증식로

Breeder reactor
1951년 미국 아이다호 실험 증식로 I 노심 조립

증식로는 [1]핵분열성 물질을 소비량보다 더 많이 발생시키는 원자로이다.증식로는 핵분열 연료와 함께 원자로에 적재된 우라늄-238이나 토륨-232와 같은 비옥한 물질을 조사함으로써 중성자 경제가 사용보다 더 많은 핵분열 연료를 생성하기에 충분히 높기 때문에 이를 달성할 수 있다.증식업자들은 처음에는 경수로보다 우라늄 연료를 더 완벽하게 사용했기 때문에 매력적으로 여겨졌지만, 1960년대 이후 우라늄 매장량이 더 많이 [2]발견되고 우라늄 농축의 새로운 방법들이 연료비를 절감하면서 관심이 줄어들었다.

핵폐기물의 연료효율과 종류

증식로는 원칙적으로 우라늄이나 토륨에 포함된 거의 모든 에너지를 추출할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 [3]1회용 경수로에 비해 연료 요구량을 100배 줄일 수 있다. 경수로는 지구로부터 채굴된 우라늄의 에너지 중 1% 미만을 추출한다.증식로의 높은 연료 효율은 연료 공급, 채굴에 사용되는 에너지 및 방사성 폐기물 저장에 대한 우려를 크게 줄일 수 있다.해수 우라늄 추출(현재는 너무 비싸 경제적이지 않음)을 통해 증식로용 연료가 1983년의 총 에너지 소비율에서 50억 년 동안 우리의 에너지 수요를 충족시킬 만큼 충분하고, 따라서 원자력은 효과적으로 [4][5]재생 에너지로 만들 수 있다.

핵폐기물은 1990년대에 더 큰 관심사가 되었다.대체로 사용후핵연료에는 두 가지 주요 구성요소가 있다.첫 번째는 핵분열 생성물로 구성되는데, 핵분열 생성물은 에너지를 방출하기 위해 연료 원자가 쪼개진 후 남은 파편이다.핵분열 생성물은 수십 개의 원소와 수백 개의 동위원소로 이루어져 있는데, 모두 우라늄보다 가볍습니다.사용후 연료의 두 번째 주성분은 초우라닉(우라늄보다 무거운 원자)으로 중성자를 흡수하지만 핵분열을 겪지 않을 때 연료에 포함된 우라늄이나 무거운 원자로부터 생성된다.모든 초우라늄 동위원소는 주기율표의 악티니드 계열에 속하기 때문에 종종 악티니드라고 불린다.

핵분열 생성물의 물리적 거동은 트랜스우라닉의 그것과 확연히 다르다.특히 핵분열 생성물 자체는 핵분열을 겪지 않기 때문에 핵무기에 사용할 수 없다.게다가 핵분열 생성물 동위원소 중 반감기가 100년 이상인 것은 7개뿐이어서 초우라늄 [6]물질보다 지질학적 저장이나 폐기가 덜 문제가 된다.

핵폐기물에 대한 우려가 높아지면서, 사육 연료 주기가 특히 플루토늄과 [7]소량의 악티니드 폐기물을 줄일 수 있기 때문에 새로운 관심사가 되었다.증식로는 액티니드 폐기물을 연료로 핵분열시켜 더 많은 핵분열 생성물로 변환하도록 설계되어 있다.

사용후 핵연료가 경수로에서 제거된 후, 각 핵종이 다른 속도로 붕괴함에 따라 복잡한 붕괴 프로파일을 겪는다.위에서 언급한 물리적 특이성으로 인해 핵분열 생성물의 붕괴 반감기에는 초우라늄 동위원소에 비해 큰 격차가 있다.만약 초우라늄이 사용후 연료에 남아 있다면, 1,000~10,000년 후에 이러한 초우라늄의 느린 붕괴로 인해 사용후 연료에서 대부분의 방사능이 생성될 것이다.따라서 폐기물에서 초우라늄을 제거하면 사용후 핵연료의 [8]장기 방사능이 상당 부분 제거된다.

선택된 악티니드의 핵분열 확률(열 대 고속[9][10][11][12][13] 중성자)
동위원소 열분열
단면적		 열분열율 고속 핵분열
단면적		 고속 핵분열 %
Th-232 제로 1 (비분열성) 0.350 헛간 3 (비분열성)
U-232 76.66 헛간 59 2. 외양간 95
U-233 531.2 헛간 89 2.450 헛간 93
U-235 584.4 헛간 81 2.056 헛간 80
U-238 11.77 마이크로바른 1 (비분열성) 1. 외양간 11
Np-237 0.02249 헛간 3 (비분열성) 2.247 헛간 27
Pu-238 17.89 헛간 7 2.721 헛간 70
Pu-239 747.4 헛간 63 2.338 헛간 85
Pu-240 58.77 헛간 1 (비분열성) 2.253 헛간 55
Pu-241 1012 헛간 75 2.298 헛간 87
Pu-242 0.002557 헛간 1 (비분열성) 2.027 헛간 53
Am-241 600.4 헛간 1 (비분열성) 0.2299 마이크로바른 21
Am-242m 6409 헛간 75 2.550 헛간 94
Am-243 0.1161 헛간 1 (비분열성) 2.140 헛간 23
Cm-242 5.064 헛간 1 (비분열성) 2.907 헛간 10
Cm-243 617.4 헛간 78 2.500 헛간 94
Cm-244 1.037 헛간 4 (비분열성) 0.08255 마이크로바른 33

오늘날의 상업용 경수로들은 새로운 핵분열성 물질을 생산하는데, 대부분 플루토늄 형태로 되어 있다.상업용 원자로는 증식기로 설계된 적이 없기 때문에 소비된 우라늄-235를 대체할 충분한 우라늄-238을 플루토늄으로 전환하지 않는다.그럼에도 불구하고, 상업용 원자로에서 생산되는 전력의 적어도 3분의 [14]1은 연료 내에서 생성된 플루토늄의 핵분열에서 나온다.이 수준의 플루토늄 소비에도 불구하고, 경수로에서는 생산되는 플루토늄과 마이너 액티니드의 일부만 소비하고, 상당한 양의 다른 마이너 액티니드와 [15]함께 플루토늄의 비분열성 동위원소가 축적된다.

