Shielding Design Optimization of the HANARO Cold Neutron Triple-Axis Spectrometer and Radiation Dose Measurement

A new cold neutron triple-axis spectrometer (Cold-TAS) was recently constructed at the 30 MWth research reactor, HANARO. The spectrometer, which is composed of neutron optical components and radiation shield, required a redesign of the segmented monochromator shield due to the lack of adequate support of its weight. To shed some weight, lowering the height of the segmented shield was suggested while adding more radiation shield to the top cover of the monochromator chamber. To investigate the radiological effect of such change, we performed MCNPX simulations of a few different configurations of the Cold-TAS monochromator shield and obtained neutron and photon intensities at 5 reference points just outside the shield. Reducing the 35% of the height of the segmented shield and locating lead 10 cm from the bottom of the top cover made of polyethylene was shown to perform just as well as the original configuration as radiation shield excepting gamma flux at two points. Using gamma map by MCNPX, it was checked that is distribution of gamma. Increased flux had direction to the top and it had longer distance from top of segmented shield. However, because of reducing the 35% of the height, height of dissipated gamma was lower than original geometry. Reducing the 35% of the height of the segmented shield and locating lead 10cm from the bottom of the top cover was selected. After changing geometry, radiation dose was measured by TLD for confirming tester's safety at any condition. Neutron(0.21 ${\mu}Svhr^{-1}$) and gamma(3.69 ${\mu}Svhr^{-1}$) radiation dose were satisfied standard(6.25 ${\mu}Svhr^{-1}$).

냉중성자 삼축분광장치의 차폐능 최적화 설계 및 선량 측정

삼축분광장치는 물질을 이루고 있는 자성 원소들의 거동, 즉 스핀 동역학을 측정하는데 적합한 장치로, 연구용 원자로 '하나로'에는 국내 유일의 냉중성자 삼축분광장치가 최근 설치되었다. 삼축분광장치는 중성자 빔을 제어하는 중성자광학 부품과 중성자 빔으로 인해 발생하는 방사선에 대한 차폐체로 이루어지며 이러한 부품은 수십 톤 중량의 기계구조물을 이룬다. 방사선 차폐는 중성자 빔 경로 이외의 방향으로 진행하는 중성자와 감마선을 효과적으로 막아 신호대 잡음비를 향상시키는 역할을 하며 구조물 내부의 방사화된 부품으로부터 발생하는 감마선을 차폐하여 장치 이용자의 피폭선량을 최소화한다. 그런데 설치된 냉중성자 삼축분광장치의 차폐체 중 전면부의 고하중으로 인해 장치 운영상 여러 가지 문제점이 발생, 전면 세그먼트 차폐체의 하중을 줄이는 구조개선이 불가피하였다. 이에 MCNPX 모의계산을 통해 냉중성자 삼축분광장치의 차폐체 최적화에 필요한 개선방향을 검토하였다. 상부 차폐체의 폴리에틸렌과 납의 추가 설치를 통해 전면 블록 차폐체 하중을 줄일 수 있는 최적 길이를 확인하였다. 그 결과, 전면 블록 차폐체의 높이 20%가 제거된 경우, 구조변경 전 대비 차폐체 상부에서 70% 수준의 감마선속이 나타남을 확인하였다. 하지만 높이를 줄일수록 전면 블록 차폐체의 하중을 줄일 수 있기 때문에, 차폐블록을 추가 제거하고 이에 대한 차폐능을 보상해 줄 방안으로 상부 납 차폐체의 위치 변화에 따른 중성자속과 감마선속을 예측해 보았다. 전면 블록 차폐체 높이의 35% 제거하고 상부 납 차폐체를 최하단부에서 10 cm에 설치한 경우, 전면 블록 차폐체 상부에서 감마선속이 각각 25%, 18% 증가하였다. 증가한 감마선속의 영향을 파악하기 위해 MCNPX 모의계산을 통해 공간의 감마선속 분포를 가시화하였다. 증가한 감마선속은 상부로 향하는 방향성을 띄며 이동하면서 소멸하여 검출기에 이르기 전에 낮아져 검출기와 실험자의 위치에 영향을 끼칠 수 없다고 판단하였다. 그래서 중성자속 및 감마선속과 고하중 문제를 동시에 해결할 수 있는 최적화 조건으로 차폐체 높이가 35% 제거되고 상부 납 차폐체가 10 cm 위치에 있는 경우를 선정하였다. 이 결과를 바탕으로 구조개선 작업을 실시하였으며 열형광선량계를 이용하여 콘크리트 차폐블록 외부에서 중성자와 감마선량을 측정하였다. 측정된 중성자 선량은 0.21 ${\mu}Svhr^{-1}$, 감마선량은 3.69 ${\mu}Svhr^{-1}$로 설계기준을 만족하였으며 피폭으로부터 실험자의 안전성을 확인하였다.