Kwak, Sung-Woo
(Korea Institute of Nuclear Nonproliferation and Control)
,
Ahn, Gil Hoon
(Korea Institute of Nuclear Nonproliferation and Control)
,
Park, Iljin
(Korea Institute of Nuclear Nonproliferation and Control)
,
Ham, Young Soo
(Lawrence Livermore National Laboratory)
,
Dreyer, Jonathan
(Lawrence Livermore National Laboratory)
IAEA는 핵물질 계량 관리 검사를 위해 다양한 방사선 검출기를 사용하고 있다. 주로 HPGe, NaI(Tl), CZT 등이 사용되며, 정확한 측정이 요구되는 검사에는 고분해능 HPGe 검출기 활용도가 높다. HPGe 검출기는 추가적인 냉각장치로 인하여 부피가 크고 무거우며, 사용하기 전에 충분히 냉각시켜야 하기 때문에 측정의 준비 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 가볍고 짧은 사용 전 냉각이 요구되는 휴대형 HPGe가 개발되었다. 본 논문은 개발된 휴대형 HPGe 검출기 시제품을 실제 IAEA 사찰 현장에 적용하여 얻은 성능평가 결과를 기술한다. 휴대형 HPGe로 얻은 방사선 스펙트럼은 핵물질 종류와 농축도에 따라 다른 특징을 보였고, 또한 $^{235}U$과 $^{238}U$의 붕괴 계열에서 방출되는 감마선 및 우라늄의 특성 x-선 차이도 확인할 수 있었다. 그리고 휴대형 HPGe 검출기 시제품으로 측정한 농축도는 핵물질 종류에 따라 실제값과 9 ~ 27%의 상대적 오차를 보였다. 휴대형이라는 소형 검출기의 한계 때문에 일부 핵물질은 IAEA에서 요구하는 정확도를 만족시키지 못하는 경우도 있었지만 향후 추가적인 연구의 수행으로 이러한 문제점은 해결 가능할 것으로 판단된다. 본 논문은 새로운 휴대형 HPGe 검출기를 안전조치에 적용한 사례와 측정한 스펙트럼을 농축도 분석 코드로 분석한 결과를 다룬다. 따라서 국내 원자력시설의 우라늄 농축도 검증을 위한 IAEA 안전조치 사찰 결과를 분석한 논문이 별로 발표되지 않은 상황에서, 본 논문은 안전조치 검사 결과 분석에도 유익할 것으로 판단된다. 개발된 방사선 검출기의 개선 사항도 함께 논의하였으므로 향후 관련 분야 방사선 검출기 개발에도 기여할 것으로 예상된다.
IAEA는 핵물질 계량 관리 검사를 위해 다양한 방사선 검출기를 사용하고 있다. 주로 HPGe, NaI(Tl), CZT 등이 사용되며, 정확한 측정이 요구되는 검사에는 고분해능 HPGe 검출기 활용도가 높다. HPGe 검출기는 추가적인 냉각장치로 인하여 부피가 크고 무거우며, 사용하기 전에 충분히 냉각시켜야 하기 때문에 측정의 준비 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 가볍고 짧은 사용 전 냉각이 요구되는 휴대형 HPGe가 개발되었다. 본 논문은 개발된 휴대형 HPGe 검출기 시제품을 실제 IAEA 사찰 현장에 적용하여 얻은 성능평가 결과를 기술한다. 휴대형 HPGe로 얻은 방사선 스펙트럼은 핵물질 종류와 농축도에 따라 다른 특징을 보였고, 또한 $^{235}U$과 $^{238}U$의 붕괴 계열에서 방출되는 감마선 및 우라늄의 특성 x-선 차이도 확인할 수 있었다. 그리고 휴대형 HPGe 검출기 시제품으로 측정한 농축도는 핵물질 종류에 따라 실제값과 9 ~ 27%의 상대적 오차를 보였다. 휴대형이라는 소형 검출기의 한계 때문에 일부 핵물질은 IAEA에서 요구하는 정확도를 만족시키지 못하는 경우도 있었지만 향후 추가적인 연구의 수행으로 이러한 문제점은 해결 가능할 것으로 판단된다. 본 논문은 새로운 휴대형 HPGe 검출기를 안전조치에 적용한 사례와 측정한 스펙트럼을 농축도 분석 코드로 분석한 결과를 다룬다. 따라서 국내 원자력시설의 우라늄 농축도 검증을 위한 IAEA 안전조치 사찰 결과를 분석한 논문이 별로 발표되지 않은 상황에서, 본 논문은 안전조치 검사 결과 분석에도 유익할 것으로 판단된다. 개발된 방사선 검출기의 개선 사항도 함께 논의하였으므로 향후 관련 분야 방사선 검출기 개발에도 기여할 것으로 예상된다.
