번드업

Burnup
이 기사는 핵연료에 관한 것이다.다른 용도는 Burn up(동음이의)을 참조하십시오.

원자력 기술에서 연소(연료 사용이라고도 함)는 1차 핵연료원에서 추출되는 에너지의 양을 측정하는 것이다.이 값은 %FIMA(초기 금속 [1]원자당 배출량) 또는 %FIFa(초기 핵분열 [2]원자당 배출량)에서 핵분열을 거친 연료 원자의 비율과 더불어 가능하면 초기 연료 질량당 방출된 실제 에너지(GWd/t)로 측정된다.HM) 또는 유사한 장치.

연소량 측정

백분율로 표현: 초기 중금속 원자의 5%가 핵분열을 겪었을 경우, 연소는 5% FIMA이다. 만약 이 5%가 처음에 연료에 있었던 U의 합계라면, 연소는 100%이다.FIFA(U는 핵분열성이며 U와 같은 다른 95% 중금속은 그렇지 않습니다.)원자로 운전에서는 이 비율을 측정하기 어렵기 때문에 대체 정의가 바람직하다.이는 발전소의 열전력에 운전시간을 곱하고 초기 연료부하의 질량으로 나누어 계산할 수 있다.예를 들어, 3000 MW 열(30% 효율에서 1000 MW 전기와 동일, 미국 LWR의 전형적) 발전소가 24톤의 농축 우라늄(tU)을 사용하고 1년간 최대 출력으로 작동하는 경우, 연료의 평균 연소량은 (3000 MW/365 d)/24 미터톤 = 45.63 GWd/t, 456 MWhm이다.토륨, 우라늄, 플루토늄 등).

백분율과 에너지/질량을 변환하려면 핵분열 이벤트당 방출되는 열 에너지인 δ에 대한 지식이 필요합니다.일반적인 값은 193.7입니다.핵분열당 열에너지의 MeV(3.1×10J−11). (핵분열 참조).이 값을 사용하면 최대 연소율이 100%입니다.FIMA는 핵분열량뿐만 아니라 다른 핵종도 포함하는 것으로 약 909GWd/t에 해당한다.원자력 엔지니어는 이를 사용하여 약 10%의 연소율을 100 GWd/t 미만으로 추정할 수 있다.

실제 연료는 우라늄, 플루토늄 및 보다 이국적인 초우라닉 연료를 포함하여 연쇄 반응을 지원할 수 있는 모든 액티니드일 수 있습니다.이러한 연료 함량은 종종 피복에 사용되는 것과 같이 연료에 존재하는 다른 금속과 구별하기 위해 중금속이라고 한다.중금속은 일반적으로 금속 또는 산화물로 존재하지만 탄화물이나 다른 소금과 같은 다른 화합물이 있을 수 있습니다.

역사

제2세대 원자로는 일반적으로 약 40 GWd/tU를 달성하도록 설계되었다. 새로운 연료 기술, 특히 핵 독극물의 사용으로, 이러한 동일한 원자로는 현재 최대 60 GWd/tU를 달성할 수 있다. 그렇게 많은 균열이 발생한 후, 핵분열 생성물의 축적은 연쇄 반응을 일으키고 원자로를 정지해야 한다.급유했다.

일부 고급 경수로 설계는 90 GWd/t 이상의 고농축 연료를 [3]달성할 것으로 예상된다.

고속 원자로는 핵분열 생성물 중독에 대한 면역성이 더 높으며 본질적으로 한 사이클에 더 높은 연소량에 도달할 수 있다.1985년 Argonne National Laboratory의 EBR-II 원자로는 금속 연료를 최대 19.9% 즉 200 GWd/t [4]미만으로 연소시켰다.

Deep Burn Modular Helium Reactor(DB-MHR)는 500 GWd/t의 초우라닉 [5]원소에 도달할 수 있습니다.

발전소에서 연료 연소율이 높은 것은 다음과 같은 경우에 바람직합니다.

  • 재급유를 위한 다운타임 단축
  • 필요한 신규 핵연료 원소와 주어진 양의 에너지를 생산하는 동안 생성된 사용후 핵연료 원소의 수를 감소시킨다.
  • 핵무기 사용을 위한 사용후 연료로부터의 플루토늄 전환 가능성 감소

또한 개별 연료 요소 내에서와 연료 요금 내에서 한 요소에서 다른 요소까지 가능한 균일하게 연소하는 것이 바람직하다.온라인 주유 기능이 있는 원자로에서는 이를 달성하기 위해 운전 중에 연료 요소를 재배치할 수 있다.이 시설이 없는 원자로에서는 노심 내 반응성의 균형을 잡기 위해 제어봉을 미세하게 배치하고 연료비의 일부만 교체되는 정지 중 남은 연료의 위치를 변경할 수 있다.

