Measurements of thermal neutron distribution of nuclear fuel using a plastic fiber-optic sensor

플라스틱 광섬유 센서를 이용한 핵 연료의 열중성자 분포도 측정

장경원·조동현·유욱재·서정기·허지연·이봉수

^†

*

**

***

****

Measurements of thermal neutron distribution of nuclear fuel using a plastic fiber-optic sensor

Kyoung Won Jang

Dong Hyun Cho

Wook Jae Yoo

Jeong Ki Seo

Ji Yeon Heo

Bong Soo Lee ^† , Joo Hyun Moon * , Byung Gi Park ** , Sin Kim *** , and Young-Ho Cho ****

Abstract

In this study, plastic optical fiber sensors which can measure thermal neutron dose in a mixed neutron-gamma field are developed and characterized. Using

Cf and

Co sources, the scintillators suitable for thermal neutron detection, are tested and the scintillating lights generated from a plastic optical fiber sensor in the Kyoto University Critical Assembly (kuca) core are measured. Also, the distributions of thermal neutron and gamma-ray are measured in a mixed field as a function of the distance from the center of the reactor core at KUCA and the distribution of thermal neutron is obtained using a subtraction method. Sensitivity of the fiber-optic radiation sensor system is about 0.49 V/mW according to power of the KUCA core and its relative error is about 1.2 %.

Key Words : plastic optical fiber sensor, thermal neutron, organic scintillator, mixed thermal neutron and gamma field

1. 서 론

방사선 계측에 있어서 중성자 계측은 타 방사선 계 측에 비해 많은 어려움이 있다 . 중성자는 전하를 가지 고 있지 않기 때문에 타 입자선에 비해 물질과 반응할 확률이 낮으며 대부분의 경우 방사선 측정용 섬광체와 직접적으로 반응하지 않는다 ^[1] . 그러므로 중성자 계측 을 위해서는 일반적으로 중성자와 반응하여 입자선을

방출하는 전환체 (converter) 를 필요로 한다 . 중성자는

크게 그 에너지에 따라 열중성자 (thermal neutron) 와

속중성자 (fast neutron) 로 분류할 수 있으며 , 각각에 반

응하는 전환체로 ⁶ Li 과 ²³² Th 을 그 예로 들 수 있다 ^[2-4] .

전환체를 사용하지 않고 금선 (Au wire) ^{을 이용한 방사}

화 방법 (activation method) 을 사용하여 열중성자를 측 정할 수 있으나 이와 같은 방법은 실시간 계측이 불가

능하고 값비싼 카드뮴 호일 (Cd foil) ^{을 사용해야 하는}

등의 단점이 있다 . 이에 반해 전환체와 섬광체를 사용 한 광섬유 방사선 센서는 센싱부의 부피가 작아 공간 분해능이 뛰어나고 실시간 검출이 가능하며 상대적으 로 제작비용이 적다는 장점을 가진다 .

일반적으로 광섬유를 이용한 방사선 센서는 섬광체 ,

광섬유 그리고 광 검출기로 구성된다 ^[5-9] . 섬광체는 구

성성분에 따라 무기섬광체와 유기섬광체로 나눌 수 있 으며 계측 방사선의 특성에 따라 선택적으로 사용이 가능하다 . 이러한 섬광체는 광섬유 방사선 센서의 센서

부 (sensing probe) 의 역할을 하며 부가적으로 전환체를

사용하여 중성자 검출용 광섬유 방사선 센서의 센서부 를 구성하게 된다 . 광섬유는 섬광체에서 발생된 섬광빛 을 광 계측 장비로 전달해 주는 역할을 한다 . 신호계측 및 전달에 있어 광섬유는 온도 , 압력 , 전자기파에 의해 영향을 받지 않으며 원거리 신호 전송 가능 , 실시간 계

건국대학교의학공학부의공학실용기술연구소

(School of Biomedical Engineering, Research Institute of Biomedical Engineering, Konkuk University)

*

(Department of Energy & Environmental System Engineering, Dongguk University)

**

(Department of Energy & Environmental Engineering, Soonchunhyang University)

***

(Department of Nuclear & Energy Engi- neering, Applied Radiological Science Research Institute, Cheju National University)

****

(Department of Radiological Science, Catholic University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : July 10, 2009, Revised : August 26, 2009

Accepted : September 22, 2009)

측 등 많은 장점을 가지고 있다 ^[10] . 그러므로 방사선 및 다른 물리량 ( ^온도 , ^압력 , ^{거리 등} ) ^{계측 센서에 그 활용}

도가 높다 . 섬광량 검출기로는 주로 광증배관 (PMT:

photomultiplier tube) 을 사용한다 ^[2-4,7] . 광증배관은 미세 한 섬광빛 신호를 증폭하여 전기신호로 출력하는 장비 로서 그 종류에 따라 파장 민감도가 다르고 대부분의 경우 가시광선 영역에서 최대 민감도를 갖는다 .

