0. 1 21 3456789:;

보안 과제( ), 일반 과제( ○ ) / 공개( ○ ), 비공개( ) 과제번호( 2017M2A8A4056456 )

원자력기술개발사업 제3차 연도 최종보고서

R&D / 원자력기술개발사업

방사성물질 방출 사고 시원자력발전소 주변 부지토양 오염 감시를 위한무선 감시시스템 개발

최종보고서2020. 01. 17.

주관연구기관 / 단국대학교 천안캠퍼스

과 학 기 술 정 보 통 신 부

국가연구개발 보고서원문 성과물 전담기관인 한국과학기술정보연구원에서 가공·서비스 하는 연구보고서는 동의 없이 상업적 및 기타 영리목적으로 사용할 수 없습니다.

- 1 -

제 출 문

과학기술정보통신부 장관 귀하

‘방사성물질 방출 사고 시 원자력발전소 주변 부지 토양 오염 감시를 위한 무선 감시시

스템 개발’(연구개발 기간：2017. 07. 14. ~ 2019. 12. 31.) 과제의 최종보고서를 제출

합니다.

2020. 01. 17.

주관연구기관명ː단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 (대표자) 김철현 (인)

주관연구기관책임자: 문 주 현

과학기술정보통신부훈령 제32조에 따라 최종보고서 열람에 동의합니다.


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보고서 요약서

과제 고유 번호2017M2A8A4

056456

해당 단계

연구 기간

2017.07.14.~

2019.12.31.단계구분 3/3

연구사업명중사업명 원자력기술개발사업

세부사업명 원자력안전

연구과제명

대과제명

세부과제명방사성물질 방출 사고 시 원자력발전소 주변 부지 토양 오염 감시

를 위한 무선 감시시스템 개발

연구책임자 문주현

해당단계

참여연구원

수

총: 6 명

내부: 6 명

외부: 명

해당단계

연구개발비

정부:420,000천원

민간: 천원

계:420,000천원

총 연구기간

참여연구원

수

총: 6 명

내부: 6 명

외부: 명

총 연구개발비

정부:420,000천원

민간: 천원

계:420,000천원

연구기관명 및

소속 부서명단국대학교 천안캠퍼스

참여기업명

국제공동연구 상대국명: 상대국 연구기관명:

위탁연구 연구기관명: ㈜알엠택 연구책임자: 이홍연

※ 국내·외의 기술개발 현황은 연구개발계획서에 기재한 내용으로 갈음

연구개발성과의

보안등급 및

사유

일반

9대 성과 등록·기탁번호

구분 논문 특허보고서

원문

연구시설

·장비

기술요약

정보

소프트

웨어화합물

생명자원 신품종

생명

정보

생물

자원정보 실물

등록·기탁

번호1 1 1

국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황

구입기관연구시설·

장비명

규격

(모델명)수량 구입연월일

구입가격

(천원)

구입처

(전화)

비고

(설치장소)

NTIS

등록번호

요약

원전 사고로 인해 환경으로 방사성물질 방출 시, 지역주민 보호와 방사성 오염

제염 등을 위해서는 신속한 방사성물질 거동 파악이 필요함. 이에 본 연구에서 중

대사고를 포함하여 원전에서 방사성물질 방출 사고 발생 시 방사성물질 거동과 인

근 토양 오염 여부를 즉각 감지할 수 있는 무선 감시시스템을 개발함.

이를 위해, 본 연구에서는 △무선통신을 적용한 방사능 측정 기술 조사·분석,

△최적 기술 적용 무선 감시시스템의 회로부 상세 개념 설계 △무선 감시시스템

및 소프트웨어 제작 △무선 감시시스템 시작품 제작 및 성능 평가 △구축된 무선

네트워크 감시시스템 성능 및 현장 적용성 평가 △현장 적용성 평가 결과를 토대

로 무선 네트워크 감시시스템 최적화를 수행함.

본 무선감시시스템은 사고 초기에는 주민 대피/소개에, 사고 복구단계에서는 사

고 원전 주변 지역 방사성오염 실태 파악에 활용이 가능할 것으로 기대함.

보고서 면수

72


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요약문

연구의

목적 및 내용

■ 원전 사고로 인해 방사성물질이 환경으로 방출 시 주변지역 주민의 피폭을

최소화 할 필요가 있음.

- 방사성물질의 거동과 양을 가능한 한 신속·정확하게 파악해야 함.

■ 국가환경방사선감시망에 사용되는 방사선측정기의 대부분은 공간감마선량률

만 측정할 수 있으며, 몇 가지 문제점이 존재함.

- 어떤 핵종이 감마선량률에 기여했는지 핵종정보를 알 수 없고, 베타선과

알파선에 대한 정보는 일체 얻을 수 없음.

- 원자력발전소 주변에 일정간격으로 설치되어 있는 것이 아니고, 특별한

규칙이 존재하지 않음.

- 사고 대응용으로 별다른 기능이 존재하지 않음.

■ 컴퓨터 코드를 통한 시뮬레이션 외 방사성물질의 거동과 양을 파악할 수 있

는 방법이 현재 존재 하지 않음.

■ 중대사고를 포함하여 원자력발전소로부터 방사성물질 방출 사고 시 토양오

염을 즉각 감지할 수 있는 무선 감시시스템 개발을 목적으로 함.

- 감마방출핵종의 경우 공간감마선량률을 표시하고, 베타 방출핵종의 경우

존재유무를 cps 단위로 표시함.

- 필요시 감마방출핵종의 핵종판별까지 가능하도록 제작함.

연구개발성과

■ 무선네트워크 감시시스템 개념 설계 및 예비 성능 평가

○ 무선통신을 적용한 방사능 측정 기술 조사·분석

- 원거리 데이터 전송을 위한 무선통신기술을 조사함.

- 무선 방사능 계측시스템 기술 적용 사례를 조사함.

○ 무선 방사능 감시시스템 개념 설계 및 후보 선별

- 원전 사고 시 지표에 침적 가능한 방사성핵종 특성을 조사함.

- 감시시스템 감지부 선정을 위한 후보군을 선별함.

- 무선데이터 송수신을 위한 무선통신기술을 선정함.

○ 최적 기술 적용 무선 감시시스템의 회로부 상세 개념 설계

- 무선통신기술 원거리 데이터 송수신 가능성을 평가함.

- 무선 감시시스템 제작을 위한 구성품을 상세 설계함.

- 무선 감시시스템 개별 구성품 전자 보드를 설계함.

■ 최적 기술 무선 감시시스템 제작 및 성능 평가

○ 무선 감시시스템 설치를 위한 위치 후보군 선별

- 환경방사선 감시현황을 조사함.

- 대기확산 모델을 조사·분석함.

- 무선 감시시스템 최적 배치를 선정함.

○ 무선 감시시스템 통합 보드 및 소프트웨어 상세 설계

- 무선 감시시스템 통합 보드를 상세 설계함.

- 무선 감시시스템 소프트웨어를 설계함.

○ 최적기술 적용 무선 감시시스템 및 소프트웨어 제작

- 무선통신기술 적용 무선 감시시스템을 제작함.

- 감시시스템과 메인서버 간 데이터 송수신 소프트웨어를 제작함.

■ 현장 적용을 통한 무선 네트워크 감시시스템 성능 최적화

○ 무선 감시시스템 시작품 제작 및 성능 평가

- 시작품을 제작함.

- 방사능 오염 여부 및 방사성핵종 판별 여부를 평가함.

- 무선 감시시스템 별 데이터 송수신 호환성을 평가함.

○ 구축된 무선 네트워크 감시시스템 성능 및 현장 적용성 평가

- 구축된 무선 네트워크 감시시스템의 부지 적용성을 평가함.


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- 현장적용을 통한 감시시스템 성능을 시험함.

○ 현장 적용성 평가결과를 토대로 무선 네트워크 감시시스템 최적화

- 무선 감시시스템의 설계를 개선 및 최적화함.

연구개발성과의

활용계획

(기대효과)

■ 현장 측정기로부터 짧은 간격으로 실시간 데이터를 전송받으므로 사고 초기

에 주민 대피/소개에 활용 가능.

■ 각 현장 측정기에 핵종 정보를 저장하도록 설정한다면 추후 수집하여, 피폭

선량 평가와 더불어 제염 작업 시 절차 수립/작업자 안전에 기여.

■ 일부 기술을 활용하여 일반 상황에서는 연속적으로 핵종 분석이 가능한 환

경방사선(능) 감시 장비로도 활용 가능함.

■ 장비 설치에 필요한 면적이 좁아 전국 어디서나 원하는 위치에 설치 가능.

■ 본 감시시스템을 개발하는 동안 축적된 데이터를 활용하여 다양한 분야에

방사선/능 감시기를 개발할 수 있으며, 검출기 제작 국산화에 기여.

국문핵심어

(5개 이내)

방사성물질

방출 사고

무선 방사능

측정방사능운 무인시스템

원자력

사고관리

영문핵심어

(5개 이내)

Radioactive

material

release

accidents

Wireless

radioactivity

measurement

Radioactive

plume

Automated

operation

system

Nuclear

accident

management

※ 국문으로 작성(영문 핵심어 제외)


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〈 목 차 〉

1. 연구개발과제의 개요···································································································· 6

2. 연구수행내용 및 성과····································································································9

3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ············································································67

4. 연구개발성과의 활용 계획 등····················································································69

붙임. 참고 문헌 ················································································································70

<별첨> 주관연구기관의 자체평가 의견서


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1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발의 목적 및 필요성

2011년 3월 일본 후쿠시마에 INES(International Nuclear Event Scale) 사고등급 7.0

에 해당하는 중대사고가 발생했으며, 다량의 방사성물질이 환경(공기, 지하수, 바다)으로 누출

됐다. 방사성물질이 방출돼 인간 생활권에 도달하게 되면, 인체 내·외부에 장기간 피폭을 유

발할 수 있다. 따라서 방사성물질 거동과 양을 가능한 한 신속·정확하게 파악하여, 주변 지역

주민의 방사선 피폭을 최소화해야 한다.

아울러 사고 수습단계에서는 복구작업 종사자 및 지원인력 출입, 물자 운반차량 출입 등을

위해, 원전에서 방출된 방사성물질에 오염된 인근 지역을 제염해야 한다. 이 제염 작업을 수행

하기에 앞서, 방사성 오염지역은 물론 오염 물질(즉, 표면에 침전된 방사성핵종)과 수준을 확

인하고, 이에 따른 작업계획 수립이 선행되어야 한다.

현재 우리나라는 한국원자력안전기술원에서 전국 171개 지점에 방사선감시망을 설치하여

공간감마선량률을 감시하고 있다. 또한 그림 1과 같이 지자체에서 자체적으로 운영하는 31개

망, 사업자(한국수력원자력, 한국원자력환경공단, 한국원자력연구원, 한전원자력연료)에서 제공

하는 68개망과 통합하여 국가환경방사선감시망(IERNet: Integrated Environ-mental

Radiation Monitoring Network)을 구축해 국민에게 15분 간격으로 정보를 제공한다.

국가환경방사선감시망에 사용되는 방사선측정기 대부분은 공기이온전리함 형식이다. 이 측

정기는 공간감마선량률만 측정할 수 있을 뿐, 어떤 핵종이 감마선량률에 기여했는지 핵종 정보

를 알 수 없고, 베타선과 알파선에 대한 정보는 일체 얻을 수 없다. 원자력발전소에서는 감마

방출핵종 뿐만 아니라 Sr-90, I-131 등 생태계에 영향을 줄 수 있는 베타 방출핵종도 존재

하기 때문에, 이 또한 존재 유무를 파악할 필요가 있다.

현재 방사선감시망은 원자력발전소 주변에 일정 간격으로 설치되어 있는 것이 아니고, 특별

한 규칙도 존재하지 않기 때문에, 방사성물질 방출 사고 시 방사성물질을 포함한 방사성구름

(Plume)의 거동을 전혀 예측하기 어렵다. 현재로서는 시뮬레이션을 통한 예상 시나리오 외에

는 방사성구름의 거동을 평가할 수단이 없다. 이렇듯 정확한 정보가 없는 상황에서는 조기에

주민보호조치를 취하기 어렵다. 아울러 사고 시 15분 간격으로 공간감마선량 정보를 제공하는

것은, 긴박한 사고 상황에서 기다리기에는 너무 긴 시간으로 판단되어, 이를 개선할 필요가 있

다.


- 7 -

그림 1. 국가환경방사선감시망(IERNet) 구성

(출처: http://iernet.kins.re.kr/)

이를 해결하기 위해 국내 원전 주변 지역 현재의 국가환경방사선감시망 시스템을 개선하거

나, 방사능 재난 대비 감시망을 새롭게 구축할 필요가 있으며, 핵종 정보를 확인할 수 있는 환

경방사선 감시용 또는 방사능 사고 대비용 방사선 측정기를 개발할 필요가 있다.

1-2. 연구개발의 목표 및 내용

본 연구에서는 중대사고를 포함하여 원자력발전소로부터 방사성물질 방출 사고 시 원전 주

변 부지로 방출돼 침적되는 주요 토양 오염 핵종인 Cs-137, Co-60, Sr-90 등의 존재 유무

를 파악하고, 방사능운의 이동방향 확인이 가능하도록 원전을 중심으로 방사형으로 구축할 수

있는 무선 네트워크 감시시스템을 개발했다. 감마방출핵종에 대해서는 공간감마선량률을 표시

하고, 베타 방출핵종에 대해서는 그 존재 유무를 cps 단위로 표시하며, 필요시 감마 방출핵종

의 핵종판별까지 가능하도록 제작했다.

본 연구의 주요 내용을 요약하면 아래와 같다.