IAEA has employed various types of radiation detectors - HPGe, NaI, CZT - for accountancy of nuclear material. Among them, HPGe has been mainly used in verification activities required for high accuracy. Due to its essential cooling component(a liquid-nitrogen cooling or a mechanical cooling system)...
IAEA has employed various types of radiation detectors - HPGe, NaI, CZT - for accountancy of nuclear material. Among them, HPGe has been mainly used in verification activities required for high accuracy. Due to its essential cooling component(a liquid-nitrogen cooling or a mechanical cooling system), it is large and heavy and needs long cooling time before use. New hand-held portable HPGe has been developed to address such problems. This paper deals with results of performance evaluation test of the new hand-held portable HPGe prototype which was used during IAEA's inspection activities. Radioactive spectra obtained with the new portable HPGe showed different characteristics depending on types and enrichments of nuclear materials inspected. Also, Gamma-rays from daughter radioisotopes in the decay series of $^{235}U$ and $^{238}U$ and characteristic x-rays from uranium were able to be remarkably separated from other peaks in the spectra. A relative error of enrichment measured by the new portable HPGe was in the range of 9 to 27%. The enrichment measurement results didn't meet partially requirement of IAEA because of a small size of a radiation sensing material. This problem might be solved through a further study. This paper discusses how to determine enrichment of nuclear material as well as how to apply the new hand-held portable HPGe to safeguard inspection. There have been few papers to deal with IAEA inspection activity in Korea to verify accountancy of nuclear material in national nuclear facilities. This paper would contribute to analyzing results of safeguards inspection. Also, it is expected that things discussed about further improvement of a radiation detector would make contribution to development of a radiation detector in the related field.
IAEA has employed various types of radiation detectors - HPGe, NaI, CZT - for accountancy of nuclear material. Among them, HPGe has been mainly used in verification activities required for high accuracy. Due to its essential cooling component(a liquid-nitrogen cooling or a mechanical cooling system), it is large and heavy and needs long cooling time before use. New hand-held portable HPGe has been developed to address such problems. This paper deals with results of performance evaluation test of the new hand-held portable HPGe prototype which was used during IAEA's inspection activities. Radioactive spectra obtained with the new portable HPGe showed different characteristics depending on types and enrichments of nuclear materials inspected. Also, Gamma-rays from daughter radioisotopes in the decay series of $^{235}U$ and $^{238}U$ and characteristic x-rays from uranium were able to be remarkably separated from other peaks in the spectra. A relative error of enrichment measured by the new portable HPGe was in the range of 9 to 27%. The enrichment measurement results didn't meet partially requirement of IAEA because of a small size of a radiation sensing material. This problem might be solved through a further study. This paper discusses how to determine enrichment of nuclear material as well as how to apply the new hand-held portable HPGe to safeguard inspection. There have been few papers to deal with IAEA inspection activity in Korea to verify accountancy of nuclear material in national nuclear facilities. This paper would contribute to analyzing results of safeguards inspection. Also, it is expected that things discussed about further improvement of a radiation detector would make contribution to development of a radiation detector in the related field.
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문제 정의
개발된 검출기의 성능 및 현장 적용성을 평가하기 위해 한국원자력통제기술원과 미국 LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory)은 한전원자력연료(주)(KNF) IAEA 물자재고검사(PIV, Physical Inventory Verification)에 참여하였다. 본 논문은 개발된 휴대형 HPGe 시제품을 이용하여 KNF의 PIV를 수행한 방법, 분석 결과, 그리고 장비의 문제점 및 개선 사항을 기술한다.
