원자로 중성미자 검출을 위한 액체섬광검출기 개발 원자로 중성미자 검출을 위한 액체섬광검출기 개발 원자력 기술 개발 사업 방사선 계측기 제작 기술 개발 2007. 2. 22 세종대학교 물리학과 김 영 덕 Monitoring happens once per year now Can do as well as needed approaching S.Q., don’t need to do SQ, they don’t do SQ. Long term goal is state of the art Show error bars on slide 16 (plot) Required by IAEA safegaurds (plutonium inventory for reprocessing) Muon and gamma backgrounds Cladnestine production not allowed Positive spin on talk Current data with cuts

연구 배경및 목적 외국의 연구현황 연구내용및 방법 연구 체계및 연구진 발표 내용 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

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.

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. 원자로 가동 시간에 따른 Fuel Burn-up

원자로 중성미자 235U와 239Pu에서 방출되는 중성미자의 양과 에너지 스펙트럼은 차이가 있다. 반응단면적 중성미자 스펙트럼 에너지 스펙트럼과 반응 단면적의 에러 ~ 2-3% Plot of fission antineutrino spectrum Rates from inverse beta decay Evolution of spectrum with equation Possibility of fuel decomposition from neutrino energy spectra is not confirmed yet !

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. oil Gamma Catcher Gd 에서 방출되는 감마선 측정 Gd loaded Scintillator PMTs 원자로 중성미자 검출기 개념도 차폐체

LAB (Linear Alkyl Benzene) 액체섬광 검출기 Base material + Solvent + Fluor + WS(wavelength shifter) Base Solvent Fluore WS (wavelength shifter) Mineral Oil(MO) Dodecane LAB PseudoCumene(PC) PXE PPO POPOP Bis-MSB PPO Dodecane 단일결합 Pseudocumene LAB (Linear Alkyl Benzene) PXE 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)

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

미국 San Onofre Reactor 모니터링 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 중성미자 데이터 원자로 열출력 데이터

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

Geant4 Monte-Carlo Simulation 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

III 연구 내용 및 방법 : 개발목표및 내용 구분 년도 연구개발목표 연구개발내용 연구범위 1년 2007 액체섬광체 성능 연구 LAB를 이용한 액체섬광체 개발 자료수집, 테스트 Gd -LS 연구 Gd 함유 LAB 액체섬광체 개발 2년 2008 검출기 디자인 검출기 시뮬레이션 시뮬레이션 시작품 제작 8kg Gd_LS와 40cm Gamma Catcher의 시작품 개발 3년 2009 검출기 성능 테스트 검출기 에너지 분해능 및 중성자 포획시간 분포 획득 데이터 수집 Full scale 검출기 디자인 GEANT4 시뮬레이션으로 최적의 parameter 획득

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.

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

III 연구 체계및 연구진 성명 소속기관명 직위 업무 김영덕 세종대학교 부교수 GdLLS 개발 검출기 디자인 -G4 시물레이션 -DAQ 연구 Full detector 시뮬레이션 이정일 박사과정 강운구 문승현 석사과정 최영일 성균관대학교 교수 LS 개발 proto-type 검출기 제작 -acryl 적합성 연구 -pmt holder 연구 -제작 -감마, 중성자 선원 테스트 박강순 박사후연구원 서현관 이종석 김동현

연구기간 : 3년 연구비 : 4억 170만 직접비 : 2억 1329만원 인건비 : 1억 80만원 간접비 : 8761만원 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

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.

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

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. Φ=160cm 1240kg Mineral Oil Φ=120cm 637kg Unloaded Scintillator Φ=80cm 268kg Gd loaded L=200cm 5855kg 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

Gd isotopes

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

Energies of Gammas : 0-6 MeV 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.

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