붕괴열

붕괴열은 방사능 붕괴의 결과로 방출되는 열이다.이 열은 물질에 대한 방사선의 영향으로 생성된다: 알파, 베타 또는 감마선의 에너지는 원자의 열 운동으로 변환된다.

붕괴열은 지구의 형성으로부터 원시적으로 존재하는 장수 방사성 동위원소의 붕괴로부터 자연적으로 발생한다.

원자로 공학에서 붕괴열은 원자로가 정지되고 발전이 중단된 후에도 계속 발생한다(SCRAM과 핵 체인 반응 참조).핵분열에서 생성된 요오드-131과 같은 단명 방사성 동위원소의 붕괴는 정지 후에도 한동안 고출력 상태로 계속된다.^[1]새로 폐쇄된 원자로에서 열 생성의 주요 원천은 최근 핵분열 과정에서 핵분열 파편에서 생성된 새로운 방사성 원소의 베타 붕괴 때문이다.

정량적으로, 원자로 정지 순간에, 만약 원자로가 길고 꾸준한 전력 이력을 가지고 있다면, 이러한 방사성 선원의 붕괴 열은 여전히 이전 노심 전원의 6.5%이다.셧다운 후 약 1시간이 지나면 붕괴열은 기존 노심전력의 약 1.5%가 된다.하루가 지나면 붕괴열은 0.4%로 떨어지고, 일주일이 지나면 0.2%^[2]에 불과하다.전체 반수명의 방사성 동위원소가 핵폐기물에 존재하기 때문에, 충분한 붕괴열이 사용후 핵연료봉에서 계속 생산되어 사용후 핵연료 저장조에서 최소 1년 이상, 그리고 통상적으로 10~20년을 더 소비해야 추가 처리된다.그러나 이 기간 동안 발생한 열은 여전히 셧다운 후 첫 주에 발생한 열의 극히 일부(10% 미만)에 불과하다.^[1]

폐로 및 신규 정지 원자로의 붕괴열을 제거하기 위한 냉각 시스템이 작동하지 않는 경우 붕괴열로 인해 노심 유형에 따라 원자로 노심이 몇 시간 또는 며칠 이내에 안전하지 않은 온도에 도달할 수 있다.이러한 극한 온도는 경미한 연료 손상(예: 흑연-모더링, 가스 냉각^[3] 설계에서의 몇 가지 연료 입자 고장(0.1~0.5%) 또는 경수로 또는^[4] 액체 금속 고속 원자로의 주요 노심 구조 손상(멜트다운)으로 이어질 수 있다.손상된 노심물질에서 방출되는 화학종류는 원자로를 더욱 손상시킬 수 있는 추가 폭발반응(스팀 또는 수소)으로 이어질 수 있다.^[5]

자연발생

자연적으로 발생하는 붕괴열은 지구 내부의 열의 중요한 원천이다.우라늄, 토륨, 칼륨의 방사성 동위원소는 이러한 붕괴열의 일차적인 원인이며, 이러한 방사성 붕괴는 지열 에너지가 발생하는 일차적인 열원이다.^[6]

붕괴열은 천체물리학적 현상에 중요한 역할을 한다.예를 들어, Ia 초신성의 광 곡선은 니켈과 코발트가 철(Type Ia light curve, Type Ia light curve)^{[citation needed]}으로 붕괴하면서 방사성 제품이 제공하는 난방에 의해 동력을 얻는다고 널리 생각되고 있다.

원자로 정지중

전형적인 핵분열 반응에서 187 MeV의 에너지는 핵분열 생성물에서 나오는 운동 에너지, 핵분열 중성자에서 나오는 운동 에너지, 순간 감마선 또는 중성자 포획에서 나오는 감마선의 형태로 순간적으로 방출된다.^[7]핵분열 생성물의 베타 붕괴로부터 핵분열 후에 23 MeV의 에너지가 추가로 방출된다.핵분열 생성물의 베타 붕괴로부터 방출되는 에너지의 약 10 MeV는 중성미자의 형태로, 중성미자가 매우 약하게 상호작용하므로 이 10 MeV의 에너지는 원자로 노심에 축적되지 않을 것이다.이는 주어진 핵분열 반응이 발생한 후 얼마간 핵분열 생성물의 베타 붕괴 지연으로 원자로 노심에 13 MeV(총 핵분열 에너지의 6.5%)가 축적되는 결과를 초래한다.안정적인 상태에서 핵분열 생성물 베타 붕괴 지연으로 인한 이 열은 정상 원자로 열 출력의 6.5%에 기여한다.