분말에 안전조치 검사는 대량 결손 검증(Method H+B), 부분 결손 검증(Method F+B), 혹은 미량 결손 검증(D+B) 방법을 적용한다[3]. 사찰관에 의해 측정된 UO2 분말의 235U 농축도와 질량이 원자력 사업자가 신고한 값과 일치하는지 여부를 검사한다. 여기서 미량 결손 검증을 위한 Method D 검증 방법은 파괴 분석(Destructive Assay)이므로 본 논문에서는 논의하지 않는다.
제안 방법
Method H에서 요구하는 최대 15% 불확도를 달성하기 위해 측정 시간은 300초로 설정하였다. IMCA에 장착되어 있는 MGA (MultiGroup Analysis) 우라늄 농축도 평가 코드는 HPGe에 의해 측정된 우라늄 스펙트럼을 분석해서 238U에 대한 235U 의 상대적 존재량을 결정한다[5]. Fig.
3에서와 같은 형태로 소결체 검증을 수행하였다. IMCL5) 신호처리 장치에 장착되어 있는 스펙트럼 분석 코드에 의해서 측정된 방사선 스펙트럼은 분석하고 235U 농축도를 결정하였다.
MGA++로 얻어진 핵물질의 스펙트럼을 분석하여 각 핵물질의 농축도를 결정하였다. MGA++는 Ge 검출기로 수집된 스펙트럼 분석을 위한 패키지 소프트웨어로써, 분석 대상에 따라 사용하는 MGA, MGAHI, 그리고 U235 코드로 구성되어 있다[6].
다른 검증 방법과 사용하는 Method B은 저울을 이용하여 무게를 측정하는 것을 의미한다[4]. UO2 분말에 대한 대량 결손 검증(Method H)은 비파괴검사장비(방사선 검출기등)로 농축도를 측정해서 시설 운영자가 제공한 농축도와 비교한다. 반면에 부분결손 검증(Method F)는 저울로 측정된 핵물질 전체 무게와 비파괴 장비로 측정된 우라늄 농축도를 이용하여 측정된 235U 질량과, 시설자가 제공한 235U 질량과 비교해서 사찰대상 핵물질의 부분결손 여부를 검증한다.
UO2 소결체에 대한 대량 결손 검증과 부분 결손 검증을 위해 LaBr3(Ce) 검출기를 이용하는 IMCL로 UO2 소결체 농축도를 측정하였다. Fig.
이와 같이 핵물질 농축도는 안전조치 검사를 위한 필수 기초 자료이다. 농축도 측정을 위해 측정 대상 물질의 종류 그리고 요구되는 정확도에 따라 중성자 검출기, HPGe, NaI(Tl), CZT 혹은 LaBr3(Ce)에 기반한 방사선 검출기를 사용한다. UO2 분말에 대한 계량관리 검증은 부분 결손 검증을 필요로 하므로 IAEA는 IMCA3)와 HPGe로 이루어진 IMCG4)를 사용한다.
드럼 속에 들어 있는 천연 농축도(0.72%)를 가진 우라늄 분말에 대해 대량 결손 검증과 부분 결손 검증을 수행하기 위해 Fig. 5와 같이 휴대형 HPGe 시제품을 드럼의 중간에 위치시켜서 드럼 내의 농축도를 측정하였다. 측정된 스펙트럼으로 농축도를 결정하는 방법은 앞에서 언급한 바와 같은 방식으로 수행하였다.
반면에 부분결손 검증(Method F)는 저울로 측정된 핵물질 전체 무게와 비파괴 장비로 측정된 우라늄 농축도를 이용하여 측정된 235U 질량과, 시설자가 제공한 235U 질량과 비교해서 사찰대상 핵물질의 부분결손 여부를 검증한다.
