Cooling Time Determination of Spent Nuclear Fuel by Detection of Activity Ratio $^{l44}Ce /^{l37}Cs$

방사능비 $^{l44}Ce /^{l37}Cs$ 검출에 의한 사용후핵연료 냉각기간 결정

Activity ratio of two radioactive primary fission products which had sufficiently different half-lives was expressed as functions of cooling time and irradiation histories in which average burnup, irradiation time, cycle interval time and the dominant fissile material of the spent fuel were included. The gamma-ray spectra of 36 samples from 6 spent PWR fuel assemblies irradiated in Kori unit-1 reactor were obtained by a spectrometric system equipped with a high purity germanium gamma-ray detector. Activity ratio $^{l44}$Ce $^{l37}$Cs, analyzed from each spectrum, was used for the calculation of cooling time. The results show that the radioactive fission products $^{l44}$Ce and $^{l37}$Cs are considered as useful monitors for cooling time determination because the estimated cooling time by detection of activity ratio $^{l44}$Ce $^{l37}$Cs agreed well with the operator declared cooling time within relative difference of $\pm$5 % despite the low counting rate of the gamma-ray of $^{l44}$Ce (about 10$^{-3}$ count per second). For the samples with several different irradiation histories, the determined cooling time by modeled irradiation history showed good agreement with that by known irradiation history within time difference of $\pm$0.5 year. From this result, it would be expected to be possible to estimate reliably the cooling time of spent nuclear fuel without the exact information about irradiation history. The feasibility study on identification of and/or sorting out spent nuclear fuel by applying the technique for cooling time determination was also performed and the result shows that the detection of activity ratio $^{l44}$Ce $^{l37}$Cs by gamma-ray spectrometry would be usefully applicable to certify spent nuclear fuel for the purpose of safeguards and management in a facility in which the samples dismantled or cut from spent fuel assemblies are treated, such as the post irradiation examination facility.mination facility.

반감기가 서로 크게 다른 두 종류의 방사성 직접핵분열생성물의 방사능비(activity ratio)를 핵연료의 냉각기간 및 연소이력의 함수로 표현하였으며 연소이력에는 사용후핵연료의 평균연소도, 연소기간, 연소주기간의 간격 그리고 주 핵분열물질등이 포함되었다. 고리 1호기에서 연소된 6개의 사용후 가압경수로(PWR) 핵연료 집합체로 부터 36개의 시료를 제작하여 이들 시료에 대한 감마선 스펙트럼을 고순도(HP) Ge 검출기를 사용하여 수집한 후, 각 스펙트럼을 분석하여 얻은 방사능비 $^{l44}$Ce $^{l37}$ Cs를 이용하여 냉각기간을 계산하였다. 그 결과 $^{l44}$Ce 감마선 검출계수율이 $10^{-3}$ cps(count per second) 정도로 아주 낮았음에도 불구하고 검출된 방사능비 $^{l44}$Ce $^{l37}$ Cs를 사용하여 구한 냉각기간은 원자로 운전기록에 의한 냉각기간 (operator declared cooling time)과 상대적인 차이가 $\pm$5% 이내로 잘 일치한 것으로 부터 핵 분열 생성물 $^{l44}$Ce 및 $^{l37}$ Cs은 냉각기간 결정을 위한 좋은 모니터가 됨을 확인하였다. 여러가지의 연소 이력을 갖는 핵연료를 대상으로 한 본 실험의 경우, 단순하게 모델화한 연소이력을 대입하여 얻은 냉각기간은 실제 연소이력을 대입하여 얻은 냉각기간과 시간차이가 $\pm$0.5년 이내에서 잘 맞았으며 이로부터 연소이력에 대한 정확한 정보 없이도 신뢰할 수 있는 정도의 냉각기간을 추정하는 것이 가능할 것으로 생각되었다. 아울러 냉각기간 결정을 위한 본 기술을 활용한 사용후 핵연료의 증명 및/또는 분류에 대한 타당성 연구를 한 결과 감마선 분광분석 방법으로 검출한 방사능비 $^{l44}$Ce $^{l37}$ Cs에 의해서 결정된 냉각기간은, 조사후시험시설 (post irradiation examination facility)등과 같이 사용후핵연료 집합체를 해체 또는 절단하여 만든 시료를 취급하는 시설등에서,사용후핵연료에 대한 안전관리 및 계량관리를 위하여 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료되었다.것으로 사료되었다.