열폭주

Thermal runaway
열폭주도

열폭주(thermal runaway)는 온도 상승에 의해 가속되는 프로세스로, 에너지를 방출하여 온도를 더욱 높입니다.온도 상승으로 인해 온도가 더욱 상승하는 방식으로 조건이 변화하여 종종 파괴적인 결과를 초래하는 상황에서 열 폭주가 발생합니다.그것은 일종의 통제되지 않는 긍정적인 피드백이다.

화학(및 화학 공학)에서 열 폭주는 온도 상승에 의해 가속되는 강한 발열 반응과 관련이 있습니다.전기 공학에서 열 폭주는 일반적으로 전류 흐름과 전력 소모를 증가시킵니다.열적 폭주는 토목 공학에서 발생할 수 있으며, 특히 대량의 경화 콘크리트에 의해 방출되는 열이 [citation needed]제어되지 않을 때 발생합니다.천체물리학에서, 별에서 일어나는 급격한 핵융합 반응은 노바와 여러 종류의 초신성 폭발을 초래할 수 있으며, 태양 질량의 별인 "헬륨 섬광"의 정상적인 진화에 있어 덜 극적인 사건으로서도 발생합니다.

일부 기후 연구자들은 지구 평균 온도가 산업화 이전 기준보다 3~4도 상승하면 표면 온도가 더 상승할 수 있다고 가정했다.예를 들어, 습지에서 CO보다2 더 강력한 온실 가스인 메탄 방출, 영구 동토층 녹는 영구 동토층 및 대륙 가장자리 해저 포접물 퇴적물은 긍정적인 [1][2]피드백을 받을 수 있다.

화학 공학

열폭주를 수반하는 화학반응은 화학공학에서는 열폭발, 유기화학에서는 폭주반응이라고도 불린다.발열 반응이 제어 불능 상태가 되는 과정입니다. 온도 상승으로 인해 반응 속도가 증가하여 온도가 더욱 상승하고 반응 속도가 더욱 빨라집니다.이것은 산업 화학 사고, 특히 1947년 선창의 질산 암모늄 과열로 인한 텍사스 시의 재난과 1976년 건조기였던 킹스 [3]린에서의 졸렌 폭발의 원인이 되었다.Frank-Kamenetskii 이론은 열폭발을 위한 단순한 분석 모델을 제공합니다.체인 분기는 반응 속도가 급격히 증가하기 때문에 온도를 치솟게 할 수도 있는 추가적인 양의 피드백 메커니즘입니다.

화학반응은 엔탈피의 변화로 표현되는 흡열성 또는 발열성이다.많은 반응들이 발열성이 높기 때문에 많은 산업 규모 및 정유 공정은 일정 수준의 열 폭주 위험이 있습니다.여기에는 수소분해, 수소화, 알킬화(S2N), 산화, 금속화 및 친핵성 방향족 치환이 포함된다.예를 들어 시클로헥산이 시클로헥산올, 시클로헥사논, 오르토-실렌이 프탈산 무수물로 산화되면 반응 제어가 실패했을 때 치명적인 폭발이 일어난다.

열적 폭주는 반응 혼합물의 초기 우발적 과열 후에 고온에서 시작되는 원치 않는 발열 측면 반응에 의해 발생할 수 있습니다.이 시나리오는 열 폭주가 온도에 대한 반응을 가열하여 의도된 2,4,5-트리클로로페놀 외에 독성 2,3,7,8-테트라클로로디벤조-p-다이옥신이 생성되고 원자로 파열 원반이 [4]폭발한 후 환경으로 배출된 세베소 참사의 배경이 되었다.

열적 폭주는 대부분 원자로 용기의 냉각 시스템 고장에 의해 발생한다.믹서가 고장나면 국부적으로 가열되어 열 폭주가 발생할 수 있습니다.마찬가지로 플로우 원자로에서도 국소적으로 불충분한 혼합은 열점 형성을 유발하고, 열폭주 조건이 발생하여 원자로 내용물과 촉매의 격렬한 분출이 발생한다.장비 컴포넌트를 잘못 설치하는 것도 일반적인 원인입니다.많은 화학 생산 시설은 이러한 사고가 발생했을 때 부상 및 재산상의 피해를 제한하기 위한 조치인 대량 비상 환기를 설계하고 있습니다.