본 성능평가 실험에서 수집된 스펙트럼을 MGA++ U235로 분석하였는데, 각 샘플 용기 두께에 따른 감쇄 영향은 고려하지 않았다. Table 1에서 실제 농축도는 KNF가 제공한 값이고, 측정 농축도는 IAEA 장비와 본 논문에 다루고 있는 휴대형 HPGe 시제품으로 측정된 스펙트럼을 MGA++ U235로 분석한 결과이다.
3에서 보는 바와 같이 폴리에틸린으로 제작된 소결체 측정 틀을 이용하였다. 소결체 측정 틀은 폴리에틸렌으로 제작되었고 5개의 소결체를 올려놓고, 소결에서 방출되는 방사선을 LaBr3(Ce) 검출기로 측정하였다. 휴대형 HPGe 시제품의 옆면에 HPGe 검출기가 부착되어 있기 때문에 Fig.
2g 이다. 핵물질 종류에 따른 방사선 스펙트럼 특성을 분석하여, 스펙트럼의 각 피크(peak)에 피크를 발생시키는 x-선 혹은 감마선 방출 모핵종을 표시하였다. 모든 4종류 핵물질의 고에너지 영역에서 238U의 붕괴계열 핵종중 하나인 234mPa에 의한 감마선 766 keV와 1,002 keV가 나타났다.
대상 데이터
IAEA 안전조치 검사를 위해 취급과 사용이 용이한 휴대형 HPGe 검출기가 개발되었다. 개발된 검출기에 대한 성능테스트를 수행하기 위해 KNF의 UO2 분말, 소결체, UF6 실린더, 그리고 천연우라늄 드럼 검증에 활용하였다. 샘플에 대한 측정 조건은 IAEA 사찰 조건과 동일하게 하였다.
, 미국)이 개발되었다. 개발된 검출기의 성능 및 현장 적용성을 평가하기 위해 한국원자력통제기술원과 미국 LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory)은 한전원자력연료(주)(KNF) IAEA 물자재고검사(PIV, Physical Inventory Verification)에 참여하였다. 본 논문은 개발된 휴대형 HPGe 시제품을 이용하여 KNF의 PIV를 수행한 방법, 분석 결과, 그리고 장비의 문제점 및 개선 사항을 기술한다.
계량관리 검증 대상에서 방출되는 방사선을 새롭게 개발된 휴대형 HPGe 검출기 시제품으로 측정하였다. 수집된 방사선 스펙트럼은 Ortec사의 MGA++ (Multi-Group Analysis, Pu과 우라늄 농축도 분석 코드)로 분석하였다[6].
8 mm 이었다. 측정 시간은 300 초이다. Fig.
백그라운드 방사선을 줄이기 위한 검출기 콜리메이터를 사용했다. 콜리메이터는 구성하는 재질의 두께는 구리 2.0 mm, 납 10.0 mm, 스텐리스 3.0 mm이고 검출기 길이를 고려하여 길이는 60.0 mm로 하였다.
데이터처리
계량관리 검증 대상에서 방출되는 방사선을 새롭게 개발된 휴대형 HPGe 검출기 시제품으로 측정하였다. 수집된 방사선 스펙트럼은 Ortec사의 MGA++ (Multi-Group Analysis, Pu과 우라늄 농축도 분석 코드)로 분석하였다[6]. Fig.
이론/모형
UF6에 대한 대량 결손 검증과 부분 결손 검증을 위해 IMCG 검출기가 사용된다. IMCG는 HPGe 검출기를 이용하여 우라늄에서 방출되는 방사선 스펙트럼을 측정하고, 초음파 두께 측정 장치로 실린더 용기 두께를 측정하여 스펙트럼 왜곡을 보정해 준다.
성능/효과
반면에 234Th은 238U의 붕괴계열 핵종중 하나로 238U 양을 예측하는데 이용된다. 4.65%와 0.72%(천연) UO2 분말을 비교하였을 때, 4.65% 분말은 235U의 붕괴 생성물, 234Th에 의한 방사선(144,163, 186, 205 keV)의 계수가 큰 반면에, 0.72% 천연 분말은 234Th 방사선 피크가 높았다. 또한 우라늄 물질의 특성 x-선도 천연 우라늄에서 많이 방출됨이 확인되었다.