- 8 -

□ 무선 감시시스템 개념 설계

◎ 무선통신을 적용한 방사능 측정 기술 조사·분석

◎ 방사선감지부 선별

◎ 신호처리기술 조사·분석

□ 무선 감시시스템 설계 및 제작

◎ 방사선/능 무선 감시시스템 국내외 사례조사

◎ 무선 감시시스템 개념 및 상세 설계

◎ 현장측정용 검출기 제작

◎ 서버용 소프트웨어 제작

□ 무선 감시시스템 성능 및 현장적용성 평가

◎ 현장측정용 검출기 성능 평가

◎ 무선 감시시스템 현장적용성 평가

◎ 무선 감시시스템 설계 개선 및 최적화

◎ 무선네트워크 감시시스템 개념 설계 및 예비 성능 평가


- 9 -

2. 연구수행내용 및 성과

2-1. 무선 감시시스템 개념설계

2-1-1. 무선통신을 적용한 방사능 측정 기술 조사·분석

가. 원거리 데이터 전송을 위한 무선통신기술 조사

현장측정용 방사선검출기와 메인서버(소프트웨어) 간 장거리 통신을 위해 무선 또는 유선

랜을 사용해야 한다. 또 현장에서 장비 점검 및 교정 등을 수행하기 위해서는 근거리 유․무선

통신기술이 필요하다. 유선 랜은 검출기에 사용되는 MCU(Micro-controller unit) 내부의 유

선 랜 스택을 설계하여 구현할 수 있으며, 무선 랜은 통신 모듈을 독립적으로 구성하여 설계할

수 있다. 본 연구 목적에 맞는 유무선 방식을 구현하기 위해, 통신시스템 종류와 특징, 적용

사례를 조사했다.

(1) 무선통신 시스템 종류와 특징 [1,2,3]

(가) 블루투스 통신

블루투스는 최대 100 m(328 ft) 거리에서 데이터를 전송할 수 있지만, 대부분의 장치는

간섭으로 인해 10 m 이내의 제한된 전송범위를 갖는다. 블루투스 기술은 2.4~2.485 GHz 범

위에서 데이터를 전송하며, 이는 확산 대역의 양방향 주파수 도약 신호이다.

블루투스 무선통신으로 신호를 전송하기 위해서는 칩이 필요하고, 연결을 보장하기 위한 소

프트웨어 또한 필요하다. 블루투스는 통일된 연결 표준을 가지고 있어서 휴대전화에서 자동차,

의료기기 및 운동 모니터링까지 다양한 범위의 장비에 사용되고 있다.

(나) 셀룰러 네트워크(Cellular Network)

셀룰러 무선통신 시스템은 무선전화 및 휴대전화와 동일한 기술을 사용한다. 이 기술은 해

당 대역이나 셀에 동시에 접근할 수 있는 장치 개수를 확대하기 위해 다양한 주파수 범위와

기술을 사용한다. 무선통신(셀룰러 네트워크)은 거의 분리된 네트워크로 기능하는 셀(Cell)로

커버리지 영역을 분할하여 각 주파수 내에서 더 많은 트래픽을 가능케 한다. 그 결과, 전 세계

대부분 지역에서 빠르고 신뢰할 수 있는 통신을 할 수 있다.


- 10 -

셀룰러 네트워크를 사용하면 방송 메시지나 경보 기능도 사용할 수 있다. 따라서 가정과 건

물 보안 시스템, 플랜트 및 장비 상태 모니터링, 온도나 습도와 같은 환경 모니터링 그리고 컴

퓨터 간 데이터 전송에 사용된다. 셀룰러 네트워크 종류에는 CDMA(Code Division Multiple

Access), LTE(Long-Term Evolution) 통신 등이 있다.

(다) 와이파이(Wi-Fi)

Wi-Fi 신호는 리피터와 부스터를 사용하여 넓은 지역을 커버할 수 있으므로 대규모 설비

에 이상적이다. 부스터 없이도 간섭이 없는 경우, 1,000 m의 전송범위를 갖는다.

Wi-Fi 신호는 쉽게 타인에게 누출될 수 있으므로 방화벽과 같은 적절한 안전대책을 갖추

는 것이 중요하다. 케이블이 거의 필요하지 않기 때문에 현존하는 설비들의 유선 솔루션보다

구축비용이 저렴하다. Wi-Fi는 휴대전화와 VoIP 전화 장비와 함께 데스크톱 PC부터 PLC까

지 광범위한 장비를 연결할 수 있다.

표 1. 통신기술별 장·단점

구분 특징

블루투스

장점

• 저출력으로 인하여 배터리로 작동되는 장치에서도 잘 작동함 • 저렴하여 저비용 장비에도 사용 가능함 • 음성과 데이터 전송을 동시에 관리 가능함 • 지연(latency)이 적음

단점

• 대부분 장비에서 제한된 범위를 가짐 • 데이터 전송률(24 Mbits/s) • 장치 간 페어링 프로토콜 호환 불가 • 연속데이터 가용성을 보장하기 위하여 로컬 데이터 저장이 필요

셀룰러 네트워크

장점

• 신뢰성 • 지역 내에 커버리지가 있는 한은 간편하게 사용 가능 • 데이터 기록과 일괄 전송 비용이 적음 • 저장고 탱크 수위와 같이 원격 위치 모니터링에 이상적임

단점 • 대역폭의 제한과 혼잡한 지역에서의 가용성 • 지속적인 데이터 가용성을 보장하기 위하여 로컬 데이터 저장 필요

Wi-Fi

장점

• 빠른 전송 속도 • 기존의 위치에 설치 시 비용이 저렴 • 유연한 연결 • 데이터를 다시 보내야 하는 경우에도 정확한 데이터 전송을 보장 • 저장고 탱크 수위와 같은 원격 지역 모니터링에 이상적 • 다양한 프로토콜이 광범위하거나 혼잡한 환경에서 사용할 수 있게

해 폭넓은 솔루션을 가능케 함

단점 • 간섭에 민감함 • 강력한 보안이 필요함


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나. 무선 방사능 계측기술 적용 사례 조사

현재 국내에서 공공기관 및 산업현장에서 무선통신 기술을 적용한 방사선/능 측정 사례는

국가환경방사선감시망(ERMS)을 제외하고는 알려진 사례가 드물다. 원자력 산업계에서는 방사

선작업종사자 개인선량계에 무선통신기술을 적용해 개인피폭관리 장비를 개발하고 있는 것으

로 알려져 있다.

방사성핵종 판별은 공기, 지하수 또는 토양 시료를 채취해 실내(연구소 내)에서 수행하는

경우가 대부분이다. 현장에서 직접 핵종판별까지 할 수 있는 장비는 실제 사용된 사례가 드물

지만, 최근 들어 다양한 기관에서 연구개발 중인 것으로 조사되었다. 표 2, 3, 4는 무선통신

기술을 적용한 방사선/능 측정 또는 핵종판별 기능에 대한 특허와 국내 연구과제 현황, 산업현

장에 사용되는 장비를 보여다.

표 2. 산업현장에서 사용하는 환경방사선/능 감시시스템 주요 특징 [4,5,6]

제조사 / 모델 Envinet / SARA GE / RS DetectionSatrec Initiative / EFRD 3300

검출기 종류 GM + NaI HPIC NaI

측정 핵종감마선량률 +

감마핵종감마선량률

감마선량률 + 감마핵종

측정 범위(에너지) 30keV~3MeV 80kev~2MeV 30keV~3MeV

사용 환경 Field 고정형 Field 고정형 Field 고정형

통신 방법 CDMA CDMA CDMA

표 3. 무선통신기술 및 핵종분석 관련 특허 현황

출원번호 출원일자 출원인 발명의 명칭 비고

1019980003131 1998.02.04 한국원자력연구원 무선통신을 이용한 원격제어

방사선측정 시스템등록

1020000010350 2000.03.02한국전력공사

한국수력원자력다기능 방사성 감마핵종분석기 및

측정방법등록

1020080006429 2008.01.22 한국표준과학연구원 저온검출기를 이용한 방사성

핵종의 알파 절대 방사선량측정 및 핵종 판별 방법과 그 장치

등록

1020080092223 2008.09.19 한국원자력 통제기술원플라스틱 섬광체 기반 방사선

검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법

등록

1020110086503 2011.08.29 일진방사선 엔지니어링 (주) 일체형 개인 방사선측정기와

무선통신 장치가 포함된 방사선 안전관리 시스템

등록

1020147000942 2012.07.06오스트레일리안 뉴클리어

사이언스 앤드 테크놀로지 오가니제이션

방사성 핵종 검출 및 식별 공개

1020140161608 2014.11.19 한국원자력안전기술원 플라스틱 섬광체를 이용한 방사성

핵종 분별 방법 및 장치등록


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표 4. 무선통신기술 및 핵종분석 관련 연구현황

과제명 총연구기간 과제 수행 기관연구관리전문기관

중대사고 감시 및 대응을 위한 무선 센서망 기반의 군집 방사선 측정 시스템 개발

17.07.14~19.12.31 한국원자력연구원 한국연구재단

원전 인근 수중 방사능 오염 감시체계 구축을 위한 근/원거리 모니터링 시스템 개발

17.05.01~20.04.30명지대학교산학협력단

한국산업기술평가관리원

원격 방사선 측정을 위한 ZIGBEE 원칩형 통신 모듈 개발

13.10.01~14.01.31한밭대학교산학협력단

한국산업기술평가관리원

방사성 핵종 인식 환경방사선 분포 신속 감시 시스템 구축

12.08.07~15.07.31 울산과학기술대학교 원자력안전

위원회

IoT 6LoWPAN 기반의 지능형 무선피폭선량 안전관리시스템

15.06.22~16.06.21 (주)유투엔지 중소기업기술정

보진흥원

무선 원격제어를 적용한 고준위 방사성 물질 취급용 대용량(Load 20kg급) 원격조종기 개발

15.09.01~17.08.31 (주)월성티엠피 한국산업기술평

가관리원

산업체용 이동형 방사선 원격 감시시스템 개발 01.10.01~03.09.01 (주)세영엔디씨 한국산업기술평

가원

방사선원 실시간 위치추적 관리시스템 구축 및 운영

04.01.01~04.12.01한국원자력안전기술원

과학기술부

RFID를 이용한 실시간원격 방사선 피폭감시 시스템

08.09.01~09.08.31㈜에스에프테크놀로지

한국산업기술평가원

소형 반도체 센서 기반 수중에서의 무선 방사선 모니터링 시스템 연구

14.06.01~15.05.31 명지대학교 한국연구재단

다. 데이터 송수신을 위한 무선통신기술 선정

본 연구에서는 여러 장치에서 동시 접근이 가능하고, 경보기능, 장비 상태 모니터링, 환

경 모니터링 등이 가능한 셀룰러 네트워크 기술을 사용하기로 했다. 셀룰러 네트워크에는 크게

CDMA와 LTE 방식이 있는데, 디지털 정보를 송수신하기 때문에, 아날로그 시스템에 비해 신

호 출력과 송수신 품질이 우수하다.

LTE 방식은 CDMA 방식보다 주파수 효율이 좋고, 데이터 속도를 더 높이기 위해 새로운

물리적 무선 인터페이스를 사용한다. LTE는 다운 링크에서 100 Mbit/s, 업 링크에서 50

Mbit/s의 데이터 속도를 목표로 하며, 1.4 MHz ~ 20 MHz 대역폭을 지원하여 더 낮은 주파

수 범위에서도 작동할 수 있다. LTE 방식은 높은 데이터 속도와 짧은 대기 시간으로 패킷 교

환 트래픽에 최적화되어있다. 계약된 구성 및 각 가상 운영자의 트래픽 로드(Traffic load)에

따라 무선 인터페이스 재원이 운영자 사이에 공유된다. 이런 식으로 전체 재원 사용률이 향상

되고, 네트워크 및 최종 사용자의 성능이 향상된다 [7].


- 13 -

표 5. CDMA 및 LTE 통신 장점 [7,8]

구분 장점

CDMA

• 고품질 서비스

- 아날로그 방식에서는 다중 경로로 들어오는 신호들이 데이터 전송에 상당히 나

쁜 영향을 미치나 CDMA에서는 이러한 다중 경로 신호를 각각 분리하여 양호

한 신호를 선택, 사용함으로 아날로그 방식보다 품질이 우수

• 우수한 보안성

• 높은 스펙트럼 효율

• 쉬운 주파수 설정

LTE

• 유연한 주파수 대역

• 기존 기술과 호환 가능

- 데이터 전송을 시작하고 커버리지를 벗어나면 추가 조작 없이 기존 네트워크를

사용하여 동작을 계속할 수 있음

• 낮은 전송 전력

• 저지연 모드

• 높은 데이터 전송 속도

• 짧은 대기 시간

2-1-2. 방사선감지부 선별

가. 고려 대상 방사성핵종

(1) 원자력발전소 내 인공핵종

원자력발전소 가동 중 원자로에서 생성되는 방사성핵종은 크게 방사화생성물과 핵분열생성

물로 구별된다. 방사화생성물이란 기존에는 비방사성 물질이었으나 1차 계통 내에서 중성자

조사에 의해 방사성물질로 변한 핵종을 말한다. 대부분의 방사화생성물은 핵연료 자체보다는

피복재 외부에서 생성되므로, 방사선 방호 입장에서 매우 중요하다. 방사화생성물은 두 가지

형태로 분류할 수 있다. 첫째, 노심을 구성하고 있는 구조체가 방사화된 후 나중에 부식에 의

해 노냉각재로 방출되는 경우가 있으며, 둘째, 냉각재인 물 자체 또는 냉각재 안에 존재하는

용존 물질이나 부유 물질이 노심을 통과하면서 방사화되는 경우가 있다. 대표적인 핵반응물질

로는 Co-60, N-16, A-41, L-61, H-3 등이 있다 [9].

핵분열생성물은 핵연료봉 내부의 핵분열물질이 중성자 조사 후 핵분열을 일으켜 생성된다.

핵분열생성물(I-131, Xe-135 등)은 원칙적으로 원자로 내에서만 생성된다. 원전 내에 존재

하는 대표적인 핵분열생성물과 방사화생성물은 표 6과 같다.


- 14 -

표 6. 원전에서 방출될 수 있는 핵종 [10]

종류 대표적 핵종

핵분열생성물

Sr-89, Sr-90, Sr-91, Y-91m, Y-91, Y-93, Zr-95, Nb-95, Mo-99, Tc-99m, Ru-103, Rh-103m, Ru-106, Rh-106, Ag-110m, Ag-110, Sb-124, Te-129m, Te-129, Te-131m, Te-131,�I-131, Te-132, I-132, I-133, I-134, Cs-134, I-135, Cs-136,�Cs-137, Ba-137m, Ba-140, La-140, Ce-141, Ce-143, Pr-143, Ce-144, Pr-144

방사화생성물Na-24, P-32, Cr-51, Mn-54, Fe-55, Fe-59, Co-58, Co-60, Ni-63, Zn-65, W-187, Np-239

(2) 환경으로 방출 시 주요 고려 핵종 [11,12,13]

(가) Cs-137

662 keV 감마선을 방출하는 핵종으로 물리적 반감기는 30년이다. 외부피폭과 방사성 오염

에 주의해야 한다. 공기 중에 떠다니는 수증기를 통해 인체에 들어갈 경우, 배출이 잘되지 않

고 근육에 주로 농축된다. 인체 내부에 다량이 축적될 경우, 불임, 전신마비, 골수암, 폐암, 갑

상선암, 유방암 등이 유발될 수 있다.

