원자로 중성미자 검출을 위한 액체섬광검출기 개발

1. 원자로 중성미자 검출을 위한 액체섬광검출기 개발 원자력 기술 개발 사업 방사선 계측기 제작 기술 개발 2007. 2. 22 세종대학교 물리학과 김 영 덕

2. 발표 내용 • 연구 배경및 목적 • 원자로 중성미자 • 액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정 • 외국의 연구현황 • 연구내용및 방법 • 현재까지의 연구 • LAB 기반의 액체섬광검출기 개발 • 시작품 검출기 제작, 테스트 • 모니터링 검출기 설계 • 연구 체계및 연구진

3. I 연구 배경 및 목적 • 우리나라는 현재 4개의 핵발전소에서 20기의 원자로를 운영하고 있으며, 전력의 40%를 원자력으로 충당하고 있는 원자력발전의 선진국이다. • 중성미자 물리학에서는 최근에 원자로 중성미자를 측정함으로써 중성미자의 질량존재를 실험적으로 확인한바 있으며, 중성미자의 검출기술은 기초연구를 넘어서 응용가능성을 타진하고 있다. • 원자로 중성미자를 측정함으로써, 원자로의 핵연료내의 동위원소비율과, 상대적인 열출력, 핵연료의 Burn-up을 정밀 측정할 수 있어서, 원자로 공학에 기여할 수 있고, 원자로의 안전성에 대한 독립적이고 전체적인 측정이 될 수 있다. • 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.

4. 원자로 가동 시간에 따른 Fuel Burn-up 원자로 중성미자 • 원자로는 강력한 중성미자 선원이다. • 핵분열당 약 200 MeV의 에너지가 방출되며 핵분열 딸핵들의 베타붕괴에 의하여 동시에 약 6개의 중성미자가 방출된다. 예) 상용원자로 1기당 : 3 GWth≈ 2×1022 MeV/s → 6×1020 ne/s 원자로에서는 핵연료의 enrichment가 시간에 따라 변화. 235U와 239Pu 핵분열이 주가 되며, 일정한 열출력에서도 플루토늄의 양은 증가한다.

5. 중성미자 스펙트럼 반응단면적 원자로 중성미자 235U와 239Pu에서 방출되는 중성미자의 양과 에너지 스펙트럼은 차이가 있다. 에너지 스펙트럼과 반응 단면적의 에러 ~ 2-3% Possibility of fuel decomposition from neutrino energy spectra is not confirmed yet !

6. Gamma Catcher Gd 에서 방출되는 감마선 측정 Gd loaded Scintillator oil PMTs 차폐체 원자로 중성미자 검출기 개념도 액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정 원자로에서 방출되는 중성미자는 반중성미자이며, 반중성미자는 검출기내의 양성자와 반응하여 양전자와 중성자로 된다. 양전자는 검출기내에서 전자와 합쳐져 2개의 감마선으로 되고, 중성자는 검출기내에서 평균 약 30 ms 정도 후에 검출기내에 0.1% 정도 존재하는 Gd 핵에 포획되어 약 8 MeV 의 에너지에 해당하는 감마선을 방출한다.

7. PXE Dodecane 단일결합 Pseudocumene PPO LAB (Linear Alkyl Benzene) 액체섬광 검출기 Base material + Solvent + Fluor + WS(wavelength shifter) • Commercial Products - 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)

8. PC LAB Flash point 48oC 130oC Density 0.89g/mL 0.86g/mL acrylic Negative, stable 액체섬광 검출기 LAB (Linear Alkyl Benzene) 벤젠과 파라핀을 원료로 하며, 분말세제인 음이온 계면활성제 LAS(Linear AlkylBenzene Sulfonate) 의 주원료로 이용된다. SNO group report • Compatible with acryl • High light output • Long attenuation length • Low cost(~$2/liter) • High flash point and low toxicity - safety

9. 원자로 열출력 데이터 중성미자 데이터 II 외국의 연구 현황 : 미국 San Onofre Reactor 모니터링 • 3.46 GWt reactor • “tendon gallery”에 설치 • May 2002 테스트 시작 Segmented 검출기 2개 (4 pmts) 0.32 톤의 Gd-scintillator; 우주선 veto, 물 차폐체

