JUNO 액체 취급 시스템: 초대형 스칼러 검출기의 안전·정밀 충전 기술

초록

JUNO 실험의 액체 스칼러(LS)와 물을 20 kton 규모 검출기에 안전하게 채우고 장기 운용하기 위해 설계·구현된 FOC(Filling‑Overflow‑Circulation) 시스템을 소개한다. 자동화된 PLC‑EPICS 제어, ±2 cm 수준의 레벨 제어, ±0.5 % 흐름 정밀도, 222 Rn < 1 mBq·m⁻³, 238U/232Th < 10⁻¹⁶ g·g⁻¹ 등 방사능 관리 성과를 강조한다.

상세 분석

본 논문은 세계 최대 규모인 20 kton 액체 스칼러 검출기(JUNO)의 액체 취급을 담당하는 FOC(Filling‑Overflow‑Circulation) 시스템을 전반적으로 분석한다. 첫 번째 핵심은 방사능 배경을 최소화하기 위한 설계 철학이다. LS와 물이 접촉하는 모든 부품은 238U < 0.7 ppb, 표면 거칠기 ≤ 0.4 µm, 누설률 < 10⁻⁸ mbar·L·s⁻¹(개별) 및 < 10⁻⁶ mbar·L·s⁻¹(조립) 등 초저방사능·초저누설 기준을 만족하도록 전기화학적 패시베이션, 전해 연마, 질소 차폐 등 다단계 클리닝 절차를 적용하였다.

두 번째로, 대용량 액체 이동을 위한 파이프·밸브·펌프 네트워크 설계가 상세히 제시된다. LS 전용 전자기 펌프와 물 전용 자체흡입 펌프를 이중화하고, 모든 밸브는 이중 O‑링 및 질소 충전 챔버로 구성해 누설을 방지한다. 파이프는 스테인리스 스틸(304L) 사용하고, 열팽창 계수 8.8 × 10⁻⁴ °C⁻¹을 고려해 온도 변화에 따른 부피 보정을 설계하였다.

세 번째는 자동화 제어 시스템이다. PLC(S7‑300)와 EPICS 기반의 4‑계층(센서‑컨트롤러‑액추에이터‑알람·데이터) 구조를 채택해 레벨, 압력, 흐름을 실시간 PID 제어한다. 레벨 센서는 차압·레이저·레이다(레이다) 3종을 중복 배치해 ±0.2 % FS 정확도를 확보했고, 흐름 센서는 0.5 % 정밀도로 교정하였다. 알람 시스템은 현장 음·시각 경보와 원격 알림을 동시에 제공해 인적 오류를 최소화한다.

네 번째는 충전 절차 자체다. 물 충전 단계에서는 중앙 검출기(CD)와 물 풀(WP) 사이의 레벨 차이를 5 cm 이내(안전 한계)로 유지하며 45일에 걸쳐 6.4 × 10⁴ m³을 채운다. LS 충전 단계에서는 200일에 걸쳐 2.3 × 10⁴ m³을 주입하고, 레벨 차이를 ±2 cm, 흐름을 ±0.5 %로 제어한다. 충전 중 라돈(222 Rn) 농도는 1 mBq·m⁻³ 이하로 유지되었으며, 최종 LS는 238U/232Th < 10⁻¹⁶ g·g⁻¹ 수준의 방사능 정밀도를 달성했다.

마지막으로, 장기 운용을 위한 오버플로우·순환·재정제 기능이 포함된다. LS 열팽창에 대비해 50 m³ 용량의 오버플로우 탱크 2개를 설치하고, 순환 시스템은 실시간으로 LS를 정제·재순환함으로써 광학 투과도와 방사능 수준을 지속적으로 유지한다. 전체 시스템은 20년 이상 안정 운용을 목표로 설계·시험되었으며, 실제 운용 결과는 설계 목표를 모두 충족함을 보여준다.

이러한 설계·제어·운용 전략은 대규모 저방사능 검출기의 액체 취급에 대한 새로운 표준을 제시하며, 향후 차세대 중성미자·다중천체 물리 실험에 적용 가능한 모델 케이스가 된다.