[학위논문]몬테카를로 기법을 이용한 컨테이너 보안 검색용 9 MV 선형 가속기의 방사화 특성 연구 A Study on the Activation Characteristics of a 9 MV Linear Accelerator for Container Security Inspection using Monte Carlo Method원문보기
본 연구 목적은 컨테이너 보안 검색용 9 MV선형 가속기의 표적(target), 조준기(collimator) 및 콘크리트 차폐벽에서 발생하는 광자, 광중성자, 방사화 생성물을 평가하여 ...
본 연구 목적은 컨테이너 보안 검색용 9 MV선형 가속기의 표적(target), 조준기(collimator) 및 콘크리트 차폐벽에서 발생하는 광자, 광중성자, 방사화 생성물을 평가하여 컨테이너 검색기 도입과 운영 그리고 해체 시 필요한 정보를 제공하는 것이다. 이를 통해, 9 MV 선형 가속기에 대한 방사선 안전관리 방안을 마련하는 데 그 목적이 있다. 본 연구 목적을 달성하기 위해 3가지 평가를 진행하였다. 첫째, 선형 가속기를 통해 입사된 전자가 표적을 구성하는 물질과 두께에 따른 광자 특성을 평가하는 것이다. 둘째, 선형 가속기 표적 및 조준기에서 발생한 광중성자 특성을 평가하는 것이다. 셋째, 9 MV 선형 가속기에서 발생하는 방사화 특성을 평가하는 것이다. 전산 모사 설계는 첫째, 9 MV 선형 가속기 표적은 2 mm 두께의 텅스텐 단일물질 및 1.8 mm 와 2.3 mm 두께의 텅스텐과 구리 복합물질로 구성하였다. 둘째, 조준기는 종류에 따라 원뿔형(cone beam) 조준기와 부채꼴(fan beam) 조준기로 구성하였다. 셋째, 부채꼴 조준기의 물질은 납(Pb)으로만 구성된 단일물질과 텅스텐(W)과 납으로 구성된 복합물질로 구성하였다. 넷째, 콘크리트 물질은 고강도(magnetite type) 콘크리트 및 불순물(impurity)로 구성하였다. 광자 특성 평가 방법은 첫째, 표적 내 일차 입자의 거동은 전자 플루언스와 전자 에너지 축적(deposition)으로 평가하였다. 둘째, 표적 내에서 발생하는 광자는 광자 플루언스로 평가하였다. 셋째, 표적으로부터 100 cm 거리에서의 광자 각-에너지 분포는 광자 플루언스로 평가하였다. 광중성자 특성 평가 방법은 표적으로부터 100 cm 거리에서 가상의 구(sphere) 표면에서 F2 Tally를 이용하여 광중성자 발생률 및 에너지 스펙트럼을 계산하였다. 방사화 특성 평가 방법은 첫째, MCNP6 코드를 이용하여 선형 가속기 및 구조물을 F4 Tally로 광중성자 플럭스(flux)를 계산하였다. 둘째, MCNP6 코드에서 계산된 광중성자 플럭스를 FISPACT-II에 적용하여 방사화 생성물을 평가하였다. 광자 특성 평가 결과는 첫째, 단일물질과 복합물질 표적에서 전자 플루언스와 에너지 축적을 통해 일차 입자인 전자가 표적 밖으로 방출되지 않았으며, 표적 두께에 따라 전자가 음의 선형적으로 감쇄하였다. 둘째, 복합물질 표적이 단일물질 표적보다 광자 생성이 더 높은 것으로 나타났다. 광중성자 특성 평가 결과에서 광중성자 발생률은 첫째, 표적에 따라서는 차이가 발생하였다. 둘째, 조준기의 종류에 따라서는 차이가 발생하였다. 셋째, 조준기 물질에 따라서는 차이가 발생하였다. 광중성자 스펙트럼에서도 평균 광중성자 플럭스가 광중성자 발생량과 유사한 경향으로 나타났다. 방사화 특성 평가 결과는 첫째, 광중성자 분포는 표적에서 가장 높게 나왔으며, 조준기 및 10 cm 깊이의 콘크리트 순으로 나타났다. 둘째, 방사화 생성물은 표적에서 181W, 185W의 핵종이 발생했다. 