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(A) novel method for fast partial defect detection for spent fuel safeguards = 사용후핵연료 안전조치를 위한 고속 부분결손 계측 방법론 개발
서명 / 저자 (A) novel method for fast partial defect detection for spent fuel safeguards = 사용후핵연료 안전조치를 위한 고속 부분결손 계측 방법론 개발 / Haneol Lee.
저자명 Lee, Haneol ; 이한얼
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

As the number of nuclear power plants increases worldwide, the importance of nuclear safeguards is increasing. International Atomic Energy Agency (IAEA) recommends all spent fuel assemblies has to be verified completely before spent fuel storage. The complete verification includes correctness verification and completeness verification. The correctness verifies whether the declared information of target material is correct or not. The completeness verifies whether the declared amount of nuclear material exists or not. The completeness verification includes gross and partial defect detection. However, methods for partial defect detection have some limitations to verify all spent fuel assemblies: long detection time and frequent maintenance. This dissertation designed a scintillator – photodiode based partial defect detector (SPDD) to overcome this limitations. Passive gamma photons from spent fuel is initially converted into visible photons via a scintillator. The scintillated photons are then converted into electric current using a photodiode. Since SPDD does not require signal amplifier and additional structure, it has fast screening capability and less maintenance compared to conventional methods. SPDD consists of a number of detector legs. Each detector leg consists of a CdWO4 scintillator, amorphous silicon photodiode, and structural material. Detector legs are inserted inside guide tubes of spent fuel assemblies. SPDD then measures the generated current at each guide tube location. Since dummy material do not emit gamma photons, generated current near dummy fuel rods decreases compared to the other locations. SPDD is operated based on the following two assumptions: 1) Given operator provided information and 2) No diversion in fresh spent fuel assemblies. SPDD performs initial verification for all spent fuel assemblies at the beginning of the storage. Initial verification compares the estimated and measured SPDD current. Estimated current can be calculated using operator provided information and lattice physics code. Since no dummy fuel rods exist in fresh fuel, initial verification generates current distribution database for all spent fuel assemblies. Once initial is finished, regular verification is performed. Regular verification compares the measured SPDD current distribution and current distribution in database. If the difference is larger than an SPDD detection criterion, target assembly becomes suspicious assemblies to have partial defects. The suspicious assemblies can be re-verified using conventional methods with high accuracy and long detection time. This dissertation developed a computational model to describe real measurement results. The model was validated by lab-scale experiments using gamma sources and mockup SPDD. The detection criterion was quantified based on uncertainty analysis. The performance of an SPDD was demonstrated using test case spent fuel assemblies with partial defects. The dissertation is organized as follows. Chapter 2 analyzes the characteristics of conventional detectors for spent fuel verification based on the literature and demonstrates the limitations of conventional partial defect detection methods. Chapter 3 describes the design of the proposed detector and operating principle. Chapter 4 develops a computational model to analyze the performance of the proposed detector since the direct use of spent fuel is almost impossible. Chapter 5 evaluates the performance of the proposed detector based on the results of Chapters 3 and 4. Chapter 6 consists of the overall summary, discussion, and conclusion of the dissertation.