전환비, 손익분기점, 번식비, 배속시간, 연소율

원자로 성능의 한 척도는 "변환비"로, 소비된 핵분열 원자에 대한 새로운 핵분열 원자의 비율로 정의된다.특별히 설계되고 작동되는 악티니드 버너를[16] 제외한 제안된 모든 원자로는 어느 정도 변환된다.원자로의 중성자속 내에 비옥한 물질이 존재하는 한, 항상 새로운 핵분열성 물질이 생성된다.변환비가 1보다 크면 종종 "교배비"라고 불립니다."

예를 들어 일반적으로 사용되는 경수로의 변환비는 약 0.6이다.천연 우라늄에서 작동하는 가압 중수로(PHWR)의 변환비는 0.[17]8이다.증식로에서는 변환비가 1보다 높다. 변환비가 1.0에 달하고 원자로가 사용하는 만큼의 핵분열성 물질을 생산하면 손익분기점을 달성할 수 있다.

두 배 시간은 증식로 원자로가 원래 연료를 대체하고 다른 원자로에 상응하는 양의 연료를 추가로 생산하기에 충분한 새로운 핵분열성 물질을 생산하는 데 걸리는 시간이다.이것은 우라늄이 부족하다고 여겨졌던 초기에 증식기 성능의 중요한 척도로 여겨졌다.그러나 우라늄은 원자로 개발 초기 생각보다 풍부하고 사용후 원자로 연료에서 이용 가능한 플루토늄의 양을 고려할 때 현대 증식기-반응기 [18][19]설계에서 두 배의 시간은 덜 중요한 지표가 되었다.

"연소"는 연료의 중금속 질량에서 추출된 에너지의 양을 측정하는 것으로, 종종 (발전 원자로의 경우) 중금속 톤당 기가와트일로 표현된다.연소(burn-up)는 핵분열 원자로에 의해 생성되는 동위원소의 종류와 양을 결정하는 데 중요한 요소이다.증식로는 기존 원자로에 비해 연소율이 매우 높은 반면, 증식로는 핵분열 생성물의 형태로 폐기물을 훨씬 더 많이 배출하고 악티니드의 대부분은 연료 공급과 [20]파괴를 의미한다.

과거 증식기-반응기 개발은 토륨 연료로 가동되고 기존 경수로 냉각된 해운항[21][22] 원자로의 1.01에서 소련의 BN-350 액체-금속 냉각 [23]원자로의 1.2 이상에 이르기까지 증식비가 낮은 원자로에 초점을 맞췄다.연료 요소("튜브 인 셸" 구조) 내부의 튜브를 통해 액체 나트륨 냉각수가 흐르는 증식기의 이론적 모델에 따르면 산업 [24]규모에서 최소 1.8의 증식 비율이 가능합니다.소련의 BR-1 시험용 원자로는 비상업적 [25]조건에서 2.5의 증식비를 달성했다.

증식로의 종류

중성자 포획 및 붕괴를 통해 현재의 열중성자 핵분열 원자로에서 무거운 초우라늄 악티니드의 생산.우라늄-238부터 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨의 동위원소가 모두 생산된다.고속 중성자 증식로에서는 이 모든 동위원소가 연료로 연소될 수 있다.

증식로에는 다음과 같은 여러 가지가 있다.

'증식기'는 단순히 1.0보다 높은 관련 변환율로 매우 높은 중성자 경제성을 위해 설계된 원자로이다.원칙적으로 거의 모든 원자로 설계가 증식자가 되도록 조정될 수 있다.이 과정의 예로는 매우 심하게 감속된 열 설계인 경수로가 초저밀도 초임계 형태의 경수를 사용하여 고속로 개념으로[26] 진화한 것이 있다.

수냉식 외에도, 현재 가능한 한 많은 종류의 증식로들이 있다.여기에는 용융염 냉각 설계, 가스 냉각 설계 및 액체 금속 냉각 설계가 다양하게 포함됩니다.이러한 기본 설계 유형 중 거의 모든 것이 우라늄, 플루토늄, 많은 작은 악티늄 또는 토륨에 의해 연료화 될 수 있으며, 핵폐기물의 보다 많은 핵분열성 연료, 장기 정상상태 운전 또는 활성 연소 등 다양한 목적을 위해 설계될 수 있다.

현존하는 원자로 설계는 중성자 스펙트럼에 따라 크게 두 가지 범주로 분류되기도 한다. 이 범주는 일반적으로 우라늄과 트랜스우라닉을 주로 사용하도록 설계된 것과 토륨을 사용하고 트랜스우라닉을 피하도록 설계된 것을 분리한다.다음과 같은 설계가 있습니다.

  • 고속 증식로(FBR)로 고속(즉, 감속되지 않은) 중성자를 사용하여 핵분열성 플루토늄 및 비옥한 우라늄-238로부터 더 높은 초우라늄을 생산한다.고속 스펙트럼은 충분히 유연하기 때문에 원한다면 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 생산할 수도 있다.
  • 열증식로 열분광(즉, 감속) 중성자를 사용하여 토륨(토륨 연료 사이클)에서 핵분열성 우라늄-233을 증식한다.다양한 핵연료의 거동 때문에 열증식기는 토륨 연료만으로 상업적으로 가능하다고 여겨져 더 무거운 초우라닉의 축적을 피할 수 있다.