대규모에서는 실험실 규모에서처럼 "모든 시약을 충전하고 혼합하는" 것은 안전하지 않습니다.그 이유는 반응량은 용기 크기(V r r³)의 세제곱에 따라 달라지지만 열전달 면적은 크기의 제곱(A r r²)에 따라 달라지기 때문에 열생산 대 면적비는 크기(V/A r r)에 따라 달라지기 때문이다.따라서 실험실에서 쉽게 냉각되는 반응은 톤 규모로 위험한 자기 발열을 일으킬 수 있다.2007년, 이러한 종류의 잘못된 절차로 인해 금속 나트륨으로 메틸시클로펜타디엔을 금속화하는 데 사용되는 2,400 갤런 (9,100 L)의 리액터가 폭발하여 4명의 인명과 원자로 일부가 400피트 (120m)[5][6] 떨어진 곳에 버려지게 되었다.따라서 열폭주 경향이 있는 산업용 규모의 반응은 이용 가능한 냉각용량에 대응하는 속도로 1개의 시약을 첨가함으로써 제어되는 것이 바람직하다.

일부 실험실 반응은 위험한 열 폭주 위험이 매우 높기 때문에 극단적인 냉각 상태에서 실행되어야 합니다.예를 들어 Swern 산화의 경우 상온에서 반응이 폭발적으로 [6]열폭주하기 때문에 염화술포늄의 형성은 냉각 시스템(-30 °C)에서 수행되어야 한다.

전자레인지 가열

전자레인지는 요리 및 다양한 산업 공정에서 다양한 재료를 가열하는 데 사용됩니다.재료의 가열 속도는 재료의 유전율에 따라 달라지는 에너지 흡수에 따라 달라집니다.온도에 대한 유전율의 의존성은 재료마다 다르며, 일부 재료는 온도가 상승함에 따라 상당한 증가를 보입니다.이 동작은 재료가 마이크로파에 노출되면 온화한 지역이 추운 지역보다 더 많은 에너지를 더 잘 흡수하기 때문에 선택적인 국소 과열을 초래합니다. 특히 핫 스팟과 재료의 나머지 부분 간의 열 교환이 느린 단열재에는 위험할 수 있습니다.이러한 물질을 열폭주 물질이라고 합니다.이 현상은 일부 도자기에서 발생합니다.

전기 공학

일부 전자 부품은 내부 온도가 상승함에 따라 저항이 낮아지거나 트리거 전압이 낮아집니다(비선형 저항의 경우).이러한 상황에서 회로 상태가 현저하게 전류 흐름을 증가시키는 경우 전력 소모가 증가하면 줄 가열에 의해 온도가 더욱 상승할 수 있습니다.열 폭주의 악순환 또는 양성 피드백 효과는 때때로 엄청난 방식으로 고장을 일으킬 수 있습니다(예: 전기 폭발 또는 화재).이러한 위험을 방지하기 위해 잘 설계된 전자 시스템은 일반적으로 열 퓨즈, 회로 차단기 또는 PTC 전류 제한 장치와 같은 전류 제한 보호 기능을 포함합니다.

더 큰 전류를 처리하기 위해 회로 설계자는 여러 개의 저용량 장치(예: 트랜지스터, 다이오드 또는 MOV)를 병렬로 연결할 수 있습니다.이 기술은 잘 동작하지만 전류 호깅이라고 불리는 현상에 취약합니다.전류가 모든 디바이스에서 균등하게 공유되는 것은 아닙니다.일반적으로 한 디바이스는 저항이 약간 낮기 때문에 전류를 더 많이 끌어내고 형제 디바이스보다 더 많이 가열하여 저항이 더 떨어집니다.전기 부하는 결국 하나의 장치로 흘러들어가게 되고, 그 후 빠르게 고장납니다.따라서 일련의 디바이스는 그 가장 약한 컴포넌트보다 견고하지 않을 수 있습니다.