국제 원자력 기구 (IAEA)에 따르면 핵물질 안전조치 (Safeguards) 는 핵물질이 평화적인 목적 이외의 용도로 전용되었는지를 검증하는 기술적인 조치이다. 이러한 안전조치를 수행하는 이유는 시간적 목표 이내에 유의량만큼의 대상 핵물질이 전용되는것을 계측하기 위함이다. 따라서 안전조치를 이행하는 장비들은 계측 능력뿐만 아니라 빠른 계측을 갖추어야 한다. 전체적인 핵물질 안전조치는 격납및 감시와 핵물질 검증으로 구분할 수 있다. 이 중 핵물질 검증은 대상 핵물질의 정확성과 완전성을 검증하게 된다. 부분결손은 사용후핵연료의 일부 핵연료봉이 더미물질로 전용되거나 사라지는 것으로 정의되며, 핵물질의 완전성을 확인하기 위하여 검사된다. 부분결손 검증은 “사용후핵연료는 최종 처분 이전 정확성 및 완전성을 전체적으로 검증받아야 한다” 라고 하는 IAEA의 권고사항을 만족시키기 위하여 진행된다. 따라서 현재 사용후핵연료의 심지층 처분을 앞두고 있는 스웨덴, 핀란드와 같은 북유럽 국가들에 의하여 부분결손 검사 장비 개발 연구가 진행되고 있다. 앞으로 대한민국 또한 심지층 처분을 고려하고 있기 때문에 이 문제에 대한 고려가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 계측 속도와 성능을 겸비한 새로운 부분결손 계측기를 개발하고자 한다. 계측기의 개발을 위하여 현존하는 부분결손 계측기들의 현황에 대하여 문헌조사를 수행하였다. 부분결손을 검사하기 위해서는 개별적인 사용후핵연료에 대한 접근이 가능하여야 한다. 노심에서 방출된 이후 이를 만족하는 공간은 소내 저장조, 임시저장시설, 그리고 밀봉처리시설이 있다. 현재까지의 연구에서는 건식저장환경에서 부분결손 계측 장비의 건전성이 유지되는지에 대한 검증이 이루어지지 않았기 때문에 본 연구 또한 일차적으로 개발하고자 하는 계측기를 위의 장소 중 습식 저장 환경인 소내 습식 저장소와 습식 임시저장시설에 적용할 것이다. 현재 다양한 사용후핵연료 검증 장비들이 존재하지만, 이 중 부분결손 계측이 가능한 계측기로는 대표적으로 Digital Cerenkov Viewing Device (DCVD), Partial Defect Detector (PDET), 및 Passive Gamma Emission Tomography (PGET)가 있다. 각각의 장비들은 부분결손 계측 능력을 가지고 있으나 긴 계측시간, 잦은 유지보수, 특정 환경에서만 계측이 가능하다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계점 때문에 현재는 전체 사용후핵연료집합체중 일부를 선별하여 검증을 진행한다. 따라서 이러한 한계점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 섬광체 기반의 부분결손 계측기 (SPDD)를 개발하였다. 개발된 SPDD는 일차적으로 전체 사용후핵연료가 정상인지의 유무만을 빠른 시간안에 검증하게 된다. 이후 일차 검증에서 정상이 아닐 것으로 의심되는 집합체에 대해서 현존하는 계측기를 이용하여 재검증을 수행하게 된다. 이러한 2단계 검증 과정을 통하여 모든 사용후핵연료의 부분결손을 검증할 수 있게 된다. 하나의 SPDD는 여러 개의 계측부로 구성되어 있으며 각각의 계측부 내부에는 섬광체 – 광전지 기반의 계측기가 들어있다. 각각의 계측부는 사용후핵연료 집합체의 가이드관 내부에 삽입되며 섬광체 – 광전지를 이용하여 사용후핵연료에서 방출되는 감마선을 전류로 변환한다. 변환된 전류의 세기가 사용후핵연료의 각 가이드관 근처의 감마선 세기와 비례하기 때문에 부분결손 계측이 가능하다. 또한 섬광체 – 광전지를 이용하여 추가적인 신호증폭 없이 감마선 계측이 가능하기 때문에 빠른 계측 및 적은 유지보수라는 장점을 가진다. 