몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 Compton CT 시스템 설계 및 성능 예측

Abstract

원자력 발전의 오래된 역사만큼 발전소 운영 과정에서 방사성폐기물이 지속해서 발생해왔다. 또한 향후에 노후화된 원자로를 해체할 경우 다량의 폐기물이 발생할 것으로 예상된다. 발생한 폐기물은 방사능 준위에 따라 분류되며, 일반적으로 준위가 높을수록 처리 및 처분 비용이 많이 든다. 따라서 방사성폐기물의 방사능 준위를 낮춤으로써 폐기물 발생량을 줄이는 것은 경제적 측면 뿐만 아니라 처분 시설의 수용 한계가 있다는 점에서 중요하다. 최근 원전 해체 과정에서 폐기물 드럼 내에 국부적으로 방사능이 높은 핫스팟 형태의 오염물질이 발생한 사례들이 보고되었으며, 핫스팟이 드럼 내에 포함될 경우 해당 드럼의 평균 방사능이 매우 증가할 수 있다. 이에 드럼 내 핫스팟 형태의 오염을 안전하게 분리하여 제거함으로써 폐기물 발생량을 저감할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 위해서는, 드럼 내부에 존재하는 핫스팟 오염물질의 위치, 드럼 내부 정보, 그리고 방사능 농도를 정확하게 파악할 수 있어야 한다. 이에 본 연구팀은 최근 기개발한 내부 오염 영상화가 가능한 대면적 콤프턴 카메라를 이용해 Compton CT 시스템을 개발하였으며, 원리 검증용 시스템을 통해 드럼 내부 핫스팟 영상과 내부 단층 영상을 제공할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 실제 시제품 제작에 앞서 몬테카를로 기반의 Geant4 전산모사 툴킷을 이용하여 Compton CT 시스템의 설계 및 최적화 연구를 수행하였다. 잡고체 폐기물의 특성을 반영한 320 L 드럼 크기의 IAEA 감마 CT용 표준 팬텀을 최적화에 이용하였으며, 구조적 유사도 지수를 성능 평가 인자로 사용하여 투과 영상이 95% 이상의 구조적 유사성을 갖는 경우를 최적값으로 결정하였다. 최적화 결과, CT용 선원과 검출기간 거리는 2.2 m인 것으로 결정되었다. 최적화된 거리에서 단위 회전 각도를 변경해가며 구조적 유사성을 평가하였으며, 최적의 단위 회전 각도는 측정시간이 가장 짧게 평가된 6°로 결정되었다. 프로젝션당 최적의 측정시간은 드럼 내부의 물질에 따라 변경될 수 있기 때문에, 물질과 상관없는 단일의 값으로 결정하고자 측정 시간의 기준을 유효이벤트 수로 정했으며, 이 때 최적값은 137Cs은 약 1×106개, 60Co는 5×105개인 것으로 결정되었다. 본 연구를 통해 최적화한 Compton CT 시스템의 성능을 평가한 결과, 드럼 내부에 137Cs 과 60Co 핫스팟 선원이 각각 1개씩 함께 존재하는 복합 핵종 상황에서도 방출 영상을 통해 각 핫스팟의 위치를 실제 부근에 추정할 수 있었다. 재구성한 137Cs, 60Co 기준 투과 영상에서 모두 팬텀 구조를 명확히 확인할 수 있었으며, 2% 오차 이내로 평균 감쇠계수를 추정하였다. 투과 영상을 방출 영상과 정합하여 팬텀 내에 위치한 핫스팟의 위치를 직관적으로 파악할 수 있었고, 두 영상 정보를 이용해 추정한 10 µCi 세기의 137Cs 과 60Co 핫스팟의 방사능은 12.7 µCi, 11.1 µCi이었다. 해당 결과를 통해, 서로 다른 핵종의 핫스팟이 존재하는 상황에서도 최적화한 Compton CT 시스템을 통해 핵종 간 상호 간섭 없이 각 핫스팟의 위치 및 방사능 추정이 가능한 것을 확인하였다. 향후 최적화한 시스템 인자를 바탕으로 시제품을 제작할 예정이며, 해당 시스템은 드럼의 무게, 채움률, 표면선량률 등 폐기물 드럼 인수 검사에 필요한 정보들을 제공할 것이다. 본 시스템은 국내 방사성폐기물 처리 및 처분 단계에서 타 상용검출기에 비해 수 배 빠른 핫스팟 탐지 속도를 바탕으로, 신속하고 정확하게 드럼 전수조사에 사용될 수 있을 것이다. 또한 드럼의 감쇠정보를 획득함으로써 비균질한 매질에 대해서도 방사능 추정이 가능하다는 점에서 차별성 있는 드럼 모니터링 시스템이 될 것으로 기대된다.