[논문]무인 원격 방사선 검출 모듈 개발

장보석

doi:10.7742/jksr.2021.15.6.795

초록
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원전 해체 작업장의 요구에 따라 드론 기반 무인 원격 방사선 검출 모듈을 개발하였다. 사람이 접근해서 방사선을 측정할 수 없는 원자력 발전소 격납용기 내부 상공 및 외부로 누설되는 방사선 측정을 위한 목적으로 저준위에 민감한 GM-tube를 사용하여 제작하였다. 드론 기반 방사선 검출 모듈의 무게는 200g 미만으로 원자력 발전소 격납용기 내부의 상공과 외부 공중에서도 운용이 가능하다. 설계된 장비의 성능 확인을 위해 국제 기준 (IEC60864)을 참고하여 성능평가 실험을 시행하였다. 현장의 요구에 맞게 설계된 방사선 검출 모듈의 안정성은 측정 정확도를 평가하기 위한 변동률 실험에서 반복 측정에 의한 통계적 변동률은 ±4.6%. 선량률 의존성을 평가하기 위한 선형성 실험에서 정확도 ± 7.3%, 전체 선형도는 ± 3.5%이며 성능평가를 위한 국제기준을 만족하였다. 본 연구에서 개발한 무인 원격 방사선 검출 모듈은 원전 해체 작업장 맞춤형 장비로, 방사선 분진이 많은 현장에서 정확한 공간선량률의 측정과 방사선 작업장 안전관리에 도움을 줄 수 있을 것으로 확신한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The designed drone-based unmanned remote radiation detection module was developed according to the needs of the nuclear power plant decommissioning workshop. Using the Geiger-Mueller tube sensitive to low-level radiation measurement, It was manufactured to measure the amount of radiation leaking int...

The designed drone-based unmanned remote radiation detection module was developed according to the needs of the nuclear power plant decommissioning workshop. Using the Geiger-Mueller tube sensitive to low-level radiation measurement, It was manufactured to measure the amount of radiation leaking into and out of the containment vessel. The drone-based radiation detection module weighs less than 200g, It can be operated inside and outside the containment vessel of a nuclear power plant. To check the performance of the designed equipment, a performance evaluation test was conducted with reference to the international standard (IEC-60864). The stability of the radiation detection module designed to meet the needs of the field the statistical rate of change by repeated measurements in the rate of change experiment to evaluate the measurement accuracy was ±4.6%. The accuracy ±7.3% in the linearity experiment to evaluate the dose rate dependence, the linear The figure satisfies the international performance evaluation standard of ±3.5%. The radiation detection module developed in this study is a customized equipment for a nuclear power plant dismantling workshop. It will be helpful for accurate measurement of space dose rate and safety management of radiation worksites in sites with a lot of radiation dust.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of signal Processing in radiation detection module.
그림 Fig. 2. Image of drone-coupled radiation detector module.
그림 Fig. 3. The chart of the coefficient of variance according to 10 replicates.
표 Table 1. Test of the coefficient of variance according to 10 replicates
표 Table 2. Linearity test of according to 7-point distance(unit: %)
그림 Fig. 4. Dose rate Linearity curve for reference and measured values.

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 원전해체 작업장에서는 배관 절단 및 시설을 해체하는 과정에서 많은 방사화된 분진과 기화된 방사선 증기 등 누설이 예상된다. 따라서 원전 해체 작업장에서 사고의 위험을 예측 할 수 있는 저준위 방사선 누설 지점을 파악할 수 있는 작업장 맞춤형 방사선 계측기 필요성이 요구됨에 따라, 본 연구에서 원전 해체작업 공정에서 배관 절단 등으로 발생하는 방사선 분진 및 방사화된 증기 등 종사자가 직접 측정할 수 없는 격납용기 내부의 공중 또는 외부 상공에서 측정이 가능한 드론 기반 무인 원격방사선 검출 모듈을 개발하였다. 원전 해체 작업장은 대부분 높이 100m 미만의 격납용기 안의 방사선 관리구역에서 작업이 이뤄지며, 복잡한 구조물로 인해 중, 소형 드론을 이용해서 사람이 접근할 수 없는 방사화된 구조물에 최대한 접근하여 방사선이 누설되는 정확한 지점을 찾을 수 있다.

제안 방법

2와 같이 표시창은 드론에 부착된 카메라로 실시간 모니터링 하기 위해 기존의 상용화된 서베이메터 보다 2~3배 큰 LCD (48 mm × 30 mm) 표시창을 사용하였으며 주간 및 야간에도 운용하기 위해 상시 Back light 기능을 추가하여 계측기 LCD 표시창에 기록되는 방사선 수치는 드론 카메라를 통해서 실시간으로 전송할 수 있게 제작하였다.

