스틱 및 유리로 구성된 광섬유를 사용하고 있어 고온에서 견딜 수 없다. 최근 광학 기술 및 광섬유 제조 과정의 발전으로 인해 고온에서 안정적인 광 신호를 전달할 수 있는 금속 코팅 광섬유가 개발되었다. 따라서 금속 코팅 광섬유를 광섬유 온도 센서의 광 신호 전송부로 사용할 경우, 원전의 냉각계통 고온 배관과 같은 고온 환경에서도 온도 측정이 가능하다. CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기는 입사된 방사선에 의해 발생되는 전류와 이미지에서 발생되는 백색 점을 이용하여 방사선을 측정하는 검출기이며, 실시간으로 사용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 현재 연구된 CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기는 일반적인 영상을 촬영하지 않고 기존의 방사선 검출기와 같이 방사능만을 측정한다. 이에 따라 방사선 위험지역에서 방사성 물질의 유출로 인해 작업자의 접근이 어려운 장소를 모니터링 할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 기반으로 하는 방사선 검출기의 연구개발이 요구된다. 본 연구에서는 원자로 냉각계통 배관의 결함 및 손상으로 인해 발생되는 냉각재 누설을 배관의 파단 전에 감지할 수 있는 광섬유 온도 센서 개발의 일환으로 실리콘 오일의 감지물질과 금속 코팅 광섬유를 이용하여 고온에서 사용할 수 있는 광섬유 온도 센서를 제작하였다. 또한, 방사선 위험구역을 실시간 모니터링하고 방사선을 검출하기 위한 목적으로 CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기를 개발하였다.
전 세계적으로 인구증가, 경제발전 및 소비패턴의 변화로 인한 에너지의 수요 증가와 대부분의 에너지를 공급해주는 화석연료의 고갈문제 등으로 인해, 우리나라뿐만 아니라 세계 여러 국가에서 낮은 연료의 비용으로 높은 효율의 에너지를 생산하는 원자력발전소(원전)를 가동·건설 중이거나 건설계획 중에 있다. 우리나라 원전에서는 원자로 냉각재로 경수 및 중수를 사용하고 있으며, 방사능 누출을 예방하기 위하여 폐회로 순환으로 냉각하고 있다. 최근 원전 가동호기 및 운전년수가 증가함에 따라 원전배관에서의 결함 발생 가능성 및 손상 사례가 점차 증가 추세를 보이고 있다. 운전 중 배관의 손상 및 결함으로 인한 냉각재의 감소는 원자로 핵연료 냉각율을 부족하게 하여 노심 안정성에 치명적인 결과를 초래할 수 있고, 열교환기 혹은 격납용기에서 대기 중으로 고방사화 경수가 누설될 경우에는 작업자를 비롯한 주변 주민의 방사선 피폭을 초래할 수 있다. 현재 원전 배관의 용접부에서 주로 발생되는 냉각재 누설을 측정하기 위해 다양한 방법들이 시행되고 있으나, 대부분 수작업에 의한 오프라인 검사를 실시하고 있어 실시간 측정의 어려움 및 작업자의 방사선 피폭에 대한 문제점을 가지고 있다. 따라서 원거리에서 냉각재 배관의 파단 전 누설 여부를 조기에 감지할 수 있는 센서와 방사성 물질의 유출로 인한 작업자의 피폭을 방지하기 위해 방사선 위험구역을 실시간 모니터링 할 수 있는 센서의 연구개발은 원전 시설의 안전성 측면에서 매우 중요하다. 광섬유를 이용한 온도 센서는 온도변화에 따라 광학적 특성이 변하는 광학 감지물질과 광 신호를 전송해주는 광섬유로 구성되어 있으므로, 경량화 및 소형화하여 제작이 가능하다. 또한, 기존의 전자식 온도 센서와 다르게 전자파 간섭에 대한 내성을 가지고 있으며, 원거리에서 실시간으로 온도를 측정할 수 있다. 그러나 대부분의 광섬유 온도 센서는 플라스틱 및 유리로 구성된 광섬유를 사용하고 있어 고온에서 견딜 수 없다. 최근 광학 기술 및 광섬유 제조 과정의 발전으로 인해 고온에서 안정적인 광 신호를 전달할 수 있는 금속 코팅 광섬유가 개발되었다. 따라서 금속 코팅 광섬유를 광섬유 온도 센서의 광 신호 전송부로 사용할 경우, 원전의 냉각계통 고온 배관과 같은 고온 환경에서도 온도 측정이 가능하다. CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기는 입사된 방사선에 의해 발생되는 전류와 이미지에서 발생되는 백색 점을 이용하여 방사선을 측정하는 검출기이며, 실시간으로 사용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 현재 연구된 CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기는 일반적인 영상을 촬영하지 않고 기존의 방사선 검출기와 같이 방사능만을 측정한다. 이에 따라 방사선 위험지역에서 방사성 물질의 유출로 인해 작업자의 접근이 어려운 장소를 모니터링 할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 기반으로 하는 방사선 검출기의 연구개발이 요구된다. 본 연구에서는 원자로 냉각계통 배관의 결함 및 손상으로 인해 발생되는 냉각재 누설을 배관의 파단 전에 감지할 수 있는 광섬유 온도 센서 개발의 일환으로 실리콘 오일의 감지물질과 금속 코팅 광섬유를 이용하여 고온에서 사용할 수 있는 광섬유 온도 센서를 제작하였다. 또한, 방사선 위험구역을 실시간 모니터링하고 방사선을 검출하기 위한 목적으로 CMOS 이미지 센서를 이용한 방사선 검출기를 개발하였다.
