사용후핵연료의 저장 및 이송시 핵임계 안전성 확보를 위하여 연소도를 정확히 결정할 필요가 있다. 특히, 정확한 연소도 결정을 위해서 핵연료 축방향 연소도 분포를 정확하게 측정할 필요가 있다. 본 연구에서는 사용후핵연료 제어봉 안내관에 삽입하여 축방향 감마선 선량 분포를 측정하기 위하여 이온 챔버를 개발하였다. 이온 챔버는 유도부, 가스주입부, 센서부 세 부분으로 구성되었다. 센서부 전극은 cathode와 anode 두 전극만을 가지도록 설계되었으며, 제어봉 안내관에 원할한 삽입을 위하여 guard 전극은 사용하지 않았다. 이온 챔버 내부에 불활성 기체를 충진하고 누설 전류와 포화곡선을 측정하였다. 한국원자력 연구원의 저준위 조사 시설을 이용하여 선량 변화에 따른 이온 챔버 전류 변화를 측정하여 5% 이내의 선형성을 확보하였다. 제작된 이온 챔버는 추가적인 성능 평가를 통하여 한국원자력연구원내 조사후 시험시설에 있는 사용후핵연료 집합체의 연소도분포 측정에 적용될 예정이다.
사용후핵연료의 저장 및 이송시 핵임계 안전성 확보를 위하여 연소도를 정확히 결정할 필요가 있다. 특히, 정확한 연소도 결정을 위해서 핵연료 축방향 연소도 분포를 정확하게 측정할 필요가 있다. 본 연구에서는 사용후핵연료 제어봉 안내관에 삽입하여 축방향 감마선 선량 분포를 측정하기 위하여 이온 챔버를 개발하였다. 이온 챔버는 유도부, 가스주입부, 센서부 세 부분으로 구성되었다. 센서부 전극은 cathode와 anode 두 전극만을 가지도록 설계되었으며, 제어봉 안내관에 원할한 삽입을 위하여 guard 전극은 사용하지 않았다. 이온 챔버 내부에 불활성 기체를 충진하고 누설 전류와 포화곡선을 측정하였다. 한국원자력 연구원의 저준위 조사 시설을 이용하여 선량 변화에 따른 이온 챔버 전류 변화를 측정하여 5% 이내의 선형성을 확보하였다. 제작된 이온 챔버는 추가적인 성능 평가를 통하여 한국원자력연구원내 조사후 시험시설에 있는 사용후핵연료 집합체의 연소도분포 측정에 적용될 예정이다.
Burnup of spent fuel should be determined accurately for the safety control of spent fuel. Especially, it is necessary to measure the burnup profile along the nuclear fuel axis. In the present work, an ionization chamber was designed and fabricated to measure the gamma ray profile inside the guide t...
Burnup of spent fuel should be determined accurately for the safety control of spent fuel. Especially, it is necessary to measure the burnup profile along the nuclear fuel axis. In the present work, an ionization chamber was designed and fabricated to measure the gamma ray profile inside the guide tube of spent fuel. The ionization chamber was composed of three parts; induction part, gas-inlet part, and sensor part. The sensor part had two electrodes; cathode and anode. A guide electrode was considered in the ionization chamber design to make the ionization chamber to be inserted easily into the guide tube. Pure gas (argon and xenon) was inserted into the ionization chamber, and the leakage current and saturation curve were measured to determine the operation characteristics of the ionization chamber. The gamma ray radiation was also measured in relatively high dose environment. The gamma ray profile of the spent fuel will be measured with the ionization chamber.
Burnup of spent fuel should be determined accurately for the safety control of spent fuel. Especially, it is necessary to measure the burnup profile along the nuclear fuel axis. In the present work, an ionization chamber was designed and fabricated to measure the gamma ray profile inside the guide tube of spent fuel. The ionization chamber was composed of three parts; induction part, gas-inlet part, and sensor part. The sensor part had two electrodes; cathode and anode. A guide electrode was considered in the ionization chamber design to make the ionization chamber to be inserted easily into the guide tube. Pure gas (argon and xenon) was inserted into the ionization chamber, and the leakage current and saturation curve were measured to determine the operation characteristics of the ionization chamber. The gamma ray radiation was also measured in relatively high dose environment. The gamma ray profile of the spent fuel will be measured with the ionization chamber.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
일반적으로 이온 챔버에 충진되는 대표적인 가스로는 공기, 불활성 기체 (Ar, Xe), 또는 N2 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 불활성 기체인 Ar과 Xe을 이온 챔버 내에 충진하고 이온 챔버의 방사선 반응을 관측하였다. 이온 챔버내 가스 충진을 위하여 한국원자력연구원 내에 설치된 가스형 방사선 검출기 기체충진 시스템을 이용하였다.