원자로에서 발생되는 열중성자의 경우 항상 감마선 을 동반하므로 열중성자 측정을 위해서는 감마선에 의 해 섬광체에서 발생되는 섬광빛을 구분할 필요가 있다 .

그러므로 본 연구에서는 전환체와 섬광체를 이용하여 열중성자와 감마선을 모두 계측하는 센서와 섬광체만 을 이용하여 감마선을 계측하는 센서를 각각 제작하였 고 두 센서의 차로 열중성자를 계측하였다 . 그리고

252 Cf 와 ⁶⁰ Co 선원을 이용하여 센서들의 열중성자 계측

적합성을 시험하였고 시험된 센서를 이용하여 일본 교 토대학교 연구용 임계원자로 (kyoto university critical

assembly, KUCA) 에서 원자로의 출력에 따른 섬광량을

측정하였다 . ^{마지막으로 핵연료} ( ²³⁵ U) ^{의 중심으로부터}

거리에 따른 센서의 섬광량을 측정하여 열중성자 및 감마선의 분포도를 측정하였다 .

2. 실험 재료 및 방법

본 연구에 사용된 광섬유 (SH4001, Mitsubishi) 는 외 경이 1 mm 이고 , 코어 (core) 는 0.98 mm, 클래딩 (clad-

ding) ^{의 두께는} 0.01 mm ^이다 . ^{또한 광섬유 코어는}

PMMA 재질로 굴절률 (n core ) 은 1.492, 클래딩은 불소 중 합체 (fluoropolymer) 로서 굴절률 (n cladding ) 은 1.402 이며 ,

이에 따른 광섬유의 개구수 (NA: numerical aperture) ^는 0.510 이다 . 광섬유의 감쇄율 (attenuation rate) 은 650 nm

파장의 빛에서 0.20 dB/m 이하이며 490 nm 에 대해서 는 약 0.10 dB/m ^이하이다 .

본 연구에서는 연구에 사용된 광섬유의 굽힘 및 비 틀림에 따른 영향을 알아보기 위해 기초 실험을 수행

하였다 . 본 실험에서 광섬유의 길이는 50 cm 로 고정하

였고 광원은 490 nm 파장의 LED 를 사용하였다 . 굽힘 각은 0 ^o , 45 ^o , 90 ^o , ^{굽힘 반경은} 10, 15, 20 mm, ^그리고

비틀림 각은 0 ^o , 360 ^o , 720 ^o 로 두고 실험을 수행하였다 .

Fig. 1(a) 는 광섬유의 굽힘 각도 및 굽힘 반경에 따른

상대 광량 측정결과이다 . ^{굽힘 각도가 커질수록} , ^그리

고 굽힘 반경이 작을수록 손실되는 광량이 미세하게 증가하는 것을 알 수 있다 . 본 실험에서 굽힘 각이 90 ^o ,

굽힘 반경이 10 mm ^{일 경우에 굽힘 손실이 가장 컸으}

며 , 0 ^o 일 때와 약 1 % 의 오차를 가졌다 . Fig. 1(b) 는 비

틀림 각도에 따라 측정된 상대적 광량을 보여주고 있 으며 비틀림 각도와는 거의 무관하게 일정한 광량이 측정되는 것을 확인할 수 있다 .

실험 결과 , 90 ^o 정도의 굽힘은 측정 결과에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다 . ^{본 연구에서는 이러}

한 영향을 최소화 하기 위해 거리조절장치 (driving

unit) 를 사용한 실험을 제외하고 광섬유의 움직임이 거

의 없도록 고정한 후 , ^{실험을 진행하였다} .

