원자력발전소에서 발생되는 방사성폐기물들은 폐기물형태 및 방사능 농도가 다양하며 영구처분장으로 이송전까지는 발전소내의 임시 저장고에 안전하게 보관, 관리하고 있다. 생성된 폐기물드럼내에는 감마방출핵종을 비롯하여 알파 및 베타방출 핵종들이 균질 또는 비균질하게 존재하고 있으며 방사능의 세기나 폐기물의 특성에 따라 안정화시키거나 압축처리하여 드럼에 담겨져 있기 때문에 일반적인 파괴분석에 의한 화학분석법으로는 작업자의 피폭, 시료의 대표성 선정 및 장시간의 화학처리 시간소요 등으로 핵종분석이 곤란하다. 따라서 본 논문은 일반적으로 감마핵종분석시 흔히 사용하고 있는 고순도게르마늄(HPGe) 검출기를 이용하여 드럼의 감마핵종농도를 분석하는 방법과 장치의 개발에 대해 언급하였으며 알파나 베타핵종과 같이 직접 분석이 곤란한 핵종들은 각 폐기물드럼내에 존재하는 Co-60이나 Cs-137과의 상관관계를 미리 예측한 척도인자 (scaling factor)를 이용하여 간접적으로 구하는 방법을 사용하고 있으나 본 논문에서는 드럼으로부터 감마핵종만을 분석하는 방법에 대해서만 언급하였다. 또한 핵종분석시스템의 최적 운전조건을 도출하기 위해 드럼회전테이블의 속도결정 및 모의드럼을 이용한 방사능측정 등을 통해 핵종 농도 분석시의 오차를 30% 이내로 유지할 수 있었다.
드럼 속의 폐기물 안에 포함되어있는 방사성 물질의 함량을 비파괴적으로 측정하는 방사성폐기물 핵종분석시스템을 개발하여 고리원자력발전소 제4폐기물 저장고에 설치하였다. 시스템은 그 기능에 따라 상위레벨과 하위레벨로 나누어지는데, 상위레벨인 중앙감시 및 제어시스템 Part에서 전체 시스템을 원활하게 운전되도록 감시 제어를 하고, 하위 레벨에서는 드럼을 운반하는데 사용하는 크레인 운전 Part, 측정위치에 올려진 드럼을 분석하는 핵종분석 Part, 드럼 핵종분석 결과를 회전하면서 드럼 표면에 인쇄하는 Ink-jet Printer Part 로 구분된다. 상위레벨의 제어실내 감시제어 PC는 하위레벨과 RS-232C 멀티포트를 사용하여 통신을 하는데, 드럼의 반입에서 반출까지의 전 과정은 자동화되어 운전된다.
본 논문에서는 고감도 보급형 핵종 분석 모듈 개발을 제안한다. 제안하는 측정센서 모듈은 핵종 분석 분해능을 위한 전자부 구동회로, 핵종 분석 기능이 적용된 시제품 제작, 시제품에 적용되는 GUI 개발 등으로 구성된다. 핵종 분석 분해능을 위한 전자부 구동회로는 전자부 구동 회로 블록도에 의한 핵종 분석 분해능 과정, 방사선 측정에 사용되는 MCU 회로 설계, Spectrum 취득용 PC 프로그램 설계 등으로 나뉘어진다. 핵종 분석 기능이 적용된 시제품 제작은 128×128 픽셀의 OLED display, 조작을 위한 3개의 버튼, Li-ion 배터리, 배터리 충전을 위한 USB-C Type 포트의 구성을 추가하여 제작한다. 시제품에 적용되는 GUI 개발부는 현재시간, 측정 경과 시간, 토탈 카운트, 핵종 Spectrum 등의 화면구성으로 개발한다. 제안된 측정센서 모듈의 성능을 평가하기 위하여 공인기관 전문가 입회시험을 시행한 결과, 핵종 분석 장치에 Cs-137 표준선원을 이용하여 취득한 Spectrum(FWHM@662keV)으로 분해능 공식을 적용하여 계산한 결과가 17.77%의 분해능을 가짐이 확인되었다. 따라서, 제안된 본 논문에서 제안한 핵종 분석 분해능 방법이 기존의 상용의 핵종 분석 모듈보다 저렴하면서도 향상된 성능이 산출됨이 확인되었다.
해체부지 선량평가 모델의 주요 핵종에 대한 key parameter를 분석하기 위하여 민감도 분석을 수행하였다. 본 연구에서 민감도 분석을 수행하기 위한 주요 가정 사항으로서 피폭시나리오는 가장 보수적인 resident farmer를 그리고 방사성핵종의 오염 정도는 0.037 Bq/g로 하였다. 분석결과, 감마 방출 핵종인 Cs-137과 Co-60의 경우에는 오염지역의 면적과 거주관련 변수(외부감마차폐인자와 실내 거주시간분율), C-14 핵종의 경우에는 환경변수와 불포화층의 수문학적 변수가, Sr-90 핵종의 경우에는 오염지역의 토양 밀도가 선량에 미치는 영향이 큰 parameter로 확인되었다.
