공부하고 정리하고

가속기란?

간단하게 말해서 입자를 가속시키는 장치를 말합니다.

중력, 강력, 약력, 전자기력 중에 전자기력을 사용해 가속을 합니다.

그렇다면 가속을 위해서는 무조건 전하를 띄는 입자를 사용해야 합니다.

그럼 이 필수조건에 의해 제외되는 입자가 있습니다.
바로 중성자 입니다. 그래서 중성자는 직접적인 가속이 불가능합니다. 다만, 가속된 고에너지의 하전입자로 인해 생겨나는 파쇄 중서자를 이용할 수는 있습니다.

가속 방법은?

가속 방법은 전위차를 이용하게 됩니다. 이 전위차라는 말은 전압과도 동일합니다. 

폭포에서 물의 높이가 높을수록 물이 떨어진 후의 운동에너지가 크고 물의 양이 많을수록 아래로흐르게 되는 물이 많아집니다. 전압과 전류도 똑같습니다. 전위차가 클수록 전압은 크고 에너지가 크게 되는 것이고 전류가 클수록 흐르는 전하의 양이 커지는 것이죠.

기본적으로 전하량 q를 가진 입자를 전압 V를 걸게 되면 생기는 에너지를 E=qV라고 쓸 수 있습니다. 

V가 커지면 당연히 에너지가 커지게 됩니다. 

따라서 높은 전압은 높은 에너지를 발생시킵니다.

결론은 ‘고전압이 필요하다’ 입니다. 그렇다면 고전압을 어떻게 걸어줄까요? 우리는 아주 높은 에너지까지 가속을 시킬 것이기에 매우 높은 전압을 필요로 합니다.

우선, eV 단위부터 먼저 알아보겠습니다. 가속기에서는 이 eV, 전자볼트 단위를 많이 사용할 건데 1eV라는 것은 1개의 전자를 1V의 전압차로 가속시켜 얻는 에너지를 말합니다.
1eV=1.6ⅹ10-19J 입니다. 

다시 본론으로 돌아와 고전압을 얻는 방법은 직류형과 교류형으로 나뉘어 집니다.

직류형은 DC 전압을 걸어주어서 전하를 띤 입자를 그대로 가속시키는 방법입니다. 이 방법은 106 eV 까지는 가속이 가능하나 그 위로는 힘듭니다. 왜냐하면 높은 전압을 걸어주기 위해서는 강한 전기장과 긴 거리차가 필요하기 때문에 기술적으로 한계가 존재합니다. 또한 일정 이상의 고전압을 걸어주게 되면 공기절연파괴현상이 일어나기 때문에 고전압을 걸어주는데 한계가 있습니다.

다음 방법은 교류형입니다. 교류형은 가속되는 입자에 동일한 전압을 걸어주되 전압의 부호를 주기적으로 바꿔서 지속적으로 높은 전압으로 가속이 되는 방법으로 106eV이상의 전압을 만들 때 사용합니다. 앞의 직류형과 비교해서는 더 적은 공간을 필요로 하는 장점이 있습니다. 이 방식을 사용하면서 가속길이를 직류형 대비 많이 줄일 수 있어 포항 방사광가속기의 경우에는 150m의 가속기 길이에도 GeV의 빔을 얻을 수 있습니다. 

지난 포스팅의 MR신호를 발생시키는 과정까지의 내용을 이어 이번 포스팅에서는 대표적인 라디오파 펄스를 걸어주는 방법을 소개하고자 합니다.

하나의 펄스만 주고 끝내는 것이 아닌 펄스를 여러 번 주게 되는데 명암대비 좋은 영상을 만들기 위해서 다양한 펄스연결을 주게 됩니다.
오늘은 이 펄스연결방법을 소개합니다.

90°-90° 펄스연결

자화도가 횡축자화도가 되도록 만들어주는 펄스를 90°펄스라고 하는데 이펄스를 일정한 반복시간 TR이후 90°펄스를 다시 걸어주는 방식입니다.
이때 관측되는 신호의 세기는 이 TR시간에 비례하는데 TR을 길게 주었을때랑 짧게 주었을 때 생기는 영상이 차이가 있습니다.
두조직 A,B라는 조직이 있을 때 TR시간을 충분히 준 경우를 생각해보면 두조직간의 회복시간의 차이에 의한 신호차이가 발생하지는 않습니다. 즉, TR이 길어버리면 횡축자화도로 기울었던 자화도가 종축자화도로 돌아오는데 조직간의 차이가 존재하더라도 충분한 시간을 준다면 모두 회복한다는 이야기 입니다.
그럼 이때는 두조직간의 차이를 구분짓는 방법은 유일하게 양성자의 수 즉, 핵스핀의 수로 결정이 됩니다. 그래서 양성자의 밀도에 비례하게 되는데 이러한 영상을 얻는 방법을 양성자밀도 강조영상이라 합니다.
반면, TR을 충분히 길게 주지 않는다면 두조직중에 이완시간의 차이가 있을 때 TR이 짧아 어느 한 조직은 다 회복했는반면 한 조직은 회복중인 상황이 있을 수 있습니다.
즉, 이 차이로 인해 얻은 신호의 차이로 명암차가 발생하고 이를 구분짓는 인자가 T1이완시간이므로 T1 강조영상이라 합니다.

역회복 펄스연결

이름에서 느껴지듯이 앞의 90°펄스와는 달리 180°펄스를 걸어주게 됩니다. 이렇게하면 종축자화도는 정자기장의 반대방향으로 바뀌게 됩니다. 그리고 펄스가 없으면 다시 원래의 방향으로 돌아옵니다. 이때 일정시간후에 다시 90°펄스를 걸어서 MR신호를 검출합니다.
이때의 180°-90°펄스의 시간차를 TI(Time of Inversion)라하고 이 시간을 종축자화도가 모두 0이되는 시간에 맞추어 90°펄스를 걸어주게 되면 모두 횡축자화도로 전환되어 있기 때문에 나오는 MR신호가 0이 됩니다. 이러한 방식을 사용하면 특정조직에서 발생하는 신호를 없앨 수 있습니다. 대표적인 활용은 지방의 신호 억제에 광범위하게 사용한다고 합니다.

스핀에코 펄스연결

역회복 펄스와는 반대로 90°-180°펄스를 걸어주는 방법입니다.
90°펄스를 주었다가 사라지면 동위상이 깨지면서 횡축자화도가 없어지는데 이때 180°펄스를 걸어주면 종축자화도의 반대방향으로 힘을 주기 때문에 180°펄스를 걸어주고 일정시간후에 다시 횡축자화도를 형성하며 MR신호를 발생시킵니다. 이를 스핀에코 신호라고 합니다.
90°-90°펄스는 T1이완시간의 차이와 양성자밀도차이를 이용한 반면, 90°-180°펄스는 T2이완시간 차이도 고려한다는 특징이 있습니다.

경사자기장

펄스연결을 통해 명암차이를 얻는다고 해도 이 신호의 근원지를 알지 못한다면 제대로 된 진단을 하기에는 어려움이 있을 겁니다.
경사자기장이 없다면 발생하는 MR신호는 발생대상의 각 부분에서 나오는 신호들을 모두 합한 신호가 될 겁니다.
그래서 구별을 위해 경사자기장이라는 정자기장과 자기장의 세기가 다른 자기장을 걸어주게 됩니다.

여기에는 x,y,z방향에 따라 3종류의 경사자기장이 있습니다.
각각을 진동수인식 경사자기장(Gx), 위상인식 경사자기장(Gy), 단면결정 경사자기장(Gz)라고 합니다. 첫번째로 z방향의 단면결정 경사자기장을 살펴보겠습니다.

단면결정 경사자기장

정자기장의 z축 방향으로 위치에 따라 변하는 자기장을 말합니다.
정자기장과 이 자기장을 걸어준 상태에서 라디오파를 걸어주게 되면 정자기장에 의해 동일한 핵스핀 진동수를 가졌던것과 다르게 경사자기장에 의해 z방향에 따라 걸리게 되는 자기장이 두 자기장의 합으로 인해 달라지게 됩니다.
이렇게 되면 z방향으로 변함에 따라 공명이 되는 진동수가 다르게 되고 라디오파를 걸어주었을 때 공명조건에 차이가 생기게 됩니다.
이렇게 되면 특정 라디오파에 대한 결과가 특정 단면의 값만 보여주게 됩니다.
하지만, 걸어주게 되는 라디오파가 하나의 진동수만 가지는 것이 아니라 진동수폭을 가지므로 결과도 특정 단면이 아니라 특정 영상폭을 보여주게 됩니다.
그런데 이 영상폭은 단면결정 경사자기장의 z방향에 따른 변화가 클수록 영상폭이 얇아집니다.
즉, 경사자기장의 변화량 정도로 영상의 폭 단면 두께를 조정할 수 있습니다.