불순물이 포함되지 않는 콘크리트에서의 주요 방사화 생성물은 3H, 14C, 41Ca, 56Mn, 55Fe, 59Fe이었다. 불순물이 포함된 콘크리트에서 60Co, 134Cs, 152Eu, 154Eu의 핵종이 부산물(by-product)로 생성되는 것을 확인하였다. 하지만, 선형 가속기 표적에서 발생한 미량의 181W은 분해 또는 해체 시 영향을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 셋째, 텅스텐 표적 및 조준기를 제외한 콘크리트는 2,000시간 조사 직후 자체 처분 허용 농도를 만족하였으나, 텅스텐 표적은 181W 핵종으로 인해 가동 정지 후 90일 이후 자체 처분 허용 농도를 만족하였다. 본 연구 결론은 첫째, 광자 발생은 물질 구성 성분과 원자번호 그리고 두께가 광자 생성에 영향을 준다는 사실이다. 둘째, 광중성자 발생은 표적보다는 조준기에 의해 광중성자 발생이 증가하며, 조준기의 종류보다는 물질에 더 큰 영향을 받는다는 것이다. 셋째, 9 MV 선형 가속기에서 광중성자 수율(yield) 및 방사화 정도가 미미하였다는 것이다. 넷째, 텅스텐 표적에서 방사성폐기물에 영향을 주는 주요 방사화 생성물은 181W이다. 또한, 9 MV 선형 가속기는 2,000시간 조사 시간 기준으로 가동 정지 90일 이후 규제 해체 농도를 만족하였다. 본 연구는 국가에서 도입 중인 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 사용 시설의 설계 및 운영에 필요한 자료이고, 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 방사화된 부품관리에 관한 기초 자료를 제시한 것이다. 또한, 방사선 방호의 기초 자료 및 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 해체 시 자체 처분 허용 농도를 만족하는 기준을 입증하는 데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구 목적은 컨테이너 보안 검색용 9 MV 선형 가속기의 표적(target), 조준기(collimator) 및 콘크리트 차폐벽에서 발생하는 광자, 광중성자, 방사화 생성물을 평가하여 컨테이너 검색기 도입과 운영 그리고 해체 시 필요한 정보를 제공하는 것이다. 이를 통해, 9 MV 선형 가속기에 대한 방사선 안전관리 방안을 마련하는 데 그 목적이 있다. 본 연구 목적을 달성하기 위해 3가지 평가를 진행하였다. 첫째, 선형 가속기를 통해 입사된 전자가 표적을 구성하는 물질과 두께에 따른 광자 특성을 평가하는 것이다. 둘째, 선형 가속기 표적 및 조준기에서 발생한 광중성자 특성을 평가하는 것이다. 셋째, 9 MV 선형 가속기에서 발생하는 방사화 특성을 평가하는 것이다. 전산 모사 설계는 첫째, 9 MV 선형 가속기 표적은 2 mm 두께의 텅스텐 단일물질 및 1.8 mm 와 2.3 mm 두께의 텅스텐과 구리 복합물질로 구성하였다. 둘째, 조준기는 종류에 따라 원뿔형(cone beam) 조준기와 부채꼴(fan beam) 조준기로 구성하였다. 셋째, 부채꼴 조준기의 물질은 납(Pb)으로만 구성된 단일물질과 텅스텐(W)과 납으로 구성된 복합물질로 구성하였다. 넷째, 콘크리트 물질은 고강도(magnetite type) 콘크리트 및 불순물(impurity)로 구성하였다. 광자 특성 평가 방법은 첫째, 표적 내 일차 입자의 거동은 전자 플루언스와 전자 에너지 축적(deposition)으로 평가하였다. 