(나) Sr-90

Cs-137이 검출되면 Sr-90도 같이 검출된다고 봐야 한다. Sr-90은 순수하게 베타선만

방출하는 핵종으로, 실시간 현장측정이 어렵다. Sr-90은 내부피폭 시 뼈에 잔류하기 쉬워 유

의해야 한다. 국제방사선방호위원회에 따르면, Sr-90 섭취 시 유효 반감기는 18년이다.

(다) Co-60

철의 불순물로서 존재하는 Co-59가 (n, γ) 반응을 하여 Co-60이 생성된다. Co-60은

1개의 베타선과 2개의 고에너지 감마선을 방출하기 때문에 외부피폭에 주의하여야 한다. 흡입

한 코발트 분말은 폐에 남아 있다가 나중에 천천히 흡수되며, 금속 분진에 있는 코발트는 피부

를 통해 흡수될 수 있다. 흡입시 부종, 폐출혈, 천식, 폐렴, 결막 및 면역 저하 등이 유발된다.

반복적으로 노출될 경우 호흡기 자극, 재채기, 호흡 곤란, 위장 불쾌감, 두통, 말초 신경염, 자

연 유산 발생률 증가 등이 나타난다. 하지만 흡입 후 흡수된 코발트는 대부분 소변으로 배출된

다.

(라) I-131

요오드(Iodine)는 갑상선호르몬 필수 구성성분이다. I-131이 체내 흡수되면 갑상선에 축


- 15 -

적된다. 갑상선에 축적되면 갑상선에서 지속적으로 방사선을 방출하여 호르몬 대사를 관장하는

갑상선 기능을 망가뜨리는 것은 물론 갑상선염이나 갑상선암 등을 유발할 수 있다. 물리적 반

감기는 8일이다.

(마) Xe-133

반감기가 9시간에 불과해 다른 방사성핵종에 비해 인체에 대한 위험성이 낮다. 또한 비활

성기체여서 다른 물질과 결합하지 못하기 때문에 인체에 유입될 경우 특별한 반응 없이 배출

되는 것으로 알려져 있다. 원자력발전소에서 멀리 떨어져 있는 경우 크게 신경 쓰지 않아도 되

는 핵종이다.

(바) Pu-238, Pu-239

알파입자는 내부피폭 시 짧은 비정에 의해 인체 장기에 큰 손상을 야기하기 때문에 내부피

폭에 유의해야 한다. Pu-239는 알파입자를 내는 핵종으로, 폐에 쌓일 때 매우 강한 발암물질

이 된다. 호흡으로 들어갈 때보다 소화기관으로 들어가 섭취되었을 때, 민감도가 높으며 더 큰

위해를 불러일으킬 수 있다. 물리적 반감기는 87.7년이다.

나. 방사선감지부 선정을 위한 후보군 선별

(1) 섬광검출기 종류 및 특징 [14,15]

섬광검출기는 어떤 종류의 물질이 방사선과 상호작용하여 발생하는 섬광에 의해 이온화 방

사선을 검출하는 방사선 측정법 중 하나이다. 입사되는 방사선장의 세기와 가시광선 방출량의

비례 관계를 이용하는 섬광검출기는 사용하는 섬광 물질에 따라 고체, 액체, 기체, 또는 유기

질, 무기질 형태로 구분한다. 무기섬광체는 주로 감마선 측정에 사용되며, 종류는 NaI(TI),

CsI(TI), BGO(Bi4Ge3O12), SrI2(Eu) 등이 있다. 유기섬광체는 주로 베타선 측정에 사용되며,

종류로는 안트라센(C14H10), 플라스틱 섬광체, 액체 섬광체(Liquid Scintillator) 등이 있다.

(가) NaI(Tl)

NaI에 미량(~0.2%)의 Tl를 첨가하여, 감마선에 대한 검출 효율을 높인 무기섬광체다. 기

계적·열적 충격에 약하고, 조해성(hygroscopic)이 있어서 알루미늄 용기에 반드시 밀봉하여

사용해야 한다. 또 Tl은 독성이 있으므로 취급 시 주의해야 한다.

(나) CsI(TI)


- 16 -

크기가 같을 때, CsI(Tl)은 NaI(Tl)보다 원자 밀도가 커서 검출 효율이 높으며, 방출 스펙

트럼 파장이 NaI(TI)보다 훨씬 길다. CsI(Tl)은 조해성은 없으나, 펄스 형성이 늦어 높은 계

수율 측정에는 부적합하다.

(다) CaF2(Eu)

원자번호가 낮아서 물질의 광분해가 상대적으로 적어 고에너지 감마선은 분광이 불가능하

다. 후방 산란 양이 적기 때문에 베타 입자를 탐지하는데 이상적인 물질이다. PMT 창과 굴절

률이 1.47이기 때문에 높은 집광 효율을 얻을 수 있다.

(라) BGO

밀도가 매우 높고 원자번호(83)가 큰 비스무스(Bi) 성분이 들어있어 감마선 계수효율이 매

우 높으나, 에너지 분해능이 떨어진다. 다른 무기섬광체와 달리 활성제를 사용하지 않는다.

(마) PVT

폴리비닐톨루엔(Polyvinyl Toluene, PVT)은 유기 플라스틱 신틸레이터 중 방사선 측정

시스템에 가장 일반적으로 사용되는 물질이다. PVT는 제조가 쉽고 1 m가 넘는 단일 감지기

로 만들 수 있다. 주로 β 측정용으로 사용된다.

(바) SrI2(Eu)

SrI2(Eu) 섬광 결정은 매우 높은 광 출력을 제공하며 넓은 범위의 에너지를 측정할 수 있

다. 또 분해능이 좋아 감마선 검출에 효율적이다. 고/저에너지 선형성이 모두 우수하며 낮은

배경복사를 가지지만 흡습성이 있어 캡슐화가 필요하며, 작은 크기의 결정만 만들 수 있는 단

점이 있다.

(2) 반도체검출기 종류 및 특징 [16,17]

반도체검출기는 검출기에 역바이어스 전압을 인가하였을 때 n측 전자와 p측 정공이 각각

전극으로 이동하여 방사선 검출영역인 공핍층이 확장되는 현상을 이용하는 방사선 측정법 중

하나이다.

전하의 수집시간이 짧으며, 밀도가 기체보다 약 1,000배 커서 감마선에 대한 방사선 검출

효율이 우수하다. 감마선 측정 및 핵종 분석이 가능한 반도체 검출기로는 고순도게르마늄반도

체검출기(HPGe)가 있다. 단, 열적 여기에 의해 반도체검출기에는 항상 미량의 전류가 흐르기

때문에 사용 시에는 반드시 액체질소로 냉각시켜 주어야 한다.


- 17 -

다. 방사선감지부 선별

다양한 검출기 종류와 특징을 고려한 결과, 본 과제 목적과 부합하며 현장에서 오염 감시를

할 수 있는 검출기는 NaI(Tl) 검출기를 비롯한 섬광검출기와 HPGe 검출기가 있다. 또한 원

전 주변 부지에 침착되는 주요 오염 핵종인 Cs-137, Co-60과 같은 감마선 방출 핵종과 난

검출성 베타 핵종인 Sr-90 등을 동시에 판별하기 위해서는 각각의 방사선을 검출할 수 있는

개별 검출기를 택해 결합하는 방법과 감마-베타를 동시에 측정할 수 있는 1개의 Phoswich

검출기를 사용하는 방법이 있을 수 있다.

본 과제에서는 과제 목적과 현장 상황 등을 감안하여, 알파와 베타를 측정하기 위한

CaF2(Eu) 섬광체와 감마를 측정하기 위한 NaI(Tl) 섬광체를 포함하고 있어 베타-감마를 동

시에 측정할 수 있는 Phoswich 검출기(Saint-gobain crystal, 2M2Q/2LCAF2(EU)-X)를

사용하기로 결정했다.

표 7. 섬광 물질의 물성 데이터

구 분 CaF2(Eu) NaI(Tl) PVT SrI2(Eu) CsI(Tl) CsI(Na)

Density

[g/cm3]3.18 3.67 1.03 4.59 4.51 4.51

Melting point

[K]1,69 924 - 538 894 894

Thermal expansion

coefficient

[C-1]

19.5×10-6 47.4×10-6 7.8×10-5 2.2×10-5 54×10-6 54×10-6

Wavelength of emission max

[nm]435 415 423~434 435 550 420

Refractive index

@emission max1.47 1.85 1.58 2.05 1.79 1.84

Primary decay time

[ns]940 250 1.8~4.0 1,200 1,000 630

Light yield

[photons/keV]19 38

38~68

(Light

Output,

%Anthrac

ene)

115 54 41


- 18 -

그림 2. NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), CaF2(Eu) 섬광 물질의 방출 스펙트럼 [18]

그림 3. NaI(Tl), CaF2 섬광 물질의 흡수 효율 [18]

2-1-3. 신호처리기술 조사·분석

가. 전자회로설계 요구조건

무선 네트워크 감시시스템 구성요소 중 가장 중요한 것은 전자회로이다. 그중 분광

(Spectroscopy)을 위한 MCA(Multi-Channel Analyzer)가 핵심 구성요소이다. 전자회로는

크게 방사선 센서 구동 회로와 검출부 회로로 구분할 수 있다. 이와 함께 MCA, 메인보드, 통

신장치, 전원장치 등을 위한 부가 회로로도 있다. 아래 표는 전자회로 하드웨어 개발을 위한

사양과 요구사항을 정리한 것이다.


- 19 -

표 8. 전자회로 하드웨어 사양 및 요구사항

항 목 내 용 비 고

방사선검출기 - 포스위치(Phoswich) 검출기

검출기 회로 - 검출기와 증폭회로를 일체형으로 개발

MCA1 channel, 1 ADC

1024 channel

MCU(마이크로 프로세서)

- ARM core32 bit RISC 구조

시스템 제어용

FPGA ADC 데이터를 수집하고 패킷을 생성

ADC channelADC 속도 : 50 – 60 MHz

전압 : 3.3 V

고전압 Phoswich 검출기 : ~ + 1,500 V

전원배터리

24시간 시스템 유지

PSD 알파/베타 핵종 분리

업데이트 시간 1 sec ~ 15 min (가변 설정)

통신 방식 유무선 통신

나. 상용제품 사양비교

전자부 설계에 앞서 본 과제 목적에 맞게 방사능 측정 장비에 적용이 가능한 국외 전자부

제품을 비교·분석하였다. 본 연구에서 선정한 섬광체인 NaI(Tl)과 CaF2(Eu)와 양립하고, 자

체 배터리 사용이 가능한 MCA는 Canberra Inspector - 2000이 있다.


- 20 -

표 9. MCA 주요 사양 비교

MCA 주요 사양 비교

제조사 Canberra Canberra Canberra Ortec Ortec GBS

Model Lynx DSA-1000InSpector

2000DigiDART

DigiDART-LF

MMCA

Detector연결성

HPGe, NaI(Tl),

Lanthanum Halide,

Si(Li), PIPS, CdTe,

Cd(Zn)Te

HPGe, NaI(Tl),

Si(Li), PIPS, X-PIPS™

CdTe,Cd(Zn)Te

HPGe, NaI(TI), Cd(zn)Te

OnlyHPGe

NaI(TI), LaBr,

Scintillation Detectors

OnlyHPGe

Channels 32 K 16 K 16 K 16 K 2048 16 K

DSP 기술 Yes Yes Yes Yes Yes Yes

Auto Pole Zero option

지원 지원 지원 지원 지원 지원

통합신호처리

Yes Yes Yes Yes Yes Yes

DSP 프로그램

지원및 PC제어

Yes Yes Yes Yes Yes Yes

HV 공급 ± 5000 V ± 5000 V ± 5000 V별도의 HV공급장치

필요

별도의 HV공급장치

필요± 3600 V

배터리 사용 No NoYes

(최대 12시간)

Yes(최대 9시간)

Yes(최대 9시간)

Yes(최대

25시간)

치수(H * W *

D)

8.9 x 21.3 x 27.4 cm

7.1 x 19.1 x 22.6 cm

3.8 x 18.5 x 17.3 cm

20 x 10 x 7.5 cm

20 x 10 x 7.5 cm

16.4 x 11.1 x 4.5 cm

무게 2.6 kg 1.3 kg 1.3 kg 860 g 860 g 900 g

가격 약 32,000천원 약 25,000천원 약 30,000천원 약 25,000천원 약 25,000천원 약 25,000천원

비고IAEA 휴대용

권장제품IAEA 휴대용

권장제품


http://www.canberra.com/pdf/Products/MCA_pdf/C20387%20InSpector%202000.pdf

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표 10. NaI(Tl) 검출기 및 신틸레이션 검출기 사용 가능한 소형 MCA [19,20]

Model 제품 사진 특징

CanberraInspector- 2000

- DSP 방식 휴대용 MCA- 열악한 환경에서도 사용 가능 - 검출기 특성 및 응용프로그램에 따라 변환 가능 - 초소형, 초경량 패키지- 배터리 운영방식- 16 K 채널의 conversion gain/spectrum 메모

리 지원- ±5000 High Voltage 전원공급 및 전원진단기

능 내장

GBSMMCA

- MCA-166 및 소프트웨어와 대부분 호환- AC 전원 없이 내장된 배터리로 최대 25시간 사

용 가능 (사용되는 검출기에 따라 다름)- 최대 16 K 채널로 변환하여 스펙트럼을 분석- 최대 ±3600 V High Voltage 공급 가능- 900g의 가벼운 무게로 벨트에 걸거나 한 손에

휴대 가능

2-2. 무선 감시시스템 설계 및 제작

2-2-1. 방사선/능 무선 감시시스템 국내외 사례조사

가. 환경방사선 감시현황 조사

(1) 국내 환경방사선 감시현황1) [21]

(가) 공간감마선량률 측정

한국원자력안전기술원(Korea Institute of Nuclear Safety, KINS)이 운영하는 국가환경

방사선자동감시망(IERNet)은 4개 원자력발전소 및 한국원자력환경공단 주변을 포함하여 전국

171개 지점에 설치된 환경방사선감시기로부터 공간감마선량률을 감시한다. 각 감시기로부터

15분마다 측정되는 공간감마선량률은 무선단말기 CDMA를 통하여 자동으로 중앙서버에 수집

및 저장되며, 동시에 인터넷으로 측정결과를 실시간으로 공개하고 있다.

