핵연료

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핵연료는 터빈에 전력을 공급하기 위해 열을 생산하기 위해 원자력 발전소에서 사용되는 물질이다.열은 핵연료가 핵분열을 겪을 때 생성된다.

대부분의 핵연료는 핵분열을 겪고 지속할 수 있는 무거운 핵분열 작용을 하는 원소를 포함하고 있다.가장 관련성이 높은 3개의 핵분열 동위원소는 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239이다.이들 원자의 불안정한 핵이 느리게 움직이는 중성자에 부딪히면 분열되어 딸 핵 2개와 중성자 2~3개가 더 생긴다.그리고 나서 이 중성자들은 더 많은 핵들을 분열시킨다.이것은 원자로에서 제어되거나 핵무기에서 제어되지 않는 자생적인 연쇄반응을 만들어낸다.

핵연료를 채굴, 정제, 정화, 사용 및 처분하는 과정을 집합적으로 핵연료 사이클이라고 한다.

모든 종류의 핵연료가 핵분열로부터 전력을 생산하는 것은 아니다; 플루토늄-238과 다른 원소들은 방사성 붕괴에 의한 방사성 붕괴와 다른 종류의 원자 배터리에 의해 소량의 원자력 에너지를 생산하는데 사용된다.

핵연료는 모든 실제 연료 공급원 중에서 에너지 밀도가 가장 높다.

산화연료

핵분열 원자로의 경우, 연료(일반적으로 우라늄에 기초함)는 보통 산화 금속을 기반으로 한다. 산화물은 산화물의 용해점이 금속의 용해점보다 훨씬 높고 연소할 수 없기 때문에 이미 산화상태에 있기 때문에 산화물이 금속 자체보다 사용된다.

이산화 우라늄

이산화 우라늄은 흑색 반도체 고형분이다.질산 천왕성을 가열하여 UO를
₃ 형성할 수 있다.

${\displaystyle {\ce {UO2(NO3)2.6H2O-> UO3 + NO2 + 1/2O2 + 6H2O(g)}}$

이것은 수소로 가열하여 UO를₂ 형성한다.암모니아와 반응하여 이우라늄(Amonium diuranate,${\displaystyle {}_{}^{}}$(${\displaystyle {{\text{NH}}_{}^{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {{4\mathrm{}}_{}^{}}_{}^{}}$) ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ U ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {7\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\$을 형성함으로써 농축 우라늄 헥사플루오르화로부터 만들 수 있다$.$$}}}}$이것은$$ 가열(계산)하여 UO와
₃ UO를₃₈ 형성한 다음 수소나 암모니아로 가열하여 UO를₂ 형성한다.^[1]

UO는₂ 유기 바인더와 혼합되어 펠릿에 압입되며, 이 펠릿들은 고체를 빛내기 위해 훨씬 높은 온도(H₂/Ar)에서 발사된다.모공이 거의 없는 촘촘한 고체를 형성하는 것이 목적이다.

이산화 우라늄의 열전도율은 지르코늄 금속의 열전도율에 비해 매우 낮으며, 온도가 올라갈수록 낮아진다.

물 속의 이산화 우라늄 부식은 금속 표면의 갈바닉 부식과 유사한 전기화학 공정에 의해 제어된다.

MOX

혼합옥사이드 또는 MOX 연료는 플루토늄과 천연 또는 고갈된 우라늄의 혼합물로, 대부분의 원자로가 설계되었던 농축 우라늄 공급과 유사하게(동일하지는 않지만) 작용한다.MOX 연료는 원자력 발전을 앞지르는 경수로에서 사용되는 저농축우라늄(LEU) 연료의 대안이다.

MOX 자체가 잉여 플루토늄을 투과처리하는 수단이지만, 사용한 MOX 코어가 새로운 폐기 과제를 불러올 것이라는 우려가 일부 제기되었다.

MOX를 만들기 위한 상업용 핵연료의 재처리는 셀라필드 MOX 공장(잉글랜드)에서 이루어졌다.2015년 현재 MOX 연료는 프랑스에서 제조되며(마르쿨 원자력 사이트 참조), 러시아(광업과 화학 결합 참조), 인도 및 일본에서도 제조된다.중국은 고속 브리더 원자로(CEFR 참조)와 재처리 기술을 개발할 계획이다.

Global Nuclear Energy Partnership은 사용후 핵연료가 핵연료에 사용 가능한 플루토늄을 렌더링하는 방식으로 재처리되는 것을 보기 위해 조지 W. 부시 행정부에서 미국이 제안한 것이다.미국에서는 비확산 고려로 인해 사용후 상업적-원자로 핵연료의 재처리가 허용되지 않았다.일본을 제외한 다른 재처리 국가들은 모두 오래 전부터 군사 중심의 "연구"-원자로 된 연료로 핵무기를 보유하고 있었다.통상 연료가 3년 내외로 변경되는 상황에서 Pu-239의 약 절반이 원자로에서 '연소'되고 있어 전체 에너지의 약 3분의 1을 공급한다.그것은 U-235처럼 행동하고 그것의 핵분열은 비슷한 양의 에너지를 방출한다.연소율이 높을수록 사용후연료의 플루토늄은 많아지지만 핵분열 플루토늄의 분율은 낮아진다.일반적으로 원자로에서 배출되는 사용후연료의 약 1%가 플루토늄이며, 이 중 3분의 2가 핵분열체(c. 50% Pu-239, 15% Pu-241)이다.전 세계적으로 매년 연료 재급유 시 사용후 연료에 함유된 플루토늄 70여톤이 제거되고 있다.^{[citation needed]}