재처리

어떤 원자로에서든 핵연료의 핵분열은 중성자 흡수 핵분열 생성물을 생성한다.이러한 피할 수 없는 물리적 과정 때문에 중성자 독소를 제거하기 위해 증식로에서 비옥한 물질을 재처리해야 한다.이 단계는 소비되는 연료보다 많거나 많은 연료를 증식할 수 있는 능력을 최대한 활용하기 위해 필요합니다.모든 재처리는 사용후 [27]연료에서 무기를 사용할 수 있는 물질을 추출하기 때문에 증식 우려가 있을 수 있습니다.가장 일반적인 재처리 기술인 PUREX는 순수한 플루토늄을 분리하도록 명시적으로 설계되었기 때문에 특별한 문제를 제기합니다.증식기-반응기 연료 주기에 대한 초기 제안은 PUREX를 사용하여 핵무기에 [28][29]사용하기 위해 매우 매력적인 동위원소 형태로 플루토늄을 분리할 것이기 때문에 훨씬 더 큰 확산 우려를 제기하였다.

몇몇 국가들은 플루토늄을 다른 악티니드로부터 분리하지 않는 재처리 방법을 개발하고 있다.예를 들어, 비수계 파이로메탈러지닝 프로세스는 일체형 고속 원자로에서 연료를 재처리하는 데 사용될 때 원자로 [3]연료에 대량의 방사성 액티니드를 남긴다.기존의 수성 재처리 시스템으로는 SANEX, UNUNT, DIAMEX, COEX 및 TRUEX가 있으며, PUREX를 공동 공정과 결합할 것을 제안합니다.

이러한 시스템은 모두 PUREX보다 다소 높은 내증식성을 가지고 있지만 채택률은 [30][31][32]낮습니다.

토륨 사이클에서 토륨-232는 먼저 프로텍티늄-233으로 변환되고, 프로텍티늄-233은 우라늄-233으로 분해된다.프로탁티늄이 원자로에 남아 있으면 소량의 우라늄-232도 생성되며, 붕괴 사슬에 강력한 감마 방출 탈륨-208이 있다.우라늄 연료 설계와 마찬가지로 연료와 비옥한 물질이 원자로에 오래 남아 있을수록 이러한 바람직하지 않은 요소가 더 많이 축적된다.예상되는 상용 토륨 원자로에서는 높은 수준의 우라늄-232가 축적되어 토륨에서 파생된 우라늄의 감마선량이 매우 높아진다.이러한 감마선은 무기의 안전한 취급과 전자 장치의 설계를 복잡하게 한다. 따라서 우라늄-233이 개념 증명 [33]시연을 넘어서는 무기에 대해 추구된 적이 없는 것이다.

토륨 사이클은 (우라늄-232의 존재로 인해) 연료에서 우라늄-233을 추출할 때 증식에 내성이 있을 수 있지만, 프로탁티늄-233을 화학적으로 추출하여 원자로 밖에서 순수한 우라늄-233으로 붕괴시키는 우라늄-233 추출의 대체 경로에서 증식 위험을 야기한다.이 과정은 국제원자력기구(IAEA)[34]와 같은 조직의 감독 범위를 넘어 발생할 수 있습니다.

폐기물 삭감

반감기별 악티니드 및 핵분열 생성물
붕괴사슬에 의한 액티니드[35] 반감기
범위(a)		 수율에 의한[36] U의 핵분열 생성물
4n 4n + 1 4n + 2 4n + 3 4.5–7% 0.04–1.25% 0.001% 미만
228라№ 4 ~ 6 a 155에우þ
244Cmƒ 241푸ƒ 250Cf 227AC№ 10 ~ 29 a 90시르 85Kr 113mCDþ
232Uƒ 238푸ƒ 243Cmƒ 29~97 a 137Cs 151SMþ 121m스니
248Bk[37] 249Cfƒ 242m암ƒ 141 ~ 351 a

어떤 핵분열 생성물도 100a~210ka의 반감기를 가지고 있지 않다...

241암ƒ 251Cfƒ[38] 430~900 a
226라№ 247Bk 1.3~1.6ka
240푸 229Th(Th) 246Cmƒ 243암ƒ 4.7~7.4ka
245Cmƒ 250Cm 8.3~8.5ka
239푸ƒ 24.1ka
230Th№(Th) 231빠№ 32~76ka
236Npƒ 233Uƒ 234U№ 150~250ka 99Tc₡ 126스니
248Cm 242푸 327 ~ 375 ka 79세₡
1.53 Ma 93Zr
237Npƒ 2.1 ~ 6.5 Ma 135Cs₡ 107PD
236U 247Cmƒ 15 ~ 24 Ma 129나₡
244푸 80 Ma

...15.7 Ma[39] 이상

232Th№(Th) 238U№ 235Uƒ№ 0.7~14.1 Ga

핵폐기물은 1990년대에 더 큰 관심사가 되었다.번식 연료 주기는 특히 플루토늄과 소량의 악티니드 [7]폐기물을 줄일 수 있는 잠재력 때문에 새로운 관심을 끌었다.폐쇄 연료 사이클의 증식로에는 연료로 공급되는 거의 모든 액티니드가 사용되기 때문에 연료 요구량은 약 100배 감소한다.발생되는 폐기물의 양도 약 100배 감소합니다.증식로에서 발생하는 폐기물의 부피는 크게 감소하지만, 폐기물의 활동은 [40]경수로에서 발생하는 것과 거의 같다.

또한 증식로에서 나오는 폐기물은 다른 물질로 구성되어 있기 때문에 붕괴 거동이 다르다.증식로 폐기물은 대부분 핵분열 생성물인 반면 경수로 폐기물은 다량의 초우라닉을 가지고 있다.사용후 핵연료가 10만 년 이상 경수로에서 제거된 후, 이러한 초우라늄은 방사능의 주요 원천이 될 것이다.그것들을 제거하면 사용후 [8]연료에서 장기 방사능이 상당 부분 제거될 것이다.