전류 고정 효과는 병렬 연결된 각 장치의 특성을 주의 깊게 일치시키거나 전기 부하를 밸런싱하는 다른 설계 기법을 사용하여 줄일 수 있습니다.단, 극한 조건에서 부하 밸런스를 유지하는 것은 간단하지 않을 수 있습니다.전기저항의 본질적인 정온도계수(PTC)를 가진 디바이스는 전류 호깅이 발생할 가능성은 낮지만 열제거 불량이나 기타 문제로 인해 열폭주가 발생할 수 있습니다.

많은 전자 회로에는 열 폭주를 방지하기 위한 특수 조항이 포함되어 있습니다.이는 고출력 스테이지용 트랜지스터 바이어싱 배열에서 가장 많이 볼 수 있습니다.단, 기기를 설계 주위 온도 이상으로 사용해도 열폭주가 발생할 수 있습니다.이로 인해 고온 환경에서 또는 공기 냉각 통풍구가 막힐 때 기기에 장애가 발생할 수 있습니다.

반도체

실리콘은 약 160°C의 온도에서 전기 저항이 증가하다가 감소하기 시작하고 녹는점에 도달하면 더 떨어진다는 독특한 프로파일을 보여줍니다.이로 인해 반도체 접합부의 내부 영역 내에서 열 폭주 현상이 발생할 수 있습니다. 이 임계값 이상으로 가열되는 영역에서 저항이 감소하여 과열 영역을 통해 더 많은 전류가 흐르게 되고, 그 결과 주변 영역에 비해 더 많은 열이 발생하므로 온도가 더 높아집니다.증가 및 저항 감소이는 전류 혼잡 및 전류 필라멘트의 형성 현상으로 이어지며(전류 호깅과 유사하지만 단일 장치 내), 많은 반도체 접합부 고장의 근본 원인 중 하나입니다.

바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)

누출 전류는 온도가 증가함에 따라 바이폴라 트랜지스터(특히 게르마늄 기반 바이폴라 트랜지스터)에서 크게 증가합니다.회로의 설계에 따라서는, 이 누설 전류의 증가는 트랜지스터를 통과하는 전류를 증가시켜, 전력 소산을 증가시켜, 콜렉터 대 이미터 누설 전류를 한층 더 증가시킬 수 있습니다.이는 클래스 AB 앰프의 푸시-풀 단계에서 자주 볼 수 있습니다.풀업 및 풀다운 트랜지스터가 실온에서 크로스오버 왜곡이 최소화되도록 바이어스되어 있고 바이어스가 온도 보정되지 않은 경우 온도가 상승함에 따라 양쪽 트랜지스터에 대한 바이어스가 증가하여 전류와 전력이 더욱 증가하고 최종적으로 한쪽 또는 양쪽 디바이스가 파괴됩니다.

열 폭주를 방지하기 위한 경험적 규칙 중 하나는 V µ 1/2V가cc 되도록ce BJT의 작동 지점을 유지하는 것입니다.

또 다른 방법은 열 피드백 감지 트랜지스터 또는 기타 장치를 히트 싱크에 장착하여 크로스 바이어스 전압을 제어하는 것입니다.출력 트랜지스터가 가열되면 열 피드백 트랜지스터도 가열됩니다.그러면 열 피드백 트랜지스터가 약간 낮은 전압으로 켜지고 교차 바이어스 전압이 감소하여 출력 트랜지스터에 의해 방산되는 열이 감소합니다.

여러 BJT 트랜지스터가 병렬로 연결된 경우(고전류 애플리케이션에서 일반적으로 사용) 전류 호깅 문제가 발생할 수 있습니다.BJT의 이러한 특성 취약성을 제어하기 위해 특별한 조치를 취해야 합니다.

파워 트랜지스터(많은 작은 트랜지스터로 효과적으로 병렬로 구성됨)에서는 트랜지스터 자체의 다른 부분 간에 전류 호깅이 발생할 수 있으며, 트랜지스터의 한 부분이 다른 부분보다 더 뜨거워집니다.이를 2차 고장이라고 하며, 평균 접점 온도가 안전한 것처럼 보이는 경우에도 트랜지스터가 파괴될 수 있습니다.