이 방법을 사용해서 우리는 하나의 단면을 결정할 수 있게 되었습니다.
하지만, 아직까지는 MR신호가 어디서 나오는지 구별할 수는 없습니다.
이를 구별하기 위한 자기장이 진동수인식 경사자기장과 위상인식 경사자기장입니다.

단면결정 경사자기장에 의해 하나의 영상 단면을 얻은 상태에서 여기서 나오는 MR신호의 위치값을 알기위해 영상단면을 여러 개의 조각으로 나뉜 복셀로 존재하고 이 복셀에서 나오는 MR신호를 읽어야 합니다.

그런데 하나의 단면이 있다고 했을 때 여기서 나오는 MR신호는 구별이 안됩니다. 하나의 단면에 나온 핵스핀들은 모두 동일한 진동수로 회전하고 있기 때문입니다.

그래서 우선 위상인식 경사자기장을 걸어주어 y방향으로 자기장의 변화가 생기는데 한쪽은 정자기장이 작아지도록 한쪽은 커지도록 걸리도록 하고 중간은 그대로 걸리게 된다면 핵스핀들이 가지는 진동수들이 차이가 생깁니다.

이러한 위상차가 발생했을 때 여기서 진동수인식 경사자기장을 걸어줍니다. 이 자기장은 x방향으로 걸어주어 핵스핀의 진동수가 차이나게 만들어 줍니다. 이렇게 하면 각 복셀이 내는 신호가 주변과 달라져 신호가 구별이 됩니다.

자기장이 걸리는 순서

어떻게 라디오파를 걸어주냐에 따라 다르겠지만, 단면을 결정짓기 위해 Gz를 걸어주고 Gy, Gx를 걸어주어야 합니다.

결과

결과적으로 얻은 MR신호는 그대로 사용하지는 못합니다. 여러 진동수를 가진 신호의 합이므로 이 신호를 진동수에 대한 Fourier 변환을 사용해 각 신호들을 구별해줍니다.

NMR : 전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과
공명현상을 통한 핵자기공명현상
MRI의 기본원리를 알아보자1
MRI의 기본원리를 알아보자2
MRI의 기본원리를 알아보자3 
MRI의 기본원리를 알아보자4

<수정>

저번 포스팅인 NMR과 공명현상에서 소개한 내용 중에 잘못된 점이 있어 수정하고자 합니다.
이때 포스팅에서 사용한 이미지를 잠시 다시 보겠습니다.

여기서 보면 아래쪽의 업스핀이 (-) 핵자기 모멘트를 가지고 위쪽의 다운스핀이 (+) 자기 모멘트를 가진다고 제가 소개를 했었습니다. 그런데 이것은 전자에만 해당되는 이야기입니다. 전자와 부호가 반대인 반면 양성자에서는 이와 반대입니다. 즉, 자기모멘트 방향이 스핀 방향과 동일하다는 이야기입니다.
그래서 전에 소개한 내용은 전자에만 해당하는 내용이고 양성자(수소핵)의 경우에는 업스핀은 (+) 자기모멘트 다운스핀은 (-) 자기모멘트를 가진다는 점을 강조합니다.
이를 표현한 식을 보여드리고 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

우리는 저번 시간까지의 과정을 통해 수소핵을 핵자기공명(NMR)현상을 이용하여 영상을 얻어낸다고 했습니다. 이 영상을 얻는 방법을 이해하기 위해 가장 먼저 이해해야 하는 이론은 자화도 개념이 되겠습니다.

자화도 벡터

자화도라는 것은 자화가 되어진 정도로 생각하시면 되는데 벡터라는 개념이 나옵니다.
여기서 벡터는 방향성을 나타낸다는 말인데 그럼 자화도 벡터는 방향성을 나타내는 자화도라고 생각하시면 됩니다.
다시 전에 소개했던 핵자기공명현상을 떠올려봅시다.
균일한 자기장을 걸어주면 라모어 세차운동에 의해 핵스핀들이 동일한 진동수로 세차운동을 하게 된다고 했었습니다.

공명현상을 통한 핵자기공명현상(NMR)

그런데 동일한 진동수를 가진다고 했지 동일한 위상을 가지는 것은 아닙니다. 위상자체는 각각 제각각이게 됩니다. 이러한 위상차에 의해 각각이 만들어 내는 자기모멘트들은 위나 아래로 모두 동일하지는 않습니다.
이러한 자기모멘트값들을 벡터합을 하게 되면 전체 거시적 자화도 벡터를 얻게 됩니다.
하나의 예를 들어보겠습니다.
다른 방향을 바라보고 있는 여러 작은 자석들을 모아놓았다고 합시다.
이 작은 자석 하나하나는 자기모멘트를 가지고 있고 모두 동일하지는 않습니다.
그런데 이 작은 자석들이 모여있는 곳에서 나와서 멀리 나왔다고 합시다. 그리고 다시 자석이 있는 곳을 바라봅니다. 

그럼 이때 보기에 자기모멘트가 제각각으로 보일까요?
아닙니다. 보기에는 하나의 자석이 하나의 자기모멘트를 띤다는 것을 알 수 있습니다.
조금 더 쉽게 예를 들자면 하나의 그룹이 있다면 그룹 원들은 다 제각각 다른 소리를 내지만 결국에는 하나의 의견을 수렴해서 결론을 도출하게 됩니다. 하나의 목소리를 내는 것이죠.
이와 같이 자화도 벡터도 같은 개념입니다.

왜 그럼 우리는 이 개념을 보아야 할까요?
영상을 얻기 위해서 NMR현상을 이용해 방출하는 MR 신호를 분석해야 합니다.
그런데 이 MR신호는 단순히 하나의 정보만을 나타내는 것이 아닙니다. 무수히 많은 핵들이 방출하는 복합적인 신호를 분석하는 것이죠.
그렇기에 각각의 공명들이 내는 전체의 신호인 자화도를 기준으로 앞으로 분석할 것입니다.
그러니, 앞으로 설명하는 이 자화도가 하나의 핵스핀이 만들어 내는 것이 아닌 단위표적당 내는 신호라고 생각해주시면 됩니다.

종축자화도와 횡축자화도

종축자화도는 자기장의 방향과 평행한 자화도를 말하며 횡축자화도는 자기장의 방향과 수직한 자화도를 말합니다.
자기장이 걸렸을 때 자기장방향과 동일한 자기모멘트를 가진 업스핀을 가진 핵자가 주를 이루고 몇몇 핵자가 다운스핀을 가지며 반대방향을 가르킵니다. 그래서 위상들의 차이가 존재하게 됩니다.
그런데 이때 라디오파를 걸어주어 업스핀을 가진 핵자들을 공명시켜주게 됩니다. 이때 동위상을 가지게 되면 자화도 벡터의 방향이 변화하게 됩니다. 

그런데 자기장의 방향과 수직이 되도록 자화도를 가질 때를 횡축자화도라고 합니다.
보통 MRI 영상을 얻기 위해서는 이 횡축자화도인 90° 펄스또는 완전 뒤집혀있는 180° 펄스를 얻어서 사용하게 됩니다.

라디오파

전자기파중에 주파수대역이 라디오파 대역에 있는 경우를 말합니다.
가장 긴 파장을 가지는 영역이며 수백 Hz에서 수백만 Hz까지의 다양한 주파수가 있습니다.

그리고 공명을 걸기 위해 수소핵과 동일한 진동수를 필요합니다.
예로 1T의 자기장을 걸어주는 영상장치에서는 42.57MHz의 라모어 진동수를 가지며 1.5T의 경우는 64MHz의 라모어 진동수를 가지게 됩니다.
이 주파수 영역들은 우리가 듣는 FM라디오 영역때의 주파수들입니다. 그래서 외부 FM라디오파라는 노이즈를 줄이기 위해 MRI장치는 전자기파를 차폐시켜주는 장치를 필요로 합니다.