원칙적으로 증식기 연료 사이클은 핵분열 생성물만 남기고 모든 액티니드를 [4]재활용하고 소비할 수 있다.이 절의 그림에서 알 수 있듯이, 핵분열 생성물은 골재 반감기에 독특한 '갭'을 가지고 있어 핵분열 생성물은 91년에서 20만년 사이의 반감기를 가지지 않습니다.이러한 물리적 이상성의 결과로, 보관된 지 수백 년이 지난 후, 고속 증식기에서 나오는 방사성 폐기물의 활동은 오래 지속되는 핵분열 생성물의 낮은 수준으로 빠르게 떨어질 것이다.그러나 이러한 편익을 얻으려면 사용후 연료에서 트랜스우라닉을 매우 효율적으로 분리해야 한다.사용된 연료 재처리 방법이 최종 폐기물 스트림에 트랜스우라닉의 상당 부분을 남길 경우, 이러한 이점은 크게 [3]감소합니다.

두 가지 유형의 사육 주기는 악티니드 폐기물을 줄일 수 있습니다.

  • 고속 증식로의 고속 중성자는 양성자와 중성자의 짝수로 악티니드 핵을 분열시킬 수 있다.그러한 원자핵은 보통 [41]LWR에 사용되는 핵분열성 연료의 저속 "열 중성자" 공명이 없다.
  • 토륨 연료 사이클은 본질적으로 더 낮은 수준의 무거운 악티니드를 생성합니다.토륨 연료 사이클의 비옥한 물질은 원자량이 232인 반면 우라늄 연료 사이클의 비옥한 물질은 원자량이 238이다.이 질량 차이는 초우라닉 원소가 생성되기 전에 토륨-232가 핵당 6개의 중성자 포획 이벤트를 더 필요로 한다는 것을 의미한다.이 단순한 질량 차이 외에도 원자로는 질량이 증가함에 따라 핵을 핵분열할 수 있는 두 가지 기회를 갖는다.우선 유효연료핵 U233으로, 그리고 2개의 중성자를 흡수함에 따라 다시 연료핵 U235로 [42][43]한다.

핵분열성 연료 재고를 증가시키는 것이 아니라 악티니드를 파괴하는 것이 주 목적인 원자로는 버너 원자로라고도 한다.육종과 연소는 모두 좋은 중성자 경제성에 의존하며, 많은 설계들이 둘 다 할 수 있다.육종 디자인은 비옥한 재료의 육종 담요로 핵심을 둘러싸고 있습니다.폐기물 버너는 노심 주위에 파괴해야 할 불임성 폐기물로 둘러싸여 있다.일부 설계는 중성자 반사체 또는 흡수체를 [16]추가한다.

증식로의 개념

증식로에는 몇 가지 개념이 있다.두 가지 주요 개념은 다음과 같다.

  • 고속 중성자 스펙트럼을 가진 원자로는 고속 증식로(FBR)라고 불리며, 일반적으로 우라늄-238을 연료로 사용한다.
  • 열 중성자 스펙트럼을 가진 원자로는 열 증식 원자로라고 불리며, 일반적으로 토륨-232를 연료로 사용한다.

고속 증식로

LMFBR의 루프 타입과 풀 타입의 차이를 나타내는 개략도.

2006년에 모든 대규모 고속 증식로(FBR) 발전소는 액체 나트륨으로 냉각된 액체 금속 고속 증식로(LMFBR)였다.이것들은,[1]: 43 다음의 2개의 설계 중 하나입니다.

  • 1차 냉각수가 원자로탱크 외부(단, 1차 냉각수의 방사성 Na에 의한 생물학적 차폐체 내부)를 통해 순환되는 루프형
실험 증식기 II로 일체형 고속 원자로의 원형 역할을 했다.
  • 일차 열교환기와 펌프를 원자로 탱크에 담그는 풀 타입

현재의 모든 고속 중성자 원자로 설계는 액체 금속을 1차 냉각수로 사용하여 노심으로부터 발전 터빈에 전력을 공급하는 데 사용되는 증기로 열을 전달한다.FBR은 나트륨이 아닌 액체 금속에 의해 냉각되어 제조되었습니다. 일부 초기 FBR은 수은을 사용했고, 다른 실험용 원자로는 NaK라고 불리는 나트륨-칼륨 합금을 사용했습니다.둘 다 실온에서 액체라는 장점이 있어 실험 설비에 편리하지만 파일럿 발전소나 대규모 발전소에는 그다지 중요하지 않습니다.납 및 납-비스무트 합금도 사용되었습니다.

제안된 제4세대 원자로 유형 중 3개는 FBR이다.[44]

FBR은 보통 최대 20 %의 이산화 플루토늄(PuO2)과 최소 80%의 이산화 우라늄2(UO) 혼합 산화물 연료 코어를 사용합니다.또 다른 연료 옵션은 금속 합금이며, 일반적으로 우라늄, 플루토늄 및 지르코늄(중성자에 대해 "투명하기" 때문에 사용됩니다.농축 우라늄은 자체 사용도 가능하다.