Table 1에서 알 수 있듯이 실제 값과 측정치 사이의 상대적 오차는 IAEA 장비는 3 ∼ 13%이고, 휴대형 HPGe의 시제품은 9 ∼ 27% 인 것으로 나타났다.
UF6 실린더만 제외하고 나머지 3종류 핵물질의 60 ∼ 120 keV 영역에서 235U, 238U 그리고 그것들의 붕괴계열 핵종에서 기인한 다양한 방사선을 확인할 수 있었다.
예로써, UO2 소결체를 100초 동안 측정하였을 경우에는 MGA 분석 불가 수준으로 감마선 피크가 불분명 하였다. 그러나 측정시간을 300초, 600초로 증가시킴에 따라 피크가 주변방사선에 비해 선명해 지면서 농축도의 상대적 오차도 18.7%, 13.5%로 점점 감소함을 보였다.
그리고 핵물질 형태와 용기에 따른 휴대형 HPGe 검출기는 약 9 ∼ 27% 정도의 상대 오차를 가지는 것으로 나타났다.
72% 천연 분말은 234Th 방사선 피크가 높았다. 또한 우라늄 물질의 특성 x-선도 천연 우라늄에서 많이 방출됨이 확인되었다. UF6 실린더의 두께는 약 12.
핵물질 종류에 따른 방사선 스펙트럼 특성을 분석하여, 스펙트럼의 각 피크(peak)에 피크를 발생시키는 x-선 혹은 감마선 방출 모핵종을 표시하였다. 모든 4종류 핵물질의 고에너지 영역에서 238U의 붕괴계열 핵종중 하나인 234mPa에 의한 감마선 766 keV와 1,002 keV가 나타났다. UF6 실린더만 제외하고 나머지 3종류 핵물질의 60 ∼ 120 keV 영역에서 235U, 238U 그리고 그것들의 붕괴계열 핵종에서 기인한 다양한 방사선을 확인할 수 있었다.
샘플에 대한 측정 조건은 IAEA 사찰 조건과 동일하게 하였다. 성능 평가를 위한 현장 테스트 결과, 핵물질 종류에 따른 고유한 방사선 스펙트럼 피크를 파악할 수 있었다. 그리고 핵물질 형태와 용기에 따른 휴대형 HPGe 검출기는 약 9 ∼ 27% 정도의 상대 오차를 가지는 것으로 나타났다.
IAEA 계량관리 검증 방법에 의하면 대량 결손 검증은 15%, 그리고 부분결손 검증은 5% 불확도를 요구하고 있다. 일부의 측정 결과는 IAEA 국제목표치(international target values)를 만족시키지 못했는데, 그 주요 원인은 검출 효율의 문제인 것으로 판단된다. 새로 개발된 HPGe 검출기의 유효 체적은 직경 10.
장시간 연속적으로 사용할 때 장비가 중단되는 경우가 종종 발생하였다. 중단 후 장치의 온도가 주변에 비해 상대적으로 뜨거운 것으로 보아 동작 중단의 원인은 불완전한 냉각장치가 원인인 것으로 보였다. 특히 두껍게 차폐된 물질을 측정하기 위해서 장시간을 측정이 필요한데, 이런 경우에는 장시간의 안정적 측정은 필수적이다.
2는 IAEA의 IMCG 장비와 휴대형 HPGe 시제품으로 용기속에 들어 있는 저농축 UO2 분말 농축도를 측정하는 사진이다. 초음파 두께 측정 장치 (ULTG, ULtrasonic Thickness Gauge)로 용기 두께를 측정한 결과 약 1.9 mm인 것으로 나타났다. 현재 IAEA에서 사용하는 IMCG는 질소 냉각 방식을 사용하고 있고, Fig.