섬광체 및 광전지 물질은 높은 내방사성, 섬광체의 광자생성량, 그리고 섬광발생 광자와 광전지 밴드갭의 에너지 적합성을 고려하여 CdWO4 와 비결정질 실리콘을 선정하였다. SPDD는 다음과 같은 두 가지 전제조건을 가진다: 1) 방출된 직후의 사용후핵연료에는 부분결손이 없다, 2) 운전원으로부터 연소이력이 제공된다. SPDD는 일차적으로 모든 사용후핵연료가 처음 저장될 때 초기검증을 진행하여 각 집합체의 가이드관에서의 전류분포를 얻게 된다. 이후 저장기간동안의 정기 검사시에는 초기검증의 전류분포값과 정기검사의 전류분포 계측값을 비교하여 부분결손 유무를 판단하게 된다. 각각의 검증 및 검사과정은 다음과 같이 진행된다. 먼저 주어진 연소이력을 이용하여 SPDD의 각 가이드관에서 생산되는 전류의 분포를 추정한다. 그 이후 SPDD를 이용하여 대상 집합체를 계측한다. SPDD전류 분포의 추정값과 계측값을 비교한 뒤, 그 차이가 계측기준보다 크다면 대상 집합체가 부분결손을 포함하는것으로 의심하여 재검증을 진행하게 된다. SPDD를 이용한 부분결손 계측 방법을 고안하기 위하여 다음과 같은 다섯 가지의 연구가 진행되었다. 첫 번째는 섬광체 기반의 계측기의 사용후핵연료 저장 환경에서의 적용 타당성을 평가하는 것이다. 두 번째는 운전원으로부터 제공된 연소이력을 이용하여 각 가이드관에서의 SPDD 생산전류 분포를 추정하는 것이다. 세 번째는 실제 사용후핵연료를 직접 사용하여 SPDD 계측값을 얻는 것이 거의 불가능하기 때문에 이를 모사하는 전산모델을 개발하는 것이다. 네 번째는 SPDD를 이용하여 정상 집합체와 부분결손 집합체를 구분하는 구분 기준을 설립하는 것이다. 다섯 번째는 연구 결과를 바탕으로 하여 SPDD의 부분결솔 계측 타당성을 평가하는 것이다. 첫 째, 고방사능 환경에서 섬광체 물질의 적용타당성을 평가하기 위하여 모형 SPDD를 제작하였다. 모형 SPDD에는 200mCi Cs-137이 감마선원으로 사용되었다. CdWO4 섬광체를 감마선 및 중성자에 조사시킨 뒤 조사 전후 모형 SPDD의 생산전류를 비교하였다. 실험 결과 모형 SPDD의 조사 전후 생산 전류가 차이를 보이지 않는다는 것을 확인하였다. 추가적으로 조사 실험의 결과를 바탕으로 노이즈 대비 생산전류의 세기가 충분히 크다는 점과 5초 이내의 빠른 계측이 가능하다는 것 또한 확인하였다. 둘 째, 운전원 정보를 이용하여 가이드관 위치에서의 SPDD 전류분포를 추정하기 위해서 일차적으로 SCALE-DEPL 모듈과 같은 격자계산 기반의 연소계산 코드를 사용하여 집합체 내부 핵연료봉의 개별적인 연소도를 계산하였다. 그 이후 MCNPX 코드를 이용하여 가이드관과 핵연료봉의 거리에 따른 감마선 감쇄 효과를 계산하였다. 그 이후 각각의 위치에 따른 계산된 감쇄효과와 각 연료봉의 연소도를 이용하여 가이드관에서의 상대적인 전류분포를 추정하게 된다. 셋 째, 실제 사용후핵연료를 이용한 계측실험을 수행하는것이 규제 및 제도적인 문제들로 인하여 불가능했기 때문에, 이를 모사하는 전산모델을 개발하였다. 전산모델은 감마 선원항 계산부, 섬광체 분석부, 그리고 생산전류 계산부로 이루어져 있다. 감마 선원항 계산부는 SCALE-DEPL 및 OrigenArp코드로 구성되어있으며 각 연료봉의 감마 선원항을 계산하게 된다. 섬광체 분석부는 계산된 감마 선원항을 MCNPX 코드의 선원으로 입력하며 주어진 구조에서 섬광체 내부에서 발생하는 가시광선의 세기를 계산한다. 계산된 광자의 세기를 입력값으로 하여 생산전류 계산부에서는 각 가이드관 내부의 SPDD계측부에서 생산되는 전류를 계산한다. 이 전산모델의 계산과정을 검증하기 위하여 200mCi 와 2,200Ci 의 Cs-137 감마 선원을 이용한 검증실험을 진행하였다. 검증실험을 통하여 모델 계산값과 계측값이 일치하는 것을 확인하였다. 넷 째, SPDD가 추정값과 계측값을 비교하기 때문에, SPDD의 계측기준을 설립하기 위해서 추정 전류의 불확도와 계측 전류의 불확도를 계산하여 비교하고자 하였다. 그러나 본 연구에서는 계측 전류를 전산모델을 통해 모사하였기 때문에 추정한 전류의 계산과정과 계측 모사 모델을 이용한 계산과정의 불확도를 통합하여 SPDD의 종합적인 불확도를 계산하였다. 