많은 설계들이 핵을 비분열성 우라늄-238이 포함된 튜브의 담요에 둘러싸고 있다. 이 튜브는 노심 내 반응에서 빠른 중성자를 포착함으로써 핵분열성 플루토늄-239로 변환되며(노심 내 우라늄의 일부와 마찬가지로) 핵연료로 재처리된다.다른 FBR 설계는 충분한 고속 중성자 포획을 달성하도록 배치된 연료 자체의 기하학적 구조(우라늄-238 포함)에 의존한다.플루토늄-239(또는 핵분열 우라늄-235) 핵분열 단면은 235Pu/U 핵분열 단면과 U 흡수 단면의 비율과 마찬가지로 열 스펙트럼보다 고속 스펙트럼에서 훨씬 작다.이것은 연쇄반응을 지속하는 데 필요한 235Pu/U의 농도와 번식 대 [16]핵분열 비율을 증가시킨다.반면에 고속 원자로는 감속제가 전혀 필요하지 않으며, 고속 중성자는 느린 중성자보다 핵분열당 더 많은 중성자를 생성한다.이러한 이유로 감속재 및 중성자 흡수체로서 일반 액체 물은 고속 원자로에 바람직하지 않은 1차 냉각수이다.원자로를 냉각시키기 위해서는 노심 내에 많은 양의 물이 필요하기 때문에 중성자의 수율과 그에 따른 Pu의 사육에 큰 영향을 받는다.증식비가 1을 약간 웃돌 정도로 충분히 빠른 스펙트럼을 가질 수 있는 감소된 감속 수형 원자로에 대한 이론적 연구가 수행되었다.이는 액체 수냉식 원자로에서 허용할 수 없는 전력 감소와 높은 비용을 초래할 가능성이 높지만, 초임계 수냉식 원자로(SCWR)의 초임계 수냉식 냉각수는 더 적은 물로 충분한 냉각을 허용하기에 충분한 열 용량을 가지고 있어 고속 스펙트럼 수냉식 원자로가 실질적으로 가능하다.[26]

냉각제, 온도 및 고속 중성자 스펙트럼의 유형은 연료 피복재(일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강 또는 페라이트계 마텐사이트강)를 극한 조건에 놓는다.방사선 손상, 냉각수 상호작용, 응력 및 온도에 대한 이해는 원자로 노심의 안전한 작동을 위해 필요하다.나트륨 냉각 고속 원자로에 사용된 모든 물질은 ONR-RR-088 [45]검토에서 살펴본 바와 같이 한도를 알고 있다.산화물 분산 강화(ODS)강은 오늘날 재료 선택의 단점을 극복하는 장기 내방사선성 연료 클래딩 재료로 간주됩니다.

2017년 현재 상업적으로 가동되고 있는 증식로는 560MWe의 BN-600 원자로와 880MWe의 BN-800 원자로 두 개뿐이다. 둘 다 러시아의 나트륨 냉각 원자로이다.

일체형 고속 원자로

주요 기사:일체형 고속 원자로

폐기물 처리와 플루토늄 문제를 해결하기 위해 특별히 고안된 고속 중성자 원자로의 설계 중 하나는 통합 고속 원자로였다(원래 원자로는 핵분열성 [46][47]물질의 순 잉여를 발생시키지 않도록 설계되었지만 통합 고속 증식 원자로로도 알려져 있다).

폐기물 처리 문제를 해결하기 위해, IFR은 우라늄과 모든 초우라늄(플루토늄뿐만 아니라)을 전기 도금을 통해 재활용하는 전기 연료 재처리 장치를 현장에 설치했고, 폐기물에 짧은 반감기 핵분열 생성물만 남겨두었습니다.이러한 핵분열 생성물 중 일부는 나중에 산업용 또는 의료용으로 분리될 수 있고 나머지는 폐기물 저장소로 보내질 수 있다.IFR 파이로프로세싱 시스템은 용해된 카드뮴 음극과 전자 재연재를 사용하여 [48]원자로에서 금속연료를 현장에서 직접 재처리한다.이러한 시스템은 모든 소악티니드를 우라늄 및 플루토늄과 혼합할 뿐만 아니라 소형이며 자체 완비되어 있어 플루토늄 함유 물질을 증식로 현장에서 운반할 필요가 없다.그러한 기술을 통합한 증식로는 농축 우라늄 및/또는 플루토늄 연료의 최초 적재 후 원자로에 천연 우라늄 금속의 소량 공급만으로 연료를 공급하도록 1.00에 매우 가까운 증식 비율로 설계될 가능성이 높다.한 달에 한 번 배달되는 우유 상자 크기의 천연 우라늄 금속의 양은 1기가와트 원자로가 [49]필요로 하는 연료의 전부일 것이다.그러한 자급식 증식기는 현재 원자로 [3][16]설계자의 최종 자급식 및 자급식 최종 목표로 구상되고 있다.이 프로젝트는 1994년 미국 에너지부 [50][51]장관 헤이즐 오리어리에 의해 취소되었다.

기타 고속로

용융염 원자로 실험의 흑연 노심

또 다른 제안된 고속 원자로는 고속 용융염 원자로로, 용융염의 감속 특성이 미미하다.이는 일반적으로 소금 운반체의 경금속 플루오르화물(예: LiF, BeF2)을 무거운 금속 염화물(예: KCl, RbCl, ZrCl4)로 대체함으로써 달성됩니다.

몇 개의 전구(EBR-I, 1951년)에서 1,000 MWe 이상의 전기 출력에 이르기까지 여러 개의 시제품 FBR이 구축되었다. 2006년 현재, 이 기술은 열원자로 기술에 비해 경제적 경쟁력이 없지만, 인도, 일본, 중국, 한국 및 러시아는 모두 상당한 연구 자금을 투입하여 추가 개발을 추진하고 있다.우라늄 가격 상승이 장기적으로 이를 변화시킬 것으로 예상하는 증식로.반면 독일은 안전성 문제로 기술을 포기했다.SNR-300 고속 증식로는 총 36억 유로의 비용 초과에도 불구하고 19년 만에 완공되었으나 [52]폐기되었다.

인도는 우라늄과 토륨 [citation needed]원료를 모두 사용해 FBR 기술도 개발하고 있다.

열증식로

1977년 8월부터 5년간 경수 증식기로 사용된 해운항 원자로.