전원 MOSFET

전원 MOSFET는 일반적으로 온저항이 온도에 따라 증가합니다.상황에 따라서는 이 저항에서 방산된 전력으로 인해 접점이 더 가열되어 양의 피드백 루프에서 접점 온도가 더욱 높아집니다.그 결과, 전력 MOSFET는 안정적이고 불안정한 [7]동작 영역을 가진다.그러나 온저항과 온도의 증가는 병렬로 연결된 여러 MOSFET 간에 전류를 균형 있게 유지하는 데 도움이 되므로 전류 호깅이 발생하지 않습니다.MOSFET 트랜지스터가 히트 싱크가 방출할 수 있는 것보다 더 많은 열을 발생시키더라도 열 폭주로 인해 트랜지스터가 파괴될 수 있습니다.이 문제는 트랜지스터 다이와 히트싱크 사이의 열저항을 낮춤으로써 어느 정도 완화될 수 있습니다.「열설계 전력」도 참조해 주세요.

금속산화물 바리스터(MOV)

금속 산화물 배리스터는 일반적으로 가열될 때 저항이 낮아집니다.AC 또는 DC 전원 버스(전기 과도현상으로부터 보호하기 위한 일반적인 용도)를 통해 직접 연결된 경우, 낮은 트리거 전압이 발생한 MOV는 치명적인 열 폭주로 미끄러져 작은 폭발이나 [8]화재가 발생할 수 있습니다.이러한 가능성을 방지하기 위해 고장 전류는 일반적으로 열 퓨즈, 회로 차단기 또는 기타 전류 제한 장치에 의해 제한됩니다.

탄탈 콘덴서

탄탈 캐패시터는 일부 조건에서는 열폭주로 인해 자폭되기 쉽습니다.콘덴서는 일반적으로 양극 역할을 하는 소결 탄탈 스폰지, 이산화망간 음극 및 양극 처리를 통해 탄탈 스폰지 표면에 생성되는 오산화탄탈 유전체 층으로 구성됩니다.산화탄탈층은 전압 스파이크 중에 유전 파괴를 겪는 약한 지점을 가지고 있을 수 있습니다.그런 다음 탄탈 스폰지가 이산화망간과 직접 접촉하여 누출 전류가 증가하면 국소적으로 가열됩니다. 일반적으로 이 과정에서 흡열 화학 반응이 일어나 산화망간(II)을 생성하고 산화탄탈 유전체층을 재생(자기 치유)합니다.

그러나 고장점에서 산란된 에너지가 충분히 높으면 금속 탄탈을 연료로 하고 이산화망간을 산화제로 하는 테르마이트 반응과 마찬가지로 자생 발열 반응이 시작될 수 있다.이 바람직하지 않은 반응으로 캐패시터가 파괴되어 연기나 [9]불꽃이 발생할 수 있습니다.

따라서 탄탈 캐패시터는 소형 신호 회로에 자유롭게 배치할 수 있지만, 고출력 회로에서는 열 폭주 장애를 방지하기 위해 신중하게 설계해야 합니다.

디지털 로직

로직 스위칭 트랜지스터의 누출 전류는 온도에 따라 증가합니다.드문 경우지만 디지털 회로에서는 열 폭주로 이어질 수 있습니다.일반적으로 누출 전류가 전체 소비 전력의 작은 부분을 차지하기 때문에 전력의 증가는 그다지 크지 않습니다.Athlon 64의 경우 30℃[10]마다 전력 소모가 약 10% 증가합니다.TDP가 100 W인 디바이스에서 열폭주가 발생하려면 히트 싱크의 열저항률이 3 K/W(와트당 켈빈)를 넘어야 합니다.이것은 스톡 Athlon 64 히트 싱크의 약 6배입니다.(실제 Athlon 64 히트 싱크는 열저항이 다소 높기 때문에 정격 0.34 K/W입니다).프로세서와 히트 싱크 사이의 열 경계, 케이스 내 온도 상승 및 기타 열 저항).[citation needed]단, 열저항이 0.5~1K/W를 넘는 부적절한 히트 싱크는 열폭주 효과가 없는 경우에도 100W 장치를 파괴할 수 있습니다.

