방사성 폐기물 드럼 모니터링을 위한 이중모드 대면적 콤프턴 카메라 개발

Abstract

원전 해체 시 발생하는 방사성 폐기물의 양과 그 처리 비용을 절감하는 것은 원전 해체의 경제성을 확보하는데 필수적인 요소라고 할 수 있다. 방사성 폐기물 처리 비용을 절감하기 위해서는 방사성 폐기물 드럼 내부의 구조 정보와 핫스팟 형태의 오염에 대한 분포 정보 및 세기 정보를 분석하고 해당 오염만을 먼저 선택적으로 제거해야 한다. 본 연구에서는 콤프턴 영상장치로서는 최초로 방사성 폐기물 드럼 내부 구조 정보와 핫스팟 오염에 대한 3차원 분포 정보 및 세기 정보를 동시에 제공할 수 있는 이중모드 대면적 콤프턴 카메라 원리검증용 장치를 실증하였다. 이중모드 대면적 콤프턴 카메라의 검출기 모듈은 대면적의 단결정 NaI(Tl) 섬광검출기와 FPGA 기반의 데이터획득 시스템으로 구성된다. 구축한 검출기 모듈은 662 keV의 감마선 에너지에 대해 6.93%의 에너지분해능을 가지며, 넓은 에너지 영역(59.5-1,332 keV)에 대해 10 mm 미만의 위치분해능을 가진다. 특히 수백 kHz 이상의 고방사선장 환경에서도 검출기 모듈의 에너지분해능 성능이 유지되었으며, 이를 통해 24 mCi 급의 감마선원을 측정해야 하는 콤프턴 단층 촬영 모드에 대한 운용 가능성을 실험적으로 확인하였다. 이중모드 대면적 콤프턴 카메라 원리검증용 장치의 성능을 확인하기 위해서 콤프턴 영상 모드와 콤프턴 단층 촬영 모드인 각 영상 모드에 대해서 다양한 조건에 대한 실험을 수행하였다. 성능 확인 결과, 이중모드 대면적 콤프턴 카메라의 콤프턴 영상 모드를 통해 드럼 내부에 존재하는 선원의 3차원 위치를 정확하게 탐지할 수 있었다. 빈 드럼 내부 40 cm 거리에 위치한 137Cs 선원에 대해 6.8° FWHM의 각분해능과 X축과 Y축, Z축을 기준으로 각각 4.2 cm FWHM, 3.1 cm FWHM, 10.1 cm FWHM의 영상해상도를 가지는 것을 확인하였다. 또한, 이중모드 대면적 콤프턴 카메라의 콤프턴 단층 촬영 모드를 활용하여 IAEA 표준 팬텀이나 200 L 드럼 내에 여러 물체가 존재하는 환경에 대해 팬텀 내의 감쇠계수 지도를 영상화할 수 있었다. 마지막으로, 이중모드 대면적 콤프턴 카메라의 콤프턴 영상 모드를 통해 획득한 오염의 3차원 위치 정보와 콤프턴 단층 촬영 모드를 통해 획득한 드럼 내부의 감쇠계수 분포 정보를 바탕으로 콤프턴 카메라로서는 최초로 드럼 등의 특정 물체 내에 존재하는 핫스팟 오염의 방사능 세기를 추정하였으며, 137Cs 선원의 실제 방사능 값을 1.8배 오차 이내로 추정할 수 있었다. 본 연구를 통해 이중모드 대면적 콤프턴 카메라가 방사성 폐기물 드럼 내부에 존재하는 핫스팟 오염의 3차원 분포를 단층 촬영 영상과 함께 제공하면서도 해당 오염의 세기를 정량적으로 추정할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 이중모드 대면적 콤프턴 카메라를 실제 원전 해체 환경에 적용한다면 발생하는 방사선 폐기물 드럼의 분류 작업에 대한 정확성과 효율성을 극대화할 수 있을 것으로 기대한다.; There is a growing interest in decommissioning of nuclear power plants not only in Korea but also around the world. To enhance the economic efficiency of NPP decommissioning, it is necessary to reduce disposal cost for radioactive waste drum. The reduction of the cost can be achieved by obtaining the structural image inside radioactive waste drum, and analyzing the distribution and intensity of hot-spot contaminations in the waste drum. For the radioactive waste drum monitoring, this study developed the proof-of-principle Dual-mode Large-Area Compton Camera (DLACC) which is the first Compton imaging system that can provide quantitative information of the hot-spot in the waste drum with the attenuation map and 3-D radiation image obtained by Compton CT mode and Compton imaging mode, respectively. Component detector modules for the proof-of-principle DLACC were developed including large monolithic NaI(Tl) scintillation detectors and a dedicated FPGA-based data acquisition system based on fully digital signal processing. The developed detector modules show that the energy resolution is evaluated to be 6.93% for 662 keV, and the spatial resolution of the modules is estimated to be nearly <10 mm FWHM for a wide energy range (59.5-1,332 keV). Especially, the energy resolution performance is maintained at the high-count-rate environments with hundreds of kHz, showing that the developed modules can be used for the Compton CT mode which needs to measure 24 mCi gamma-ray source. The performance of the proof-of-principle DLACC was evaluated experimentally for various conditions. As a result, the DLACC clearly reconstructed the 3-D location of the hot-spot in the radioactive waste drum with the Compton imaging mode. For a 137Cs at 40 cm distance, the angular resolution was evaluated to be 6.8° FWHM, and the image resolutions were evaluated to be 4.2 cm FWHM for X-axis, 3.1 cm FWHM for Y-axis, 10.1 cm FWHM for Z-axis, respectively. In addition, the DLACC obtained the structural images and attenuation maps of the drum by using the Compton CT mode. Finally, for the first time as a Compton imaging system, the results of this study experimentally demonstrated that the DLACC can estimate the activity of the 137Cs hot-spot contamination inside a radioactive waste drum within 1.8 times error by using the 3-D location of hot-spot and the attenuation map in the drum. This study served to verify the potential of the DLACC for radioactive waste drum monitoring. Then, the DLACC can contribute to reduce the disposal cost of radioactive waste drum, resulting in the enhancement of the economic efficiency and accuracy of the decommissioning process.