[논문 리뷰] TRITIUM - A Real-Time Tritium Monitor System for Water Quality Surveillance

C.D.R. Azevedo, A. Baeza외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 14.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 원자력발전소 근처 강수체에서 실시간으로 방사성트리티움을 감지할 수 있는 TRITIUM 프로젝트를 제시한다. 이 시스템은 산란되는 광섬유와 실리콘 광다이오드(시피엠)를 이용해 공진 모드로 신호를 읽어내어 저농도의 트리티움을 고감도로 탐지한다. 최적화된 섬유 기하학, 배경 제거 및 초순수 물 정제를 통해 100 Bq/L 미만의 감지 능력을 확보하였으며, 프로토타입 검증을 통해 안정된 성능과 이전 모델 대비 10배 향상된 신호를 입증하였다.

ABSTRACT

In this work the development results of the TRITIUM project is presented. The main objective of the project is the construction of a near real-time monitor for low activity tritium in water, aimed at in-situ surveillance and radiological protection of river water in the vicinity of nuclear power plants. The European Council Directive 2013/51/Euratom requires that the maximum level of tritium in water for human consumption to be lower than 100 Bq/L. Tritium levels in the cooling water of nuclear power plants in normal operation are much higher than the levels caused by the natural and cosmogenic components, and may easily surmount the limit required by the Directive. The current liquid-scintillation measuring systems in environmental radioactivity laboratories are sensitive to such low levels, but they are not suitable for real-time monitoring. Moreover, there is no currently available device with enough sensitivity and monitoring capabilities that could be used for surveillance of the cooling water of nuclear power plants. A detector system based on scintillation fibers read out by photomultiplier tubes (PMTs) or silicon photomultiplier (SiPM) arrays is under development for in-water tritium measurement. This detector will be installed in the vicinity of Almaraz nuclear power plant (Spain) in Spring 2019. An overview of the project development and the results of first prototypes are presented.

연구 동기 및 목표

• 유럽연합 지침 2013/51/Euratom에서 정한 100 Bq/L 이하의 트리티움 농도 기준을 준수하기 위해 원자력발전소 근처 강수체에서 실시간, 현장에서의 트리티움 모니터링 시스템을 개발한다.
• 현재 사용 중인 액체 산란 측정 기법의 한계를 극복한다. 이 기법은 샘플 수거가 필요하며 연속적이고 자율적인 모니터링에 부적합하다.
• 우주선 및 천연 배경 방사선이 존재하더라도 100 Bq/L 이하의 트리티움 농도를 감지할 수 있는 충분한 감도를 지닌 검출기 설계.
• 초순수 물(전도도 ~10 µS/cm)을 유지하기 위한 물 정제 시스템을 구현하여 섬유 오염을 방지하고 측정 중 트리티움 활성도 손실을 방지한다.
• 10분 이내 측정 시간 내에 100 Bq/L를 초과하는 트리티움 농도를 감지할 수 있는 자율적이고 연속적인 측정을 실현하며, 경고 신호를 발동한다.

제안 방법

• 트리티움 붕괴에서 발생하는 저에너지 베타 입자를 탐지하기 위해 클래딩이 없는 산란 광섬유(1 mm 및 2 mm 지름)를 주요 감지 매체로 사용한다.
• 내재된 검출기 노이즈를 억제하기 위해 실리콘 광다이오드(시피엠) 또는 광다이오드 관(PMT)을 공진 모드로 읽어내기 위한 신호를 수집한다.
• 플라스틱 산란체와 lead 블록을 사용한 능동 및 피동적 차폐를 통해 우주선 및 천연 배경 방사선을 제거한다.
• 섬유 오염 방지를 위해 전도도 <10 µS/cm를 유지하는 초순수 물 정제 시스템을 통합하여 측정 중 트리티움 활성도 유지를 확보한다.
• 15개의 원통형 셀로 구성된 모듈식 검출기 설계를 통해 각 셀은 500개의 섬유(25 cm 길이, 1 mm 지름)를 포함하며, 셀당 두 개의 시피엠 어레이를 공진 모드로 읽어낸다.
• GEANT4 시뮬레이션을 활용해 섬유 길이, 지름 및 기하학적 구성 조건을 최적화하여 에너지 투과율과 감지 효율을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클래딩이 없는 산란 광섬유가 트리티움 붕괴에서 발생하는 저에너지 베타 입자를 충분한 효율과 신호 대 잡음비로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 에너지 투과율을 극대화하면서 신호 손실를 최소화하기 위해 최적의 섬유 지름과 기하학적 구성은 무엇인가?
• RQ3 시피엠 또는 PMT를 사용한 공진 감지 방식이 내재된 검출기 노이즈를 효과적으로 억제하고 100 Bq/L 이하 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 산란 섬유의 수와 표면 상태가 검출기 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 지속 흐름 방식의 초순수 물 시스템이 트리티움 농도를 유지하고 실시간 모니터링 요구 조건을 충족시키기 위해 10분 주기의 물 교체 사이클을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• GEANT4 시뮬레이션 결과, 트리티움 붕괴에서 발생하는 전자는 2 mm 지름의 클래딩이 없는 섬유에 약 12 keV에서 피크를 보이며, 2~18 keV의 범위로 에너지를 투과하며 붕괴 사건은 섬유 표면에서 5 µm 이내에 발생한다.
• TRITIUM-1 Aveiro 프로토타입은 더 많은 섬유와 최적화된 공진 읽기 방식 덕분에 TRITIUM-0 프로토타입 대비 트리티움 신호가 10배 향상되었다.
• 검출기 프로토타입은 9개월 간의 연속 실험 테스트 동안 안정된 반응을 유지하여 장기적인 신뢰성을 입증하였다.
• 55Fe 원천(5.9 keV 광자)을 사용한 저에너지 감지 검증을 통해 시스템이 트리티움 베타 붕괴 평균 에너지인 약 6 keV 수준의 신호를 감지할 수 있음을 확인하였다.
• 108.11 MBq/L의 트리티아트 수소수를 성공적으로 측정하였으며, 데이터 스펙트럼에서 초순수 물과의 명확한 신호 분리가 이루어져 규제 기준을 훨씬 초월한 감도를 입증하였다.
• 초순수 물 정제 시스템은 트리티움 활성도를 유지하였고, 10분 주기의 물 교체 사이클을 지원하여 실시간 모니터링 요구 조건을 충족시켰다.