배터리

부적절하게 취급하거나 불량으로 제조된 경우 일부 충전식 배터리는 과열로 인해 과열될 수 있습니다.밀폐된 셀은 안전 통풍구가 막혀 있거나 [11]작동하지 않으면 격렬하게 폭발할 수 있습니다.특히 열적 폭주가 발생하기 쉬운 것은 리튬 이온 배터리이며, 가장 현저하게 [citation needed]리튬 폴리머 배터리의 형태를 띠고 있는 것은 리튬 폴리머 배터리입니다.휴대전화가 폭발했다는 보도가 가끔 신문에 나기도 한다.2006년, Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell 및 기타 노트북 제조사의 배터리가 화재와 [12][13][14][15]폭발로 인해 리콜되었습니다.미국 교통부의 PHMSA(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration)는 특정 상황에서 불안정하기 때문에 특정 유형의 배터리를 비행기에 휴대하는 것에 관한 규정을 제정했다.이 동작은 UPS [16]비행기의 화물실 화재에서 부분적으로 영감을 받았습니다.가능한 해결책 중 하나는 안전하고 반응성이 낮은 양극(티타늄산 리튬) 및 음극(인산 리튬 철) 재료를 사용하여 이온 액체를 기반으로 하는 불연성 전해질과 함께 많은 리튬 충전 셀에서 코발트 전극을 피하는 것입니다.

천체 물리학

별의 층 위에 있는 중력 압력이 열압력을 크게 초과하는 조건에서 핵융합이 점화될 때 별에서 급격한 열핵반응이 일어날 수 있으며 이는 중력압축을 통해 급격한 온도 상승을 가능하게 한다.이러한 시나리오는 퇴화 물질을 포함하는 별에서 발생할 수 있는데, 이 별에서는 일반적인 열압보다는 전자 퇴화 압력이 별을 중력에 대항하는 대부분의 작업을 수행합니다.모든 경우에서 불균형은 용융점화 전에 발생합니다. 그렇지 않으면 용융반응은 온도 변화에 대응하고 별을 안정화시키기 위해 자연스럽게 조절됩니다.열압이 오버 압력과 평형을 이루면 별은 팽창과 냉각에 의해 새로운 발열 반응이 시작되어 온도와 열압의 증가에 반응할 것이다.폭주 반응은 이 응답이 억제된 경우에만 가능합니다.

헬륨은 적색 거성으로 반짝인다.

태양질량 0.8~2.0 범위의 별들이 중심핵의 수소를 소진하고 적색거성이 되면, 중심핵에 축적된 헬륨은 불이 붙기 전에 축퇴에 도달합니다.축퇴된 핵이 태양 질량의 약 0.45배의 임계 질량에 도달하면, 헬륨 핵융합이 점화되고 헬륨 섬광이라고 불리는 폭주하는 방식으로 이륙하여 별의 에너지 생산량이 일시적으로 정상의 1,000억 배까지 증가하게 된다.코어의 약 6%가 [17]탄소로 빠르게 변환됩니다.방출은 핵을 몇 초 후에 정상 플라즈마로 되돌리기에 충분하지만,[18][19] 별을 방해하거나 밝기를 즉시 바꾸지는 않습니다.그 후 별은 수축하면서 적색 거성 단계를 떠나 안정적인 헬륨 연소 단계로 진화를 계속합니다.