환경방사선 감시기는 여러 가지 방식이 사용되고 있고 그 특성 및 성능이 상당히 우수하다.

일반 환경 내 전리방사선에 대해 수십 keV에서 수 MeV 범위의 에너지를 측정할 수 있고, 수

1) “한국원자력안전기술원, 원자력이용시설 주변 방사선 환경 조사 및 평가보고서(KINS/AR-140, vol.28), 2017.” 에서 요약 및

발췌함.


- 22 -

시로 변동하는 환경방사선 준위를 실시간으로 출력하기 때문에 방사선 비상사태를 조기 발견

할 수 있다. 또한, 연속적인 실시간 자료를 얻어 조사선량률의 시간적 변화를 추적할 수 있다.

연속기록 패턴의 해석 등을 통해 자연방사선과 인공방사선의 판별이 가능하며 시설로부터의

기여분을 추정할 수가 있다. 하지만 지점마다 서로 다른 원리의 검출기를 통해 자료를 얻는 경

우에는 배경(background) 준위를 서로 비교해야 한다.

한국원자력안전기술원에서는 원전 주변 지점마다 가압이온전리함형 공간감마선량률 감시기

와 섬광검출기를 이용한 감마분광분석감시기를 지상으로부터 1 ~ 1.2 m 높이에 설치하여 운

영하고 있다. 각 지점에 설치한 환경방사선 감시기 특성은 표 11과 같다.

표 11. 원자력이용시설 주변 환경방사선 감시기의 성능

검출기 종류 모 델 검출기 성능

섬광체형 검출기(NaI(Tl))

EFRD 3300

규격 : 3“ × 3” NaI(Tl)측정에너지 : 100 keV ~ 3 MeV측정범위 : 0~10 mR/h특징 : 자연방사선/인공방사선 구분

가압이온전리함(High Pressurized

Ion Chamber)RSS-131

모양 : 구형(10“Φ), 7.9 L chamber충진기체 : Ar(25기압)측정에너지 : 60 keV ~ 10 MeV측정범위 : 0~10 R/h정확도 : ±5% at background

(나) 공간집적선량 측정

공간집적선량은 안전성이 높고 감도가 양호한 열형광선량계(TLD)를 이용하여 환경 중 감

마선량을 일정 기간에 걸친 누적선량으로 구하여 환경방사선 변동을 감시한다.

TLD는 환경방사선감시기에 비해 계측조작도 간단하고 측정지점을 많이 설정할 수 있다.

하지만 설치장소의 환경조건 등이 충분히 고려돼야 하며, 감시 선량 범위에서 선량값/판독값의

직선성을 파악해야 한다. 직선성에 변화가 없는 소자들을 선택하여 반복사용에 무리가 없도록

해야 한다. 현재 환경방사선 감시에 널리 사용되고 있는 소자로는 CaSO4:Tm, Mg2SiO4:Tb,

LiF:Mg, Cu, P, CaF2:Dy 등이 있다.

계측 지점에 설치된 TLD는 Panasonic사 UD-800계열로 4개의 소자가 1 badge로 구성

되어있다. 1 badge 중 1개의 소자는 조직등가물질인 Li2B4O7:Cu이며, 3개의 소자는 저선량

측정을 위한 고감도 CaSO4:Tm이다. 그리고 에너지 보상 필터로서 얇은 플라스틱 창과 두꺼

운 플라스틱 창, 금속(Al, Pb, Cd)필터가 부착되어 있다. TLD는 분기별로 각 시설 주변에 3

개씩 TLD badge를 3개월 동안 설치·운영한 후 회수하여 Panasonic사의 UD-716AGL 판

독장치로 판독한다. 판독값은 시설 주위에 분기별로 설치한 3개의 TLD를 동시 판독한 평균값

을 그 지역의 분기당 선량당량으로 하고, 3개 판독값의 측정오차를 표시한다.


- 23 -

(2) 국외 환경방사선 감시현황2) [22]

(가) 일본

일본의 국가 환경방사선/능 감시현황을 크게 분류하면 방사성 낙진 등 방사성 강하물에 대

한 전국의 환경방사능 준위 조사, 원자력시설 주변 환경방사선 모니터링, 라돈농도 준위와 같

은 자연방사선과 식품 중의 인공방사선 및 미국 원자력모함 기항에 따른 주변 해양의 방사능

감시 및 조사로 나뉜다. 환경방사선/능 감시체계는 문부과학성 주관 하에 일본분석센터(JCAC,

Japan Chemical Analysis Center), 일본방사선의학종합연구소(NIRS, National Institute of

Radiological Sciences) 및 지방자치단체(47개의 도, 현)로 구성돼 있다.

(나) 스웨덴

스웨덴은 환경부 산하의 방사선방호연구소(SSI, Swedish Radiation Protection Institute)

를 설립하였고, 원자력시설 안전규제기관인 SKI(Swedish Nuclear Power Inspectorate)와

방사선 방호 및 비상대책에 관한 사항에 대해 상호 협력하고 있다. SSI의 주된 업무는 방사선

방호에 관하여 정책을 수립하며, 환경방사선이 일반 대중과 작업자에 미치는 영향과 이에 대한

선량평가 등 안전과 관련된 제반 업무를 수행한다. 또한, SSI는 방사선비상 상황 시 조기 탐지

를 위해, 자국의 방사선 자동경보 감시망과 함께 인접한 국가들로부터 환경방사선 정보를 수집

ㆍ분석하고 있다.

(다) 영국

영국 정부는 환경부(Department of Environment) 주도하에 RIMNET(Radioactive

Incident Monitoring Network) 감시망을 구축ㆍ운영하며, 자국 원전의 사고를 감시함과 동시

에 외국 원전 사고에 대응할 수 있도록 감시체계와 개념을 확장 시켰다. RIMNET 감시망은

원전 사고의 조기발견 및 영국 내 영향 예측, 사고 대책 수립에 필요한 정보 확보 및 일반 대

중에게 정보제공을 목적으로 기상관측소, 군사시설, 정부연구소 등 전국 92개 지역에 설치된

GM형 선량계를 통해 그 자료를 수집한다.

(라) 독일

독일 또한 1986년에 발생한 체르노빌 사고 후, 방사선 조기방호법을 제정함으로써 환경방

사선/능을 연속 감시하고, 방사선사고 발생 시 이로부터의 영향을 최소화하기 위해 노력하고

있다. 이와 더불어, 연방정부의 환경부(BMU) 산하에 연방 방사선방호청(BfS:Bundesamt

fuer Strahlenschutz)을 설립하여 국가 환경방사능 감시업무를 수행하고 있다. 방사선방호청

은 방사선 조기방호법에 따라 국가종합방사능측정정보시스템(IMIS, Integrated Measurement

2) “한국원자력안전기술원, 전국 환경방사능 감시망 확충(KINS/GR-253), 2002.” 에서 요약 및 발췌함.


- 24 -

and Information System for the Surveillance of Environmental Radioactivity)을 운영한

다. 국가종합방사능측정정보시스템(IMIS)은 환경방사선/능 연속 감시, 중대사고 시 방사선 비

상상황 조기발견 및 이로 인한 영향 예측, 원전 현장 방사선 준위 측정 및 분석, 분석결과 제

공 그리고 관련 기관과 통신망 구축사업 등의 임무를 수행한다.

(마) 프랑스

IRSN(Insitut de Radioprotection et de Surete Nucleaire)은 프랑스의 환경방사선 감시

업무를 담당하고 있다. TELERAY라는 환경방사선 감시망을 구축하였고, 자국과 해외공관까지

178개 지점에 설치한 GM계수기형 방사선 감시기로부터 데이터를 수집·처리하고 있다. 이와

더불어 전국 32개 지역의 감시소로부터 수집한 환경 시료 방사능 분석, 대기부유진의 전베타

방사능 측정 시스템 운영, 원전 주변 환경감시와 피폭선량 평가 등 환경감시 자료 분석 및 평

가·정리가 주된 업무이다. 또한, 원자력발전소가 냉각수로 이용하는 강물의 감마핵종 방사능

준위를 연속감시하기 위해 주요 강 주변 5개 지점의 측정소에 NaI(Tl) 검출기를 설치하여 자

동감시하고 있다.

나. 대기확산 모델 조사

(1) 대기확산 모델의 필요성

1986년 4월 구소련의 체르노빌 원자력발전소에서는 수증기 폭발과 함께 수소 폭발이 발생

하였으며, 대량의 방사성물질이 동유럽뿐만 아니라 유럽 및 전 세계로 확산되었다. 1979년 3

월에는 미국의 스리마일섬에서 원자로 내에서 발생한 노심 용융으로 인해 수소와 방사성물질

일부가 격납건물 외부의 주변으로 누출되는 사고가 발생하였다. 1999년에는 일본의 도카이무

라 핵연료 가공 공장에서 발생한 핵분열 반응으로 인해 방사능이 외부로 누출되었다. 이외에도

1957년 구소련의 기시팀 핵연료 재처리 공장 사고, 1957년 영국의 윈드스케일 원전사고,

1980년 프랑스 세인트 라우렌트 원전사고 등 다양한 원자력 관련 사고로 인해 다종의 방사성

물질이 외부로 누출되었다.

특히 2011년 3월 일본 동북 대지진과 함께 발생한 대형 쓰나미로 인해 후쿠시마 원자력발

전소 소내 전원이 상실되는 사고가 발생하였다. 이 과정에서 원자로의 열을 냉각시키는 것에

실패하였고, 막대한 양의 방사성물질이 대기뿐만 아니라 인접 해양으로 누출되었다. 이로 인해

대기로 누출된 방사성물질은 태평양뿐만 아니라 북미까지 도달한 것으로 분석되었다. 일본과

미국에 있는 관측소에서는 Xe-133, Cs-137이 지진 발생부터 사고 이후까지 계속 누출된 것

을 확인할 수 있었다.


- 25 -

2018년 10월 기준, 전 세계적으로 454기의 원자력발전소가 가동되고 있다. 특히 동북아시

아인 일본, 중국, 대한민국에서는 총 112기가 가동 중이다. 중국의 경우에는 2030년까지 100

기의 원전을 가동하는 계획을 수립하고 있다. 그러나 중국의 원자력발전소가 위치하는 장소가

중국의 동해안, 즉 황해(Yellow sea)에 건설되고 있어, 사고 발생 시 우리나라에 영향을 미칠

가능성을 배제할 수는 없다. 또한, 북한의 핵실험 실시 가능성 및 그에 따른 방사성핵종의 국

내 유입에 대한 우려 역시 존재한다.

국내의 경우 기상청과 원자력안전기술원에서 NOAA로부터 개발된 HYSPLIT을 이용하여

국내 원자력발전소 인근 및 기타 시설로부터의 방사성물질 대기확산을 추정한 사례가 있으나

산악지형이 많은 국내 지형의 특수성 때문에 정확한 예측이 어려운 부분이 있다. 본 장에서는

국내 원전 사고 발생 시 방사성물질의 대기확산 예측을 위한 대기확산 모델 및 프로그램과 여

기에 포함된 여러 인자를 살펴보고자 한다.

(2) 대기확산 모델 종류3) [23]

(가) 가우시안 모델 (Gaussian Model)

환경영향평가에서 가장 일반적으로 많이 사용되고 있는 가우시안 모델은 오염 농도가 오염

발생원으로부터 거리에 따라 정규분포를 이룬다는 가정에 기반을 두고 시작한다. 예측 정확도

에 한계가 있으나, 비교적 정확하고 사용이 간편하다는 장점이 있다. 그림 4는 가우시안 모델

의 좌표계 및 오염물질 확산 분포를 나타낸 그림이다.

그림 4. 가우시안 모델의 좌표계 및 오염물질 확산 분포

(나) 상자모델 (Box Model)

상자모델에서의 확산 방정식은 그림 5에서처럼 분석 대상 지역을 상자로 간주하여 해당 공

간 내의 농도를 평균 농도로 산정하여 평가하는 방법이다. 즉, 해당 공간 내부의 오염물질은

혼합이 잘되어진 형태로서 간단한 원리를 적용하여 손쉽게 계산할 수 있으며, 지형이 고른 작

3) “환경부 수도권대기환경청, 대기오염확산모델링, 2005.” 에서 요약 및 발췌함.


- 26 -

은 규모에 적합한 모델이다. 하지만 오차의 폭이 큰 단점으로 실제 시뮬레이션 단계에서는 활

용이 적은 편이다.

그림 5. 기본 상자 모델

(다) 라그랑지안 모델(Lagrangian Model)

라그랑지안 모델의 경우 대기오염물질의 농도를 바람과 확산을 통해 변화되는 위치를 따라

가며 계산하는 방법이다. 즉, 라그랑지안 좌표계의 개념을 적용하여 그림 6과 같이 좌표계의

원점을 움직이는 공기덩어리의 중심에 이동시켜 오염물질의 위치를 추적하면서 오염 농도를

계산하는 모델이다.

그림 6. 라그랑지안 모델 개념도

라그랑지안 모델은 단기간의 오염물질의 농도와 위치 예측에 효과적이며, 지형적 특징에 의


- 27 -

한 풍향의 변화, 오염물질의 화학변화를 시간이 지남에 따라 계산하므로 다른 모델에 비해 정

교하다. 하지만 화학반응을 모델에 적용하기 어려우며 농도에 영향을 주는 다양한 변수를 정확

히 반영하기 위해서는 모델과 변수들 사이의 정확한 이해와 지식이 필요하다.

(라) 오일러 모델(Eulerian Model)

오일러 모델의 경우 그림 7과 같이 3차원 공간을 고정좌표계의 격자로 세분화하여 격자 내

오염물질 배출·확산·화학반응 및 제거과정을 바람의 이동과 시간 변화에 따라 계산하는 모

델이다. 적용 대상의 범위가 넓고 정교한 모델이지만, 확산 및 화학변화와 관련된 물리·화학

적 배경 지식이 많이 요구되는 모델이다.