열중성자 검출을 위해 사용된 전환체는 열중성자와 반응하여 알파입자 ( α -particle) 를 방출하는 ⁶ LiF 를 사용

하였다 . Fig. 2 ^{는 열중성자와 감마선 혼합영역에서 6} LiF

전환체를 이용한 열중성자의 계측원리를 보여주고 있다 .

열중성자에 의해 ⁶ LiF 에서 2.05 MeV 의 알파입자가 방 출되고 이러한 알파입자들은 섬광체와 반응하여 섬광빛 을 발생하게 된다 . 이 경우 일반적으로 감마선도 동시 에 발생하게 되는데 이에 의한 섬광빛은 전환체가 없는

동일한 섬광체를 사용하여 계측 가능하고 감법 (subtrac-

Fig. 1. Measurements of relative amount of lights according

to bending and twist of plastic optical fiber ((a)

bending, (b) twist).

tion method) 을 이용하면 쉽게 제거할 수 있다 .

본 연구에서 사용한 섬광체는 원통형의 유기섬광체

(BCF-20, Saint Gobain) 로서 지름이 1mm, 길이는 10mm

이다 . 유기섬광체 BCF-20 은 492 nm 의 최대방출파장

(wavelength peak) 을 가지며 MeV 당 8000 개의 광자를 방출한다 . Fig. 3 은 전환체인 ⁶ LiF 와 유기섬광체 BCF-

20 ^{을 이용한 열중성자} · ^{감마선 계측 센서의 구조를 보}

여주고 있다 . 열중성자 · 감마선 계측 센서는 열중성자 와 감마선 모두를 측정해야 하므로 ⁶ LiF 에 의한 감마 선의 감쇄 (attenuation) ^{가 거의 없도록 6} LiF ^{의 두께는} 1 mm 로 제작하였다 . 유기섬광체와 광섬유의 접합면은 굴곡 및 흠집을 제거하기 위해서 여러 종류의 폴리싱

패드 (polishing pad) ^{를 이용하여 연마하였고 외부로부}

터의 광 노이즈를 최소화하기 위해서 검은색 페인트를 센서 주위에 도포하였다 . 감마선 계측 센서의 경우 전 환체를 제외하고 열중성자 · ^{감마선 계측 센서와 동일한}

구조를 갖는다 .

섬광량 계측을 위한 광 검출장치로는 광증배관

(H7546, Hamamatsu photonics Inc.) ^{을 사용하였다} . ^실험

에 사용된 광증배관의 측정 파장 범위는 300~650 nm

이며 420 nm ^{에서 최대 민감도를 갖는다} . ^{광증배관에서}

발생되는 전기신호를 증폭하기 위해서 별도로 제작한

증폭기 (amplifier) 시스템을 사용하였으며 증폭기를 통

해 최종적으로 발생된 전압은 LabVIEW ^{를 이용하여 측}

정하였다 . 최종 신호는 SCA(single channel analyzer) 나

MCA(multichannel analyzer) 를 거치지 않았으므로 파 고스펙트럼 (pulse height spectrum) ^{이 아니며 증폭기를}

통한 증폭된 광량으로 볼 수 있다 . 이러한 광량은 섬광 체에서 발생되는 광자의 수에 비례하여 발생되므로 중 성자나 감마선에 의해 섬광체에서 발생되는 광 출력에 비례하게 된다 .

Fig. 4 는 교토대학교의 연구용 원자로 (KUCA) 에서

열중성자 및 감마선 분포도 측정을 위한 실험구성을

보여주고 있다 . 본 연구에서 사용된 핵 연료봉 (fuel

rod) ^은 134 mm ^{길이의 우라늄} ( ²³⁵ U) ^{원료와 양끝으로} 760 mm 의 폴리에틸렌 (polyethylene) 반사체로 구성되 어 있다 . 핵 연료봉의 중심으로부터 거리에 따른 열중

성자의 분포도를 측정하기 위해 스테핑 모터 (stepping

motor) 를 이용한 거리조절장치를 사용하였고 충분한

거리 확보를 위해 20 m 길이의 플라스틱 광섬유를 사용

하였다 . ^{본 연구에 사용한 광섬유의 감쇄율은} 490 nm

파장의 빛에 대해서 약 0.10 dB/m 이하이므로 20 m 길

이의 광섬유 사용으로 인해 약 2.0 dB 이하의 감쇄가

발생할 수 있다 . ^{그러나 실험 시 동일한 광섬유를 길이}

변화 없이 사용했으므로 동일한 조건에서 모든 실험이 수행되었다고 판단할 수 있으며 20 m 길이의 사용으로 인한 감쇄는 실험 결과에 영향을 주지 못한다 .