거시적 해석

MRI에서는 펄스를 주입해 순식간에 공명을 일으킵니다.
이를 거시적 관점에서 보면 전자기파인 라디오파를 주입시키면 전자기파에서 자기장 영역이 자화도에 영향을 주어 토크(돌림힘)를 가하여 이 자화도의 방향을 바꿔준다고 생각하시면 됩니다.
이 자화도의 변화하는 정도는 라디오파의 자기장에 의존합니다.

즉, 자기장을 걸어주어 주파수를 부여해준 상태에서 얼마나 강한 라디오파를 걸어주냐에 따라 이 자화도가 변화하는 정도가 달라집니다.

앞서 설명한 라디오 펄스는 순간적인 파동입니다.
라디오 펄스는 다양한 주파수가 섞인 순간적인 전자기파를 방출해내는 건데 이를 활용한다고 했죠?
앞서 소개한 포스팅에서는 이완시간이라는 개념을 언급하면서 자화도가 공명으로 변화한 후에 원래 윗방향으로 향하던 자화도의 방향이 변화함에 따른 시간차이를 분석에 활용한다고 했습니다.
하지만, 한 번 라디오파를 걸어준다고 원하는 값을 얻는 것은 아닙니다. 원하는 방향으로 자화도가 형성되기 위해서는 반복적으로 이 과정을 수행해야 하죠.
그렇기에 펄스를 일정한 시간(반복시간)을 두고 발생하는 방법으로 규칙적인 라디오파를 걸어줍니다.

이완시간

라디오파 펄스를 주고 나서의 상황을 보겠습니다.
라디오파에 의해 자화도는 변화했고 위상은 같아졌습니다.
그런데 이를 유지하지 못합니다. 강제적인 변화였고 그 외력이 없다면 원래의 상태로 돌아가려 합니다.
그래서 두가지 측면에서 다시 돌아갑니다.
첫번째로 높은 에너지준위로 올라간 수소핵들이 다시 낮은 에너지 준위로 내려갑니다. 이때 자화도의 방향은 원래의 방향인 위쪽, 종축자화도로 바뀌게 됩니다.
두번째는 동위상이 깨집니다. 라디오파에 의해 같은 위상으로 정렬했었지만 다시 원래의 자기장 방향으로 정렬하게 됩니다.
여기서 전자와 후자는 종축자화도 회복과 횡축자화도 소멸에 각각 작용하며 결과적으로는 동일한 결과를 불러오는데 작용합니다.
하지만, 각각 지칭하는 용어가 있습니다. 전자는 T1 이완시간 후자는 T2 이완시간입니다.
각각에 대해서 간략하게 설명하겠습니다.

T1 이완시간

종축자화도가 회복되는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-격자 이완시간이라고도 합니다.
그런데 이 이완시간은 수소핵들이 여기되었다가 다시 원래 에너지 레벨로 돌아오는 과정인데 여기되었을때 주변의 같은 진동수를 가진 분자가 주변에 존재한다면 이에 대한 상호작용으로 더 빨리 에너지를 잃습니다.
즉, 회복하는 시간이 주변 물질이 무엇이냐에 따라 달라지는 것이죠.
그래서 순수한 물이 가장 오래 걸리는 한편 지방은 빨리 회복된다고 합니다.

T2 이완시간

횡축자화도가 사라지는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-스핀 이완시간이라고도 합니다.
펄스가 사라지고 계속 걸려있던 자기장에 의해 공명으로 동위상이 되었던 진동수가 정렬 방향에 따라 차이가 나면서 동위상이 깨지는 현상이 발생합니다. 그리고 이로 인해 사라지는 횡축자화도의 소멸시간입니다.
이는 T1 이완시간보다 빠르게 진행이 됩니다.

MR신호

미시적으로는 핵의 여기와 회복으로 발생하는 에너지를 신호로 방출해내는 것이지만, 거시적으로 보았을 때 결국, 자화도의 변화가 발생한다는 것을 알 수 있습니다.
그래서 이 신호를 받아오기 위해 rf coil을 사용해 수신되는 전자기파의 변화를 측정합니다.
이 신호를 FID 신호라고 하는데 자유유도감쇠신호라고 합니다.

정리하자면

라디오파 펄스를 순간적으로 주어 공명을 유도하고 펄스가 사라졌을 때 다시 원래 상태로 회복하면서 발생하는 자화도의 변화를 신호로 검출하는데 이 신호를 FID신호라고 한다.

 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

MRI는 (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging이며 (핵)자기공명영상장치라고 합니다. 핵이 생략된 이유는 핵이라는 말 자체가 사람들에게 안 좋은 느낌을 주기 때문에 생략했다고 합니다.
그래서 원래는 NMRI라고도 합니다.

원리

가장 기본적인 원리는 핵자기공명현상을 이용하게 됩니다.
이는 고자기장을 걸어주었을 때 발생한 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 주어서 공명을 시키는 현상입니다.

이 공명이 되는 핵자는 우리의 인체를 구성하고 있습니다. 그렇기에 공명의 대상은 인체가 되는데 인체의 대부분은 무엇으로 이루어져 있죠?
바로 물입니다. 사람 체중의 70% 정도가 물인데 이 물은 H2O라는 분자로 이루어져 있습니다. 그리고 하나의 물분자당 2개의 수소가 있음을 알 수 있습니다.
즉, 인체 내부에는 아주 많은 수소가 있고 곳곳에 존재한다는 이야기입니다.
그렇기에 우리는 MRI를 사용했을 때 이 수소핵을 공명시키도록 만들어 줍니다.

그런데 기본적으로 수소핵들은 자기모멘트들을 가지고 각각의 자기모멘트에 의해 전체적인 자화도를 가집니다. 이 자화도가 공명시에 변화했다가 원래로 돌아오는 이완시간의 차이로 영상의 명암을 얻게 됩니다. 이것이 전체적인 MRI의 원리입니다.

MRI장비

MRI의 주요장비는 크게 4부분으로 구분할 수 있습니다.

• 정자기장을 생성해내는 자석
• 경사자기장을 만들어내기 위한 자석장치
• 공명을 유도할 라디오파 송신장치와 MR신호(결과신호)를 측정할 수신장비
• 신호를 분석 처리하여 영상화하는 컴퓨터
  로 구성이 됩니다.
  

장점과 단점

장점을 먼저 생각해보자면 다른 영상장치(X-ray, CT, PET, Gamma-Camera)들은 방사선을 방출하고 이를 검출하는 방법을 사용하는데 반해 MRI는 방사선을 검출하는 방법을 사용하지 않아 방사선 피폭에 대한 걱정을 할 필요가 없습니다.
또한 일반적인 CT같은 경우 뼈로 둘러싸인 신체 부위는 영상을 찍는데 어려움이 있으나 MRI는 이러한 부위에 대해서 효과적입니다.

또한 CT와 같은 장비가 잘 구별해내지 못하는 근육, 인대, 뇌 신경계, 종양구별에 좋습니다.

(약 1T가 지구자기장의 2만배정도의 세기이고 MRI장비마다 걸어주는 자기장은 차이가 있습니다)

하지만 단점도 존재합니다.

우선 촬영시간이 긴 편이고 밀폐된 통에 들어가 있기 때문에 폐쇄공포증 환자에게는 촬영이 힘듭니다. 또한 고자기장을 on/off해주면서 큰 소음이 발생합니다.
그리고 균일하고 강한 정자기장을 걸어주기 위해서 초전도체 자석을 사용하고 이를 유지하기 위해 많은 비용이 듭니다.
또한 강한 자기장 때문에 잔딘 시 금속 보형물을 사용한 상태로 사용하면 화상을 입을 수 있습니다.

하지만 요즘에는 MRI에 반응 안 하는 보형물을 사용하여 MRI진단이 가능하도록 한다고 합니다.

앞으로

 다음과 같은 순서로 원리에 대해 알아보고자 합니다. 

• 자화도 벡터 개념
• 이완시간과 반복시간
• MR신호
• 여러방법의 펄스 얻기
• 경사자기장을 이용한 위치값 부여

전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과

핵의 주위를 돌고 있는 전자는
불연속적인 에너지 궤도를 가진다.

→ 이를 양자화 되었다고 합니다.

불연속적으로 하나의 궤도씩 여러 개가 존재하는 것으로
설명했으나 자연계에 존재하는 여러 가지 방해(힘)로
하나의 궤도가 아닌 갈라짐이 생긴다.