노바에

노바는 탄소-산소 백색왜성의 바깥쪽 층에서 (CNO 순환을 통해) 폭주하는 수소 융합에서 비롯됩니다.만약 백색왜성이 가스를 축적할 수 있는 동반성을 가지고 있다면, 그 물질은 왜성의 강한 중력에 의해 퇴화된 표면층에 축적될 것이다.적절한 조건하에서, 충분히 두꺼운 수소층은 결국 2,000만 K의 온도로 가열되어 폭주 핵융합에 불을 붙인다.표면층이 백색왜성에서 떨어져 나가면서 밝기가 약 50,000배로 증가합니다.그러나 백색왜성과 동반성은 온전하게 남아 있기 때문에 이 과정이 [20]반복될 수 있다.훨씬 더 희귀한 형태의 노바는 점화되는 외부 층이 [21]헬륨으로 구성되어 있을 때 발생할 수 있습니다.

X선 폭발

노베로 이어지는 과정과 유사하게, 퇴화 물질은 가까운 동반자로부터 가스를 축적하는 중성자별의 표면에도 축적될 수 있습니다.수소층이 충분히 두껍게 축적되면 폭주 수소융합의 점화가 X선 폭발로 이어질 수 있다.novae와 마찬가지로 이러한 폭발은 반복되는 경향이 있으며 헬륨 [22][23]또는 탄소 융합에 의해 유발될 수도 있습니다."슈퍼버스트"의 경우, 핵융합이 아닌 광분해로 축적된 무거운 핵을 철기 핵으로 급격히 분해하는 것이 [23]폭발 에너지의 대부분을 기여할 수 있다고 제안되었다.

Ia형 초신성

Ia형 초신성은 탄소-산소 백색왜성의 중심부에서 탄소 핵융합이 폭주하여 발생한다.거의 전체가 퇴화 물질로 구성된 백색 왜성이 동반성으로부터 질량을 얻을 수 있다면, 중심핵에 있는 물질의 온도와 밀도가 증가하여 별의 질량이 찬드라세카르 한계에 가까워지면 탄소 융합에 불을 붙일 것이다.이것은 별을 완전히 교란시키는 폭발로 이어진다.밝기는 50억 배 이상 증가합니다.추가 질량을 얻는 한 가지 방법은 거성([24]또는 주계열성) 동반성으로부터 가스를 얻는 것입니다.같은 유형의 폭발을 일으키기 위한 두 번째, 그리고 분명히 더 일반적인 메커니즘은 두 [24][25]개의 백색왜성의 병합입니다.

쌍불안정 초신성

쌍불안정성 초신성은 130~250 질량의 태양 질량이 크고 중금속 [26]함량이 낮은 별의 중심부에서 산소 융합이 급증하여 발생하는 것으로 알려져 있다.이론에 따르면, 그러한 별에서는 극한 온도에 의해 생성된 감마선의 압력에 의해 무게가 지탱되면서 크지만 상대적으로 밀도가 낮은 산소의 핵이 형성된다.코어가 더 가열됨에 따라 감마선은 결국 충돌로 인한 붕괴에 필요한 에너지 임계값을 전자-양전자 쌍으로 통과하기 시작합니다. 이 과정은 쌍 생성이라고 불립니다.이로 인해 코어 내부의 압력이 저하되어 코어 내부의 수축과 열이 더욱 진행되어 쌍생성이 증가하거나 압력이 더 떨어지는 등의 현상이 발생합니다.핵은 중력 붕괴를 겪기 시작한다.어느 시점에서 이것은 달아나는 산소 융합에 불을 붙이고, 별을 없애기에 충분한 에너지를 방출한다.이러한 폭발은 드물며, 아마도 10만 개의 초신성 중 한 개 정도일 것이다.

비도주 초신성과의 비교

모든 초신성이 폭주하는 핵융합에 의해 유발되는 것은 아니다.Ib형, Ic형, II형 초신성 또한 중심 붕괴를 겪지만, 그것들은 발열 핵융합 반응을 겪을 수 있는 원자핵의 공급을 모두 소진했기 때문에 중성자 별, 또는 더 큰 질량의 경우, 중력 전위 에너지의 방출에 의해 폭발을 일으키며 중성자 별까지 붕괴한다.중성미자의 방출을 통해).이러한 초신성이 콤팩트한 별의 잔해를 남길 수 있도록 하는 것은 폭주하는 핵융합 반응의 부재입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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