핵분열로 인해 생성되는 방사성 노블가스는 주변국의 핵활동을 감시할 수 있는 중요한 지표 핵종이다. 특히 제논은 생성량이 많고 반감기가 짧아 핵실험 탐지에 적합하며 크립톤은 핵연료 재처리 탐지의 추적자로 활용되고 있다. 방출된 방사성 노블가스는 막대한 대기에 희석되어 농도가 감소하고 일부는 시간에 따라 방사능이 감쇠하기 때문에 대기 중에는 매우 극미량으로 존재하게 된다. 따라서 측정을 통해 의미 있는 데이터를 얻기 위해서는 가능한 낮은 수준의 MDA를 설정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 방사성 제논과 크립톤을 동시 포집 할 수 있는 장비인 BfS-IAR시스템을 활용하여 이론을 통해 MDA를 산출하였다. 또한 MDA 산출방식의 변화, 신뢰수준의 정도는 물론 계측 조건의 변화에 따른 영향을 확인하고 MDA를 저감하기 위한 방안들을 모색하였다. 그 결과 배경농도가 극미량인 제논의 경우 전처리과정의 효율화와 안정적인 계측 성능유지가 가장 중요한 요소로 판단되었으며, 크립톤의 경우 제논과 달리 시료의 방사능이 높기 때문에 MDA 재설정을 통한 분석조건이나 시스템 최적화를 통해 효율적인 분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
핵분열로 인해 생성되는 방사성 노블가스는 주변국의 핵활동을 감시할 수 있는 중요한 지표 핵종이다. 특히 제논은 생성량이 많고 반감기가 짧아 핵실험 탐지에 적합하며 크립톤은 핵연료 재처리 탐지의 추적자로 활용되고 있다. 방출된 방사성 노블가스는 막대한 대기에 희석되어 농도가 감소하고 일부는 시간에 따라 방사능이 감쇠하기 때문에 대기 중에는 매우 극미량으로 존재하게 된다. 따라서 측정을 통해 의미 있는 데이터를 얻기 위해서는 가능한 낮은 수준의 MDA를 설정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 방사성 제논과 크립톤을 동시 포집 할 수 있는 장비인 BfS-IAR시스템을 활용하여 이론을 통해 MDA를 산출하였다. 또한 MDA 산출방식의 변화, 신뢰수준의 정도는 물론 계측 조건의 변화에 따른 영향을 확인하고 MDA를 저감하기 위한 방안들을 모색하였다. 그 결과 배경농도가 극미량인 제논의 경우 전처리과정의 효율화와 안정적인 계측 성능유지가 가장 중요한 요소로 판단되었으며, 크립톤의 경우 제논과 달리 시료의 방사능이 높기 때문에 MDA 재설정을 통한 분석조건이나 시스템 최적화를 통해 효율적인 분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
Anthropogenic radioactive noble gases formed by nuclear fission are significant indicators used to monitor the nuclear activity of neighboring countries. In particular, radioactive xenon, owing to its abundant generation and short half-life, can be used to detect nuclear testing, and radioactive kry...
Anthropogenic radioactive noble gases formed by nuclear fission are significant indicators used to monitor the nuclear activity of neighboring countries. In particular, radioactive xenon, owing to its abundant generation and short half-life, can be used to detect nuclear testing, and radioactive krypton has been used as a tracer to monitor the reprocessing of nuclear fuels. Released radioactive noble gases are in the atmosphere at infinitesimal amounts due to their dilution in the air and their short half-life decay. Therefore, to obtain reliable and significant data when performing measurement of noble gases in the atmosphere, the minimum detectable activity (MDA) for noble gases should be defined as low as possible. In this study, the MDA values for radioactive xenon and krypton were theoretically obtained based on the BfS-IAR system by collecting both noble gases simultaneously. In addition, various MDA methods, confidence level and analysis conditions were suggested to reduce and optimize MDA with an assessment of the factors affecting MDA. The current investigation indicated that maximizing the pretreatment efficiency and performance maintenance of the counter were the most important aspects for Xe. In the case of Kr, since sample activities are much higher than those of Xe, it is possible to change the target MDA or to simplification of the analysis system.