3. 결과 및 고찰

Fig. 5(a) 는 ⁶⁰ Co 에서 방출되는 감마선을 조사하였을 때 열중성자 · ^{감마선 센서와 감마선 센서에서 발생되는}

섬광량을 보여주고 있다 . ⁶⁰ Co 은 감마선선원으로서 Fig. 2. Schematic diagram of thermal neutron detection

using a

LiF and scintillator in mixed thermal neutron and gamma field.

Fig. 3. Structure of fiber-optic thermal neutron · gamma sensor using

LiF and BCF-20.

Fig. 4. Experimental setup for measuring the distributions

of thermal neutron and gamma.

1.173 MeV ^와 1.332 MeV ^{의 감마선을 방출한다} . 314 keV

의 베타선 또한 방출하지만 선원을 보호하는 스틸샤프 트 (steel shaft) 에 의해 거의 흡수된다 . 본 연구에서 열 중성자 계측을 위해 사용된 ⁶ LiF ^{는 감마선과의 상호작}

용이 거의 없어야 하며 섬광체를 이용한 감마선 계측 에 영향을 주지 않아야 한다 . 그러므로 ⁶ LiF 를 사용한 센서와 사용하지 않은 센서는 동일한 섬광량을 방출해 야 한다 . 실험결과 , ⁶ LiF 를 사용한 센서와 사용하지 않

은 센서는 ⁶⁰ Co ^{의 감마선에 대하여 약} 3 % ^{의 차이를}

갖는 거의 동일한 섬광량을 방출하였다 .

Fig. 5(b) 는 중성자 선원인 ²⁵² Cf 에 의해서 열중성 자 · ^{감마선 센서와 감마선 센서에서 방출되는 섬광량}

측정 결과를 보여주고 있다 . 일반적으로 ²⁵² Cf 는 평균

2.15 MeV 의 속중성자와 평균 0.87 MeV 의 감마선을

방출한다 . ^{그러므로 본 실험에서는 열중성자의 비율을}

높이기 위해 5 cm 의 폴리에틸렌 블록 (block) 을 감속제

(moderator) 로 이용하였다 . 감속제의 두께를 더 두껍게

하여 열중성자의 비율을 높일 수 있으나 중성자속

(neutron flux) 이 줄어들게 되어 5 cm 이상의 감속제는 사용할 수 없었다 . 실험 결과를 살펴보면 ⁶ LiF ^{를 사용}

한 센서의 섬광량이 사용하지 않은 센서 보다 56 % 많

은 것을 확인할 수 있다 . Fig. 5(a) 의 결과에서 감마선

에 의해 두 센서에서 발생되는 섬광량은 거의 동일하므

로 ⁶ LiF 를 사용한 센서의 섬광량 중 44 % 는 감마선에

의한 것이며 나머지 56 % ^{는 열중성자에 의해 6} LiF ^에서

방출되는 알파입자에 의한 섬광량임을 알 수 있다 .

Fig. 6 은 열중성자 · 감마선 센서를 이용하여 일본 교

토대학교 연구용 원자로 (KUCA) 의 출력 (reactor power)

에 따른 연료봉 중앙에서의 섬광량 측정 결과를 보여 주고 있다 . 원자로의 출력에 비례하여 열중성자 및 감 마선의 선량이 선형적으로 증가하므로 그에 따라 열중 성자 · 감마선 센서에서 발생되는 섬광량 역시 선형적으 로 증가하게 된다 . ^{결과에서 추세선} (linear fitting) ^{에 대}

한 측정값 (measured data) 의 R ² 값은 0.9973 이며 측정 값들의 표준편차는 0.0145 로 측정값들의 오차가 매우 작은 것을 알 수 있다 .

