[논문]사용후핵연료 축방향 연소도 분포를 이용한 사용후핵연료 검사 방법론

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문주현 (동국대학교) , 박병기 (순천향대학교) , 김신 (제주대학교) , 이봉수 (건국대학교)

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원전에서 연소된 핵연료집합체는 건전성 확인 등의 목적을 위해 검사된다. 현재, 국내 원전에서는 계획예방정비기간 중 사용후핵연료 집합체 형상에 대해 육안검사 및 초음파검사를 수행하고 있다.
따라서 본 연구에서는 사용후핵연료 집합체를 원자로에서 인출하는 과정에서 실시간으로 검사하여, 사용후핵연료 집합체의 결함여부를 보다 용이하게 판별할 수 있는 방법론을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 상기의 방법론을 구현하기 위해, 현재 사용후핵연료 집합체로부터 방출되는 중성자를 계측하기 위한 계측센서를 개발하고 있다. 이 중성자 계측센서는 중성자를 흡수하여 (n, a), (n, P) 반응을 일으켜 a 또는β입자를 발생시키는 중성자 반응물질 (®LiF 등)과 발생된 a 또는β입자와 반응하여 섬광을 발생시키는 섬광물질(ZnS:Ag 등)이 함유 또는 부착된 광섬유로 구성되어 있다.

또한 그래프 상 왜곡된 부분이 발견될 경우, 그곳에 해당하는 핵연료집합체 위치에 이상이 있을 가능성이 높다. 계측오류가 있을 경우, 위와 같은 그래프의 불일치나 왜곡이 발생할 수 있지만, 여기에서는 계측오류의 발생은 무시하는 것으로 가정한다.

먼저, 사용후핵연료 집합체의 축방향 연소도 분포를 구한다. 검사대상 핵연료집합체와 동일한 설계변수에 대해, 전산코드(MASTER 코드 등)를 이용하여 사용후핵연료 집합체의 축방향 방출 연소도 분포를 구한다. 핵연료집합체 설계변수에 따라 축방향 연소도 분포가 조금씩 달라질 수 있으나, 대략적으로 그림 1과 같은 모양을 가지게 될 것이다.
그 다음 원자로에서 핵연료집합체를 stepwise로 인출하면서 핵연료집합체 측면에서 방출되는 중성자율을 중성자계측기(예: Fission Chamber)를 통해 계측한다. 이 중성자율 계측값을 Fig.
1의 오른편 그림과 같이 핵연료집합체 축방향을 z축으로 놓고 그래프를 그린다. 마지막으로 중성자율계측값 그래프의 모양과 계산을 통해 구한 핵연료집합체 축방향 연소도 그래프의 모양을 비교하여 일치여부를 판단한다. 이때 두 그래프의 모양이 일치하지 않으면 해당 핵연료집합체가 정상적으로 연소되지 않았을 가능성이 높다.

핵연료집합체 설계변수에 따라 축방향 연소도 분포가 조금씩 달라질 수 있으나, 대략적으로 그림 1과 같은 모양을 가지게 될 것이다. Fig. 1은 국내 웨스팅하우스형 핵연료집합체 16개를 대상으로 축방향 연소도 분포를 구한 것이다.

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