→ 이를 섭동이 있다고 설명합니다.

이러한 갈라짐 중에 자기장에 의한 갈라짐이 발생하고
이 갈라짐이 스핀이 다운스핀이면 더 여기된 상태로
업스핀이면 더 낮은 에너지 상태로 갈라지게 됩니다.

→ 이러한 효과를 제만효과라 합니다.

마지막으로 자기장이 높을수록 비교적 안정된 상태인
아래쪽 에너지 준위에 더 많은 전자가 가게 됩니다.

→ 볼츠만 분포에 따릅니다.

적용

저번 시간에 소개한 전자의 에너지 궤도 불연속성과 전자가 가지는 고유의 스핀을 기억해봅시다. 이는 전자에만 해당하는 내용이 아닌 핵자에도 해당이 되는 내용입니다. 각각의 핵자도 에너지가 양자화되어 있고 고유의 스핀을 가지게 됩니다.

공명

공명현상은 아마도 다들 한 번 이상은 들어보셨을 거라고 생각합니다.
초등학교때 한쪽의 소리굽쇠를 울리면 그 옆의 소리굽쇠가 따라 울리는 실험을 하신 분이라면 공명을 직접 느껴보신 겁니다.

공명현상은 외부에서 일정 진동자를 가진 파동이 들어왔을 때 외부에서 들어온 진동자와 자신이 가지고 있는 진동자가 동일할 때 즉, 진동수(주파수)가 같을 때 진폭이 증폭이 되는 현상을 말합니다.

왜 지금 이 공명현상을 설명할까요?
왜냐하면, 공명현상이 NMR 분광기와 (N)MRI의 핵심이기 때문이죠.
공명을 하는 대상은 바로 핵자입니다.
핵자마다 고유의 진동수를 가지기 때문에 우리는 외부에서 전자기파(라디오파)를 주어 공명을 시킬 수 있습니다.!!!! 이것이 핵심원리입니다. 모두 기억합시다.!

라모어 세차 운동

그럼 어떻게 진동수라는 것을 가질까요?
이를 설명해주는 이론이 라모어 세차 운동입니다.
관찰력이 좋으신분들이라면 혹시 알아채셨을 수도 있는데 스핀방향을 나타내는 그림들을 보면 올곧게 있는 그림은 없다는 사실을 알 수 있습니다. 약간씩 다들 누워있죠. 지구의 자전축처럼요.
이렇게 살짝 기울어져 있을 때 외부 자기장(자연계에 존재하는)을 수직 방향으로 받게 되면 빙글빙글 돌게 됩니다. 자기장과 스핀으로 인해 생긴 자기모멘트로 인해 돌림힘을 받기 때문이죠.

이러한 이유로 일정한 속도를 가지고 돌게 되죠.
공식을 간단히 적어보면 아래처럼 적을 수 있습니다.

식의 과정은 살펴볼 필요 없이 결과식만 봐주시길 바랍니다.
결과식에서 자기장(B)이 높아지면 진동수(v)가 커짐을 볼 수 있죠?
그렇다는 것은 높은 자기장을 걸어주면 높은 공명진동수를 가진다! 라는 것을 알 수 있습니다.
그래서 높은 자기장을 걸어주게 되면 그만큼 공명을 위한 높은 전자기파를 필요로 하게 됩니다.

공명 과정

이제 마지막으로 핵의 공명과정에 대해서 살펴보겠습니다.
외부에서 일정한 자기장을 걸어줍니다. 그렇게 되면 제만효과에 의해 에너지 궤도의 갈라짐이 생기게 되죠. 이때 업스핀이 아래에 다운스핀이 위에 가 있습니다. 이 상태에서 외부에서 아래 궤도에 있는 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 걸어주게 됩니다.

그럼 아래 궤도에 있던 업스핀을 가진 핵자가 공명을 하며 다운스핀으로 바뀌며 위의 궤도로 올라가게 됩니다. 그리고 이내 에너지를 잃으며 다시 안정화가 되죠. 다시 업스핀으로 돌아옵니다. 이때 안정화가 되며 잃은 에너지를 신호로 분석하게 됩니다.
즉, 라디오파를 사용해 공명을 하여 업스핀 → 다운스핀 → 업스핀으로의 과정에서 방출하는 에너지가 물질 대상에 따라 다른 점을 분석하는 것이 MRI와 NMR의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

에너지 궤도의 불연속성

원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있는 핵이 중심에 존재하고 그 주위를 전자가 돌고 있는 구조입니다. 이때 전자는 원운동을 하면서도 전자기파를 발생시켜 에너지를 잃어버리는 행위를 하지 않고 안정적으로 핵 주위를 돌게 됩니다. 이렇게 되는 이유는 보어의 원자 모델로 설명이 되는데 전자의 궤도가 양자화되어 불연속적으로 존재하기 때문입니다.

전자의 궤도는 불연속적으로 여러 개 존재한다..!! 

그리고 핵과 가까운 궤도일수록 바닥상태 즉, 에너지가 낮은 상태입니다.

이렇게 불연속적으로 존재하는 전자는 가장 가까운 궤도부터 K껍질, L껍질, M껍질, N껍질이 존재하고 각 궤도마다 채워질 수 있는 전자의 개수는 주양자수, 궤도양자수, 자기양자수, 스핀양자수에 따라 최대로 채워질 수 있는 개수가 정해집니다.

그리고 파울리 배타원리에 의해 같은 양자수를 가진 전자가 나타날 수 없다는 점을 알아야 합니다. 즉, 전자의 경우는 업스핀과 다운스핀이 있고 존재할시 업업 혹은 다운다운의 묶음이 아닌 반드시 업다운 혹은 다운업과 같이 다른상태로 존재해야 합니다.

제만 효과(Zeeman Effect)

각각의 에너지 궤도에는 파울리 배타원리에 의해 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 존재합니다. 그러니까 무조건 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 같이 존재하는 겁니다.

이때 우리는 이 물질에 일정한 자기장을 걸어준다고 합시다.

그러면 동일한 상황에 있던 전자들은 자기장에 의해 정렬이 됩니다. 그러면서 무작위로 있던 업스핀과 다운스핀들의 묶음이 정렬이 됩니다.

그런데 불연속적인 에너지 궤도가 이때 갈라지는 현상이 발생합니다.
하나인 줄 알았던 에너지 궤도가 자기장에 의해 두개의 선으로 갈라지게 된 겁니다. 

이를 제만효과(Zeeman Effect)라고 합니다.

사실 실제로도 하나의 궤도는 아닙니다.. 여러 효과로인한 보정이 필요합니다.

이 갈라짐은 동일한 궤도 선상에 있던 전자가 업스핀과 다운스핀에 의해 생긴 각각의 자기 모멘트가 있는데 외부 자기장에 의해 하나는 같은 방향이라서 더 강해지고 하나는 상쇄되는 영향을 받게 됩니다. 그래서 방향이 같은 경우는 상대적으로 더 들뜬 방향인 위쪽 방향으로 궤도를 형성하고 반대 방향의 경우는 상대적으로 더 안정된 밑쪽 방향으로 궤도를 형성합니다.
이때 아래쪽에 존재하는 전자가 업스핀 위쪽에 존재하는 전자가 다운스핀을 가집니다.
그러니까 간단히 말하면 “자기장의 영향을 받아 에너지 궤도가 두개로 갈라진다. 그리고 전자의 스핀 상태에 따라 분류가 된다.” 입니다.

그럼 이 갈리지는 상태에서 더 아래쪽에 있는 즉, 더 안정된 상태에 있는 전자와 더 위에 있는 전자는 존재함을 확률로써 나타냅니다.
그러니까 위에 있을 확률이 30%고 아래에 있을 확률이 70%라면 100개의 전자가 있으면 30개가 위에 그리고 70개가 아래에 대략 존재하겠죠. 이런 식으로 분포의 정도를 확률로 나타냅니다.

그런데 이 분포는 볼츠만 분포라는 분포를 따릅니다.

종 모양의 분포인데 이 분포에 의해 계산을 해보면 외부 자기장이 강할수록 아래쪽에 위치하는 전자가 더 많아집니다.
그런데 앞으로 NMR에 대해 보다 보면 아시겠지만 아래쪽에 위치하는 전자가 많을수록 NMR의 감도는 증가합니다. 그래서 높은 자기장을 걸어주는게 좋습니다.