그림 7. 오일러 모델 개념도

(마) 퍼프 모델(Puff Model)

퍼프 모델은 단위 시간당 배출된 연기를 커다란 하나의 연기 덩어리로 가정하여 시간에 따

른 풍향 변화와 안정도별 확산계수에 따라 농도를 계산하는 방법이다. 가우시안 모델에서 정상

상태의 기상조건을 가정하는 것과는 달리 비정상상태의 기상조건에서 배출량의 변동에 따른

영향을 알아보기 위한 모델이다. 가우시안 모델이 바람이 불지 않거나 약한 경우 상당한 오차

가 발생하는 데 비해 퍼프 모델은 무풍 및 미풍인 경우를 잘 모사한다.

(3) 국내 대기확산 모델 사용현황

국내의 경우 기상청과 한국원자력안전기술원(KINS)을 중심으로 대기확산 모델과 재난 시

스템을 이용·개발하고 있다. KINS는 원자력시설의 사고 발생 시 반경 40 km 내 방사성물질

의 이동 경로 및 확산 범위, 예상 피폭선량을 예측하는 시스템인 FADS(Following Accident

Dose Assessment System)와 장거리 예측을 위한 LADAS(Long-range Accident Dose


- 28 -

Assessment System)를 개발하여 운영하였다. LADAS는 미국에서 개발된 HYSPLIT 모델을

변형한 모델이다. 최근에는 ADAMO(Accident Dose Assessment and Monitoring)를 개발

하였다. ADAMO는 라그랑지안 입자 모델만 활용하여 대기확산을 고려한 FADAS에서 퍼프모

델을 추가하여 정확하고 신속하게 예측할 수 있다 [24].

그림 8. KINS ADAMO(Accident Dose Assessment and Monitoring) 개략도

(4) 국외 대기확산 모델 사용현황

(가) 덴마크

덴마크에서는 라그랑지안 중규모 모델(the Riso Mesoscale PUFF model, RIMPUFF)과

오일러 장거리 수송 모델을 결합한 모델인 DREAM(the Danish Rimpuff and Eulerian

Accidental release Model)을 사용하고 있다. 그림 9는 이 모델을 이용하여 체르노빌 사고를

모사한 모형이다.


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그림 9. DREAM 3D 모사 모형

이외에도 덴마크 기상청(Danish Meteorological Institute, DMI)에서는 위기 상황 대응을

위한 모델로 DERMA(Danish Emergency Response Model of the Atmosphere)를 개발하

여 유럽 및 전 세계에서 발생 가능한 상황을 예측한다. 그림 10은 위 모델을 이용한 가상 원

전 사고 모의실험 결과이다.

그림 10. DREMA를 이용한 가상 원전 사고 시뮬레이션 결과 [25]

(나) 일본 [26,27]

일본의 경우 지구적 단위의 대기 중 미세 입자분포를 예측하기 위해 SPRINTARS를 개발

하여 대기 중의 먼지와 SO2 등의 농도를 분석하였다. 그림 11은 이 모델을 이용하여 2011년

3월 후쿠시마 원전사고 이후 방사성핵종의 대기확산 영향을 예측한 것이다.

이후 개발한 원전 주변의 국지적인 확산 분포를 분석하기 위한 모델인 SPEEDI(System

for Prediction of Environmental Emergency Dose Information)는 다양한 지점에서 관측

한 확산 정보들을 하나의 시스템으로 취합하여 예측 자료로 사용하고 있으며, 넓은 영역에서의

오염물질의 확산 예측 모델인 WSPEEDI(Worldwide version of System for Prediction of

Environmental Emergency Dose Information)을 개발하여 활용 중이다.


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그림 11. SPRINTARS를 이용한 후쿠시마 원자력발전소 사고 대기확산도 [26]

(다) 영국

영국 기상청에서는 체르노빌 사고 이후 NAME(Numerical Atmospheric-dispersion

Modelling Environment)을 운영 중이다. 기본적으로 방사성핵종의 반감기와 붕괴계열을 반영

하여 감마선에 대한 평가를 진행하는 NAME은 라그랑지안 대기확산 모델을 기반으로 개발되

어 가스 또는 입자상 물질의 이동과 침적을 모사하고 있다. 특히 NAME의 최신 버전의 경우

대기를 4차원적으로 표현하고 있으며 방사성붕괴, 건/습식 침적 및 대류혼합에 대한 광범위한

물리적 프로세스를 매개 변수화하여 모의실험하고 있다. 그림 12는 NAME을 이용하여 스웨덴

의 Barseback 원자력발전소에서 발생한 가상사고 시나리오 모의실험 결과이다. 이외에도 후

쿠시마 원전 사고 시 방출되는 방사성핵종을 단순화하여 사고로 인한 피폭의 정도를 모의실험

하였다.

그림 12. NAME을 이용한 Barseback 원자력발전소 가상사고 시나리오 모의실험 [28]


- 31 -

(라) 미국

미국 NOAA(National Ocean and Atmospheric Administration/Air Resources

Laboratory)의 ARL(the Air Resources Laboratory)에서는 입자의 역궤적과 복잡한 확산·

침적에 대해 모의가 가능한 HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated

Trajectory)모델을 1982년 개발하여 지속적인 업그레이드를 하며 모의실험을 수행하고 있다

[29]. 주로 화산재와 같은 입자 형태의 물질이나 그림 13과 같이 후쿠시마 원전사고 과정에서

방출되는 방사성물질의 대기확산 결과를 예측하였다 [30].

그림 13. 후쿠시마 원자력발전소 사고 방사성핵종 대기확산 시뮬레이션 [30]

HYSPLIT의 여러 버전 중 HYSPLIT4는 라그랑지안 모델에 근거하여 물질의 수송·확산

과정을 계산하여 모의실험하고, 해당 오염물질의 농도산출 및 전/후방궤적의 추적이 가능하며

다른 대기확산 모델과 비교하였을 때 계산용량이 적게 소모되며 계산시간 또한 다른 모델들에

비해 빠르다.

HYSPLIT 역시 기상입력자료(바람, 온도, 기압, 상대습도 등)를 바탕으로 구성되며, 전처

리가 완료된 데이터는 오염물질 배출량의 특성 정보를 바탕으로 확산 및 침적을 계산한다. 마

지막으로 계산된 확산 및 침적 농도자료를 바탕으로 그래픽 처리를 거쳐 직관적으로 오염물질

의 농도와 방향을 쉽게 볼 수 있도록 구성된다.

HYSPLIT 모델에서는 물질 확산의 모형을 퍼프 모형과 입자 모형으로 선택할 수 있다. 퍼

프 모형은 물질이 기상장에 따라 이류 하면서 난류와 유사한 특성으로 범위를 확장하게 된다.


- 32 -

이렇게 확장된 퍼프 모형들의 확산 농도는 각 격자 내 농도의 합으로 산출된다. 이에 반해 입

자 모형의 경우 물질을 작은 입자들의 집합체로 가정하여 배출된 입자들의 개별 움직임을 나

타낸다. 최종적으로 확산 농도는 입자 당 물질량과 격자 내의 입자 수를 계산하여 확산 농도를

산출한다.

(마) 노르웨이

노르웨이 항공연구소의 대기 및 기후 연구 부서에서는 역궤적 모델인 FLEXTRA와 라그랑

지안 입자 확산 모델인 FLEXPART를 개발하였으며, 그림 14와 같이 후쿠시마 원전 사고 발

생 시점부터 기간별 Cs-137의 침적도를 모사하였다.

그림 14. FLEXPRAT를 이용한 후쿠시마 사고 이후 기간별 Cs-137의 침적도 모사 [31]

(5) 국외 재난관리 시스템

세계 각국에서는 독자 또는 공동 개발을 통한 확산모델을 개발하여 화산재 분출, 방사성물

질 누출과 같이 국제적으로 발생하는 재난 상황에서의 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해

활발하게 활용하고 있다.

(가) 미국

미국 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 개발한 비상 대응시스템인

NARAC(National Atmospheric Release Advisory Center)는 3D 입체 모델로 단시간에 그

림 15와 같은 확산 데이터를 도출하여 사용자에게 제공하고 있다. NARAC와 별개로

HYSPLIT을 개발한 ARL에서는 READY(Real-time Environmental Applications and

Display sYstem)의 역궤적 모델 또는 확산모델을 이용한 모의실험 결과를 여러 사용자에게

제공하고 있다.


- 33 -

그림 15. NARAC 데이터 도출 흐름도 [32]

(나) 덴마크

덴마크의 ARGOS(Accident Reporting and Guidance Operating System)에서는 그림

16과 같이 공중 감마선 감시시스템인 AGS(Airborne Gamma Survey Monitoring System)

과 결합하여 방사선에 대한 정보를 하나로 통합하여 제공한다. 항공기에서 AGS 정보를 얻은

뒤 ARGOS에서 이를 바탕으로 섭취에 의한 내부피폭 정보를 제공한다.

그림 16. 덴마크의 방사능 누출사고 시 시스템 구조도

(다) 유럽

체르노빌 원자력발전소 사고를 계기로 덴마크 DREAM, 영국 NAME과 같은 개별 국가별

로 독자적인 확산모델을 개발하였다. 이후 벨기에, 핀란드, 독일, 러시아 등 유럽에서는 통합된

형태의 재난 관리시스템인 RODOS(Real-time On-line DecisiOn Support system)을 개발

하여 사용하고 있다. 해당 시스템은 그림 17과 같이 분석(ASY)–대응(CSY)–추정(ESY)으로

시스템이 구성되어있다.


- 34 -

그림 17. RODOS 시스템 구성도 [33]

2-2-2. 무선 감시시스템 개념 및 상세 설계

가. 무선 감시시스템 개요

무선 감시시스템은 메인 서버용 소프트웨어와 현장측정용 검출기로 구성된다. 현장측정용

검출기는 지정된 위치에 설치하여 실시간으로 공간감마선량률(uSv 단위)과 베타선(cps 단위)

측정정보를 메인 서버로 전송한다. 메인 서버에서는 무선 감시시스템용 소프트웨어를 이용해

실시간 정보를 지도상에 표시한다. 소프트웨어로 실시간 정보를 지도상에서 확인할 수 있다.

현장측정용 검출기는 방사선감지부, 신호처리부, 통신부, 전원공급부로 구성돼 있다. 방사선

감지부는 선행조사를 통해 선별한 포스위치 센서(CaF2(Eu)와 NaI(Tl) 결합)와 함께 광전자

증배관, 고전압 분배 회로보드를 포함하고 있다. 신호처리부는 방사선감지부를 통해 측정한 방

사선을 전자회로에서 베타와 감마로 구별할 수 있게 설계했다. 기존 베타/감마선 동시 측정기

는 측정데이터를 소프트웨어에서 구별하기 때문에, 모든 측정 신호를 짧은 시간 간격으로 서버

에 전송하면 과부하가 걸릴 수 있다. 본 연구에서 개발한 현장측정용 검출기는 신호처리부 전

자회로에서 베타/감마선을 분리하는 기술을 구현해 전송 데이터 수를 대폭 줄임으로써 서버에

과부하가 걸리는 것을 방지하였다.

나. 전자 회로부 개념 설계 [10,34]

각종 섬광 검출기를 이용한 측정 장비를 구현하기 위해서는 신호처리 회로부와 데이터 획


- 35 -

득 회로부가 필요하다. 상용 MCA는 소프트웨어와 함께 구매해야 하며, 구매한 소프트웨어는

원하는 분석형태로 프로토콜 변경이 불가능하다. 또 통신 모듈과 펌웨어가 장착되어 있지 않아

이를 별도로 구현해야 하는 단점이 있다. 이에 따라 무선 감시시스템 개발을 위해 자체 MCA

제작은 필수적이었으며, 이를 위해 개념설계를 진행했다.

신호처리 회로부는 프리앰프 회로, 증폭회로 및 정형 증폭회로, 피크 검출 회로와 샘플 홀

드 회로 등으로 구성된다. 데이터 획득 회로부는 ADC(Analog to digital converter) 회로와

로직 회로, DSP(Digital signal processor)와 통신을 포함한 디지털 회로 등으로 구성된다.

입력 전원은 AC 220 V 상용전원(AC/DC 전원 모듈 필요)과 배터리 전원을 모두 사용할

수 있도록 12∼16 V 단일 전원으로 구성하였다. 배터리 전원은 리튬이온 전지를 사용하였다.

검출기 광전자증배관(Photomultiplier Tube, PMT)에 고전압(High Voltage, HV)을 인가

하면 검출기에 입사된 방사선 세기에 비례하는 전하 신

호가 발생하고, 전하 민감형 전치 증폭기(Charge Sensitive Preamplifier, CSP)에서 전압 레

벨로 1차 증폭되어, 아날로그 보드의 증폭회로(Amplifier, AMP)와 가변 증폭회로(Variable

Gain Amplifier, VGA), 정형 증폭회로(Shaping Amplifier, SA)를 거쳐 증폭된 신호를 피크

검출기(Peak Detector, PD)에서 피크로 검출해 낸다.

특히 정형 증폭회로는 샘플 홀드 회로(Sample and Hold, SH)에서 파고(Pulse Height)를

일정 시간 동안 유지한 후 상한 파고 선별기(Upper Level Discriminator, ULD)와 하한 파고

선별기(Lower Level Discriminator, LLD)에 의해 피크를 검출한다. 검출된 피크 정보는 로

직 회로인 FPGA(Field Programmable Gate Array)에서 참조하여 ADC(Analog to Digital

Converter)를 통하여 파고 정보를 읽어 히스토그램 데이터로 저장한다. 또한, FPGA는 파고

정보를 읽은 후 샘플 홀드를 OFF 및 초기화시킨다. 아래 그림은 설계된 전자 회로부를 나타

낸 개념도이다.

그림 18. Phoswich 검출기용 전자 회로부 개념도


- 36 -

다. 전자 보드 회로 설계 [35,36]

전자 회로부의 개념설계를 바탕으로 개별 구성품의 상세 전자 보드를 설계하였다.

(1) 전원 공급 회로부 설계

(가) 입력 전원

단일 전원인 +12 V 이상의 배터리 전압을 사용하는 전원 공급 회로부이며, 회로보드 내

부에서 사용하는 내부전원을 위해 내부전원 발생 회로를 별도로 준비하여 디지털 전원(+5 V,

+3.3 V 등) 및 아날로그 전원(+12 V, -12 V 등)을 분리사용 할 수 있게 설계하였다.

