원자로 중성미자 검출을 위한 액체섬광검출기 개발

원자력 기술 개발 사업방사선 계측기 제작 기술 개발

2007. 2. 22

세종대학교 물리학과김 영 덕

발표 내용

I. 연구 배경및 목적 원자로 중성미자 액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정

II. 외국의 연구현황III. 연구내용및 방법

현재까지의 연구 LAB 기반의 액체섬광검출기 개발 시작품 검출기 제작 , 테스트 모니터링 검출기 설계

IV. 연구 체계및 연구진

I 연구 배경 및 목적

1. 우리나라는 현재 4 개의 핵발전소에서 20 기의 원자로를 운영하고 있으며 , 전력의 40% 를 원자력으로 충당하고 있는 원자력발전의 선진국이다 .

2. 중성미자 물리학에서는 최근에 원자로 중성미자를 측정함으로써 중성미자의 질량존재를 실험적으로 확인한바 있으며 , 중성미자의 검출기술은 기초연구를 넘어서 응용가능성을 타진하고 있다 .

3. 원자로 중성미자를 측정함으로써 , 원자로의 핵연료내의 동위원소비율과 , 상대적인 열출력 , 핵연료의 Burn-up 을 정밀 측정할 수 있어서 , 원자로 공학에 기여할 수 있고 , 원자로의 안전성에 대한 독립적이고 전체적인 측정이 될 수 있다 .

4. 중성미자 검출기술을 확립하여 장래의 기초 , 응용적인 중성미자 실험을 계획할 수 있다 .

기존의 전통적인 원자로 모니터링 방식과 달리 전체적이며 , 지속적이고 , 비간섭적인 새로운 중성미자 측정에 의한 원자로 모니터링 기술 개발의 기초연구이다 .

• 원자로는 강력한 중성미자 선원이다 .• 핵분열당 약 200 MeV 의 에너지가 방출되며 핵분열 딸핵들의 베타붕괴에

의하여 동시에 약 6 개의 중성미자가 방출된다 .

예 ) 상용원자로 1 기당 : 3 GWth ≈ 2×1022 MeV/s → 6×1020 ne/s

원자로 중성미자

원자로 가동 시간에 따른 Fuel Burn-up

원자로에서는 핵연료의 enrichment 가 시간에 따라 변화 .235U 와 239Pu 핵분열이 주가 되며 , 일정한 열출력에서도 플루토늄의 양은 증가한다 .

원자로 중성미자

235U 와 239Pu 에서 방출되는 중성미자의 양과 에너지 스펙트럼은 차이가 있다 .

반응단면적

중성미자 스펙트럼

에너지 스펙트럼과 반응 단면적의 에러 ~ 2-3%

Possibility of fuel decomposition from neutrino energy spectra is not confirmed yet !

원자로에서 방출되는 중성미자는 반중성미자이며 , 반중성미자는 검출기내의 양성자와 반응하여 양전자와 중성자로 된다 . 양전자는 검출기내에서 전자와 합쳐져 2 개의 감마선으로 되고 , 중성자는 검출기내에서 평균 약 30 s 정도 후에 검출기내에 0.1% 정도 존재하는 Gd 핵에 포획되어 약 8 MeV 의 에너지에 해당하는 감마선을 방출한다 .

nep

액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정

oil

Gamma CatcherGd 에서 방출되는 감마선 측정

Gd loadedScintillator

PMTs

원자로 중성미자 검출기 개념도

차폐체

액체섬광 검출기

Base material + Solvent + Fluor + WS(wavelength shifter)

Base Solvent Fluore WS (wavelength shifter)

Mineral Oil(MO)Dodecane

LAB

LABPseudoCumene(PC

)PXE

PPO POPOPBis-MSB

Commercial Products - BC501, etc- BC501, etc 실험실에서 구현한 LS• 80% Dodecane + 20% PC + 1.52g/L of PPO(KAMLAND)• 80% dodecane + 20% PXE + PPO (Double Chooz)• Pure PC (BNL)• 60% MO + 40% PC(BNL)• 80% Dodecane + 20% PC + BPO(1.5g/L) (INR)• PC+4g/L PPO + 15mg/L POPOP (DMRC)

Dodecane단일결합 Pseudocumene

PXE PPOLAB (Linear Alkyl Benzene)

CH2 CnH2n-1

LAB (Linear Alkyl Benzene)

액체섬광 검출기

벤젠과 파라핀을 원료로 하며 , 분말세제인 음이온 계면활성제 LAS(Linear AlkylBenzene Sulfonate) 의 주원료로 이용된다 .