대상 데이터

일반적인 GMT 특성 중 단점은 방사선 에너지에 따른 출력 변동이 발생하는데 이를 보상하기 위해반경 25 mm 크기의 입사창 겉면에 납(pb) 1 mm 두께의 에너지 필터를 설치하여 에너지 간섭을 제거하였다. 전체 방사선 검출기 모듈 무게는 200 g 미만으로 원전 해체 작업장 격납용기 내부, 외부에서도 비행이 가능한 상용화된 중소형 드론에 탑재가 가능한 경량 무게로 제작하였다.

데이터처리

Fig. 4와 같이 측정값을 Y축에 놓고, 거리에 따른 이론적 기준값을 X축에 놓으면, 계측기 입사 창으로 들어오는 선량률을 측정한 출력값과 거리 역자 승 법칙에 따른 이론적 기준값과의 상대적 오차 범위를 구하여 선량률 증가에 따른 계측기 출력값의 선형성을 평가하였다.

성능/효과

본 연구에 개발한 핵심기술은 격납용기 내부의 어두운 공간이나 야간에도 운행할 수 있도록 GMT 표시창에 Back light 기능을 탑재하여 드론 카메라를 통해 야간 및 어두움 격납용기 내부에서도 실시간 방사선량률 모니터링이 가능하다. 180g 미만, 경량의 저준위에 민감한 GM 센서를 운용 할 수 있는 PCB를 개발하여 패이로드 문제를 해결하였으며, 원전 해체 격납용기 내부와 같이 좁은 공간에서도 운용이 가능한 중소형 드론에서도 탑재가 가능하도록 설계되었다. 원전 해체 현장의 요구에 맞게 설계된 무인 원격 방사선 검출 모듈의 안정성 평가를 위한 변동률 실험에서 반복 측정에 의한 통계적 변동률은 ± 4.
본 연구에 개발한 핵심기술은 격납용기 내부의 어두운 공간이나 야간에도 운행할 수 있도록 GMT 표시창에 Back light 기능을 탑재하여 드론 카메라를 통해 야간 및 어두움 격납용기 내부에서도 실시간 방사선량률 모니터링이 가능하다. 180g 미만, 경량의 저준위에 민감한 GM 센서를 운용 할 수 있는 PCB를 개발하여 패이로드 문제를 해결하였으며, 원전 해체 격납용기 내부와 같이 좁은 공간에서도 운용이 가능한 중소형 드론에서도 탑재가 가능하도록 설계되었다.
원전 해체 현장의 요구에 맞게 설계된 무인 원격 방사선 검출 모듈의 안정성 평가를 위한 변동률 실험에서 반복 측정에 의한 통계적 변동률은 ± 4.6%, 선량률 의존성을 나타내는 선형성 실험에서 정확도 ± 7.3%, 전체 선형도는 ± 3.5% 모두 성능평가를 위한 국제 기준을 만족하였다
따라서 방사선 계측기의 국제 성능 기준을 고려하여 사용자가 작업장 환경에 맞는 방사선 계측기에 대한 선택과 적용 및 성능에 대한 신뢰도를 간단한 실험 등을 통해 확인할 필요성이 있다. 특히 원전 해체 작업장과 같이 예상치 못한 사고가 잠재된 작업장 환경하에서 방사선 검출 장치의 성능평가를 위해 본 연구에서 제시한 계측기 변동률과 선형성 테스트 등 비교적 간단한 실험으로 계측기의 성능과 이상 유무를 빠른 시간내에 사용자가 확인을 할 수 있으며, 또한 검교정 기간 이내의 고장 및 오작동에 대해서도 쉽고 빠르게 확인을 할 수 있다. 원전 해체가 결정된 고리1호기 원전을 시작으로 2030년까지 국내 10여 기의 원전이 정지되면 순차적으로 해체작업이 진행된다.