지금까지의 내용을 정리해보겠습니다.
전자는 핵과 가까운 위치부터 에너지가 낮은 여러 에너지궤도를 가진다.
이 궤도는 하나씩 불연속적으로 존재하는 것으로 보이나 자기장을 걸어주면 갈라짐이 발생한다.
이때 갈라졌을 때 높은 자기장을 걸어줄수록 더 안정적인 궤도에 존재하는 전자가 많아진다.

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방사선은 공기를 전리시킬 수 있는 전리방사선과 비전리 방사선으로 나누어진다. 

비전리의 경우는 자외선, 적외선, 가시광선과 같은 빛을 말하고 전리 방사선은 우리가 흔히 말하는 방사선으로 쓰인다. 

전리방사선에는 알파선, 베타선, 중하전입자선, 중성자선, 엑스선, 감마선 등이 있다. 

방사선은 비교적 높은 에너지를 가지고 나아가며 주변 매질과 상호작용해 에너지를 잃어 주변 매질이 피폭을 받게 된다. 

발생기전과 매질에서의 상호작용 등 기초적인 이론에 대해 알아보고자 한다. 

알파선 

헬륨의 형태로 무거운 원자핵으로 부터 방출되는 방사선. (보통 Z>83, 예외 존재)

알파붕괴를 하면서 모핵의 질량수는 4 원자번호는 2가 감소한다. 

대부분의 알파입자는 3~7MeV정도의 에너지를 가지고 방출한다. 

높은 에너지를 가졌지만 비교적 무거운 알파선은 비정이 작아서 별로 나아가지 못하고 방출한 지점 근처에서 가진 모든 에너지를 잃어버린다. (알파붕괴)

따라서 외부피폭에서는 크게 안 위험하지만 내부피폭에서는 심각하게 고려해야 하는 대상이 된다. 

베타선 

고에너지의 전자나 양전자 입자를 말함.

베타마이너스 붕괴, 베타 플러스 붕괴, 오제전자로 발생

- 베타마이너스 붕괴

중성자과잉핵종에서 보통 발생(핵분열성물질은 중성자과잉핵종)

원자핵에 있는 중성자가 음전자를 방출하며 양성자가 되며 원자번호가 증가함. 

- 베터플러스 붕괴

양성자과잉핵종에서 보통 발생

원자핵에 있는 양성자가 양전자를 방출하며 중성자가 되어 원자번호가 감소함.

- 오제전자

원자핵의 전자포획, 내부전환 또는 X선에 의해 K껍질 혹은 안쪽 껍질의 전자에 vacancy가 발생했을 때 바깥쪽의 전자가 vacancy로 떨어지면서

여분의 에너지를 방출함. 이때 X선 혹은 오제전자로 방출되는데 두가지는 경쟁적으로 발생.

- 내부전환전자 

들뜬 상태의 원자핵이 감마선을 방출해야 할 에너지가 궤도전자에 주어 감마선 대신 원자궤도의 전자를 원자 밖으로 때려냄. 감마선 방출과 경쟁.

엑스선

자외선보다 짧고 보통 감마선보다 긴 파장을 가진 방사선. (엑스선 : 전자에 의해 감마선 : 원자핵에 의해)

- 제동복사선

매질을 통과하는 전자선이 매질내에 있는 핵자의 전하가 형성하는 전기장의 영향으로 궤도의 방향이 바뀌게 되고 이때 제동복사선을 방출함. 

방출되는 X선은 연속스펙트럼을 가짐.  

- 특성 X선 

고에너지 전자가 매질과 충돌하면 원자는 들뜨게 되고 에너지 준위가 가장 낮은 K각 전자가 원자 바깥으로 때려져 나갔다면 에너지 준위가 높은 바같쪽 궤도전자가 vacancy인 k각 궤도로 전이함. 이때 그만큼 남는 에너지를 방출하는데 전자기파의 형태로 방출할 경우 특성 X선이라 함. 

- 전자포획 

양성자과잉핵종에서 발생함. 베타 플러스 붕괴를 하기에는 충분한 에너지가 없을 경우 K, L 껍질의 전자를 양성자가 포획하여 중성자 및 중성미자를 형성. 이후 내부 껍질이 비면서 외부 껍질 전자가 천이하고 이때 X선이 발생. 

- 내부전환효과 

내부전환전자가 방출된 후에 vacancy에 외부 껍질의 전자가 천이하면서 X선 발생.

감마선 

전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 레벨을 가짐. 원자핵 전이로 발생. 

- 베타마이너스 붕괴 / 베타 플러스 붕괴 

베타붕괴로 인해 들뜨게 된 핵자가 전자기파를 방출 하면서 감마선 발생. 

- 알파붕괴

알파선을 방출한 들뜬 원자핵이 감마선 방출 

물질과의 반응

하전입자

필요 개념 : 탄성산란, 비탄성산란, 비정, 저지능

-       비정

물질속에 방사선 입자가 입사하여 에너지를 전부 잃을 때까지 진행한 도달거리를 말함.

저지능이 클수록 비정은 짧아짐.

-       저지능과 LET

단위거리 당 방사선입자가 에너지를 잃는 비율을 저지능 단위거리 당 방사선입자로부터 물질에 전달되는 에너지

-       탄성산란

반응전후 운동에너지가 보존됨.

-       비탄성산란

충돌 후 원자핵에 되튐에너지를 주고 동시에 핵을 들뜨게 함.

알파선 및 중하전입자 

하전입자가 물질을 통과할 때, 물질 내 전자와의 비탄성산란 그리고 핵과의 탄성산란에 의해 에너지를 잃어버림.  

(이외에도 체렌코프 방사, 핵반응, 제동복사 등)

대부분의 에너지손실은 전자와의 비탄성산란으로 발생. 

비탄성산란 확률은 통계적 요동을 동반하지만 총 에너지 손실부분에서 요동은 매우 적음. (에너지 손실 정도가 비슷 -> 비정이 비슷)

단위길이 당 평균 에너지 손실 정도를 저지능이라 하며 이 저지능을 계산하는 식을 Bethe-Bloch 공식이라 함. 

베타선 

매질을 지나면서 제동복사를 함. 

연속스펙트럼 발생.

베타붕괴시 (오제전자 등은 발생기전에 차이가 존재. 즉, 여기서 말하는 베타붕괴와는 다름)

베타분열은 3체분열. (딸핵, 전자, 중성미자)

에너지의 대부분은 질량이 상대적으로 매우 작은 전자와 중성미자가 가져감. 그러나 배분율에는 여러가지 값으로 발생하므로 연속스펙트럼으로 발생.

평균 에너지 : 최대치의 1/3

물질과 상호작용

저지능 : 단위길이당 평균 에너지 손실[MeV/cm]

-       질량저지능 물질의 밀도 종속성을 배제하기 위해 저지능을 밀도로 나눈값

[비교해야하는 개념]

LET(선에너지전달)

물질에 전달되는 에너지중 2차 방사선과 같이 물질로부터 빠져 나가는 방사선을 제외하고 전달된 에너지로 정의.

저지능은 입자 중심/ 선에너지전달은 물질 중심의 해석

è  비정

입사한 방사선이 모든 에너지를 잃어버릴때까지 이동하는 거리를 말함.

알파선의 경우는 방출되었을 때 에너지가 균일하고 직진성이 있기 때문에 도달거리가 거의 비슷함. 하지만 통계적 요동현상에 의해 조금씩 차이가 나 평균도달거리와 외삽거리 두가지를 사용해 알파입자의 도달거리를 정의함.

하지만, 베타선의 경우 방출되는 입자(전자)가 질량이 가벼워 물질의 하전입자들과 상호작용이 크게 작용하고 탄성/비탄성산란을 하면서 지그재그 운동하여 직선이동을 하는 비정을 구하는 것은 무의미. 따라서 베타선의 비정은 물질층에 의한 전자 흡수 또는 투과정도를 실측하여 전자선의 외삽거리 및 최대도달 거리를 구한다.

실험식 :

탄성산란/비탄성산란

충돌과정에서 에너지를 잃어버리지 않으면 탄성산란 에너지를 잃으면 비탄성산란

X선과 감마선

발생기전의 차이가 있지만 물질과의 상호작용 특성은 동일하며 에너지 레벨 별로 반응의 차이가 발생

크게 광전효과/ 컴프턴산란/ 쌍생성/ 광핵반응 등이 있음.