본 연구에서는 사용후핵연료 집합체의 제어봉 가이드 튜브에 삽입되어 사용후핵연료에서 발생하는 축방향 감마선 분포를 측정할 수 있는 이온 챔버를 설계 · 제작하고 그 성능을 평가하였다.
이 집합체 내부의 축방향 중성자 분포를 측정하기 위한 검출봉 및 그 이송장치가 설치되어 있다[8]. 본 연구에서는 사용후핵연료 측정 장치에 설치할 수 있는 이온 챔버를 제작하였다. 그림 1은 원자력 연구원에 설치된 사용후핵연료 측정을 위한 실험 장치이다.
본 연구에서는 사용후핵연료의 연소도 측정을 위하여 총 감마선 선량을 사용후핵연료 집합체 제어봉 가이드 튜브에 삽입하여 측정하기 위한 이온 챔버를 설계 · 제작하였다.
제안 방법
5 keV 감마선이 발생하며, 이 감마선을 이용하여 이온 챔버의 반응을 평가할 수 있다. Ar과 Xe으로 충진된 이온 챔버에 방사선을 위치하고 이온 챔버에 인가 전압을 증가하면서 전류 변화를 측정하였다. 그림 4는 241Am 방사선원에 대한 이온 챔버 전류 변화를 측정한 데이터이다.
이온 챔버내 가스 충진을 위하여 한국원자력연구원 내에 설치된 가스형 방사선 검출기 기체충진 시스템을 이용하였다. 가스충진 시스템은 가스 액화 장치 및 산소 포획장치(oxy-trap), 수분 포획장치(moisture trap), 고온 게터 (high temperature getter) 등을 두어서 가스형 검출기에 충진하고 하는 기체의 순도를 높일 수 있도록 구성되었다. 이온 챔버를 기체 충진 시스템에 연결하고 Rotary 진공 펌프를 이용하여 이온 챔버 내의 공기를 뽑아 낸 후 1 기압으로 Ar과 Xe을 이온 챔버 내에 충진하였다.
외부 지름을 작게 유지하기 위하여 이온 챔버에, 가드 전극을 설계할 경우 지름이 전체 지름이 커지는 단점이 있기 때문에 가드 전극은 고려하지 않았다. 또한 기체 충진을 위한 기체 주입부를 두었으며, 이온 챔버 제작 후 검출봉 내 삽입시 받을 수 있는 충격을 줄이기 위하여 이온 챔버의 끝 부분에 보호캡을 두었다. 이온 챔버 전극의 재질은 스테인레스 강(Stainless Steel)을 이용하여 제작하였으며, 전극 사이의 절연체는 세라믹으로 구성되었다.
이 후 오분에 두어서 이온 챔버 부품에 남아있는 수분 성분을 최대한 제거되도록 하였다. 이 후 각 부품을 조립하였다. 제작된 이온 챔버는 그림 2에 나타내었다.
이온 챔버 내부 제작시 전극 표면은 거칠기를 작게 가공하였으며, 전극의 이온 챔버 각 부품은 제작 후 계면활성제를 이용하여 제작시 발생하는 불순물을 일차적으로 제거하였으며, 알코올로 세척 후 초음파 세척기로 이차 불순물을 제거하였다. 이 후 오분에 두어서 이온 챔버 부품에 남아있는 수분 성분을 최대한 제거되도록 하였다. 이 후 각 부품을 조립하였다.
이온 챔버 전극의 재질은 스테인레스 강(Stainless Steel)을 이용하여 제작하였으며, 전극 사이의 절연체는 세라믹으로 구성되었다. 이온 챔버 내부 제작시 전극 표면은 거칠기를 작게 가공하였으며, 전극의 이온 챔버 각 부품은 제작 후 계면활성제를 이용하여 제작시 발생하는 불순물을 일차적으로 제거하였으며, 알코올로 세척 후 초음파 세척기로 이차 불순물을 제거하였다. 이 후 오분에 두어서 이온 챔버 부품에 남아있는 수분 성분을 최대한 제거되도록 하였다.