Anthropogenic radioactive noble gases formed by nuclear fission are significant indicators used to monitor the nuclear activity of neighboring countries. In particular, radioactive xenon, owing to its abundant generation and short half-life, can be used to detect nuclear testing, and radioactive krypton has been used as a tracer to monitor the reprocessing of nuclear fuels. Released radioactive noble gases are in the atmosphere at infinitesimal amounts due to their dilution in the air and their short half-life decay. Therefore, to obtain reliable and significant data when performing measurement of noble gases in the atmosphere, the minimum detectable activity (MDA) for noble gases should be defined as low as possible. In this study, the MDA values for radioactive xenon and krypton were theoretically obtained based on the BfS-IAR system by collecting both noble gases simultaneously. In addition, various MDA methods, confidence level and analysis conditions were suggested to reduce and optimize MDA with an assessment of the factors affecting MDA. The current investigation indicated that maximizing the pretreatment efficiency and performance maintenance of the counter were the most important aspects for Xe. In the case of Kr, since sample activities are much higher than those of Xe, it is possible to change the target MDA or to simplification of the analysis system.
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문제 정의
본 연구에서는 BfS-IAR 방식을 이용한 노블가스 측정에서 이론을 통한 MDA를 산출하고 각 인자들이 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 이를 바탕으로 MDA를 저감하고 시스템을 최적화하는 방안에 대해 고찰하였다.
MDA는 계측기 성능, 시료 포집량, 백그라운드와 측정시간 등에 따라 달라지므로 각 파라미터들의 적합한 설정이 중요하다. 본 연구에서는 BfS-IAR 방식을 이용한 노블가스 측정에서 이론을 통한 MDA를 산출하고 각 인자들이 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 이를 바탕으로 MDA를 저감하고 시스템을 최적화하는 방안에 대해 고찰하였다.
가설 설정
은 측정 종료시간이다. 단 이 경우 샘플링에서 전처리 및 측정 과정이 연속적으로 이루어진다고 가정하였으며 따라서 샘플링의 종료 및 전처리 시작시간이 같고, 전처리의 종료와 측정의 시작 시간이 동일하다.
2에 각각 다른 신뢰수준(k)을 이용한 Currie 및 DIN 식의 MDA 값을 측정시간에 따라 나타내었다. 단, 계측효율, 백그라운드 계수율 및 시료 포집량은 모두 동일하게 가정하였으며 측정 중 반감기에 의한 감쇠는 무시하였다. 그리고 \(k_α\), \(k_β\)는 동일하게 설정하였다.
즉 포집과 측정과정 중 일어나는 방사능붕괴가 무시할만한 수준이다. 반면 제논 동위원소의 경우 대부분 반감기가 매우 짧다. 대표적인 제논 동위원소인 133Xe의 반감기는 5.
제안 방법
대기 중 극미량으로 존재하는 방사성 노블가스의 의미있는 분석값을 얻기 위해서는 가능한 낮은 수준의 MDA를 설정하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 연구에서는 제논과 크립톤분석을 위한 MDA를 이론을 통해 산출하였으며 MDA를 저감하기 위한 각 파라미터들의 영향을 살펴보았다. 특히 제논의 경우 대기 중에 존재 할 수 있는 배경농도가 검출한계 수준의 아주 극미량이어서 낮은 MDA를 유지하는 것이 매우 중요하다.
대상 데이터
하지만 확률은 낮더라도 백그라운드 요동에 의한 신호일 가능성을 배제해서는 안된다. 만약백그라운드 계수율이 1 cpm 일 때 24시간을 측정하면 총 1440개의 신호가 수집된다. 즉 방사능이 없어도 자연신호만 1440개를 얻게 된다는 뜻이며, 이 때 MDA 목표치인 1 mBq·m-3의 방사능을 측정하면 시료의 순 계수율은 약 70 여개 정도가 된다.
실제 한 해 동안 장비를 운영하면서 얻은 약 45개의 노블가스 분석 샘플의 MDA 분포특성을 Fig. 4에 나타내었다.
데이터처리
BfS는 독일에서 개발되어 30년 이상 운영되었는데 MDA는 독일 및 유럽표준인 DIN 방식 (DIN 25482)으로 산출하고 있다. 따라서 BfS 시스템을 이용하여 국가간 교차분석이나 상호 데이터 검증 시에는 서로 다른 방법으로 MDA가 산출되었음을 이해할 필요가 있기 때문에 Currie 식과 함께 비교하였다.