베타선 스펙트럼의 최대 에너지가 확실하게 구별되는 2개의 핵종만을 포함하는 혼합시료의 경우에는 최대 에너지가 다르다는 점을 이용하여 손쉽게 각 핵종의 방사능 값을 측정할 수 있다. 그러나 3개 이상의 베타 방출 핵종이 포함된 혼합물에 대해서는 각 핵종의 스펙트럼이 서로 겹치기 때문에 이러한 방법으로 구해진 방사능 값은 신뢰도가 떨어지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 최소자승법을 이용하여 혼합물의 중첩된 베타선 스펙트럼을 각각 분리 정량분석 할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한, 실제로 4개의 베타 방출 핵종($^3H,\;^{14}C,\;^{36}Cl\;^{90}Sr$)이 혼합된 시료를 조제하여 본 분석법을 검증한 결과 참고치(Reference value)와 분석치가 7% 이내에서 잘 일치함을 보였다.
방사성폐기물 드럼내에 포함되어 있는 방사성 핵종의 양이 핵종분석장치로 측정할 수 있는 검출 하한치 이하이거나, 혹은 너무 높아 불감시간이 크게 증가될 경우에는 순수 Ge 검출기를 장착한 핵종분석장치로는 분석이 불가능하게 되므로 본 연구에서는 표면선량율과 Scaling Factor를 이용하여 드럼속에 포함되어 있는 핵종들의 양을 평가하는 방법을 제시하였으며, 불균일성이 높을 경우의 가능한 평가방법을 알아보기 위하여 점선원을 이용한 실험을 실시하였다. 그 결과 비균질 드럼에 대해서는 점선원을 이용한 자료를 이용하는 것이 합리적이고 기하학적 산술평균을 취함으로써 보다 정확도가 증가됨을 알 수 있었다. 그러나 그 오차범위는 -25%∼5.5%로서 실제보다 상당히 낮게 평가되는 경향이 있으므로 적절한 비균질성 보정인자를 적용할 필요가 있는 것으로 생각된다.
원자력발전소에서 발생되는 방사성 폐기물 드럼 안에 있는 핵종과 그 양을 비파괴적인 방법으로 분석할 수 있는 방사성 폐기물 핵종 분석 장치가 개발되었다. 한전 전력연구원이 한국원자력연구소와 공동으로 개발한 이 장치는 기존의 계측 방법과 달리 슬라이드형 콜리메이터를 이용해 방사선량률 변화에 따라 드럼 안의 고방사능량까지 효율적으로 측정할 수 있는 시스템을 갖추고 있다. 현재 이 시스템은 실험실 성능 시험을 마치고 고리 제4폐기물 저장고에 설치되어 시험 운전중이며, 성능 검증 시험을 마친 후 전 원전에 설치될 예정이다.
방사성폐기물의 처분시에는 원자력발전소와 유사한 안전개념들 도입하여 다중방벽을 구성하는 것이 일반적이다. 다중방벽중에서 뒷채움재는 처분안전성 망상의 주도적 역할을 하는 요소로서 지하수 침투방지, 방사성핵종 이동저지능의 기능을 가져야 한다 석탄회를 뒷채움재의 부재료로서 사용하기 위해서는 방사성폐기물처분장 설계에 적용할 때 안전성과 경제성을 만족시킬 수 있어야 한다. 본 인구에서는 석탄회의 핵종에 대한 흡착능의 관점에서 석탄회의 이용가능성들 평가하였다. 또한 Column 실험을 통하여 표면확산과 공극확산을 비교, 분석함으로써 석탄회를 통과하는 방사성핵종의 이동기구를 검토하였다.
방사성폐기물 저장용기에 생긴 결함으로부터의 핵종유출을 분석하였다. 결함은 부식이나 균열으로부터 기인하며 저장용기의 재질이나 부식 부산물층을 관통하게 된다. 본 연구는 결함을 통한 핵종의 이동을 다루었으며 결함이 생기게 되는 방법에 관해서는 고려하지 않았다. 다수의 작은 결함으로부터의 핵종유출이 중요하며 저장용기가 없다고 가정한 폐기물고화체로부터의 핵종유출과 거의 비슷함을 보여준다. 비록 부분적으로 파손된 저장용기일지라도 핵종유출에 대하여서 장기간에 걸쳐 중요한 방벽의 역할을 하지만, 작은 결함의 수가 많아지면 방벽으로서의 효과가 줄어들게 된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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