Fig. 7 은 원자로의 정상 가동 후 , 안정상태에서 거리

조절장치를 이용하여 핵 연료의 중심으로부터 거리에 따른 열중성자와 감마선의 분포도 측정결과를 보여주 고 있다 . 본 연구에서 ⁶ LiF 전환체와 섬광체를 사용하 여 제작한 센서는 열중성자와 감마선을 모두 검출하고

BCF-20 섬광체만을 사용하여 제작한 센서는 감마선만

을 검출한다 . 그러므로 Fig. 7 에서의 열중성자 분포도

는 두 센서에서 발생되는 섬광량의 차이로 얻은 것이

다 . Fig. 4 에서 핵 연료봉의 구성을 살펴보면 중심으로

Fig. 5. Measurements of scintillating lights by plastic optical fiber sensors using

Co and

Cf sources ((a)

Co, (b)

Cf).

Fig. 6. Measurements of scintillating lights using a plastic optical fiber sensor according to the power level of KUCA core.

Fig. 7. Measurements of the distributions of thermal

neutrons and gamma photons according to the

distance from the center of the nuclear fuel rod.

부터 상하로 67 mm 까지 핵 연료가 위치하고 있고 그 외의 부분은 반사체인 폴리에틸렌으로 채워져 있다 . ^측

정결과 연료 중심으로부터 거리가 멀어질수록 열중성 자와 감마선에 의한 각각의 섬광량이 점차 감소하는

것을 확인할 수 있고 특히 약 65mm 이후로 열중성자에

의한 섬광량이 급격히 감소되는 것을 확인 할 수 있다 .

4. 결 론

최근 광섬유는 그 고유의 특성으로 인해 방사선 및

물리량 계측 센서에 그 활용도가 높다 ^[11,12] . 특히 신호

계측 및 전달에 있어 온도 , 압력 , 전자기파에 의해 영 향을 받지 않으며 원거리 신호 전송의 가능 , ^{실시간 계}

측 등 많은 장점을 가지고 있다 .

본 연구에서는 ⁶ LiF 전환체와 유기섬광체 , 광섬유를 이용하여 광섬유 방사선 센서를 제작하였다 . ²⁵² Cf ^와

60 Co 를 이용하여 센서들의 열중성자 계측 적합성을 시

험하였고 시험된 센서를 이용하여 일본에 있는 연구용

원자로 (KUCA) ^{에서 원자로의 출력에 따른 섬광량을}

측정하였다 . 또한 핵연료의 중심으로부터 거리에 따른 센서의 섬광량을 측정하여 열중성자 및 감마선의 분포 도를 획득하였다 . 실험을 통하여 계산된 교토대학교 연 구용 원자로의 출력에 따른 광섬유 방사선 센서 시스 템의 민감도는 광증배관의 입력 전압에 따라 다르지만 약 0.49 V/mW 이며 , 그에 따른 오차율은 약 1.2 % 이다 .

본 연구 결과 , 광섬유 방사선 센서를 이용하여 연구 용 원자로뿐만 아니라 사용 후 핵연료의 열중성자 및 감마선 분포도 측정이 가능할 것으로 기대되며 붕소중 성자포획치료 (BNCT: boron neutron capture therapy)

에서 열중성자 측정 등 방사선치료 분야에도 적용 가 능할 것으로 기대된다 .

앞으로의 연구 계획은 센서의 부피를 줄여 공간분해능 을 향상시키고 다차원의 센서를 제작해 시간에 따른 열 중성자의 분포도를 측정하는 것이다 . 또한 전환체를 바꿔 서 속중성자 계측용 광섬유 센서를 제작할 계획이다 .

감사의 글

이 논문은 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한 국과학재단의 연구지원프로그램으로 지원받았습니다 . ( ^{연구과제 관리코드} : M02806000028-08B0600-02810)

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장 경 원

• 2005년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2007년 2월 건국대학교 일반대학원 의학 공학과 석사(공학석사)

• 2007년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 박사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

유 욱 재

• 2006년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2008년 2월 건국대학교 일반대학원 의학 공학과 석사(공학석사)

• 2008년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 박사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

허 지 연

• 2009년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2009년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 석사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

문 주 현

• 센서학회지 제17권, 제6호, pp. 397 참조

김 신

• 센서학회지 제14권, 제4호, pp. 249 참조

조 동 현

• 2002년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2004년 2월 건국대학교 일반대학원 의학 공학과 석사(공학석사)

• 2004년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 박사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

서 정 기

• 2008년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2008년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 석사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

이 봉 수

• 센서학회지 제16권, 제5호, pp. 331 참조

박 병 기

• 센서학회지 제17권, 제2호, pp. 19 참조

조 영 호

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