한편, 연소가 50 또는 60 GWd/tU 이상으로 증가하면 엔지니어링상의 큰 과제가 발생하고[6], 반드시 경제적 이익으로 이어지지는 않는다는 징후가 있습니다.연소율이 높은 연료는 반응성을 유지하기 위해 초기 농축을 더 많이 필요로 합니다.개별 작업 단위(SWU)의 양은 농축의 선형 함수가 아니기 때문에 더 높은 농축을 달성하는 것이 더 비쌉니다.특히 그러한 연료의 신뢰성과 관련된 고연소[7] 연료의 작동 측면도 있다.고연소 연료와 관련된 주요 우려 사항은 다음과 같습니다.

  • 연소량이 증가하면 연료 클래딩에 대한 추가 수요가 발생하며, 연료 클래딩은 원자로 환경을 더 오랫동안 견뎌야 한다.
  • 원자로에 오래 머물수록 높은 내식성이 요구된다.
  • 연소율이 높을수록 연료 핀 내부에 가스 핵분열 생성물이 더 많이 축적되어 내부 압력이 상당히 높아집니다.
  • 연소율이 높을수록 방사선에 의한 성장이 증가하여 노심 형상(연료 어셈블리 보우 또는 연료 로드 보우)에 바람직하지 않은 변화가 발생할 수 있습니다.연료 어셈블리 보우는 컨트롤 로드와 구부러진 가이드 튜브 간의 마찰로 인해 컨트롤 로드의 낙하 시간을 증가시킬 수 있습니다.
  • 높은 연소율 연료는 재처리를 위해 더 적은 양의 연료를 발생시키지만 연료의 비방사능은 더 높습니다.

연료 요구 사항

현재 세계 대부분에서 사용되고 있는 1회용 핵연료 사이클에서는 사용후 핵연료 원소가 고준위 핵폐기물로 통째로 처리되고 나머지 우라늄과 플루토늄 함량이 소실된다.연소율이 높으면 핵분열 U와 U에서 생성된 플루토늄을 더 많이 사용할 수 있어 연료 주기의 우라늄 요건을 줄일 수 있다.

낭비하다

일회성 핵연료 사이클에서는 연소율이 높을수록 매립해야 할 원소의 수가 감소한다.그러나 심층 지질 저장소 제한 요인 중 하나인 단기 열 방출은 주로 중수명 핵분열 생성물, 특히 Cs(30.08년 반감기)와 Sr(28.9년 반감기)에서 발생한다.고연소 연료에는 이러한 양이 비례적으로 더 많기 때문에 사용후 연료에 의해 발생하는 열은 주어진 에너지 양에 대해 거의 일정하다.

마찬가지로 핵 재처리를 사용하는 연료 사이클에서 특정 에너지 양에 대한 고준위 폐기물의 양은 연소와는 밀접한 관련이 없다.고연소 연료는 재처리를 위해 더 적은 양의 연료를 생성하지만 더 높은 비방사능을 가집니다.

현재 경수로에서 나오는 미가공 사용후 연료는 핵분열 생성물 5%, 악티니드 95%(대부분 우라늄)로 구성돼 있으며 방사능 오염물질로 30만 년 동안 특별한 보관을 필요로 한다.대부분의 장기 방사능 독성 원소는 초우라닉이기 때문에 연료로 재활용될 수 있다.핵분열 생성물의 70%는 안정적이거나 반감기가 1년 미만이다.또 다른 6%(129I와 Tc)는 반감기가 130극히 짧은 요소(I(12.36시간, Tc) 15.46초)로 변환할 수 있습니다.93Zr은 반감기가 매우 길기 때문에 핵분열 생성물의 5%를 구성하지만, 연료 재활용 시 우라늄과 트랜스우라닉스와 합금되거나 방사능이 무관한 지르콜로이 피복재에 사용될 수 있다.최장수 동위원소가 Cs와 Sr인 핵분열 생성물의 나머지 20% 또는 미처리 연료의 1%는 300년 [8]동안만 특별한 보관을 필요로 한다.따라서 특별한 보관을 필요로 하는 물질의 질량은 미처리 사용 연료의 1%이다.Cs 또는 Sr의 경우, 이러한 "특별 보관"은 식품 조사 또는 방사성 동위원소 열전 발전기의 연료로 사용되는 형태를 취할 수 있다.Strontium, Caesium 및 산화물(산화물 또는 금속 연료에서 발견되는 화학적 형태)은 물과 반응하여 용해성 수산화물을 형성하기 때문에, 사용 후 연료에서 비교적 쉽게 추출될 수 있으며, 원하는 경우 고체 형태로 침전하여 사용 또는 폐기할 수 있습니다.이러한 수성 추출 전에 삼중수소가 연료에서 제거되지 않은 경우, 이 과정에 사용된 물은 오염되어 값비싼 동위원소 분리가 필요하거나 물이 생물권으로 방출되기 전에 삼중수소가 안전한 수준으로 붕괴될 수 있다.