Because of growing global energy demand driven by population growth, economic development and changes of consumption pattern and shortage of fossil fuels that cover most of energy needs, nuclear power plants are operating, are under construction or are planned to be built to generate high-efficient ...
Because of growing global energy demand driven by population growth, economic development and changes of consumption pattern and shortage of fossil fuels that cover most of energy needs, nuclear power plants are operating, are under construction or are planned to be built to generate high-efficient energy at low costs in many countries, as well as Korea. Light water and heavy water are used as the reactor coolant and chilled by a closed-loop circuit at the nuclear power plants in Korea. The number of currently operating units and years of the operation of the power plants are increasing along with failure probability and damages of pipes in the plants. The reduction in coolant caused by the damages and defects of the pipes during the operation can lead to the reduction in the cooling rate of nuclear fuels and failure of core safety, and workers and residents nearby can be exposed to radiation when highly activated light water is released from the heat exchanger or the container into the atmosphere. In regard to reactor safety, it is very important to monitor in real-time and at long distance the coolant leakage and radiation caused by the failure and damages of high temperature pipes in the cooling system. A fiber-optic temperature sensor can be made in light weight and small size as it is composed of sensing elements that change their optical properties and optical fiber that carries light. In addition, this has a high tolerance to electromagnetic interference unlike existing electrical temperature sensor, and this can be used to measure the temperature in real time and at long distance. Most of fiber-optic temperature sensors are composed of plastic and glass optical fiber and are not well suited for high temperature condition. A new metal-coated optical fiber was developed to transmit light signals in the high temperature condition by the development of technology and process of producing optical fibers. Now further research and development are needed to use the fiber-optic temperature sensors to high temperature pipes in the cooling system. A radiation detector using CMOS image sensor is used for detecting radiation by a white point from the electrical current and images resulted from the radiation emitted and this can be used at long distance, unlike existing radiation detectors including Geiger-Müller tube, Scintillation detector and ion chamber. However, the radiation detector using CMOS image sensor currently being investigated is only used to measure radiation, not to photograph a subject. New CMOS image censors needs to be researched and developed for monitoring places which are inaccessible by radiation and for detecting radiation in a reactor system. In this study, as a part of developing a detector to detect coolant leakage caused by the failure and damages of high temperature pipes in the cooling system of reactor, substances that can detect silicone oils and endure a high temperature and the fiber-optic temperature sensor that can be used in a high temperature condition with the metal-coated optical fiber are developed. In addition, the radiation detector using CMOS image sensor was developed to monitor in real time the radiation exposure and circumstance as a result of reactor accidents.
Because of growing global energy demand driven by population growth, economic development and changes of consumption pattern and shortage of fossil fuels that cover most of energy needs, nuclear power plants are operating, are under construction or are planned to be built to generate high-efficient energy at low costs in many countries, as well as Korea. Light water and heavy water are used as the reactor coolant and chilled by a closed-loop circuit at the nuclear power plants in Korea. The number of currently operating units and years of the operation of the power plants are increasing along with failure probability and damages of pipes in the plants. The reduction in coolant caused by the damages and defects of the pipes during the operation can lead to the reduction in the cooling rate of nuclear fuels and failure of core safety, and workers and residents nearby can be exposed to radiation when highly activated light water is released from the heat exchanger or the container into the atmosphere. In regard to reactor safety, it is very important to monitor in real-time and at long distance the coolant leakage and radiation caused by the failure and damages of high temperature pipes in the cooling system. A fiber-optic temperature sensor can be made in light weight and small size as it is composed of sensing elements that change their optical properties and optical fiber that carries light. In addition, this has a high tolerance to electromagnetic interference unlike existing electrical temperature sensor, and this can be used to measure the temperature in real time and at long distance. Most of fiber-optic temperature sensors are composed of plastic and glass optical fiber and are not well suited for high temperature condition. A new metal-coated optical fiber was developed to transmit light signals in the high temperature condition by the development of technology and process of producing optical fibers. Now further research and development are needed to use the fiber-optic temperature sensors to high temperature pipes in the cooling system. A radiation detector using CMOS image sensor is used for detecting radiation by a white point from the electrical current and images resulted from the radiation emitted and this can be used at long distance, unlike existing radiation detectors including Geiger-Müller tube, Scintillation detector and ion chamber. However, the radiation detector using CMOS image sensor currently being investigated is only used to measure radiation, not to photograph a subject. New CMOS image censors needs to be researched and developed for monitoring places which are inaccessible by radiation and for detecting radiation in a reactor system. In this study, as a part of developing a detector to detect coolant leakage caused by the failure and damages of high temperature pipes in the cooling system of reactor, substances that can detect silicone oils and endure a high temperature and the fiber-optic temperature sensor that can be used in a high temperature condition with the metal-coated optical fiber are developed. In addition, the radiation detector using CMOS image sensor was developed to monitor in real time the radiation exposure and circumstance as a result of reactor accidents.
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