이온 챔버는 제어봉에 삽입할 수 있는 검출봉 내경을 고려하여 설계되었다. 이온 챔버 내에 Ar, Xe 가스를 충진하고 가스 종류에 따른 이온 챔버의 반응을 평가하였다. 낮은 에너지의 감마선원 및 높은 에너지의 감마선 두 종류에 대하여 성능 평가를 실시하여 40Gyh-1 선량에서 방사선량 증가에 따라 선형적으로 반응함으로 얻었다.
이온 챔버 제작 후 이온 챔버에 고전압 인가 및 이온 챔버로부터 신호수집을 위하여 신호선을 연결하였다. 이온 챔버를 사용후 핵연료 저장조에 넣어서 신호를 얻기 위하여 이온 챔버에서 신호선까지 길이는 15 m가 되도록 하였으며, 신호선에 의한 노이즈를 최소화하기 위하여 삼상 케이블을 이용하였다.
2 pA로 측정되었다. 이온 챔버는 사용후핵연료의 높은 선량 (~10 kRh-1) 하에서 동작하기 때문에 내부 측정 면적을 최소화하여 제작하였다. 따라서 평가가 이루어진 선원에 의하여 전류가 낮게 측정되었다.
본 연구에서는 사용후핵연료의 연소도 측정을 위하여 총 감마선 선량을 사용후핵연료 집합체 제어봉 가이드 튜브에 삽입하여 측정하기 위한 이온 챔버를 설계 · 제작하였다. 이온 챔버는 제어봉에 삽입할 수 있는 검출봉 내경을 고려하여 설계되었다. 이온 챔버 내에 Ar, Xe 가스를 충진하고 가스 종류에 따른 이온 챔버의 반응을 평가하였다.
이온 챔버 제작 후 이온 챔버에 고전압 인가 및 이온 챔버로부터 신호수집을 위하여 신호선을 연결하였다. 이온 챔버를 사용후 핵연료 저장조에 넣어서 신호를 얻기 위하여 이온 챔버에서 신호선까지 길이는 15 m가 되도록 하였으며, 신호선에 의한 노이즈를 최소화하기 위하여 삼상 케이블을 이용하였다. 삼상 케이블의 가운데 선은 신호 수집을 위하여 쓰이며, 최외각 케이블은 고전압 인가, 가운데 케이블은 이온 챔버의 가드 전극과 연결할 수 있으나, 제작된 이온 챔버는 가드 전극을 설계하지 않았으므로 이온 챔버 전극과 연결하지 않았다.
이온 챔버의 가스 주입구를 밀봉하고 15 m 길이의 신호선을 연결하여 사용후핵연료 집합체 제어봉에 삽입할 수 있도록 하였다. 그림 6은 제작된 사용후핵연료 감마선 용 이온 챔버을 보여주고 있다.
이온 챔버의 내부에는 가스를 충진하여 가스의 종류에 따른 이온 챔버의 반응을 평가할 수 있도록 하였다. 일반적으로 이온 챔버에 충진되는 대표적인 가스로는 공기, 불활성 기체 (Ar, Xe), 또는 N2 등을 들 수 있다.
이온 챔버의 방사선 반응을 측정하기 위하여 방사선원이 없을 경우 인가 전압에 따른 이온 챔버의 누설 전류와 방사선원에 의한 이온 챔버의 반응을 측정하였다. 이온 챔버에 고전압 인가와 전류 측정을 위하여 전위계(Keithley 6517B)가 이용되었다.
자연 선량하에서 이온 챔버의 I-V 곡선을 측정하였다. 이온 챔버의 자연 선량하에서 반응은 거의 무시할 수 있으며 이 때 측정되는 전류는 주로 이온 챔버의 자체 저항에 의한 영향이라고 할 수 있다.