둘째, 표적 내에서 발생하는 광자는 광자 플루언스로 평가하였다. 셋째, 표적으로부터 100 cm 거리에서의 광자 각-에너지 분포는 광자 플루언스로 평가하였다. 광중성자 특성 평가 방법은 표적으로부터 100 cm 거리에서 가상의 구(sphere) 표면에서 F2 Tally를 이용하여 광중성자 발생률 및 에너지 스펙트럼을 계산하였다. 방사화 특성 평가 방법은 첫째, MCNP6 코드를 이용하여 선형 가속기 및 구조물을 F4 Tally로 광중성자 플럭스(flux)를 계산하였다. 둘째, MCNP6 코드에서 계산된 광중성자 플럭스를 FISPACT-II에 적용하여 방사화 생성물을 평가하였다. 광자 특성 평가 결과는 첫째, 단일물질과 복합물질 표적에서 전자 플루언스와 에너지 축적을 통해 일차 입자인 전자가 표적 밖으로 방출되지 않았으며, 표적 두께에 따라 전자가 음의 선형적으로 감쇄하였다. 둘째, 복합물질 표적이 단일물질 표적보다 광자 생성이 더 높은 것으로 나타났다. 광중성자 특성 평가 결과에서 광중성자 발생률은 첫째, 표적에 따라서는 차이가 발생하였다. 둘째, 조준기의 종류에 따라서는 차이가 발생하였다. 셋째, 조준기 물질에 따라서는 차이가 발생하였다. 광중성자 스펙트럼에서도 평균 광중성자 플럭스가 광중성자 발생량과 유사한 경향으로 나타났다. 방사화 특성 평가 결과는 첫째, 광중성자 분포는 표적에서 가장 높게 나왔으며, 조준기 및 10 cm 깊이의 콘크리트 순으로 나타났다. 둘째, 방사화 생성물은 표적에서 181W, 185W의 핵종이 발생했다. 불순물이 포함되지 않는 콘크리트에서의 주요 방사화 생성물은 3H, 14C, 41Ca, 56Mn, 55Fe, 59Fe이었다. 불순물이 포함된 콘크리트에서 60Co, 134Cs, 152Eu, 154Eu의 핵종이 부산물(by-product)로 생성되는 것을 확인하였다. 하지만, 선형 가속기 표적에서 발생한 미량의 181W은 분해 또는 해체 시 영향을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 셋째, 텅스텐 표적 및 조준기를 제외한 콘크리트는 2,000시간 조사 직후 자체 처분 허용 농도를 만족하였으나, 텅스텐 표적은 181W 핵종으로 인해 가동 정지 후 90일 이후 자체 처분 허용 농도를 만족하였다. 본 연구 결론은 첫째, 광자 발생은 물질 구성 성분과 원자번호 그리고 두께가 광자 생성에 영향을 준다는 사실이다. 둘째, 광중성자 발생은 표적보다는 조준기에 의해 광중성자 발생이 증가하며, 조준기의 종류보다는 물질에 더 큰 영향을 받는다는 것이다. 셋째, 9 MV 선형 가속기에서 광중성자 수율(yield) 및 방사화 정도가 미미하였다는 것이다. 넷째, 텅스텐 표적에서 방사성폐기물에 영향을 주는 주요 방사화 생성물은 181W이다. 또한, 9 MV 선형 가속기는 2,000시간 조사 시간 기준으로 가동 정지 90일 이후 규제 해체 농도를 만족하였다. 본 연구는 국가에서 도입 중인 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 사용 시설의 설계 및 운영에 필요한 자료이고, 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 방사화된 부품관리에 관한 기초 자료를 제시한 것이다. 또한, 방사선 방호의 기초 자료 및 컨테이너 보안 검색용 선형 가속기 해체 시 자체 처분 허용 농도를 만족하는 기준을 입증하는 데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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