241Am-Be 선원 및 고순도 그래파이트 파일을 이용한 표준 열중성자장 개발

Abstract

열중성자 검출기 및 중성자 서베이미터와 같은 중성자 검출기를 교정하기 위해서는 열중성자장을 필요로 한다. 여러 국가 표준기관에 의해 표준 열중성자장이 개발되고 있으며, 열중성자장 내 열중성자 플루언스 측정을 위한 국제 비교가 진행 중에 있다. 우리나라의 경우, 한국표준과학연구원에서 표준 열중성자장의 개발 및 중성자 검출기 평가에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구의 목표는 표준 열중성자장를 개발하고, 열중성자 검출기의 민감도를 정밀하게 평가하는 것이다. 몬테칼로 전산모사를 이용하여 감속재의 물질과 크기에 따른 열중성자장 내 중성자 감속을 연구하고, 모사 결과에 따라 120cm(폭)×140cm(길이)×120cm(높이)그래파이트 파일을 구축하였다. 241Am-Be 중성자 선원을 그래파이트 내부에 삽입하여 열중성자장을 발생시켰으며, 구축한 그래파이트 파일 내의 중성자장 특성을 연구하기 위해 몬테칼로 전산모사를 이용하여 위치에 따른 열중성자 플루언스 변화, 열중성자 비율, 중성자 에너지 분포 등을 계산하였다. 그 결과, 선원으로부터 거리가 멀어질수록 열중성자 플루언스는 감소하지만, 열중성자의 비율은 증가함을 확인하였다. 선원으로부터 70cm 거리의 열중성자장 내 기준 위치에서는 열중성자 플루언스의 비율은 약 95% 이었다. 열중성자 플루언스율 측정을 위해 골드포일을 이용한 중성자 방사화 분석법을 활용하였다. 골드포일 내의 198Au 방사능을 측정하기 위해서 감마 검출기의 효율을 결정하였으며, 검출효율은 베타-감마 동시 측정 시스템의 개발 및 측정 결과 비교를 통해 검증하였다. 측정 결과, 측정된 골드포일 내 방사능 값들은 불확도 범위 내에서 일치함으로써 신뢰성을 검증하였다. 열중성자장 내 기준위치에 대하여 골드포일의 방사화 분석을 수행하고, Westcott convention 방법을 이용하여 열중성자 플루언스율을 결정하였다. 열중성자 플루언스율의 결정을 위해 필요한 보정 상수 및 에너지 스펙트럼 정보는 전산모사를 통해 획득하였다. 기준위치의 중성자 에너지 분포를 획득하고 개발한 분석 툴을 통해 열중성자장 내 유효 온도를 정량적으로 평가하였다. 다양한 열중성자장의 조건을 가정하여 중성자 에너지 분포 및 유효 온도를 비교하였으며, 발생하는 에너지 분포의 차이를 고려하여 보수적으로 유효 중성자 온도의 불확도를 결정하였다. 최종적으로 결정된 열중성자장 내 기준위치에서의 열중성자 플루언스율은 약 2700cm-2s-1이었으며, 불확도는 약 1.1%로 목표치인 불확도 3%(k=2)를 달성하였다. 이 값은 본 연구에서의 열중성자장 개발 및 열중성자 플루언스율 측정이 다른 표준 열중성자 시설에 비하여 동등하거나 보다 정밀하게 수행되었음을 보여주었다. 개발한 열중성자장을 이용하여 2기압 3He 가 충전된 구형 비례계수 검출기의 민감도를 평가하였다. 측정된 민감도는 열중성자장의 에너지 및 입사각 분포를 기준 조건(kT=0.025 eV인 맥스웰 분포 및 평행하게 입사하는 중성자 빔)으로의 변환을 통해 (3.083±0.045)cm2로 평가되었다. 이는 일본 표준연구기관인 NMIJ 의 표준 열중성자장에서 평가된 민감도 (3.063±0.051)cm2와 0.65%의 차이를 보였다. 열중성자 검출기의 민감도는 불확도 범위 내에서 일치함으로써 본 연구에서의 열중성자장 개발 및 중성자 검출기 민감도 평가가 성공적으로 수행되었음을 확인하였다.