낮은 에너지의 감마선원 및 높은 에너지의 감마선 두 종류에 대하여 성능 평가를 실시하여 40Gyh-1 선량에서 방사선량 증가에 따라 선형적으로 반응함으로 얻었다. 특히, 이온 챔버에 충진된 가스의 종류가 다를 경우 감마선 에너지에 따른 측정 신호의 크기비가 변함을 관측하였으며 그 원인으로 감마선과 가스의 반응에 기인함에 대하여 논하였다. 가스 종류에 따른 고방 사선 환경하에서 사용하기 위한 추가적인 동작 특성 평가를 거쳐서 사용후핵연료의 축방향 감마선 측정에 적용할 계획이다.
대상 데이터
고선량하에서 감마선 선량에 따른 이온 챔버 반응을 평가하기 위하여 한국원자력연구원에서 보유하고 있는 중․저준위 감마선 조사 장치를 이용하였다. 조사장치는 79 Ci의 60Co 선원으로 선원에서 거리를 달리하여 10 ~ 40 Gyh-1 선량의 감마선 변화에 대한 이온 챔버 전류 변화를 이용하여 측정하였다.
방사선 반응을 평가하기 위하여 20 mCi의 241Am 방사선원을 이용하였다. 241Am에서는 59.
6 mm로 설계하였다. 설계된 이온 챔버의 길이는 18 mm, 내부 측정부 면적은 0.4 ㎤, 내부 가스 압력은 1 기압, 외부 전극 두께는 0.5 mm이다. 외부 지름을 작게 유지하기 위하여 이온 챔버에, 가드 전극을 설계할 경우 지름이 전체 지름이 커지는 단점이 있기 때문에 가드 전극은 고려하지 않았다.
또한 기체 충진을 위한 기체 주입부를 두었으며, 이온 챔버 제작 후 검출봉 내 삽입시 받을 수 있는 충격을 줄이기 위하여 이온 챔버의 끝 부분에 보호캡을 두었다. 이온 챔버 전극의 재질은 스테인레스 강(Stainless Steel)을 이용하여 제작하였으며, 전극 사이의 절연체는 세라믹으로 구성되었다. 이온 챔버 내부 제작시 전극 표면은 거칠기를 작게 가공하였으며, 전극의 이온 챔버 각 부품은 제작 후 계면활성제를 이용하여 제작시 발생하는 불순물을 일차적으로 제거하였으며, 알코올로 세척 후 초음파 세척기로 이차 불순물을 제거하였다.
본 연구에서는 불활성 기체인 Ar과 Xe을 이온 챔버 내에 충진하고 이온 챔버의 방사선 반응을 관측하였다. 이온 챔버내 가스 충진을 위하여 한국원자력연구원 내에 설치된 가스형 방사선 검출기 기체충진 시스템을 이용하였다. 가스충진 시스템은 가스 액화 장치 및 산소 포획장치(oxy-trap), 수분 포획장치(moisture trap), 고온 게터 (high temperature getter) 등을 두어서 가스형 검출기에 충진하고 하는 기체의 순도를 높일 수 있도록 구성되었다.
고선량하에서 감마선 선량에 따른 이온 챔버 반응을 평가하기 위하여 한국원자력연구원에서 보유하고 있는 중․저준위 감마선 조사 장치를 이용하였다. 조사장치는 79 Ci의 60Co 선원으로 선원에서 거리를 달리하여 10 ~ 40 Gyh-1 선량의 감마선 변화에 대한 이온 챔버 전류 변화를 이용하여 측정하였다. 측정시 이온챔버에 100 V 고전압을 인가하였다.
이론/모형
이온 챔버의 방사선 반응을 측정하기 위하여 방사선원이 없을 경우 인가 전압에 따른 이온 챔버의 누설 전류와 방사선원에 의한 이온 챔버의 반응을 측정하였다. 이온 챔버에 고전압 인가와 전류 측정을 위하여 전위계(Keithley 6517B)가 이용되었다.
성능/효과
이온 챔버 내에 Ar, Xe 가스를 충진하고 가스 종류에 따른 이온 챔버의 반응을 평가하였다. 낮은 에너지의 감마선원 및 높은 에너지의 감마선 두 종류에 대하여 성능 평가를 실시하여 40Gyh-1 선량에서 방사선량 증가에 따라 선형적으로 반응함으로 얻었다. 특히, 이온 챔버에 충진된 가스의 종류가 다를 경우 감마선 에너지에 따른 측정 신호의 크기비가 변함을 관측하였으며 그 원인으로 감마선과 가스의 반응에 기인함에 대하여 논하였다.