첨단 중수로(AHWR)는 토륨의 [53]대규모 사용을 제안하는 몇 안 되는 것 중 하나이다.인도는 상당한 토륨 매장량에 자극받아 이 기술을 개발하고 있다. 세계 토륨 매장량의 거의 3분의 1은 상당한 우라늄 매장량이 부족한 인도에 있다.

해운항 원자력 발전소 60 MWe 원자로의 세 번째이자 마지막 노심은 경수 토륨 증식기로 1977년에 [54]가동되기 시작했다.이산화토륨과 산화우라늄-233으로 만든 펠릿을 사용했다. 초기에 펠릿의 U-233 함량은 종자 영역에서 5-6%, 담요 영역에서 1.5-3%였으며 반사체 영역에서는 없었다.이 발전기는 236 MWt로 가동되어 60 MWe를 발생시켰고, 궁극적으로 21억 킬로와트 이상의 전기를 생산했다.5년 후 핵을 제거한 결과 설치 당시보다 핵분열성 물질이 1.4% 더 많이 함유돼 토륨에서 번식한 [55][56]것으로 나타났다.

액체불소화토륨반응기(LFTR)도 토륨 열증식기로 계획되어 있다.액체-불화물 원자로는 고유의 안전성, 연료봉 제조 불필요, 액체 연료의 간단한 재처리 등과 같은 매력적인 특징을 가지고 있을 수 있다.이 개념은 1960년대 오크리지 국립연구소 용융염 원자로 실험에서 처음 조사되었다.2012년부터 전 세계적으로 [57]새로운 관심의 대상이 되었습니다.일본, 인도, 중국, 영국, 미국, 체코 및 호주 민간기업은 이 [citation needed]기술을 개발 및 상용화할 의사를 표명했다.

논의

원자력 발전의 많은 측면과 마찬가지로 고속 증식로는 수년간 많은 논란의 대상이 되어 왔다.2010년 국제 핵분열 물질 패널은 "60년 동안 수백억 달러에 상당하는 비용을 지출한 후에도 증식로의 약속은 대부분 이행되지 않고 있으며 대부분의 국가에서 이를 상용화하려는 노력은 꾸준히 줄어들었다"고 말했다.독일, 영국, 미국에서는 증식로 개발 프로그램이 [58][59]중단되었다.때로는 명시적이고 때로는 암묵적인 증식로를 추구하는 근거는 다음과 같은 핵심 [59][60]가정에 기초했다.

  • 핵분열 에너지가 대규모로 투입되면 우라늄이 부족하고 고준위 퇴적물이 빠르게 고갈될 것으로 예상됐지만 냉전이 끝난 이후 우라늄은 초기 설계자들이 [61]예상했던 것보다 훨씬 저렴하고 풍부하게 공급되고 있다.
  • 증식로들은 오늘날 원자력 발전을 지배하는 경수로와 경제 경쟁력을 빠르게 갖추게 될 것으로 예상되었지만, 현실은 수냉로보다 자본 비용이 최소 25% 더 많이 드는 것이다.
  • 증식로는 경수로만큼 안전하고 신뢰할 수 있을 것으로 생각되었지만, 나트륨 냉각수를 사용하는 고속 원자로의 안전 문제는 누출로 나트륨 화재가 발생할 수 있는 우려 사항으로 지적되고 있다.
  • 증식자에 의한 증식 위험과 플루토늄을 재활용하는 "폐쇄적" 연료 사이클을 관리할 수 있을 것으로 기대되었다.그러나 플루토늄 증식로는 U238에서 플루토늄을 생산하고, 토륨 원자로는 토륨에서 핵분열성 U233을 생산하기 때문에 이론적으로 모든 증식 주기는 증식 [62]위험을 초래할 수 있다.그러나 U232는 증식로에서 생산되는 U233에 항상 존재하며, 자체 생산물을 통해 강력한 감마 방사체이며, 무기 취급을 극도로 위험하게 만들고 무기를 [63]쉽게 탐지할 수 있다.

과거 반핵 지지자들 중에는 증식로들이 폐기물의 대부분을 효과적으로 재활용하기 때문에 깨끗한 전력원으로써 친핵 세력이 된 사람들이 있다.이것은 원자력의 가장 중요한 부정적인 문제 중 하나를 해결한다.다큐멘터리 '판도라의 약속'에서는 증식로들이 화석 연료 에너지의 실제적인 고출력 대체물을 제공하기 때문에 증식로를 위한 사례가 만들어진다.영화에 따르면, 1파운드의 우라늄은 5,000배럴의 [64][65]석유를 공급한다.

FBR은 미국, 영국, 프랑스, 구소련, 인도 및 [1]일본에서 구축 및 운영되고 있습니다.실험용 FBR SNR-300은 독일에서 만들어졌지만, 체르노빌 참사 이후 정치적 논란 속에 가동되지 않았고 결국 폐쇄되었다.러시아에서는 2019년 현재 2기의 발전용 FBR이 가동되고 있다.몇 개의 원자로가 계획되어 있으며, 그 중 많은 원자로는 4세대 원자로 [timeframe?][66][67][68]이니셔티브와 관련된 연구를 위해 계획되어 있다.