(나) 프리앰프 공급용 전원

프리앰프 보드용 전원은 아날로그 전원으로 +12 V, -12 V이다.

(다) 아날로그 보드 공급용 전원

아날로그 보드용 전원은 +12 V, -12 V, +9 V, -9 V, +5 V, -5 V이다.

(2) 고전압 공급 회로부 설계

(가) 고전압 공급 회로보드(HV)

PMT에 고전압을 공급하기 위해 Matsusada사 제품인 상용 고전압 모듈을 적용하였다. 제

어 전압은 아날로그 회로 보드에 있는 DAC 회로를 통해 사용자가 프로그램 가능하며, 출력

고전압을 측정하기 위한 고전압 모니터링 단자를 준비하였다.

(3) 아날로그 회로부 설계

(가) 고전압 분배 회로보드(HVDIV)

PMT에 고전압을 걸어주기 위해 B14A 소켓을 이용하여 적절한 고전압 분배가 이루어지

는 고전압 분배 회로를 준비하였다. 이 회로는 PMT와 최대한 가까이 위치하도록 B14A 소켓

의 14핀에 직접 연결되며, 고전압 입력 라인이 직접 연결된다. PMT의 검출기 신호 출력인 애

노드(Anode)를 위한 단자에는 애노드용 신호 라인이 직접 연결이 된다.


- 37 -

(나) 프리앰프 보드(CSP)

검출기 신호는 PMT에서 증폭되어 고전압 분배 회로의 고전압 차단 회로를 거쳐 애노드

단자를 통해 애노드 출력 신호가 되며, 이 미소 신호는 다음 단에 연결되는 프리앰프 회로에서

처음으로 증폭된다. 프리앰프 회로는 고전압 분배 회로의 애노드 신호 단자에서 최대한 가깝게

유지하는 것이 노이즈 제거에 유리하므로, 제작한 프리앰프 모듈은 고전압 분배 회로부 바로

다음으로 위치시켜 BNC 케이블로 연결한다. 전원 공급용 커넥터를 통해 +12 V, -12 V를

공급하고, TEST INPUT 커넥터를 통해 시험용 입력 펄스를 인가할 수 있어 프리앰프의 동작

상태를 점검하거나 보드 조율을 할 수 있다.

입력 신호로부터 프리앰프 IC를 보호하기 위한 D1, D2를 사용한 입력 신호 보호 회로를

설계하였다. 프리앰프로 들어온 미소 신호인 애노드 신호는 노이즈 환경에 취약하므로 노이즈

에 노출되지 않도록 철저히 보호되어야 한다. 이를 위해 프리앰프 보드를 금속상자로 완전히

둘러쌌으며, 전기적으로 접지 차폐부(Ground Shield)를 유지 수 있는 구조로 만들었다.

(다) 증폭 회로 및 정형 증폭 회로부

증폭 회로에서는 프리앰프 모듈의 출력신호(출력 신호의 꼬리(tail)는 약 50μsec)를

BNC 케이블을 통해 입력받아 한 번 더 신호를 증폭하고 신호 극성(Polarity)을 바꿀 수 있도

록 반전 및 비반전 증폭 회로와 점퍼 단자를 설계하였다.

정형 증폭 회로에서는 증폭 회로의 출력 신호를 파고에 비례하는 가우시안 형태의 신호

파형으로 만들기 위하여 전용 정형 회로 모듈인 CR-200(Cremat사 제품)을 적용하여 그 기

능을 구현하였다. 이 정형 증폭 회로의 폴제로(Pole/Zero) 기능을 위해 외부에 200 kΩ 가변

저항을 설치하였고, 정형 증폭 회로의 출력 신호의 베이스라인 안정을 위해 전용 베이스라인

리스토어인 CR-210(Cremat사 제품)을 통하여 베이스가 안정적인 신호 출력이 되도록 회로

를 구성하였다.

(라) 가변증폭 회로부

사용자에 의해 또는 자동으로 증폭회로 특성 이득(Gain)을 조정할 필요가 있을 때 사용할

수 있도록 가변증폭 회로를 구성하였다. 가변증폭 기능을 위해 전용 가변증폭 IC를 채용하였

고, 입력 신호 보호를 위하여 가변증폭 IC 앞단에 다이오드를 이용한 입력 보호 회로를 구성

하였다. 입력 가변증폭 회로의 제어 신호 레벨은 아날로그 보드에 있는 DAC의 출력으로 가변

되므로, 사용자에 의해 또는 자동으로 DAC를 조절하도록 아날로그 보드와 디지털 보드 회로

를 구성하였다.

(마) 피크 검출 회로 및 샘플 홀드 회로보드(PD)


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정형 증폭 회로의 출력 신호는 두 가지 용도로 활용되는데, 첫 번째는 피크 검출을 위한

입력 신호로 사용되고, 두 번째는 파고 높이를 검출하기 위한 입력 신호로 사용된다.

피크 검출을 위한 입력 신호는 2개의 파고 선별기(Pulse Height Level Discriminator)를

거치는데, 각각 하한 파고 선별기(LLD)와 상한 파고 선별기(ULD)이다. 상한 파고 선별기는

고정형 가변저항기를 두어 시험 및 튜닝 결과를 바탕으로 그 설정값을 고정하고, 하한 파고 선

별기는 사용자에 의해 조정이 가능하도록 하였다. 하한 파고 선별기의 제어 레벨은 아날로그

보드에 있는 DAC의 출력으로 제어된다.

LLD와 ULD에 의해 검출된 피크 검출 신호는 +5 V TTL 레벨 신호이며, 디지털 회로의

입출력 신호 레벨인 +3.3 V에 대응하도록 신호 레벨 변환기를 거쳐 연결되도록 회로를 구성

하였다.

샘플 홀드 회로는 샘플링 및 홀드 시에 누설 전류에 의한 홀드 전압 레벨의 강하(Drop)

영향을 최소화하기 위한 회로 구성이 필요하며 이를 위해 누설 전류가 적은 2채널 입력용 OP

앰프를 사용하였다.

샘플 홀드 회로는 크게 두 가지 기능으로 동작이 이루어진다. 하나는 샘플 홀드 ON 동작,

다른 하나는 샘플 홀드 OFF 동작이다. 샘플 홀드 ON 동작은 입력 신호 상승 구간에서는 전

하를 커패시터에 충전하여 샘플 홀드 전압 레벨을 일정량 유지하고, 입력 신호 하강 구간에서

는 커패시터에 충전하는 것을 멈추고 유지되는 동작이며, 샘플 홀드 OFF 동작은 커패시터에

충전된 전하를 모두 방전시키는 동작이다. 샘플 홀드 전압 레벨을 0V로 유지하며 피크 신호

검출 후 일정 시간이 지나면 SH_CLR 제어 신호로 인해 수행된다.

샘플 홀드 회로는 8핀 커넥터를 이용해 아날로그 회로보드에 꽂아 쓸 수 있는 구조로서

샘플 홀드 회로 기능 보완을 위한 편의성을 고려하여 제작하였다.

(바) ADC 회로부

샘플 홀드의 출력 신호는 완충 증폭기(Buffer Amplifier)를 지나 12-비트 ADC로 입력

된다. 이때 디지털 보드에서는 검출된 피크 신호로부터 ADC 변환 시점을 결정하고, ADC 변

환 신호가 인가됨과 동시에 ADC 변환이 시작된다. ADC 변환이 끝난 후 아날로그 보드의

ADC에서 파고 정보를 읽어낸다. ADC 변환의 기준전압으로 외부에 +5 V를 인가해주며, 입력

보호를 위해 +5 V 제너 다이오드를 이용해 보호 회로를 구성하였다.

(사) 아날로그 회로보드

검출기의 출력 신호는 PMT와 고전압 분배 회로를 거쳐 프리앰프 모듈로 전달되며, 아날

로그 회로보드는 프리앰프 출력 신호를 입력받아 신호 증폭 및 신호 정형 과정을 수행하고 피

크 검출과 샘플 홀드 결과를 바탕으로 파고 데이터를 만든다.

아날로그 보드는 DAC를 기준전압으로 사용하는 기준전압 발생 회로가 있으며, 인터페이


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스용 커넥터를 통해 디지털 입출력 신호선들이 직접 디지털 회로 보드에 연결된다. 또한, 신호

입출력을 위해 고전압 제어 및 모니터링 신호선, 검출기 입력 신호 단자 그리고 정형 증폭 신

호 출력단자로 구성되어있다.

(4) 디지털 회로부 설계

디지털 회로보드는 크게 내부전원 발생 회로부, 회로보드 상태 모니터링 회로부, 로직 회로

부, 통신 인터페이스 회로부 및 DSP 회로부로 구성되어있다.

(가) 내부전원 발생 회로부

입력 전원으로 +12 V 이상 단일 전원을 사용하며, 디지털 회로용 내부전원과 아날로그

회로용 내부전원을 모두 포함한다.

아날로그 회로용 내부전원은 프리앰프 회로용, 고전압 회로용, 아날로그 보드용 전원으로

구성되어있다. 프리앰프 회로용 전원은 +12 V, -12 V이며, 고전압 회로용 전원은 +11 V ~

+16 V이고 +12 V 이상 단일 전원을 노이즈 필터를 거쳐 바로 공급해 준다. 아날로그 보드

용 전원은 +12 V, -12 V, +9 V, -9 V, +5 V, –5 V이다. 디지털 회로용 내부전원은 +5

V, +3.3 V, +1.5 V이다.

(나) 회로보드 상태 모니터링 회로부

입력 전원 상태와 고전압 출력 상태를 살펴보기 위한 ADC 회로로서, 입력 전원 전압과

고전압 출력 모니터링 전압은 버퍼 앰프를 거쳐 ADC로 입력된다. 모니터링을 위한 ADC 읽기

동작은 디지털 회로에서 제어되는 4개의 제어 신호와 데이터 버스선(BD0 ~ BD11)으로 수행

되며, 회로는 로직 회로에서 신호 레벨 변환 과정을 거쳐 직접 연결된다. 신호 레벨 변환 과정

은 ADC 입출력 신호 레벨이 +5 V TTL이고 로직 회로의 입출력 신호 레벨이 +3.3 V이므로

이들을 직접 연결할 수 없기 때문이다.

(다) 로직 회로부

로직 회로부는 디지털 회로보드의 모니터링용 ADC, 실시간 타이머(RTC), LED

ON/OFF, 아날로그 보드의 ADC, 아날로그 보드의 DAC, 그리고 아날로그 보드의 샘플 홀드

신호 ON/OFF 동작을 제어하기 위한 회로이다. 특히, 아날로그 보드의 샘플 홀드 ON/OFF 동

작은 아날로그 보드의 ADC 제어 동작과 함께 파고 데이터를 구성하는 필수 과정이다.

파고 데이터는 로직 회로 내 FPGA의 파고 높이에 따른 누적 계수율이 히스토그램으로

저장된다. 시험 제작 보드의 히스토그램은 총 채널 수가 1024채널로서 다중파고분석기


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(Multichannel Analyzer, MCA)의 데이터로 활용된다.

12-비트 ADC는 0 ~ 4095채널을 표현한다. 시험 제작에 사용하는 히스토그램의 채널

수는 1024채널로서, 4096채널을 1024채널로 줄여서 사용한다. 즉, 12-비트를 10-비트로

채널 크기를 1/4로 줄여 사용하며, 4개 채널의 누적 계수가 모두 합해져서 1개 채널의 누적

계수가 되는 셈이다.

(라) 통신 인터페이스 회로부

외부 통신 장치와 연결하여 원격 제어 및 데이터 획득을 위하여 2가지 통신 방식(TCP/IP

와 RS232)을 준비하였다.

(마) DSP 회로부

디지털 회로 보드의 중앙처리장치(Micro Processor)로서 고성능의 상용

DSP(TMS320C28346 초소형 모듈, 싱크웍스사 제품)를 채택하였고, 커넥터로 체결할 수 있

는 구조로 회로를 구성하여 유지 및 보수의 편의성을 고려하였다. 또한, 내부 데이터 메모리로

활용하기 위하여 SRAM 회로를 구성하였다. SRAM을 동일 사양의 핀대핀(pin-to-pin) 호환

용 MRAM(Magnetic RAM)으로 대체하면 비휘발성 메모리로 활용할 수 있다.

DSP로 직접 제어하는 회로는 로직 회로 FPGA, 설정값 저장용 비휘발성 메모리

EEPROM, 온도 센서와 통신 회로(TCP/IP, RS232) 등이 있다.

2-2-3. 현장측정용 검출기 제작

가. 전자보드 제작

설계된 전자부를 바탕으로 아래와 같이 전자부를 제작하였다. 각각의 그림은 회로도와 실제

제작 사진을 보여주고 있다. 본 과제에서 개발한 전자부, 즉 MCA의 판매단가는 15,000,000

원 정도로 예상되는데, 이는 표 9에 제시된 상용 MCA에 비해 기능이 추가되었음에도 저렴한

가격이다. 따라서 추후 상용화 시 큰 장점이라고 판단한다.


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(1) High-voltage divider

그림 19. High-voltage divider board 회로도 및 제작 사진


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(2) High-voltage

그림 20. High-voltage board 회로도 및 제작 사진

(3) Charge Sensitive Preamplifier

그림 21. Charge Sensitive Preamplifier 회로도 및 제작 사진


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(4) Power board

그림 22. Power board 회로도

(5) Analog board

그림 23. Analog board 회로도 및 제작 사진


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(6) Digital board

그림 24. Digital board 회로도

(7) 전체 보드

그림 25. 전체보드 사진

그림 26. 완성된 MCA 케이스 사진


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나. 전원공급부 및 통신부 구성

(1) 전원공급부

지진이나 쓰나미로 인한 AC 전원 상실 시에도 무선 감시시스템의 방사선 측정기의 건전성

을 유지하기 위해, AC 전원과 함께 DC 전원 공급 장치를 보조 전원으로 포함하는 전원공급부

를 구성했다. 정상적인 상황에서는 AC 전원이 검출기에 공급되며, AC 전원 상실 시 DC 전원

으로 즉시 전환하도록 제작하여, 전원 상실 시 발생할 수 있는 데이터 손실과 장비 손상을 방

지했다. 방사선검출기에 DC 전력을 공급하기 위해, 리튬-이온 배터리(DAEHAN ELECTRIC,

DHS26J-4S8P) 및 태양광 패널(Solar center, SCM 70WS)을 사용했다.