원자로가 정지되고 대규모로 핵분열이 일어나지 않을 때, 열 생산의 주요 원천은 이들 핵분열 생성물(핵분열 파편에서 유래된)의 베타 붕괴 지연에 기인할 것이다.이 때문에 원자로 정지 순간에 원자로가 길고 안정적인 전력 이력을 갖고 있다면 붕괴열은 기존 노심전력의 약 6.5%가 된다.셧다운 후 약 1시간이 지나면 붕괴열은 기존 노심전력의 약 1.5%가 된다.하루가 지나면 붕괴열은 0.4%로 떨어지고, 일주일이 지나면 0.2%에 불과하다.붕괴열 생성률은 시간이 지남에 따라 서서히 감소할 것이다. 붕괴 곡선은 핵에 있는 다양한 핵분열 생성물의 비율과 각각의 반감기에 따라 달라진다.^[8]

정지 후 10초에서 100일 후까지 유효한 붕괴열 곡선에 대한 근사치

${\displaystyle {\frac {P(\tau )}{P_{0}}=0.066\왼쪽(\tau -\tau _{s}\오른쪽)^{-0.2}-\tau ^{-0.2}\오른쪽)}$

where ${\displaystyle \tau }$ is the time since reactor startup, ${\displaystyle P(\tau )}$ is the power at time ${\displaystyle \tau }$, ${\displaystyle P_{0}}$ is the reactor power before shutdown, and ${\displaystyle \tau _{s}}$ is the time of reactor shutdown measured from the time of s타르트업(초)을 사용하여 (${\displaystyle \tau }$- ${\displaystyle {\tau }_{}}$ s${\displaystyle {}_{}}$) ${\displaystyle(\tau$ -$\tau _{s})$은 종료 후 경과된 시간이다$$.^[9]

보다 직접적인 물리적 근거를 갖는 접근방식의 경우, 일부 모델은 방사능 붕괴의 기본 개념을 사용한다.사용후핵연료에는 붕괴열에 기여하는 동위원소가 다수 포함되어 있는데, 모두 방사성 붕괴법의 적용을 받기 때문에 일부 모델은 붕괴열을 붕괴 상수가 서로 다른 지수함수의 합과 열율에 대한 초기 기여도로 간주한다.^[10]많은 동위원소가 방사성 붕괴 사슬의 여러 단계를 따르기 때문에 보다 정확한 모델은 전구체의 영향을 고려할 것이고, 딸 제품의 붕괴는 정지 후 더 오래 더 큰 영향을 미칠 것이다.

${\displaystyle {\frac {P}{0}}=\sum _{i=1}^{11}P_{i}e^{-\lambda t}.}$

붕괴열 제거는 특히 정상정지 직후나 냉각재상실사고 직후에 중요한 원자로 안전성 우려사항이다.붕괴열을 제거하지 못하면 원자로 노심 온도가 위험한 수준까지 상승할 수 있으며, 스리마일섬과 후쿠시마 1호 원전 사고 등 원자력 사고를 유발했다.열 제거는 일반적으로 열 교환기를 통해 열이 제거되는 여러 개의 중복되고 다양한 시스템을 통해 이루어진다.물은 열을 방출하는 필수 용수 시스템을^[11] 통해 열교환기의 2차측을 통과하여 바다, 강 또는 큰 호수인 '초기열제거원'으로 들어간다.적절한 수역이 없는 장소에서는 냉각탑을 통해 물을 재순환시켜 열이 대기 중으로 방출된다.ESWS 순환펌프의 고장은 1999년 블라야이스 원전 홍수 당시 안전을 위태롭게 한 요인 중 하나였다.

사용후연료

일반적인 사용후핵연료는 1년 후 톤당 약 10 kW의 붕괴열을 발생시켜 10년 후에는 약 1 kW/t로 감소한다.^[12]따라서 사용후핵연료에 대한 효과적인 능동식 또는 수동식 냉각이 수 년 동안 필요하다.

참고 항목

• 붕괴에너지
• 사용후연료저장조
• 건식통보관
• 방사성 동위원소 열전 발전기

참조

외부 링크

• DOE 기본 지침서 - 붕괴열, 핵물리 및 원자로 이론 - 2권 2, 모듈 4, 61페이지
• MNR에 대한 붕괴 열 추정치(2페이지)
• 활성 및 붕괴 열을 시간의 함수로 보여주는 사용후 핵연료 탐색기 Java 애플릿