-       광전효과

<0.5MeV 에서 발생.

발생 확률 : 원자번호의 5승에 비례하고 에너지의 3.5승에 반비례

원리 : 원자에 입사하여 원자내의 전자를 틔어나가게 하고 감마선은 소멸됨

-       컴프턴산란

0.5MeV~5MeV에서 발생

발생 확률 : 원자번호에 비례하고 에너지에 반비례

식 :

원리 : 광자가 원자의 최외각전자 또는 자유전자와 상호작용하여 에너지의 일부를 주고 자기 자신은 산란되어 나감

-       전자쌍생성

1.02MeV< 발생

발생 확률 : 원자번호 제곱에 비례하고 입사광의 에너지가 클수록 발생.  

원리 : 고에너지의 감마선이 원자의 근처를 지나가면서 방사선이 소멸하면서 양전자와 음전자를 생성, 양전자는 생성과 동시에 주변 전자와 상호작용하며 소멸. 양전자, 음전자는 에너지를 1/2로 나누어 가짐, 이때 양전자가 1.02 <MeV이상의 경우는 주변의 음전하와 반응하여 감마선 방출.

핵연료 펠렛

저번 포스팅에서 위아래가 접시 모양으로 들어간 형태의 핵연료 펠렛을 만든다고 했었습니다. 이 펠렛은 핵연료인 U-235가 약 2~3% 농축이 되어있고 U-238이 되부분을 이루고 있는 물질입니다. 그런데 이 펠렛을 제작할 때는 한 가지 특징은 평균적인 밀도가 이론밀도인 10.96g/cm3의 95%입니다. 즉, 펠렛안이 빽빽한 상태가 아닌 5% 정도의 기공이 존재한다는 겁니다. 왜 이렇게 만들까요?
이 핵연료 펠렛 자체가 어느 정도의 핵연료물질 밀봉 효과를 가지기 위해서입니다. 핵분열성 물질 중에는 기체의 상태로 존재하는 물질들도 존재하는데 이 발생하는 기체 중에 약 75% 정도는 이 펠렛 내부에 가두어지고 나머지 25% 정도는 펠렛과 연료봉 사이에 가두어지게 됩니다. 그래서 핵연료 펠렛은 원자력 발전소의 3중 방호 시스템 중 첫 번째 방호 시스템 중 하나로 분류가 됩니다.

스페이서 펠렛

뜬금없이 스페이서 펠렛은 뭘까요? 이 펠렛은 연전달율이 낮은 산화알루미늄 재질입니다. 연로봉에서 핵연료 펠렛이 직접적으로 연로봉의 위 아래에 접촉하지 못하게 막는 것이 이 펠렛의 역할입니다. 그래서 연로봉에 펠렛을 장입할 때 핵연료 펠렛을 사이에 두고 위 아래 하나씩 넣습니다.
이 녀석의 핵심은 열전달을 감소시키고 펠렛 조각 이탈 방지 등 안전을 위한 장치라고 생각하시면 되겠습니다.

연료봉

지르칼로이-4의 재질로 된 피복재를 사용한 원통형으로 이루어지며 내부에 아래서부터 스페이서 펠렛을 넣고 핵연료 펠렛을 넣은 후 또다시 스페이서 펠렛을 넣고 그 위에 압축스프링을 넣은 구조입니다. 그리고 압축스프링 및 펠렛들끼리의 사이에 빈공간에 헬룸 기체를 사용해 380psig의 압력으로 가압하여 충전합니다.
여기서 스프링을 사용하는 이유는 충분한 여유 공간을 확보함과 동시에 상부엔드캡에 열응력을 주지 않기 위해서 입니다. 왜냐하면 연료를 넣고 밀봉을 위해서 용접을 하게 되는데 용접 부위가 열에 대해서는 다른 부위보다 취약한 점이 있기 때문에 이를 막기 위해서 이고 충분한 공간 확보는 내부에서 발생되는 기체상태의 핵분열성 물질을 가둬 놓을 공간이 필요하기 때문입니다.
그런데 그 공간을 비워놓는 것은 아니고 헬륨기체를 사용해 충전을 해놓습니다. 이유는 외부응력에 의한 변형을 예방할 수 있어 충전을 하게 됩니다.

독물질봉

자 이제 핵연료봉이 아닌 다른 봉으로 왔습니다. 그 이름은… 독물질봉!
독물질이 들어간 봉이라는 느낌이 듭니다. 그런 느낌이 드시나요?
독물질이 들어간 봉이라는 것이 여기서 기준이 무엇일지 생각해야 합니다.
원자로에 넣는 물질인데 독물질봉이다… 그럼 기준을 원자로? 라고 생각해야겠죠?

그래서 답은 원자로 운전에 있어 독물질이 들어있는 봉이라는 해석이 될 겁니다.
그럼?? 왜 운전에 있어 독이 되는 물질을 사용하지….? 라는 의문이 들겁니다.

하지만 우리를 위험하게 만들려는 존재는 아니고 안전을 위한 장치입니다. 바로 제어를 목적으로 하기 때문입니다.
앞으로도 나오겠지만 중성자를 많이 흡수하는 물질들은 운전을 정지시키는 방향으로 유도하기 때문에 독물질이라는 표현을 사용합니다.

이 독물질봉은 중성자를 많이 흡수하는 물질인 가돌리늄을 사용합니다. 그래서 실제로는 4w%정도의 농축 Gd2O3와 천연우라늄(UO2)의 혼합물을 사용합니다. 이외의 스펙(길이, 밀도, 직경등)은 핵연료봉과 같거나 비슷합니다.
사실, 중성자를 제어하는 목적으로 사용하는 제어봉이 있는데 이 제어봉을 인출할 때 제어봉 인출로 비는 자리에 냉각재가 유입되면서 국부적으로 출력이 증가하는 워터홀피킹이라는 현상이 원자로내에서 발생합니다. 물이 없던 자리에 물이 채워지게 되는것이고 국부적으로 보았을때는 물이 없던 자리에 물이 채워졌으니 국부적으로 더 많은 감속이 일어날 것입니다.

이를 포함한 국부적인 출력변화는 원자로 운전의 안정성을 위협하기 때문에 이를 감소시켜야 합니다. 이러한 역할을 이 독물질봉이 해주게 됩니다.

연료집합체

앞서 소개한 핵연료봉과 독물질을 적절히 배치해서 하나의 묶음으로 만드는데 이를 핵연료집합체라고 합니다. 여기에는 236개의 연료봉과 독물질봉이 16ⅹ16 배열로 배치됩니다.
그리고 집합체마다 차이가 있지만 핵연료봉수가 대부분을 차지합니다.
그런데 여기서 잠깐 16ⅹ16을 해보세요. 얼마가 나옵니까?
256이 나오죠?
그럼 20개는 어디간건가요? 곱하기를 잘못한것도 아니고…
정답은 개수는 236개가 맞습니다. 다만, 빈 공간이 존재합니다.

주사위에 각인된 숫자 5를 떠올려보세요.
이 숫자처럼 구멍이 5개가 나있습니다. 이 구멍은 나중에 소개할 안내관과 계측관이 들어오는 곳입니다.

이제 연료집합체의 구조를 살펴보죠.
위아래로 핵연료들을 지지하는 상부엔드 피팅이라는 누름판이 존재하고 하부엔드피팅이라는 아래에서 지지하는 장치가 있고 사이 사이에 연료봉에서 생기는 진동을 잡아주는 11개의 스페이서그리드와 1개의 하단의 인코넬-625 스페이서 그리드가 존재합니다.
각각에 대해서 자세히 설명하면 논지를 잃어버리실 것 같아서 생략하겠습니다.
핵심은 핵연료봉과 독물질봉 236개를 하나의 집합체로 묶었는데 이를 안정적으로 유지시키기 위해 여러 장치들이 있구나 입니다.