개발 및 주목할 만한 증식로

주목할 만한 증식로[9][69][70][71]
리액터 나라
구축 시		 시작된 셧다운 설계.
MWe		 최종
MWe		 온도
전력 MWt		 용량.
인자		 수
냉각수 누출		 중성자
온도		 냉각수 원자로 클래스
DFR 영국 1962 1977 14 11 65 34% 7 빠른 NaK 시험
BN-350 소비에트 연방 1973 1999 135 52 750 43% 15 빠른 나트륨 시제품
랩소디 프랑스. 1967 1983 0 – 40 – 2 빠른 나트륨 시험
페닉스 프랑스. 1975 2010 233 130 563 40.5% 31 빠른 나트륨 시제품
PFR 영국 1976 1994 234 234 650 26.9% 20 빠른 나트륨 시제품
크나큰 II 독일. 1977 1991 18 17 58 17.1% 21 빠른 나트륨 조사/테스트
SNR-300 독일. 1985 1991 327 – – 비핵실험만 – 빠른 나트륨 시제품/상용
BN-600 소비에트 연방 1981 운영하는 560 560 1470 74.2% 27 빠른 나트륨 시제품/상용(2세대)
FFTF 미국 1982 1993 0 – 400 – 1 빠른 나트륨 시험
슈퍼픽스 프랑스. 1985 1998 1200 1200 3000 7.9% 7 빠른 나트륨 시제품/상용(2세대)
FBTR 인도 1985 운영하는 13 – 40 – 6 빠른 나트륨 시험
PFBR 인도 커미셔닝 커미셔닝 500 – 1250 – – 빠른 나트륨 시제품/상용(3세대)
죠요 일본. 1977 2007 0 – 150 – – 빠른 나트륨 시험
몬주 일본. 1995 2017 246 246 714 시용판만 1 빠른 나트륨 시제품
BN-800 러시아 2015 운영하는 789 880 2100 73.4% – 빠른 나트륨 시제품/상용(3세대)
MSRE 미국 1965 1969 0 – 7.4 – – 에피터말 용융염(FLiBe) 시험
클레멘타인 미국 1946 1952 0 – 0.025 – – 빠른 수성. 세계 최초의 고속 원자로
EBR-1 미국 1951 1964 0.2 0.2 1.4 – – 빠른 NaK 세계 최초의 동력 원자로
페르미-1 미국 1963 1972 66 66 200 – – 빠른 나트륨 시제품
EBR-2 미국 1964 1994 19 19 62.5 – – 빠른 나트륨 실험/테스트
출하항 미국 1977
사육자로서		 1982 60 60 236 – – 온도 경수 실험 코어 3

소련은 1991년 해체된 러시아와 다른 국가들로 구성된 일련의 고속 원자로를 건설했는데, 첫 번째는 수은을 냉각하고 플루토늄 금속을 연료로 하는 것이고, 이후 발전소는 나트륨을 냉각하고 플루토늄 산화물을 연료로 하는 것이다.

BR-1(1955)은 100W(열)였고, 100kW에서 BR-2, 5MW BR-5가 [72]뒤를 이었다.

BOR-60(최초 중요도 1969년)[73]은 60MW였으며 1965년에 건설이 시작되었다.

BN-600(1981년), 그 뒤를 러시아의 BN-800(2016년)

미래 식물

중국 실험용 고속 원자로는 65MW(열), 20MW(전기), 나트륨 냉각 풀형 원자로로 설계 수명은 30년이고 목표 연소량은 100MWd/kg이다.

인도는 FBR 부문의 초기 리더였다.2012년에 고속 증식로 프로토타입이라고 불리는 FBR이 완성되어 [74][75][76]시운전될 예정이었다.이 프로그램은 핵분열성 우라늄-233을 번식시키기 위해 비옥한 토륨-232를 사용하는 것을 의도하고 있다.인도도 토륨 열증식로 기술을 추진하고 있다.인도가 토륨에 초점을 맞추는 것은 전세계 토륨 매장량이 우라늄의 4배인 것으로 알려져 있지만, 토륨 매장량이 많기 때문이다.인도 원자력부(DAE)는 2007년 칼팍캄에서 [77][needs update]각각 500MWe의 증식로 4기를 추가로 건설하겠다고 밝혔다.

인도 원자력 회사인 BHAVINI는 2003년에 설립되어 인도의 3단계 원자력 프로그램에 기재된 모든 2단계 고속 증식로를 건설, 위탁 및 운영하기 위해 설립되었다.이러한 계획을 추진하기 위해 인도 FBR-600은 600 MWe [78][79][76]정격의 풀형 나트륨 냉각 원자로이다.

중국 실험 고속 원자로(CEFR)는 계획된 중국 시제품 고속 원자로(CFRP)[80]의 25MW(e) 원형이다.2011년 [81]7월 21일부터 전력을 생산하기 시작했다.

중국은 2011년 1월 중국과학원(CAS) 연차총회에서 공식 발표된 토륨 용융염 열증식 리액터 기술(액상 불화 토륨 원자로)에 대한 연구개발 프로젝트도 시작했다.최종 목표는 약 20년에 [82][83][needs update]걸쳐 토륨 기반의 용융염 핵 시스템을 조사하고 개발하는 것이었다.

전 NASA 과학자이자 텔레다인 브라운 엔지니어링의 수석 핵 기술자인 커크 소렌슨은 오랫동안 토륨 연료 사이클, 특히 액체 불화물 토륨 원자로의 주창자였다.2011년 소렌센은 군사기지에 [84][85][86][87]전력을 공급하기 위해 20~50MW의 LFTR 원자로 설계를 개발하는 것을 목표로 하는 기업 플리베 에너지를 설립했다.

한국은 이미 개발, 구축한 표준화된 PWR(가압수형 원자로)와 CANDU 설계를 보완하기 위해 수출용 모듈러형 FBR 설계를 개발 중이지만 시제품 제작은 아직 진행하지 않았다.

BN-800 원자로 패밀리로 대체된 BN-600 원자로 컷어웨이 모델.
BN-800 원자로 건설

러시아는 고속 증식로 선단을 대폭 늘릴 계획이다.벨로야르스크의 BN-800 원자로(800 MWe)는 2012년에 완공되어 소형 BN-600의 뒤를 이었다.2014년 6월에 BN-800이 최소 전력 모드로 [88]시동되었습니다.명목 효율의 35%로 작동하는 원자로는 2015년 [89]12월 10일 에너지 네트워크에 기여하였다.그것은 [90]2016년 8월에 전력 생산에 도달했다.