후속연구
검출기 성능향상을 위해서는 검출기 체적과 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 증가, 그리고 용기 두께 보정이 필요하다. 그 중 검출기 체적 증가는 측정 계수율도 향상시키지만 또한 더 큰 냉각장치를 요구하므로 무게와 부피를 증가시켜 휴대형의 장점을 감소시킬 것 이므로 이에 대한 최적화가 고려되어야 한다. 그리고 측정 정확도 향상을 위해 측정 시간을 증가시킬 수도 있다.
또한 국내 원자력시설의 우라늄 농축도 검증을 위한 IAEA 안전조치 사찰 결과를 분석한 논문이 별로 발표되지 않은 상황에서, 안전조치 검사 결과 분석에 관한 본 논문은 농축도 코드를 이용한 분석방법 향상에도 도움을 줄 것으로 예상한다. 그리고 휴대의 용이성 때문에 근래에 국제적 우려가 높아지고 있는 방사능 테러 탐지용으로도 사용 가능할 것으로 생각된다.
이러한 어려움에도 불구하고 본 논문에서 다루고 있는 휴대형 HPGe는 장비가 작고 가볍고 또 사용이 편리하기 때문에 실용화되었을 경우에는 안전조치 검사의 효율성 제고에 많은 기여를 할 것으로 판단된다. 또한 국내 원자력시설의 우라늄 농축도 검증을 위한 IAEA 안전조치 사찰 결과를 분석한 논문이 별로 발표되지 않은 상황에서, 안전조치 검사 결과 분석에 관한 본 논문은 농축도 코드를 이용한 분석방법 향상에도 도움을 줄 것으로 예상한다. 그리고 휴대의 용이성 때문에 근래에 국제적 우려가 높아지고 있는 방사능 테러 탐지용으로도 사용 가능할 것으로 생각된다.
이러한 어려움에도 불구하고 본 논문에서 다루고 있는 휴대형 HPGe는 장비가 작고 가볍고 또 사용이 편리하기 때문에 실용화되었을 경우에는 안전조치 검사의 효율성 제고에 많은 기여를 할 것으로 판단된다. 또한 국내 원자력시설의 우라늄 농축도 검증을 위한 IAEA 안전조치 사찰 결과를 분석한 논문이 별로 발표되지 않은 상황에서, 안전조치 검사 결과 분석에 관한 본 논문은 농축도 코드를 이용한 분석방법 향상에도 도움을 줄 것으로 예상한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
HPGe 검출기의 단점은?
주로 HPGe, NaI(Tl), CZT 등이 사용되며, 정확한 측정이 요구되는 검사에는 고분해능 HPGe 검출기 활용도가 높다. HPGe 검출기는 추가적인 냉각장치로 인하여 부피가 크고 무거우며, 사용하기 전에 충분히 냉각시켜야 하기 때문에 측정의 준비 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 가볍고 짧은 사용 전 냉각이 요구되는 휴대형 HPGe가 개발되었다.
휴대형 질소냉각 방식의 검출기의 무게에 따른 단점은?
또한 최근에 들어서 많은 관심을 받고 있는 기계식 뿐만 아니라 기존의 휴대형 질소냉각 방식의 검출기의 무게도 약 30 kg 정도로 알려져 있다2). 이 무게는 IAEA 안전조치 사찰관 혼자서 장비를 취급하기가 불편하다는 문제점이 있다(좀 더 정확히, HPGe 검출기 크기에 따라 약간의 무게 차이가 있음). 따라서 이러한 문제점(장시간의 사전 냉각 시간와 장비 무게)을 해결하기 위해 새로운 휴대형 HPGe 검출기 시제품(PHDs Co.
IAEA가 핵물질 계량 관리 검사를 위해 사용하는 방사선 검출기에는 무엇이 있는가?
IAEA는 핵물질 계량 관리 검사를 위해 다양한 방사선 검출기를 사용하고 있다. 주로 HPGe, NaI(Tl), CZT 등이 사용되며, 정확한 측정이 요구되는 검사에는 고분해능 HPGe 검출기 활용도가 높다. HPGe 검출기는 추가적인 냉각장치로 인하여 부피가 크고 무거우며, 사용하기 전에 충분히 냉각시켜야 하기 때문에 측정의 준비 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.
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