그림 27은 전원공급부의 구성을 보여준다. 솔라 컨트롤러(UEIUA, CPT-Li410)는 태양광

패널에 의해 생성된 전기로 리튬-이온 배터리를 충전하고, 전력 및 충전 상태에 따라 전력 공

급을 모니터링한다. 전원 선택기(Bix power, Dual power smart selector)는 AC 전원 상실

시 전원을 DC 전원으로 즉각 전환하는 역할을 한다. 각 부품의 사진은 그림 28 ~ 31과 같다.

그림 27. 현장측정용 검출기 전원공급부 구성도


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그림 28. 현장측정용 검출기 내 솔라 컨트롤러

그림 29. 현장측정용 검출기 내 전원 선택기

그림 30. 현장측정용 검출기 내 리튬-이온 배터리

그림 31. 무선 감시시스템용 태양광 패널


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(2) 통신부

통신부는 LTE 모뎀(Woojin, RCU-890S)을 사용해 무선통신으로 메인서버에 데이터 전

송이 가능하도록 설계했다. LTE 모뎀에 서버 IP, 포트를 설정하면, 서버 프로그램에서 몇 초

에 한 번씩 데이터를 받을지 설정한다. M2M(Modem to modem) 방식으로, 장비와 서버 간

1:1 또는 N:1 통신이 가능하다.

그림 32. 검출기 내 CDMA 통신모듈 모습

다. 현장측정용 검출기 제작

현장측정용 검출기 모습은 그림 33 및 34와 같다. 그림에서 볼 수 있듯이 상부 직육면체

모양의 박스 안에 구성품을 탑재했는데, 베타선은 비정이 짧아 케이스를 투과할 수 없으므로,

베타선 측정효율을 높이기 위해 박스 하부에 IN/OUT Fan을 설치해 공기가 박스 내부로 순환

하도록 설계했다. 또한, 전면부에 전광판을 설치해 현장에서 공간감마선량률을 실시간으로 확

인할 수 있다.


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그림 33. 현장측정용 검출기 하우징 설계 전면부(좌)/측면부(우)

그림 34. 현장측정용 검출기 상단박스 전면부(좌)/후면부(우)


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그림 35. 현장측정용 검출기 하단 IN/OUT Fan

그림 36. 현장측정용 검출기 전체모습 및 구성도

2-2-4. 서버용 소프트웨어 제작

현장측정용 검출기로부터 전송된 정보를 저장하고, 실시간으로 값을 확인하기 위해 메인서

버와 소프트웨어를 구축했다. 메인서버는 하나 또는 다수의 검출기로부터 전송받은 정보를 설

정한 시간 간격(2초 이상)으로 저장하며, 소프트웨어는 이 정보를 PC 화면에 표시한다. 그림

37은 검출기-서버-소프트웨어 간 구조를 나타내며, 소프트웨어는 설치파일 및 접근 권한만

있으면 인터넷망이 구성된 어디서든 확인할 수 있도록 하여, 접근성을 높였다.

소프트웨어의 주요 특징은 비교 검색과 보고서 기능을 추가했다는 것이다. 비교 검색 기능

은 원하는 두 기간 사이의 측정값을 그림으로 비교할 수 있으며, 최솟값, 최댓값, 평균값을 표

시하여 가독성을 높였다. 보고서 기능은 수집된 데이터를 이용하여 보고서 양식에 맞추어 인쇄

할 수 있으며, 각 현장측정용 검출기의 주요 데이터 요약 정보를 한눈에 비교할 수 있다.


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그림 37. 시스템 구조도

가. 소프트웨어 화면구성

(1) 실시간 현황

지도상의 검출기 위치는 좌표(위도, 경도)를 설정하여 표시하며, 설정한 주기에 의해 수집

된 데이터를 모니터링 한다. 화면 좌측은 지도상의 각 검출기 위치와 실시간 감마선량률을 표

시하며, 우측에는 검출기별 공간감마선량률과 베타 측정값(cps단위)을 표시한다. 결과값은 설

정한 주기에 따라 업데이트된다.

그림 38. 프로그램 실시간 화면


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(2) 검색

수집된 데이터에 대해 원하는 기간(날짜, 시간)을 설정하면, 날짜 및 시간 기준으로 결과값

을 검색할 수 있다. 해당 기간에 검색한 결과값에 대해 최대, 최소, 평균값을 상단에 표시하며,

지정한 선량값 이상/이하 조건으로 결과 검색도 가능하다.

화면 우측에는 검색 결과 선량값 데이터를 이용하여 추이 그래프를 표시하며, 추후 온도계

를 설치하면 온도(℃)도 추가 확인이 가능하다. 또 화면 우측 상단의 내보내기와 인쇄 기능을

이용해 검색 결과를 엑셀 파일로 저장하거나 기본설정 프린터로 인쇄할 수 있다.

그림 39. 소프트웨어 검색화면

(3) 이벤트 로그

검출기(장비) 운영상에 발생하는 이벤트 내용을 검색한다. 일부 이벤트 발생 시 해당 기기

에 지정된 담당자에게 SMS를 발송한다. SMS 발송 이벤트 및 발송 문구는 아래와 같다.

- 통신 이상 : [장비 이름] 통신 이상 발생

- 비상(High alarm) : [장비 이름] Dose rate high alarm([기준값]) 발생

- Low alarm : [장비 이름] Dose rate low alarm([기준값]) 발생

- 적산기 온도 알람 : [장비 이름] 적산기 온도([기준값])가 초과했다.

- 전위계 온도 알람 : [장비 이름] 전위계 온도([기준값])가 초과했다.


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검색기능과 마찬가지로 설정한 기간에 대해 이벤트를 확인할 수 있으며, 내보내기 인쇄 기

능을 통해 엑셀로 저장 또는 기본 프린터로 인쇄할 수 있다.

그림 40. 이벤트 로그 화면

(4) 비교 검색

그림 41. 비교 검색 화면


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비교 검색은 검색기능의 업그레이드 버전으로, 그림 41에서 볼 수 있듯이 원하는 두 기간

사이의 측정값을 그림으로 비교할 수 있으며, 최솟값, 최댓값, 평균값을 표시하여 가독성을 높

였다.

(5) 보고서

수집된 데이터를 이용하여 보고서 양식에 맞추어 인쇄할 데이터를 구성하며, 검색 조건으로

검색 시작 및 종료 날짜 및 시간을 설정할 수 있다. 특정 검출기 하나 또는 전체를 선택하여

검색할 수 있으며, 일별 또는 월별로 최대, 최소, 평균값을 확인할 수 있다. 또한, 검색 결과로

작성된 보고서를 엑셀 문서로 내보내거나 기본 프린터로 인쇄할 수 있다.

그림 42. 프로그램 보고서 화면

나. 장비 관리 및 제어

(1) 그룹 및 장비 관리


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그림 43. 프로그램 장비 관리 화면

그룹 추가 삭제 및 검출기 장비 정보를 관리한다. 그룹은 추가/수정 버튼을 이용 색상 및

이름으로 관리되며, 그룹 삭제는 해당 그룹을 선택한 후 오른쪽 마우스 버튼을 클릭하여 생성

되는 팝업 메뉴에서 가능하다. 그룹 삭제는 해당 그룹 내의 등록돼있는 장비가 없을 경우만 가

능하다. 해당 기능은 관리자로 로그인한 경우에만 사용할 수 있다.

검출기(장비) 기본 정보는 필수적으로 입력해야 하며, 해당 장비 담당자는 여러 명 지정할

수 있다. 장비 이상, 비상 등과 같은 이벤트 발생 시 등록된 담당자에게 SMS가 발송된다. 온

도 알람은 초과 시에만 발생하며, 선량값(Dose rate) 알람은 Low/High를 구분하여 알람 여

부를 판단한다. 검출기(장비)가 설치된 위치를 지도상에 클릭하여 해당 GPS 좌표를 가져오거

나 경/위도 값을 직접 입력하여 해당 위치를 입력할 수 있다.

해당 서버에서 직접 제어하지 않는 기기를 등록할 수 있다. 국가망에서 데이터를 수집하는

경우에 사용되며, 외부 장비 선택시 CDMA 번호, 적산기 전위계 알람 정보 항목은 비활성화

된다.

(2) 장비 제어

데이터 수집 주기와 데이터 전송 서버 정보를 변경할 때 사용하는 기능이다. 해당 기능은

관리자로 로그인한 경우에만 사용할 수 있다. 측정 데이터를 수집하는 주기를 설정할 수 있는

데, 기본 단위는 분(minute)이다. 데이터를 수집하는 서버 정보가 변경되었을 경우 IP 및

Port 번호를 업데이트하여 해당 장비에서 송신되는 데이터 서버 주소를 변경한다.


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그림 44. 프로그램 장비 제어 화면

(3) 사용자 관리

그림 45. 프로그램 사용자 관리 화면

장비 제어 및 관리를 주관하는 담당자 정보를 관리한다. 데이터 모니터링만 할 수 있는 일

********

********


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반 사용자와 검출기(장비) 정보 및 그룹 정보 수정/삭제 등과 같은 기능까지 할 수 있는 관리

자로 구분한다. 해당 기능은 관리자로 로그인한 경우에만 사용할 수 있다.

2-3. 무선 감시시스템 성능 및 현장적용성 평가

2-3-1. 현장측정용 검출기 성능평가

가. 방사선감지-신호처리부 측정 성능 평가

개발한 MCA를 현장측정용 검출기에 사용하기 위해, 그림 46과 같이 포스위치 검출기와

연결 후 측정 성능을 측정했다. 실험을 위해 Sr-90, Cs-137 디스크 선원을 사용했으며, 선

원에 대한 정보는 표 12에 요약했다.

60초 동안 2초마다 총 30번 측정하도록 설정하여 백그라운드, 각각의 선원에 대해 측정하

고, 두 선원을 동시에 측정했다. 성능 비교를 위해 상용 NaI(Tl) 검출기도 같은 조건으로 측

정했으며 실험결과를 표 13에 요약했다. Cs-137, Sr-90, 혼합선원을 측정결과 포스위치 검

출기는 상용 NaI(Tl) 검출기 대비, 베타선 상대 측정효율이 각각 2486.1%, 30538.7%,

12326.8% 높았으며, 감마선의 경우 156.8%, 113.4%, 212.2% 높았다.

그림 46. MCA 및 포스위치 검출기 측정 성능 테스트


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표 12. 디스크선원 정보

표 13. 포스위치 검출기 및 NaI(Tl) 검출기 측정값 비교

Radiation

typeDetector Source

Average count

rate (cps)

*Relative

efficiency

Beta

Radiation-sensing

and signal

processing

component

Cs-137 555.2 2486.1%

Sr-90 1445.5 30538.7%

Cs-137 + Sr-90 1503.9 12326.8%

Background 63.7 2480.5%

NaI(Tl)

Cs-137 22.3

　Sr-90 4.7

Cs-137 + Sr-90 12.2

Background 2.6

Gamma

Radiation-sensing

and signal

processing

component

Cs-137 1366.7 88.2%

Sr-90 710.9 156.8%

Cs-137 + Sr-90 1275.5 113.4%

Background 439.8 212.2%

NaI(Tl)

Cs-137 1550.1

Sr-90 453.3

Cs-137 + Sr-90 1124.7

Background 207.3

*Relative efficiency: Count rates from radiation-sensing and signal processing component

and those by NaI(Tl) detector

방사성붕괴는 무작위적인 사건(Random event)이기 때문에, 동일 선원과 조건에서도 측정

결과가 다를 수 있다. 하지만 검출기의 성능이 건전하다면, 측정값은 포아송 분포를 따르고,

적절한 표준편차(σ)를 가진 상태로 평균 주변에 분포한다. 그림 47은 각각의 선원에 대해 포

스위치 센서로 30번 측정한 결과를 보여준다. 그림에서 점선은 해당 평균에 대한 ± 2σ값을

나타내는데, 대부분의 측정값은 두 점선 사이에 분포함을 알 수 있다.

핵종 기준일초기 방사능

(μCi) (Bq)

Sr-90 April, 2017 0.1 3,700

Cs-137 September, 2017 0.25 9,250


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그림 47. 방사선감지-신호처리부 성능 평가 측정값 분포

통계적으로 방사선감지-신호처리부의 유의성을 입증하기 위해, 카이제곱 테스트를 수행했

다. 표 14는 결과값을 보여주는데 p 값이 0.1~0.9 사이에 분포하면, 검출기가 제대로 작동한

다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서 개발한 장비는 충분한 건전성을 가지고 있음을 알 수

있다.

표 14. 카이제곱 테스트 결과

선원 Chi-square p value

Sr-90베타 35.2 0.24

감마 25.5 0.63

Cs-137베타 35.4 0.24

감마 31.4 0.39

Sr-90 + Cs-137베타 20.1 0.89

감마 22.6 0.77

나. AC 전원에서 DC전원 전환 시 데이터 손실 유무 평가

전원이 상용전원에서 배터리로 또는 배터리에서 상용전원으로 전환할 때 약간의 시간 간격

이 발생할 수 있다. 이 짧은 간격 동안 전원 공급이 불안정해져 장비에 손상이 가거나 전송 중

인 데이터가 손실될 수 있다. 또한, 감마 스펙트럼에 잡음이 발생할 수 있다. 따라서 전원 공

급 장치의 안정성을 확인하고 보장해야 한다.

AC 전원 상실 시 데이터 손실 없이 전원을 AC에서 DC로 전환하는지 확인하기 위해 그림

48과 같이 태양광 패널을 제외한 전원공급부를 구성하고 테스트를 수행했다. 60초 동안 2초

마다 총 30번 측정하도록 방사선검출기를 설정한 후, AC, DC 전원을 모두 공급한 다음 30초


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후에 AC 전원을 끈다. 해당 실험을 다섯 세트 반복해 측정횟수를 확인했다. 또한 감마스펙트

럼이 단일 전원(AC 또는 DC)만 공급할 때와 비교하여 노이즈가 없는지 확인했다.