0.86g/mL0.89g/mLDensity

130oC48oCFlash point

Negative,

PC

stableacrylic

LAB

Compatible with acryl High light output Long attenuation length Low cost(~$2/liter) High flash point and low toxicity - safety

SNO group report

3.46 GWt reactor “tendon gallery” 에 설치 May 2002 테스트 시작

II 외국의 연구 현황 :

Segmented 검출기 2 개 (4 pmts)

0.32 톤의 Gd-scintillator;

우주선 veto, 물 차폐체

미국 San Onofre Reactor 모니터링

Day

4/2/2004 4/4/2004 4/6/2004 4/8/2004 4/10/2004 4/12/2004 4/14/2004

"an

tine

utr

ino

s" p

er

da

y

0

50

100

150

200

250

Reactor to 15%

Start ramp to 100%

Reactortrips

Start ramp to 100%

중성미자 데이터

원자로 열출력 데이터

최근 외국 학회

http://www.llnl.gov/neutrinos/workshop/aap2006.html

III 연구 내용 및 방법 : 현재까지의 연구

울진 , 영광 원자로 1 기 원자로 코아에서 30m 거리 , 1

개월 측정 스펙트럼

30cm

60cm

시작품의 간단한 Geant4 Monte-Carlo Simulation

III 연구 내용 및 방법 : 개발목표및 내용

구분 년도 연구개발목표 연구개발내용 연구범위

1년 2007

액 체 섬 광 체 성 능 연구 LAB 를 이용한 액체섬광체 개발 자료수집 , 테스트

Gd -LS 연구 Gd 함유 LAB 액체섬광체 개발 자료수집 , 테스트

2년 2008

검출기 디자인 검출기 시뮬레이션 시뮬레이션

시작품 제작8kg Gd_LS 와 40cm Gamma Catcher의 시작품 개발

시작품 제작

3년 2009

검출기 성능 테스트 검출기 에너지 분해능 및 중성자 포획시간 분포 획득 데이터 수집

Full scale 검 출 기 디자인

GEANT4 시뮬레이션으로 최적의 parameter 획득 시뮬레이션

III 연구 내용 및 방법 : LAB 기반의 액체섬광체 개발

LAB 에 대해서는 SNO(Sudbury Neutrino Oscillation) 등 외국의 선도 그룹에서 기술정보를 수집 . LAB + PPO + Bis-MSB(or POPOP) 등의 비율 최적화를 수행 .아크릴및 staintless Steel 의 scintillator 에 대한 안정성을 연구 .Gd_LS 에 대해서는 러시아의 IHEP 그룹이 개발한 액체 섬광체에 대한 기술정보를 중심으로 수집하고 , 직접 이 그룹의 전문가를 초청하여 자문 . Gd_LS 의 light output 을 PMT 로 측정하여 Gd 를 포함하지 않는 scintillator 와 비교 . light output 의 절대양 측정에는 FADC(Flash ADC) 를 사용하여 single photoelectron 을 calibration 한 후 측정하고 , 감마선원으로 keV 당 photoelectron 수를 측정 .

III 연구 내용 및 방법 : 시작품 제작및 테스트

검출기가 중성미자를 측정할 수 있다는 것을 검증하기 위하여 작은 양의 Gd-LS(8kg) 과 40cm 두께의 Gamma Catcher 를 가정한 proto-type 검출기를 제작 . 중성자 소스 (Cf-252) 를 Gd_LS 의 중앙에 위치시켜서 중성자 포획에 의한 8MeV 시그널을 측정하여 그 에너지 분해능과 위치 분해능을 측정한다 .GEANT4 검출기 시뮬레이션 프로그램으로 scintillator 와 reflector, PMT 의 특성을 input 으로 하여 결과와 비교 , 분석