노심에서의 연료집합체

우리는 지금까지 봐오면서 하나의 핵연료집합체를 구성했습니다. 원자로에는 이 하나의 핵연료집합체가 들어가면 될까요? 아쉽지만 그건 아닙니다. 여러 개가 필요하죠.. 236개나 넣어놓고는 말이죠…ㅎㅎ

노심에서 이 연료집합체는 제어봉집합체와 함께 노심 안에서 원에 가까운 실린더형으로 배치가 됩니다. OPR-1000의 경우는 약 3m정도의 직경과 4m의 길이를 가지게 됩니다. 여기서 4m의 길이는 연료봉의 길이입니다. 즉, 연료봉 하나하나가 전부 다 4m의 길이를 가진다고 생각하시면 되겠습니다.
하나의 노심 당 핵연료집합체는 177개 정도가 들어가고 운전상황에 따라 농축도와 배치가 달라지게 됩니다. 생각해보면 하나의 핵연료집합체가 236개의 핵연료봉+독물질봉을 가지니까
하나의 노심 당 총 핵연료봉+독물질봉의 개수는 41772개가 되네요. 아 그런데 이것은 OPR-1000에만 해당되는 이야기입니다. 또 원자로마다 조금씩 다르니까 그냥 대충 이 정도 되겠구나 생각하시면 되겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

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우리나라의 전력 공급 시스템

우리나라는 한국전력공사라는 공기업이 수송과 판매를 독점하고 있고
전력을 생산하는 것은 한국전력공사의 계열사들이 하고 일부 민간기업이 참여합니다.

원자력의 경우는 한국수력원자력이 독점을 하고 있습니다.
수력은 한국수력원자력과 한국수자원공사가 생산하고 있습니다.
열병합 발전과 복합화력은 한국동서발전, 한국중부발전, 한국지역난방공사 그리고 GS파워, SK E&S, 포스코 에너지 등이 생산하고 있습니다.

방법은 한국전력공사의 자회사 격인 전력거래소에서 독점적으로 전기의 수요에 맞쳐 발전소에 생산량을 주문하고 이를 발전소가 생산하면 한국전력공사가 이 전기를 사와서 판매하는 방식을 취하고 있습니다.
즉, 중앙화되어있는 전력공급 방법입니다.

이 전력공급방법의 장점은 전력의 안정적인 공급에 있습니다. 전력거래소에서 수요에 맞쳐 주문을 하기 때문에 발전소만 여유가 있다면 수요에 맞쳐 단순히 추가 생산을 시키면 되기 때문입니다.
그래서 장점을 나열해보자면 고품질의 전력 공급, 운송 설비 유지보수 효율증가, 외부공격에 대한 대비, 수요 예측 효율 상승 등이 있겠습니다.

하지만, 수동적이라는 단점도 존재합니다.
지구온난화와 에너지 자원고갈이 심각한 전 지구적 문제로 떠오르면서 탄소배출량 감소와 전기 아끼기 운동을 하는 시점에서 지금의 시스템은 단순히 수요에 맞쳐서 전력을 사고 팔기 때문에 사람들이 전력공급을 많이 하는 시간에 많이 생산하고 그렇지 않은 시간에는 놀고 있는 발전소도 존재하여 많은 손해를 불러오기도 하며 에너지절약의 관점에서도 효율적이지 못합니다.

그래서 이를 대안으로 나온 전력공급계통이 스마트그리드입니다.

스마트그리드

기존의 전력공급시스템은 수요에 맞쳐생산하는데 갑자기 급증하는 피크 전력이 있을 수 있으므로 전기를 필요량보다 10% 정도 추가로 더 생산을 합니다. 그리고 앞서 말했듯이 전력공급이 수요에 따르는 이유로 피크타임을 기준으로 설비를 보유하고 그렇지 않을 시간에는 이 보충 설비들(예비 설비)은 가동을 중단하는 비효율적인 시스템을 가지고 있습니다.

하지만 스마트그리드는 기존의 전력공급시스템과 다르게 전기 생산자, 운반자, 소비자의 경계를 허물어 소비자가 곧 공급자이고 공급자가 곧 소비자인 프로슈머(prosumer)로 만들자는 시스템입니다. 조금 더 자세히 알아보죠.
프로슈머를 출범시키기 위해서는 우선 전력공급망과 정보통신망이 일치화되어야 합니다.

즉, 전력 송배전 시스템 + IT기술입니다.
실시간으로 전력 수요량과 단가 등이 공유가 되며 이를 공급자이자 소비자가 사고 파는 것입니다.

이게 어떻게 가능할까요?

가정을 기준으로 이야기하면 한 가정이 태양광 발전기를 옥상에 설치했다고 합시다.
이 태양광 발전기는 1년 내내 해만 있다면 전기를 생산해냅니다. 그럼 이 태양광 발전기를 설치한 이 집은 일년동안 생산한 총량을 매일 매일 다 쓸까요? 분명히 집을 비워서 모자라는 날이 있을 것이고 혹은 집에서 전기를 사용할 일이 많아서 다 써버렸을 수도 있습니다. 다 써버린 경우에는 전력시장에서 전기를 사오면 되고 남은 경우에는 이 전기를 그 당시 단가에 맞쳐서 파는 겁니다.

이를 위한 시스템은 IT기술이 핵심입니다. 간단하게 필요한 기술개념들은 다음과 같습니다.

• 스마트 계통 운영 기술 : 통신기술을 이용해 원거리에서 송배전에 관련된 설비를 제어할 수 있는 원격제어 시스템을 말합니다.

• AMI 기술 : 기존 원격검침기술보다 향상된 기술을 말합니다.
  양방향 통신을 지원하는 스마트 미터, 소비자의 에너지사용량, 요금등을 분석해 자발적으로 에너지절감을 유도하는 수요반응기기, 수요측의 대용량 전력자원을 통합관리하고 효율적인 정책결정을 지원하는 지능형 전력정보관리시스템, 전첵적인 스마트그리드의 통신망으로 활용이 될 수 있는 지능형 전력서비스 네트워크. 이러한 기술들이 용합된 기술을 말합니다.

• 신재생 에너지 연계 및 충전 기술
  이 기술은 절대적으로 필요한 기술인데 스마트그리드의 실현을 위해서는 충분한 전력 저장기술이 필요합니다. 그리고 현재는 대형전력거래망보다는 소규모 단위의 전력거래망에서 시범적인 시도가 필요합니다. 그리고 전력거래망에서 큰 변수를 제공하는 신재생 에너지와의 연계를 위해 신재생 에너지에 대한 충분한 연구가 필요합니다.

• 보안 기술
  기존의 전력망은 단독 독점하여 폐쇄적인 형태를 나타내지만 스마트그리드의 경우는 그렇지 않습니다. 전력망을 이용하는 고객의 개인정보가 노출될 수 있고 해킹 등의 이유로 시스템이 마비가 일어난다면 블랙아웃이라는 무시무시한 상황이 발생할 수 있습니다.

어쨌든, 이 스마트그리드가 가능하다면 우리가 얻을 수 있는 장점은 에너지 소비 절약과 설비를 최소한으로 줄일 수 있는 장점이 있고 소비자의 입장에서는 전기를 통해 수익을 올릴 수도 있는 전력공급시스템입니다.
즉, 결론은 중앙화가 된 시스템이 아닌 분산화 시스템이 스마트그리드라는 것이지요.

블록체인

블록체인은 모든 거래자의 거래장부를 공유 및 대조를 통해 거래를 안전하게 만드는 보안기술입니다. 즉, 분산거래장부라고 할 수 있습니다.

기존의 거래방식은 어떠한가요?

은행을 기준으로 생각해보겠습니다. 우리는 거래를 하기 위해 계좌정보나 송금을 한 정보 가지고 있던 돈의 정보 등을 은행에 저장하고 이를 거래할 때 확인을 하고 거래를 실시하게 됩니다. 이 거래 정보는 최소한만 저장하며 최소한의 인원만 접근이 가능합니다. 즉, 은행만 이 정보를 가지고 있습니다.

블록체인은 어떠한가요?

우선 블록은 데이터 정보를 가지고 있습니다. 그리고 사용자들이 거래를 하게 되면 블록을 생성하게 됩니다. 이 블록은 새로운 거래를 할 때마다 새로 생성됩니다. 이 블록을 기존의 거래기록이 저장된 블록들과 함께 보관합니다. 그리고 연결지어 보관하기에 블록체인이라고 합니다.