두 가지 이온 챔버에서 발생하는 전류의 크기를 비교한 결과 241Am 감마선원을 이용하여 성능을 평가한 경우 측정되는 전류의 크기가 12 배 정도 차이가 남에 반하여 60Co 감마선원을 이용하여 방사선을 측정한 경우 약 3배정도 신호 크기의 차이가 발생하였다. 241Am의 경우 감마선원에서 발생하는 감마선의 에너지가 59.
후속연구
특히, 이온 챔버에 충진된 가스의 종류가 다를 경우 감마선 에너지에 따른 측정 신호의 크기비가 변함을 관측하였으며 그 원인으로 감마선과 가스의 반응에 기인함에 대하여 논하였다. 가스 종류에 따른 고방 사선 환경하에서 사용하기 위한 추가적인 동작 특성 평가를 거쳐서 사용후핵연료의 축방향 감마선 측정에 적용할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온챔버이란 무엇인가?
이온챔버는 방사선량을 측정할 수 있는 대표적 가스형 방사선 검출기 중 하나이다. 이온챔버는 방사선 각각의 에너지를 구분하여 측정하지 못하며, 자체 신호 증폭이 없기 때문에 출력 신호가 작아서 노이즈를 최소화하여야 하는 단점이 있다.
이온챔버의 단점은 무엇인가?
이온챔버는 방사선량을 측정할 수 있는 대표적 가스형 방사선 검출기 중 하나이다. 이온챔버는 방사선 각각의 에너지를 구분하여 측정하지 못하며, 자체 신호 증폭이 없기 때문에 출력 신호가 작아서 노이즈를 최소화하여야 하는 단점이 있다. 그러나, 구조가 간단하고 고방사선 환경하에서 장기간 안정적으로 동작할 수 있다는 장점이 있기 때문에 원자로 안전 감시나 핵연료 측정 등과 같은 장기간 안정적 검출기 동작을 원하거나 고선량 하에서 방사선량을 정확하게 측정할 필요가 있을 경우 널리 쓰이고 있다[1].
이온챔버의 장점은 무엇인가?
이온챔버는 방사선 각각의 에너지를 구분하여 측정하지 못하며, 자체 신호 증폭이 없기 때문에 출력 신호가 작아서 노이즈를 최소화하여야 하는 단점이 있다. 그러나, 구조가 간단하고 고방사선 환경하에서 장기간 안정적으로 동작할 수 있다는 장점이 있기 때문에 원자로 안전 감시나 핵연료 측정 등과 같은 장기간 안정적 검출기 동작을 원하거나 고선량 하에서 방사선량을 정확하게 측정할 필요가 있을 경우 널리 쓰이고 있다[1].
참고문헌 (9)
Knoll GF. Radiation Detection and Measurement. 2nd ed. New York; John Wiley & Sons, Inc., 1989:131-134.
Toubon H, Riffard C, Batifol M, Pelletier S. Burn-up Credit Applications for UO2 and MOX Fuel Assemblies in AREVA/COGEMA. International Conference on Nuclear Criticality Safety 2003.
International Atomic Energy Agency. Implementation of Burnup Credit in Spent Fuel Management Systems. IAEA-TECDOC-1013. 1997.
Los Alamos National Laboratory. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials. LA-UR-90-732. 1991.
Lebrun A, Bignan G. Nondestructive assay of nuclear low-enriched uranium spent fuel for burnup credit application. Nuclear Technology 2001;135: 216-229.
Oeda K, Naito H, Hirota M, Natsume K, Kumanomido H. Calibration of burnup monitor installed in Rokkasho Reprocessing Plant. Journal of Nuclear Science and Technology 2000;37:543-547.
엄성호, 신희성, 안성규, 황용화, 오석진, 김호동, 이 정원, 함영수. 사용후핵연료집합체 내부 위치별 감마선 중성자 측정 기술. 한국방사성폐기물학회 가을 학술논문 요약집 2008:346-347.
Park SH, Kim HS, Kim YK, Kang SM, KIM JC, Kim JK. Saturation characteristics of the ionization chamber at a low dose rate. Radiation physics and chemistry 2005;73:248-253.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.