그림 48. 전원 변환 실험 구성

실험결과, 전원변환 실험의 경우 다섯 세트 모두 30번 측정되어, 측정 데이터 전송에 대한

손실은 없는 것으로 확인되었다. 또한, 그림 49와 같이 각각의 전원 구성방법에 따른 감마스

펙트럼 비교결과 차이(눈에 띄는 노이즈)가 없는 것을 확인했다.

그림 49. 각기 다른 전원공급 방법에 따른 감마스펙트럼 비교

오실로스코프를 사용하여 AC 전원이 손실되는 순간의 전압 변화 정도를 확인했다. 그림

50은 두 가지 다른 그리드 크기에 대한 테스트 결과를 보여준다. 화면 중앙 상단에 화살표가

있는 흰색 세로선은 AC 전원이 끊긴 시간을 나타낸다. 두 그림에 대한 각 격자의 높이는 5V

로 동일하나, 너비는 서로 다른 시간 스케일을 가진다. (a)는 격자 당 1 μs이며, (b)는 50

μs 이다. (a)를 보면, AC 전력 차단 후 약 0.5 μs 동안 최대 3V의 전압 변화가 있었다. 그


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러나 너비가 50 μs 인 (b)를 보면, 전압 변동을 시각적으로 식별하기 어렵다. 방사선검출기

가 2 초마다 측정 데이터를 생성했기 때문에, 전원 변경 순간 발생하는 전압 신호의 작은 변

동은 방사선검출기 작동에 거의 영향을 미치지 않는다고 판단된다.

그림 50. AC 전원 상실시 시간 스케일에 따른 전압 변화

(x축 스케일 좌: 1 μs, 우: 50 μs)

다. AC 전원 상실 시 배터리 구동시간 테스트

(1) 가동시간 계산

배터리 용량은 14.52 V ×20.4 Ah = 296 Wh 이며, 주요 부품에 대한 소비전력은 아래

와 같다.

- MCA : 소비전력 15 V / 400 mA

- LTE라우터(데이타 통신) : ACT 6 sec 103 mA 15 V ⇒ 1.55 w

IDLE 4 sec 70 mA 15 V ⇒ 1.05 w

* 데이터 송신하지 않을 시 절전모드로 70 mA 소비 (6초 유지)

데이터 송신 시 103 mA 소비 (4초 유지)

데이터 송신 주기는 10초이기에 위와 같이 소비전력은 6초 및 4초로 나누어지는 것

을 확인.

이에 따라, LTE 라우터 소비전력은 평균 1.35 W 라고 가정.

- IN/OUT 팬 : 125 mA 15 V ⇒ 1.88 W

- 솔라 컨트롤러 : 40 mA 16 V ⇒ 0.64 W

위 네 가지 주요 부품을 합친 총소비전력은 9.87 W 이며, 이는 장비 가동 중에 확인한 소


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비전력이다. 배터리 용량과 소비전력을 다음과 같이 계산하면, 태양광 패널이 존재하지 않을

때 무선 감시시스템의 예상 가동시간은 약 30시간이다.

- 계산 결과 : 배터리 용량(296 Wh) ÷ 소비전력(9.87 W) = 가동시간 (30.01 h)

(2) 배터리 구동시간 테스트

배터리로만 구동했을 때 무선 감시시스템의 구동 시간을 알아보기 위해, 배터리를 100%

완충한 후, AC 전원을 차단했다. 실내에서 태양광 패널 없이 진행했으며, 노트북을 통해 실시

간으로 측정되는 정보를 확인했다. 노트북에 더 이상 데이터가 기록되지 않으면, 배터리 방전

에 의해 전원공급이 중단된 것으로 판단했다.

그림 51. MCA와 PC 통신 연결


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그림 52. 실시간 실험 데이터

실험은“2019년 8월 28일 17:42:28” AC전원 차단과 동시에 시작했으며, 주요 장비

(LTE 라우터, IN/OUT Fan, Solar controller 등) 작동에 이상 없는 것을 확인했다.

실험결과“2019년 8월 29일 23:31” 에 시스템 작동이 멈춘 것을 확인했다, 작동 시간은

약 30시간 (6시간 17분 30초 + 23시간 31분 = 29시간 48분 30초)임을 확인했다. 따라서

계산 결과와 실제 테스트 결과가 거의 동일함을 알 수 있다.

(3) 태양광 패널 적용 시 예상 구동시간

무선 감시시스템을 24시간 가동한다고 가정 시 소비전력량은 236.88 Wh (9.87 W × 24

h)이다. 따라서 최대출력 70W 태양광 패널 사용 시 하루에 3.39 시간 동안 충전이 필요하다.

즉 하루에 3.39시간 (236.88 Wh ÷ 70 W = 3.384 h) 이상 태양광 발전이 이루어지면 장

비는 상시 가동된다. 하지만, 악천후나 기상이변으로 인해 태양광 발전을 연속된 30시간 동안

할 수 없다면, 전력 생산이 중단되고, 해당 시간 동안 AC 전원도 공급되지 않는다면 감시시스

템의 작동이 중단될 수 있다. 이는 배터리 용량을 증가시키면 개선 가능한 문제로, 감시시스템

성능에 영향을 주지 않을 정도라 판단된다.


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2-3-2. 무선 감시시스템 현장적용성 평가

가. 삼계면사무소

전라남도 장성군의 삼계면사무소에 설치된 환경방사선감시기(공기이온전리함) 옆에 무선

감시시스템을 설치하고, 현장적용성을 테스트했다. 테스트는 2019년 11월 23일 00시 00분부

터 11월 25일 17시 25분까지 진행되었으며, 10초마다 측정데이터를 전송받아 소프트웨어에

측정값을 표시했다. 기존에 설치된 환경방사선감시기는 15분 간격으로 데이터를 서버에 전송

한다.

그림 53. 삼계면사무소 필드테스트 모습

그림 54. 삼계면사무소 무선 감시시스템 필드테스트 결과


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그림 55. 삼계면사무소 기존 환경방사선감시기(공기이온전리함) 측정 데이터

측정데이터 분석결과 단 1건의 데이터 손실 없이, 측정데이터가 서버에 전송된 것을 확인

했다. 그림 55를 보면, 두 검출기의 선량을 같은 단위로 맞춰도 약간의 차이가 있는 것을 알

수 있는데, 이는 공기이온전리함과 섬광검출기(본 과제의 현장측정용 검출기)의 검출기 특성

차이로 인해 생기는 현상으로, 단순히 보정인자를 곱하거나 나누어줌으로써 해결할 수 있다.

또한 그림 54와 55에 존재하는 약간의 피크치는 강수가 일어났던 구간으로, 강수 시 환경방사

선이 약간 증가한다는 자연현상을 잘 반영했다고 볼 수 있다.

나. 한빛원전민간환경감시기구

전라남도 영광군 한빛원전민간환경감시기구에 설치된 환경방사선감시기(공기이온전리함)

옆에 무선 감시시스템을 설치하고, 현장적용성을 평가했다. 측정 기간은 2020년 1월 2일 12

시 00분부터 2020년 1월 3일 18시 00분까지이며, 10초마다 데이터를 전송받아 소프트웨어

에 측정값을 표시했다.


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그림 56. 한빛원전민간환경감시기구 필드테스트 모습

그림 57. 한빛원전민간환경감시기구 무선 감시시스템 필드테스트 결과

테스트 결과 그림 57 우측 편 그래프에서 보듯이, 측정 기간 중간(2020년 1월 2일

18:14:39)에 데이터가 갑자기 전송되지 않는 현상이 발견되었다. 현장 점검 결과, 통신부와

신호처리부 사이 접합부분이 불량임을 발견했고, 수리 후 정상적으로 작동됨을 확인하였다.


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2-3-3. 무선 감시시스템 설계 개선 및 최적화

가. 통신부-신호처리부 간 접촉불량 개선

그림 58. 통신부 접촉 불량 사진

앞선 한빛원전민간환경감시기구 내 필드테스트 중 통신부와 신호처리부 간 접촉이 불량하

여 LTE 라우터를 통한 무선 데이터 전송이 제한되는 현상이 발견되었다. 접촉 불량 당시 그

림 58처럼 선이 느슨하고 정리가 되지 않은 상태였으며, 납땜 후 선을 정리해 이를 개선했다.

나. 핵종분석 소프트웨어 형식 변환 및 MCU 교체

핵종분석용 소프트웨어에서 계측 시 측정시간이 종종 멈추는 현상을 발견했다. 이를 개선하

고자 프로토콜 소프트웨어 포맷을 Binary 형태에서 ASC II 로 변환하여 적용시켰다.

- 변경 전 패킷 : Header(ASCⅡ) + Data(Binary) + Tail(ASCⅡ)

- 변경 후 패킷 : Header(ASCⅡ) + Data(ASCⅡ) + Tail(ASCⅡ)

추가로, 잔 고장으로 인해 신호처리부 회로 내 MCU(Micro controller unit)에 손상이 생

긴 것으로 파악되어, MCU 교체를 진행했고, 현재까지 멈춤 현상은 발견되지 않았다.


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3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도

3-1. 목표

■ 무선네트워크 감시시스템 개념 설계 및 예비 성능 평가

· 무선통신을 적용한 방사능 측정 기술 조사·분석

· 무선 방사능 감시시스템 개념 설계 및 후보 선별

· 최적 기술 적용 무선 감시시스템의 회로부 상세 개념 설계

■ 최적 기술 무선 감시시스템 제작 및 성능 평가

· 무선 감시시스템 설치를 위한 위치 후보군 선별

· 무선 감시시스템 통합 보드 및 소프트웨어 상세 설계

· 최적 기술 적용 무선 감시시스템 및 소프트웨어 제작

■ 현장 적용을 통한 무선 네트워크 감시시스템 성능 최적화

· 무선 감시시스템 시작품 제작 및 성능 평가

· 구축된 무선 네트워크 감시시스템 성능 및 현장 적용성 평가

· 현장 적용성 평가 결과를 토대로 무선 네트워크 감시시스템 최적화

3-2. 목표 달성여부

연구목표 및 내용 수행실적 달성도

무선네트워크

감시시스템 개념 설계 및

예비 성능 평가

무선통신을 적용한 방사능 측정 기술

조사·분석

- 원거리 데이터 전송을 위한 무선통신기술을 조사함.- 무선 방사능 계측시스템 기술 적용 사례를 조사함.

100 %

무선 방사능 감시시스템 개념 설계 및 후보 선별

- 지표에 침적하는 방사성핵종 특성을 조사함.- 감시시스템 감지부 선정을 위한 후보군을 선별함.- 무선데이터 송수신을 위한 무선통신기술을 선정함.

100 %

최적 기술 적용 무선 감시시스템의 회로부

상세 개념 설계

- 무선통신기술 원거리 데이터 송수신 가능성을 평가함.- 무선 감시시스템 제작을 위한 구성품을 상세 설계함.- 무선 감시시스템 개별 구성품 전자 보드를 설계함.

100 %


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최적 기술 무선

감시시스템 제작 및 성능

평가

무선 감시시스템 설치를 위한 위치 후보군 선별

- 환경방사선 감시현황을 조사함.- 대기확산 모델을 조사·분석함.- 무선 감시시스템 최적 배치를 선정함.

100 %

무선 감시시스템 통합 보드 및 소프트웨어 상세

설계

- 무선 감시시스템 통합 보드를 상세 설계함.- 무선 감시시스템 소프트웨어를 설계함.

100 %

최적기술 적용 무선 감시시스템 및

소프트웨어 제작

- 무선통신기술 적용 무선 감시시스템을 제작함.- 감시시스템과 메인서버 간 데이터 송수신 소프트웨어를

제작함.100 %

현장 적용을

통한 무선 네트워크 감시시스템 성능 최적화

무선 감시시스템 시작품 제작 및 성능 평가

- 시작품을 제작함.- 방사능 오염 여부 및 방사성핵종 판별 여부를 평가함.- 무선 감시시스템 별 데이터 송수신 호환성을 평가함.

100 %

구축된 무선 네트워크 감시시스템 성능 및 현장

적용성 평가

- 구축된 무선 네트워크 감시시스템의 부지 적용성을 평가함.

- 현장적용을 통한 감시시스템 성능을 시험함.100 %

현장 적용성 평가결과를 토대로 무선 네트워크

감시시스템 최적화- 무선 감시시스템의 설계를 개선 및 최적화함. 100 %


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4. 연구개발성과의 활용 계획 등

4-1. 활용계획 및 기대효과

◦ 본 과제에서 개발한 시스템은 추후 원전 주변에 지정된 방위와 간격으로 다수 설치하여

방사선사고 시 아래와 같은 효과를 얻을 수 있음.

- 현장 측정기로부터 짧은 간격으로 실시간 데이터를 전송받으므로 사고 초기에 주민 대

피/소개에 활용 가능.

- 각 현장 측정기에 핵종 정보를 저장하도록 설정한다면 추후 수집하여, 피폭선량 평가와

더불어 제염 작업 시 절차 수립/작업자 안전에 기여.

- 무선 원거리 데이터 전송이 가능하므로 데이터 수집 지점에서 멀리 떨어진 거리에서도

무리 없이 선량 확인 가능.

◦ 일부 기술을 활용하여 일반 상황에서는 연속적으로 핵종 분석이 가능한 환경방사선(능)

감시 장비로도 활용 가능함.

- 원자력 이용시설 근방에 설치한 뒤 전송받은 데이터로 실제적 및 잠재적 주민 피폭선량

평가 가능.

- 장비 설치에 필요한 면적이 좁아 전국 어디서나 원하는 위치에 설치 가능.

◦ 본 감시시스템을 개발하는 동안 축적된 데이터를 활용하여 다양한 분야에 방사선/능

감시기를 개발할 수 있으며, 검출기 제작 국산화에 기여.

- 우리나라 고유의 지리적 조건과 대기 환경조건을 바탕으로 국내에 최적화된 계측기를

개발 가능.

- 집적된 개발 기술을 바탕으로 방사선/능 계측기를 국내기술만으로 제작 가능.

- 하나의 검출기로 공간감마선량률 측정, 방사성핵종 판별, 베타방출 핵종 존재 유무

확인까지 가능하므로 추후 해당 기술로 다양한 분야에 응용 가능.


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주 의

1. 이 보고서는 과학기술정보통신부에서 시행한 원자력기술개발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표하는 때에는 반드시 과학기술정보통신부에서 시행한 원자력기술개발

사업의 연구결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀 유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개하여서는 안 됩니다.


0. 1 21 3456789:;

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