10. 최근 외국 학회 http://www.llnl.gov/neutrinos/workshop/aap2006.html

11. III 연구 내용 및 방법 : 현재까지의 연구 • 울진,영광 원자로 1기 • 원자로 코아에서 30m 거리, 1개월 측정 스펙트럼 30cm 시작품의 간단한 Geant4 Monte-Carlo Simulation 60cm

12. III 연구 내용 및 방법 : 개발목표및 내용

13. 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 Steel의 scintillator에 대한 안정성을 연구. • Gd_LS에 대해서는 러시아의 IHEP 그룹이 개발한 액체 섬광체에 대한 기술정보를 중심으로 수집하고, 직접 이 그룹의 전문가를 초청하여 자문. • Gd_LS의 light output을 PMT로 측정하여 Gd를 포함하지 않는 scintillator와 비교. • light output의 절대양 측정에는 FADC(Flash ADC)를 사용하여 single photoelectron을 calibration한 후 측정하고, 감마선원으로 keV당 photoelectron 수를 측정.

14. 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 Catcher를 가정한 proto-type 검출기를 제작. • 중성자 소스(Cf-252)를 Gd_LS의 중앙에 위치시켜서 중성자 포획에 의한 8MeV 시그널을 측정하여 그 에너지 분해능과 위치 분해능을 측정한다. • GEANT4 검출기 시뮬레이션 프로그램으로 scintillator와 reflector, PMT의 특성을 input으로 하여 결과와 비교, 분석

15. III 연구 체계및 연구진

16. III 연구 체계및 연구진 : 연구비 • 연구기간 : 3년 • 연구비 : 4억 170만 • 직접비 : 2억 1329만원 • PMT : 8,000만원 • LS 및 재료: 1880만원 • 시작품 제작 : 2000만원 • 기타 • 인건비 : 1억 80만원 • 간접비 : 8761만원

17. 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, Gadollinium을 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.

18. 액체섬광 검출기를 이용한 중성미자 측정 원자로에서 방출되는 중성미자는 반중성미자이며, 반중성미자는 검출기내의 양성자와 반응하여 양전자와 중성자로 된다. 양전자는 검출기내에서 전자와 합쳐져 2개의 감마선으로 되고, 중성자는 검출기내에서 평균 약 30 ms 정도 후에 검출기내에 0.1% 정도 존재하는 Gd 핵에 포획되어 약 8 MeV 의 에너지에 해당하는 감마선을 방출한다. 프랑스 Chooz 원자로의 중성미자 측정

19. Φ=120cm 637kg Unloaded Scintillator Φ=80cm 268kg Gd loaded Φ=160cm 1240kg Mineral Oil L=200cm 5855kg Unloaded Scintillator B. 원자로 모니터링을 위한 중성미자검출기 디자인 # of 8” pmt, separation angle=30degree = 59  30% coverage 일반적으로 중성미자 검출은 중성미자의 반응단면적이 극히 작아서 검출하기 어렵다고 하지만 원자로 중성미자의 선속이 크기 때문에 원자로에서 근거리에 검출기를 위치시키면 측정할 수 있는 event수는 작지 않다. • 1 ton 검출기를 원자로 core에서 24 m의 거리에 위치시켰을 때; 원자로 열출력 = 2.8 GW(울진,영광의 1기의 원자로) 3176 events/day/ton (100% efficient detector) 중성미자 event 의 빈도수와 스펙트럼은 핵연료의 동위원소 비율에 민감하다. 원자로 모니터링에 필요한 검출기 크기는 수백 kg 으로 비용은 크지 않다. 원자로 중성미자 검출기 개념도

20. Gd isotopes

21. 90ton 80cm thick Opaque plastic 17ton 70cm thick Gd 0.09% 5ton 117kg, 8mm thick 90cm Dia, 100cm height Acrylic polymer(altuglass) 192 8” pmt 15% coverage 24 8” pmt Cosmic veto

22. 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.

23. To check the Mock-up volume (gamma-catcher radius) 30cm 60cm 70cm