기존의 기록들과 함께 저장된 모든 거래기록을 공공거래장부라 하며 모든 정보가 암호화가 되어 있습니다. 그리고 거래 시에 이 암호화된 장부를 네트워크에 연결된 PC들이 서로 대조하여 확인하고 거래를 하게 됩니다. 그런데 이 대조작업이 진행이 될 때 컴퓨터 안에서는 이 거래장부를 가지고 있는 모든 사용자들의 장부와 비교를 합니다. 장부를 비교할 때 과반수 이상이 문제가 없음을 동의해주어야 블록화 즉, 거래가 이루어집니다. 그래서 모든 사람이 장부를 가지고 있기 때문에 거래내역의 위조가 어려워 집니다. 아이러니하게도 모두가 아니까 누구 하나를 속일 수가 없는 상황인 겁니다.

스마트그리드와 블록체인

스마트그리드와 블록체인은 공통점을 가지고 있습니다.
바로 분산화인데요. 뭔가 적용이 가능할 것 같지 않습니까?

생각해봅시다.
스마트그리드에서 수요와 공급에 의해 복잡하게 지속적으로 변화하는 전력시장에 맞추어 자동화된 거래가 필요한데 효율적인 거래를 위해서는 이 정보가 중앙서버에 저장이 되는게 아니라 분산화 데이터여야 합니다. 그런데 이 데이터를 블록체인기술이 잘 관리할 수 있을 겁니다. 그리고 스마트그리드의 거래시스템을 블록체인기술과 접목을 시킨다면 스마트그리드의 취약점인 보안기술을 향상시킬 수 있을 겁니다.

한가지 예로 블록체인을 적용하지 않은 스마트그리드를 상용화했다고 합시다.
이때 제가 집에서 생산한 태양광 전기를 파려고 하는데 누군가가 제 컴퓨터를 해킹해서 전력단가에 대한 정보를 위조했다고 합시다. 저는 그것도 모르고 팔았습니다. 그리고 실제 단가와 차익을 이 위조범이 챙겨갑니다. 이런식의 취약점은 분명히 존재할 수 있습니다. 그런데 블록체인 기술을 적용해서 가상화폐를 통한 거래를 실시한다고 합시다. 누군가가 위조하려고 해도 다른 사람들의 장부와 다른 점을 발견하고 거래를 막을 겁니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

[김재근 교수님의 저서 원자력발전소계통 정리]

원자력발전소를 운전하다보면 폐기물이 발생하고 이 폐기물이 외부환경으로 나가는 것을 방지하여야 한다. 

따라서 폐기물을 처리하는 계통이 존재한다. 

폐기물처리계통은 상에 따라 액체, 기체, 고체 처리계통이 존재한다. 

액체방사성폐기물처리계통(LRMS)

목적 : 발전소에서 발생하는 액체방사성폐기물을 수집하고 다시사용할 수 있도록 처리.

사용 : 두 호기 공유

폐액 수집 

 - 사용후연료저장조 냉각 및 정화계통 누설 : 해당 계통의 누설은 설계시에 방지하여 예상되지 않지만 만약의 누설이 있는 경우 발생되는 액체를 수집하여 액체방사성폐기물계통으로 이송.

- 방사성폐기물배수계통 : 발전소 1,2차측의 여러 기기의 누설과 발전소 기동 및 정지, 정비를 위한 배수에서 발생된 방사성액체폐기물을 수집하여 액체방사성폐기물계통으로 이송. (단, 터빈계통에서 발생되는 액체폐기물은 외부로 방출하되 방사능 오염여부를 판단하여 오염되었을 경우 처리계통으로 이송)

- 방사성폐기물세탁계통  : 출입통제건물의 세탁수, 바닥 배수 및 저준위방사성 물질 실험실의 바닥배수 등의 폐액을 액체방사성폐기물계통으로 이송하되 시료 분석 결과 방사능이 높은 경우 액체방사성폐기물계통의 화학폐액 탱크로 유입.

- 2차측복수정화계통 복수탈염기 : 복수기의 전열튜브가 누설되는 경우, 핵연료 손상시에 복수 오염 등의 이유로 정상운전 시에는 복수탈염기의 재생으로 발생하는 재생수를 일반화학폐수 처리계통에서 처리하는 반면 방사성물질을 함유하는 경우 액체방사성폐기물계통에서 처리.

액체방사성폐기물계통 

기능 : 방사성물질로 오염되었거나 가능성이 있는 액체 폐기물을 수집하여 발전소에서 다시 사용할 수 있는 순도로 처리. 처리시에 최대한 처리하여 고체방사성폐기물처리계통으로 이송하는 양을 최소화할 것.

구성 : 화학폐액과 고용존고형물폐액, 저용존고형물폐액으로 분리하여 탱크에 수집. 

처리

 - 화학폐액 : 화학폐액탱크 -> 1차 여과처리 -> 증발처리 or 탈염처리

 - 고용존고형폐액 : 여과처리 -> 오일제거 -> 증발기주입탱크 -> 증발기(농축처리) -> 농축폐액 발생 -> 고체방사성폐기물처리계통 내부 농축폐액탱크

    -> 응축폐액 발생 -> 탈염기주입탱크 -> 후단여과기 -> 감시탱크

                (활성탄, 양이온수지, 음이온수지, 혼상수지 이용)

    -> 재처리 하는 경우 재순환탱크 -> 방사능 준위조사 -> 복수저장탱크 or  원자로보충수탱크

            -> 방출 가능 폐액은 희석 -> 방사능 준위 측정 -> 외부로 방출 

 - 저용존고형물폐액 : 여과처리 -> 탈염기주입탱크 -> 탈염처리 -> 후단여과기 -> 감시탱크 -> 재처리 하는 경우 재순환탱크 -> 방사능 준위조사 -> 복수저장탱크 or  원자로보충수탱크

 -> 방출 가능 폐액은 희석 -> 방사능 준위 측정 -> 외부로 방출 

폐기물의 수집은 자동 처리는 운전원의 선택에 의해 진행된다. 

처리된 액체 방출 : 기준치 이하의 오염도 및 방사능의 액체는 기기냉각해수 및 순환수에 의해 약 11000 : 1의 비율로 희석되어 순환수의 배수로를 통해 바다로 배출된다. 

기체방사성폐기물처리계통(GRMS)

목적 : 운전 중인 기기로부터 배기되는 고방사능기체를 수집하고 충분히 지연시킨 후에 방출하여 외부로 기준치 이하의 방사선량만 대기로 배기되도록 함.

사용 : 두 호기가 공유하고 각 호기마다 저준위 방사성기체계통 존재. 

수집 

 화학 및 체적제어계통의 체적제어탱크 및 원자로배수탱크로부터 주로 발생하며 주 성분은 수소 및 질소가 함유되어 있다. 

처리 

 - 활성탄지연대 : 방사성 Xe, Kr 45일, 2.6일 이상 지연 -> 고효율입자여과기 -> 방사능 감시기(측정 기준치가 넘으면 방출관 격리밸브 작동) -> 배기구 -> 배출공기정화기 후단 덕트 -> 희석 -> 배출 

외부 공기가 계통 내부로 유입되는 것을 방지하여야 하기 때문에 일정한 압력 조건에서 운전됨.

방출되는 유량이 적거나 없을 때는 공기의 유입을 차단하기 위해 질소 주입.

고체방사성폐기물처리계통(SRMS)

목적 : 운전시 발생하는 고체방사성폐기물을 저장, 고화처리, 포장 및 취급하고 포장된 폐기물을 발전소 내부의 임시저장고 또는 영구처분장으로 이송할 때까지 일정기간 저장.

사용 : 두 호기가 공용으로 사용.

수집

 - 화학 및 체적제어계통의 붕산농축기에서 발생된 농축폐액, 방사성 이온교환기로부터 발생된 폐수지, 액체방사성폐기물처리계통의 증발기에서 나온 농축폐액, 슬러지 및 발전소 각 계통의 여과기에서 사용되고 나오는 폐여과기, 오염된 건조폐기물 등 

액체처리계통에서 외부 환경으로 버리는 폐액은 농축하고 남은 찌꺼기며 농축된 폐액은 고화를 위해 고체방사성폐기물처리계통으로 이송.

처리 

 - 액체 및 습식 폐기물 : 각 폐액들의 수집탱크 -> 방사성폐기물 고화처리계통(뱃치 방식 사용) -> 저장

 - 건조방사성폐기물 : 청정과 방사성폐기물 분류 -> 방사성폐기물 압축 처리 -> 폐기물드럼에 밀봉 (제염이 곤란한 대형 기기의 경우 적당한 크기의 운반용기에 넣어 포장)