증식

연소(burn-up)는 사용후 핵연료의 동위원소 구성을 결정하는 핵심 요인 중 하나이며, 다른 요소는 초기 구성 및 원자로의 중성자 스펙트럼이다.핵무기용 무기급 플루토늄을 생산하기 위해서는 Pu와 Pu의 비율이 가장 작은 플루토늄을 생산하기 위해 연료 연소율이 매우 낮다.

플루토늄 및 기타 초우라늄 동위원소는 원자로 운전 중 중성자 흡수에 의해 우라늄에서 생성된다.사용후 연료에서 플루토늄을 제거하고 무기 사용으로 돌리는 것은 원칙적으로 가능하지만, 실제로 그렇게 하는 데는 어마어마한 장애물이 있다.첫째, 핵분열 생성물은 제거되어야 한다.둘째, 플루토늄은 다른 악티늄과 분리되어야 한다.셋째, 플루토늄의 핵분열성 동위원소는 핵분열성 동위원소에서 분리해야 한다. 이는 핵분열성 동위원소와 우라늄의 핵분열성 동위원소를 분리하는 것보다 더 어렵다. 질량 차이가 3개가 아닌 1개의 원자 단위이기 때문이다.모든 과정은 강한 방사성 물질에 대한 작업을 필요로 한다.핵무기를 만드는 더 간단한 방법들이 많기 때문에, 아무도 사용된 민간 전력 원자로 연료로 무기를 제조하지 않았고, 아무도 그렇게 하지 않을 것이다.게다가, 운영 중에 생산되는 대부분의 플루토늄은 화산이 된다.통합 고속 원자로에 대해 제안된 대로 연료가 현장에서 재처리되는 한, 전환의 기회는 더욱 제한된다.따라서 민간용 전력 원자로 운전 중 플루토늄 생산은 큰 문제가 되지 않는다.

비용.

2003년 MIT 대학원생 논문은 다음과 같이 결론짓습니다. "연비 사이클 비용은 100 GWd/t의 연소 수준과 관련이 있습니다.HM은 50GWd/tHM의 연소보다 높습니다.또한, 그러한 높은 수준의 조사를 유지할 수 있는 연료의 개발에 비용이 필요하다.현재 조건에서는 높은 연소율(사용후 연료와 플루토늄 배출 속도 감소, 플루토늄 등방성 저하)의 편익은 보상되지 않는다.따라서 원자력발전소 운영자가 고연소 [9]연료에 투자할 인센티브는 없습니다."

원자력 대학 프로그램이 후원한 연구는 장기적으로 높은 [10]연소율의 경제적, 기술적 타당성을 조사했다.

레퍼런스

  1. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-08-26. Retrieved 2009-04-12.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  2. ^ "FUEL CYCLE RELATED PARAMETRIC STUDY CONSIDERING LONG LIVED ACTINIDE PRODUCTION, DECAY HEAT AND FUEL CYCLE PERFORMANCES". www.osti.gov. Retrieved 2020-11-15.
  3. ^ "Advanced Nuclear Power Reactors". Information Papers. World Nuclear Association. July 2008. Retrieved 2008-08-02.
  4. ^ L. C. Walters (September 18, 1998). "Thirty years of fuels and materials information from EBR-II". Journal of Nuclear Materials. Elsevier. 270 (1–2): 39–48. Bibcode:1999JNuM..270...39W. doi:10.1016/S0022-3115(98)00760-0.
  5. ^ "Small Nuclear Power Reactors". Information Papers. World Nuclear Association. July 2008. Retrieved 2008-08-02.
  6. ^ Etienne 부모중세기 배치를 위한 핵연료 주기, MIT, 2003.
  7. ^ "Fuel Burnup - Definition and Calculations". www.nuclear-power.net. Retrieved 2017-09-19.
  8. ^ Janne Wallenius (2007). "Återanvändning av långlivat avfall och sluten bränslecykel möjlig i nya reaktortyper" (PDF). Nucleus. p. 15. Archived from the original (PDF) on 2014-05-19.
  9. ^ Etienne Parent (2003). "Nuclear Fuel Cycles for Mid-Century Deployment" (PDF). MIT. p. 81. Archived from the original (PDF) on 2009-02-25.
  10. ^ Ehud Greenspan; et al. (2012). "Maximum Fuel Utilization in Fast Reactors without Chemical Reprocessing" (PDF). UC Berkeley.

외부 링크