통일된 MDA를 이용하는 것이 의사소통 및 데이터의 상호 비교 측면에서 유리하기 때문에 본 연구의 노블가스 MDA 산출에 Currie법을 적용하였다. 또한 연구에 사용된 BfS 장비의 제조국인 독일의 표준 매뉴얼 Deutsches Institure fuer Norung (DIN) 방식 또한 함께 고려하여 비교하였다. BfS는 독일에서 개발되어 30년 이상 운영되었는데 MDA는 독일 및 유럽표준인 DIN 방식 (DIN 25482)으로 산출하고 있다.
이론/모형
이 방식은 가장 초기에 제시되어 확립된 방법으로 현재 대부분의 주요 방사능 분석 기관에서 활용되고 있다[19]. 통일된 MDA를 이용하는 것이 의사소통 및 데이터의 상호 비교 측면에서 유리하기 때문에 본 연구의 노블가스 MDA 산출에 Currie법을 적용하였다. 또한 연구에 사용된 BfS 장비의 제조국인 독일의 표준 매뉴얼 Deutsches Institure fuer Norung (DIN) 방식 또한 함께 고려하여 비교하였다.
후속연구
크립톤의 경우 백그라운드의 요동보다 시료의 방사능이 매우 크기 때문에 현재의 포집량, 측정시간 최적화를 통해 효율적인 분석을 수행 할 수 있을 것이다. 특히 제논 동시 분석이 아닌 크립톤 단독 분석 용도로 사용 시에는 포집 및 측정시간 단축, MDA 재설정을 통한 시스템 구조 단순화가 가능 할 것으로 보여 새로운 방식으로 장비를 응용할 수 있을 것으로 기대한다.
하지만 백그라운드를 줄이거나 계측시간을 늘리는데는 한계가 있기 때문에 계측 효율을 높이거나 시료 포집량을 최대한 늘리는 것이 가장 효과적일 것이다. 현재는 분석자의 세심한 노력을 통한 전처리 과정의 효율화와 안정적인 계측기 성능 유지가 가장 중요한 요소가 될 것으로 판단되며 향후 기술개발등을 통한 흡착제 개발, 전처리 효율화를 통한 포집율 개선으로 보완할 수 있을 것이다. 크립톤의 경우 백그라운드의 요동보다 시료의 방사능이 매우 크기 때문에 현재의 포집량, 측정시간 최적화를 통해 효율적인 분석을 수행 할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BfS-IAR 장비는 다른 자동화 기기와 어떠한 점이 다른가?
독일은 핵실험 보다는 주변국가의 원자력 이용 및 재처리시설 모니터링을 위해 약 30여년간 자체적으로 제논과 크립톤을 분석해왔으며 이 기술은 우리나라는 물론 일본 및 오스트리아에서도 도입하여 활용하고 있다. BfS-IAR 장비는 다른 자동화 기기와 달리 기체 포집과 분석이 개별적으로 이루어지는 수동 분석 장비로 총 제논의 농도만 측정할 수 있다. 비록 주요 제논 동위원소(131mXe, 133Xe,133mXe, 135Xe)를 구별할 수 없으나 서로 다른 반감기를 이용하여 131mXe과 133Xe의 비를 추정할 수 있다.
방사성 제논이란?
우라늄 핵분열로 인해 발생하는 전체 생성 기체 중 비활성 기체는 10% 수준으로 그 중 대부분인 약 90%가 제논 동위원소이며 이외에도 크립톤이 함께 생성된다. 그 중 방사성 제논은 반감기가 짧아 대기 중에 축적되지 않으며 강수 등에 의해 씻겨나가지 않으므로 핵실험 감시에 적합한 핵종이다. 2000년대부터 International Noble Gas Experiment (INGE)의 주도로 방사성 제논 탐지기술이 개발되었으며 Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization (CTBTO)의 International Monitoring System (IMS)에서 그 기술을 도입하여 운용하고 있다[1-5].
제논 탐지에서 크립톤의 영향을 고려하지 않아도 되는 이유는?
일부 원자력 및 동위원소 이용시설, 병원 등의 산업시설에서도 방사성 노블가스가 방출되므로 제논 탐지의 경우 이들에 의한 영향이 고려되어야 한다. 하지만 크립톤의 경우 재처리시설에 의해서 방출되는 양에 비하면 매우 미미한 수준이기 때문에 크게 고려할 필요가 없다. 이렇게 발생된 노블가스 중 방사성 제논은 반감기가 매우 짧아[2] (133Xe의 경우 5.
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