계측 기준을 설립할 때에는 95%의 신뢰구간을 보장하기 위하여 SPDD의 종합 불확도에 1.96배의 마진을 추가로 적용하였다. 본 연구에서 계산한 SPDD의 계측기준은 집합체의 종류에 따라서 10.69~10.84%으로 계산되었다. 이 계측기준의 타당성을 평가하기 위하여 SPDD의 계측기준을 기존 계측기들인 Fork Detector (FDET)와 PDET의 계측기준과 비교하였다. 기존 계측기들의 계측기준이 계측값의 10~11% 인 것으로부터 본 연구에서 계산한 SPDD의 계측기준이 타당한 값이라는 것을 확인하였다. 최종적으로 현재까지 진행한 연구 결과를 기반으로 하여 SPDD를 이용한 부분결손 계측 타당성을 평가하였다. 평가를 위하여 실제 고리1호기 내부의 부분결손 사용후핵연료를 포함한 5개의 부분결손 집합체가 사용되었다. 적용 타당성을 평가하기 위하여 초기검증 과정에서 추정 전류분포와 계측 전류분포를 모사한 모델의 전류분포를 비교하였다. 그 이후 5~50년의 저장기간동안 정기 검사를 진행할 때 정상 집합체와 부분결손을 포함한 집합체의 전류분포 차이를 비교하였다. 비교 결과 추정값과 계측값을 모사한 모델값이 일치하며 저장기간에 관계없이 부분결손 집합체에서 유의미한 전류 감소가 발생하는 것을 확인하였다. 추가적으로 SPDD와 기존 계측기들의 경제성을 분석하였다. 경제성은 계측기의 재료물질, 구조물질, 및 유지보수 비용을 합하여 평가되었는데, 기존 계측기의 비용대비 SPDD의 비용이 20~30%정도인 것으로 계산되었다. 따라서 부분결손 계측능력 및 경제적인 측면을 고려했을 때 SPDD는 부분결손 검증을 위해 매력적인 계측 장비라는 것을 확인하였다. 개발한 SPDD의 한계점으로는 아직까지는 실제 프로토타입 계측기와 사용후핵연료를 이용한 실제 현장에서의 실험이 진행되지 않았다는 점이 있다. 이를 해결하기 위하여 프로토타입 SPDD 제작 및 실제 사용후핵연료를 이용할 수 있는 장소를 국내외에서 탐색하고 있다. 추가적으로 가이드관의 개수가 적은 집합체의 경우 외곽에 있는 소수의 핵연료가 전용되는 경우에는 계측이 힘들다는 것이 현재 SPDD의 한계점이라고 볼 수 있다. 이 경우에는 현재 SPDD의 계측기준을 총 SPDD불확도의 1.96배로 정의한 것을 1배로 적용하는 방식과 같이 계측기준의 보수성을 줄임으로써 해결할 수 있다. SPDD는 섬광체 – 광전지 기반의 단순하고 직접적인 계측방식을 이용하기 때문에 빠른 계측 속도와 적은 유지보수라는 강점을 가지고 있다. 또한 몇 개의 선별된 집합체가 아닌 모든 집합체를 검증할 수 있다는 특징을 가진다. 이러한 특성을 고려하였을 때 개발된 SPDD가 많은 수의 사용후핵연료 집합체가 저장되어있는 대형 습식 임시저장시설 혹은 IAEA 사찰관이 자주 방문하기 어려운 격오지에 존재하는 SMR의 사용후핵연료 저장조에 적용되는 것이 적합할 것으로 판단된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DNQE 18014
형태사항 vi, 135 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이한얼
지도교수의 영문표기 : Man-Sung Yim
지도교수의 한글표기 : 임만성
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 원자력및양자공학과,
서지주기 References : p. 121-128
주제 Nuclear safeguards
material verification
fast partial defect detection
scintillator - photodiode detection
passive gamma detection
핵물질 안전조치
수량검증
고속 부분결손 계측
섬광체 - 광전지 기반 감마계측
감마선 계측
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