III 연구 체계및 연구진

성명 소속기관명 직위 업무

김영덕 세종대학교 부교수 GdLLS 개발 검출기 디자인 -G4 시물레이션 -DAQ 연구 Full detector 시뮬레이션

이정일 세종대학교 박사과정

강운구 세종대학교 박사과정

문승현 세종대학교 석사과정

최영일 성균관대학교 교수 LS 개발 proto-type 검출기 제작 -acryl 적합성 연구 -pmt holder 연구 - 제작- 감마 , 중성자 선원 테스트

박강순 성균관대학교 박사후연구원

서현관 성균관대학교 박사후연구원

이종석 성균관대학교 박사과정

김동현 성균관대학교 석사과정

• 연구기간 : 3 년• 연구비 : 4 억 170 만

1. 직접비 : 2 억 1329 만원1. PMT : 8,000 만원2. LS 및 재료 : 1880 만원3. 시작품 제작 : 2000 만원4. 기타

2. 인건비 : 1 억 80 만원3. 간접비 : 8761 만원

III 연구 체계및 연구진 : 연구비

결론

원자로에서 방출되는 중성미자는 입자물리학분야에서 중요한 역할을 하였다 .

근거리 원자로 중성미자의 측정으로 원자로 공학과 원자로의 모니터링에 이용할 수 있는 가능성 .

중성미자 측정용 액체 섬광물질을 개발하고 , 그 특성과 안정성등 기초연구 .

Linear Alkyl Benzene 을 기반으로 하고 , Gadollinium 을 함유한 섬광물질의 최적화 연구 .

Gd 감마선 을 측정할 수 있는 proto-type 중성미자 검출기를 제작 , 테스트 .

~ 톤 정도의 검출기를 Monte-Carlo 시뮬레이션을 이용하여 디자인 최적화 .

원자로에서 방출되는 중성미자는 반중성미자이며 , 반중성미자는 검출기내의 양성자와 반응하여 양전자와 중성자로 된다 . 양전자는 검출기내에서 전자와 합쳐져 2 개의 감마선으로 되고 , 중성자는 검출기내에서 평균 약 30 s 정도 후에 검출기내에 0.1% 정도 존재하는 Gd 핵에 포획되어 약 8 MeV 의 에너지에 해당하는 감마선을 방출한다 .

프랑스 Chooz 원자로의 중성미자 측정

nep

액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정

B. 원자로 모니터링을 위한 중성미자검출기 디자인

# of 8” pmt, separation angle=30degree = 59 30% coverage

Φ=160cm1240kgMineral Oil

Φ=120cm637kgUnloadedScintillator

Φ=80cm268kgGd loaded

L=200cm5855kgUnloadedScintillator

일반적으로 중성미자 검출은 중성미자의 반응단면적이 극히 작아서 검출하기 어렵다고 하지만 원자로 중성미자의 선속이 크기 때문에 원자로에서 근거리에 검출기를 위치시키면 측정할 수 있는 event 수는 작지 않다 .

• 중성미자 event 의 빈도수와 스펙트럼은 핵연료의 동위원소 비율에

민감하다 .• 원자로 모니터링에 필요한 검출기

크기는 수백 kg 으로 비용은 크지 않다 .

1 ton 검출기를 원자로 core 에서 24 m의 거리에 위치시켰을 때 ;

원자로 열출력 = 2.8 GW( 울진 , 영광의 1기의 원자로 )

3176 events/day/ton (100% efficient detector)

원자로 중성미자 검출기 개념도

Gd isotopes

117kg, 8mm thick90cm Dia, 100cm heightAcrylic polymer(altuglass)

Gd 0.09%5ton

17ton70cm thick

192 8” pmt15% coverage

90ton80cm thick

24 8” pmtCosmic veto

Opaqueplastic

For small prototype detector, it is important to have enough thickness of Gamma Capture

Energies of Gammas : 0-6 MeV Results show we need at least 40cm Gamma Capture should be present.

To check the Mock-up volume (gamma-catcher radius)To check the Mock-up volume (gamma-catcher radius)

30cm

60cm

70cm