후속연구

원전 해체 작업장 환경과 같이 방사화된 분진이 다발하는 환경하에서 무인 원격 계측기의 충격에 의한 손상과 방사화된 분진에 의한 방사선 계측기의 오염 등으로 여러 가지 오작동 가능성을 예상할 수 있다. 따라서 방사선 계측기의 국제 성능 기준을 고려하여 사용자가 작업장 환경에 맞는 방사선 계측기에 대한 선택과 적용 및 성능에 대한 신뢰도를 간단한 실험 등을 통해 확인할 필요성이 있다. 특히 원전 해체 작업장과 같이 예상치 못한 사고가 잠재된 작업장 환경하에서 방사선 검출 장치의 성능평가를 위해 본 연구에서 제시한 계측기 변동률과 선형성 테스트 등 비교적 간단한 실험으로 계측기의 성능과 이상 유무를 빠른 시간내에 사용자가 확인을 할 수 있으며, 또한 검교정 기간 이내의 고장 및 오작동에 대해서도 쉽고 빠르게 확인을 할 수 있다.
원전 해체 장비 및 측정 기술 개발은 시작 단계이다. 따라서 한국형 원전 해체 기술의 선점을 위해 작업장 환경에 맞는 방사선 측정 기술 및 장비 개발에 관한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
원전 해체 작업장은 대부분 높이 100m 미만의 격납용기 안의 방사선 관리구역에서 작업이 이뤄지며, 복잡한 구조물로 인해 중, 소형 드론을 이용해서 사람이 접근할 수 없는 방사화된 구조물에 최대한 접근하여 방사선이 누설되는 정확한 지점을 찾을 수 있다. 원전해체 작업장 사고 방지와 예측을 위해 자연 방사선과 분리 측정이 가능한 저준위 영역에서 미세한 누설 방사선량을 측정할 수 있는 맞춤형 장비는 사고를 사전에 예측하고 작업자 피폭을 줄이는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 현재 원전 해체는 국내외 40조에 육박한 시장이며, 2040년 이내에 전 세계적으로 100기의 원전이 해체될 계획을 가지고 있음에도 불구하고 원전 해체 측정 기술 및 장비는 걸음마 수준이며, 현재 국내 발전소에 운영되고 있는 장비들은 외산이 대부분을 차지하고 있다, 따라서 본 연구에서 원전 해체 작업장에서 운용이 가능한 무인 원격 방사선 검출 모듈을 개발하였다, 이러한 시도들이 한국형 원전 해체 기술 및 장비개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료되며, 새롭게 시도되는 원전 해체 산업에 측정 기술 및 장비의 국산화를 통해 세계 원전 해체 시장에 선점을 차지할 수 있기를 기대한다.
원전해체 작업장 사고 방지와 예측을 위해 자연 방사선과 분리 측정이 가능한 저준위 영역에서 미세한 누설 방사선량을 측정할 수 있는 맞춤형 장비는 사고를 사전에 예측하고 작업자 피폭을 줄이는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 현재 원전 해체는 국내외 40조에 육박한 시장이며, 2040년 이내에 전 세계적으로 100기의 원전이 해체될 계획을 가지고 있음에도 불구하고 원전 해체 측정 기술 및 장비는 걸음마 수준이며, 현재 국내 발전소에 운영되고 있는 장비들은 외산이 대부분을 차지하고 있다, 따라서 본 연구에서 원전 해체 작업장에서 운용이 가능한 무인 원격 방사선 검출 모듈을 개발하였다, 이러한 시도들이 한국형 원전 해체 기술 및 장비개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료되며, 새롭게 시도되는 원전 해체 산업에 측정 기술 및 장비의 국산화를 통해 세계 원전 해체 시장에 선점을 차지할 수 있기를 기대한다.

참고문헌 (10)

H. K. Kim, Y. J. Kim, "Seeking Principles for a Korean Nuclear Decommissioning System from a Comparative Perspective", Journal of International Area Studies, Vol. 19, No. 1, pp. 3-32, 2015.
Kori nuclear power plant environmental radiation monitoring system https://www.busan.go.kr/safety/ahradiationsys0203
Nuclear power plant mobile radiation monitoring http://sunesc.or.kr/monitoring/radiation/portable
Y. Sanada, T. Orita, T. Torii, "Temporal variation of dose rate distribution around the Fukushima Daiichi nuclear power station using unmanned helicopter", Applied Radiation and Isotopes, Vol. 118, pp. 308-316, 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.09.008

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S. U. Lee, Y. S Choi, K. M. Jeong, "Domestic Recent Works on Robotic System for Safety of Nuclear Power Plants", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 36, No. 4, pp. 323-329, 2019. http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2019.36.4.323

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S. Tsuda, K. Saito, "Spectrum?dose conversion operator of NaI(Tl) and CsI(Tl) scintillation detectors for air dose rate measurement in contaminated environments", Journal of Environmental Radioactivity, Vol. 166, No. 3, pp. 419-429, 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvrad.2016.02.008

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Y. Y. Ji, B. I. Min, K. S. Suh, S. Y. Joung, K. P. Kim, J. H. Park, "Technical Status of Environmental Radiation Monitoring using a UAV and Its Field Application to the Aerial Survey", Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, Vol. 25, No. 5, pp. 31-39, 2020. https://doi.org/10.9723/jksiis.2020.25.5.031

원문보기 상세보기
H. J. Kim, H. J. Kim, "Optimization of Gamma-ray Detector Structure for Drone in case of Radiation Accident", The Society for Aerospace System Engineering (SASE), pp. 163-166, Aerospace System Engineering Spring Conference, 2018.
S. J. No, T. J. Park, Y. K. Lim, "A Study on the Radiation Performance Testing and Evaluation Technology for Survey Meter Based on International Standards", Journal of Radiation Industry, Vol. 15, No. 2, pp. 99-106, 2021. http://dx.doi.org/10.23042/radin.2021.15.2.99
IEC 60846-1, Radiation protection instrumentation - Ambi- ent and/or directional dose equivalent (rate) meters and/or monitors for beta, X and gamma radiation - Part 1: Portable workplace and environmental meters and monitors, 2009.

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