더 큰 BN-1200 원자로(1,200 MWe) 건설 계획은 2018년에 완료될 예정이었으며,[91] 2030년 말까지 추가로 2기의 BN-1200 원자로가 건설되었다.그러나 2015년, 로젠고아톰은 BN-800 원자로의 운영 경험을 더 쌓은 후 연료 설계를 개선할 수 있도록 공사를 무기한 연기했다.[92]

실험용 납 냉각 고속 원자로인 BREST-300이 세베르스크의 시베리아 화학 콤바인에 건설될 예정이다.BREST(러시아어: bystry reaktor so svintsovym teplonositelem, 영어: 납 냉각수가 있는 고속 원자로) 설계는 BN 시리즈의 후속으로 간주되며, SCC의 300 MWe 장치는 상업용 발전 장치로 광범위하게 배치되는 1,200 MWe 버전의 선구자가 될 수 있다.이 개발 프로그램은 우라늄 효율을 위해 고속로를 이용하는 동시에 폐기물로 처분될 방사성 물질을 '태우는' 첨단 원자력 기술 연방 프로그램 2010–2020의 일환이다.그것의 코어는 직경 약 2.3m, 높이 1.1m로 측정되며 16톤의 연료를 포함하고 있다.이 장치는 매년 재급유되며, 각 연료 요소는 노심 내에서 총 5년을 소비합니다.납 냉각수 온도는 약 540°C로 43%의 고효율, 700MWt의 1차 열 생산으로 300MWe의 전력을 제공합니다.이 장치의 작동 수명은 60년이 될 수 있다.이 설계는 2016년부터 [93]2020년 사이에 NIKIET에 의해 2014년에 완성될 것으로 예상된다.

2006년 2월 16일, 미국, 프랑스, 일본은 세계 원자력 파트너십을 [94]지지하는 나트륨 냉각 고속로 연구 및 개발을 위한 "협정"에 서명했다.2007년 4월 일본 정부는 미쓰비시중공업(MHI)을 '일본 FBR 개발의 핵심 기업'으로 선정했다.그 직후, MHI는 미쓰비시 FBR 시스템즈(MFBR)라는 새로운 회사를 설립해, FBR [95]기술을 개발해 판매했다.

프랑스 마르쿨 핵기지, 페닉스(왼쪽).

2010년 9월 프랑스 정부는 위원회([96][97]Commissarity)에 6억5천160만 유로를 배정해 2020년에 완성될 600MW의 4세대 원자로 설계인 아스트리드(ASTRID) 설계를 마무리했다.2013년 현재 영국은 PRISM 원자로에 관심을 보였으며 프랑스와 협력하여 아스트리드를 개발하고 있다.2019년에 CEA는 이 디자인이 [98]금세기 중반 이전에는 구축되지 않을 것이라고 발표했습니다.

2010년 10월, GE 히타치 원자력부는 미국 에너지부의 사바나 리버 사이트 운영자와 양해각서를 체결하고, 설계상의 완전한 원자력규제위원회(NRC) 인가를 받기 전에, 동사의 S-PRISM 고속 증식로를 기반으로 한 데모 플랜트의 건설을 허가한다.2011년 10월 [99]인디펜던트는 영국 원자력해체국(NDA)과 에너지기후변화부(DECC)의 선임고문이 부분적으로 국가의 플루토늄 [100]비축량을 줄이기 위한 수단으로 PRISM의 기술적, 재정적 세부사항을 요청했다고 보도했다.

Intelligent Ventures가 특허로 제안한 진행파형 원자로(TWR)는 원자로의 수십 년 수명 동안 연료 재처리를 필요로 하지 않도록 설계된 고속 증식형 원자로이다.TWR 설계의 증식 연소파는 원자로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하지 않고 안쪽에서 바깥쪽으로 서서히 이동한다.또한 핵변환을 통해 연료의 조성이 변화함에 따라 핵 내에서 연료봉이 지속적으로 재편성되어 주어진 시점에서 중성자속과 연료 사용을 최적화한다.따라서, 파동이 연료를 통해 전파되도록 하는 대신 연료 자체는 대부분 정지된 연소 파동을 통해 이동됩니다.이는 연료봉이 아래로 내려가는 연소 지역이 있는 촛불과 같은 원자로라는 개념을 대중화한 많은 언론 보도와는 상반되는 것이다.TerraPower의 설계에서는 정적 코어 구성을 능동적으로 관리되는 "스탠딩 웨이브" 또는 "솔리톤" 코어로 대체함으로써 매우 가변적인 연소 영역을 냉각하는 문제를 피할 수 있습니다.이 시나리오에서 연료봉의 재구성은 로봇 장치에 의해 원격으로 수행된다. 격납용기는 절차 중에 닫힌 상태로 유지되며 관련 [101]다운타임이 없다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  36. ^ 특히 우라늄-235의 열중성자 핵분열(예: 일반적인 원자로).
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    동위원소 분석 결과 약 10개월 동안 분석한 3개 표본에서 질량 248종이 일정하게 풍부하게 검출됐다.이는 반감기가 9년 이상인 Bk의248 이성질체에 기인한다.Cf의 성장은248 검출되지 않았으며, β− 반감기의 하한을 약 104 [년]으로 설정할 수 있다.새로운 이성질체에 기인하는 알파 활성은 검출되지 않았습니다. 알파 반감기는 아마도 300년 이상일 것입니다."
  38. ^ 이것은 "불안정의 바다"가 생기기 전 최소한 4년의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종이다.
  39. ^ 반감기가 Th를 크게 초과하는 "고전적으로 안정적인" 핵종을 제외하면, 예를 들어 Cd의 반감기는 14년밖에 되지 않지만, Cd의 반감기는 거의 8,000조 년이다.
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