금속연료

금속 연료는 산화 연료보다 열 전도성이 훨씬 높다는 장점이 있지만 똑같이 높은 온도에서 살아남을 수는 없다.금속 연료는 1946년 클레멘타인 원자로에서 많은 시험 및 연구용 원자로에 이르기까지 오랜 사용 역사를 가지고 있다.금속 연료는 핵분열량이 가장 높을 가능성이 있다.금속 연료는 보통 합금되지만, 일부 금속 연료는 순수 우라늄 금속으로 만들어졌다.지금까지 사용된 우라늄 합금은 우라늄 알루미늄, 우라늄 지르코늄, 우라늄 실리콘, 우라늄 몰리브덴, 우라늄 지르코늄 하이드라이드(UZrH) 등이다.앞서 언급한 모든 연료는 폐쇄된 핵연료 주기의 일부로서 플루토늄과 다른 활성제로 만들어질 수 있다.금속 연료는 EBR-II와 같은 수성 원자로와 액화 금속 패스트 브리더 원자로에 사용되어 왔다.

TRIGA 연료

TRIGA 연료는 TRIGA(Training, Research, Equilities, General Atomics) 원자로에서 사용된다.TRIGA 원자로는 UZrH 연료를 사용하는데, 이는 반응도의 즉각적인 음온계수를 가지고 있는데, 이는 노심 온도가 증가하면 반응도가 감소한다는 것을 의미하기 때문에 용융이 발생할 가능성은 매우 낮다.이 연료를 사용하는 코어는 대부분 초과 유출 중성자를 연구에 활용할 수 있는 '고유출' 코어다.즉, 중성자원으로 사용할 수 있다.TRIGA 연료는 원래 고농축 우라늄을 사용하도록 설계되었지만 1978년 미국 에너지부가 저농축 우라늄 연료로의 원자로 전환을 촉진하는 연구용 농축 프로그램을 시작했다.미국 전역의 위치에 총 35개의 TRIGA 원자로가 설치되었다.다른 나라에도 35기의 원자로가 추가로 설치되었다.

액티나이드 연료

고속 중성자 원자로에서는 우라늄과 플루토늄의 중성자 포획에 의해 생성된 경미한 활성산소를 연료로 사용할 수 있다.금속 액티나이드 연료는 일반적으로 지르코늄, 우라늄, 플루토늄, 경미한 액티나이드의 합금이다.금속 합금의 열팽창이 중성자 누설을 증가시키므로 본질적으로 안전하게 만들 수 있다.

용융 플루토늄

녹는점을 낮추기 위해 다른 금속과 합금하여 탄탈룸으로 포장한 녹은 플루토늄은 1960년대 로스알라모스 국립연구소에서 LAMPRE I와 LAMPRE II라는 두 개의 실험용 원자로에서 시험되었다.^[2]"LAMPRE는 작동 중 세 번의 별도 연료 고장을 경험했다."^[3]

비산화 세라믹 연료

산화물을 제외한 세라믹 연료는 열전도율과 용해점이 높다는 장점이 있지만 산화 연료보다 부기가 더 쉬워서 잘 이해되지 않는다.

질화 우라늄

이것은 종종 NASA가 생산하는 원자로 설계의 연료로, 한 가지 장점은 UN이 UO보다₂ 열전도율이 더 좋다는 것이다.질화 우라늄은 녹는점이 매우 높다.이 연료는 N을 사용하지 않는 한(더 일반적인 N 대신) 질소로부터 (n,p) 반응에 의해 다량의 C가 생성된다는 단점이 있다.그러한 연료에 필요한 질소는 매우 비싸기 때문에 N을 회수할 수 있도록 파이로프로세싱에 의해 연료를 재처리해야 할 가능성이 높다.연료가 처리되어 질산에 용해되면 N으로 농축된 질소가 공통 N으로 희석될 가능성이 있다.불소화 변동성은 질산에 의존하지 않는 재처리 방법이지만 비교적 소규모의 설비에서만 입증된 반면, 확립된 PUREX 공정은 전체 사용후핵연료의 약 3분의 1에 대해 상업적으로 사용되고 있다(다만 '한 번 연료 사이클'을 따르는 경우가 많다).모든 질소 플루오르화 화합물은 실온에서 휘발성 또는 기체성 화합물이며 초기에 사용한 질소를 회수하기 위해 다른 기체 제품(회수 우라늄 6불화우라늄 포함)에서 부분적으로 증류될 수 있다.만약 연료가 비방사성 탄소(공통 핵분열 생성물이 아니며 감속재로 사용하지 않는 원자로에 존재하지 않음)로 낮은 오염을 보장하는 방식으로 처리될 수 있다면, 플루오르화 변동성을 이용하여 탄소 사트라플루오르화물을 생산하여 생산된 C를 분리할 수 있다.¹⁴
C는 다이아몬드 배터리라고 불리는 특히 오래 산 저전력 핵 배터리에 사용하기 위해 제안되었다.

우라늄탄화물

우라늄 카바이드에 대해 알려진 많은 것들은 1960년대와 1970년대 동안 강도 높은 연구 기간 동안 액체 금속 고속 원자로를 위한 핀 형태의 연료 원소의 형태로 알려져 있다.그러나, 최근에는 플레이트 연료의 형태로 우라늄 카바이드에 대한 관심이 되살아나고 있으며, 가장 주목할 만한 것은 마이크로 연료 입자(TRISO 입자 등)이다.

높은 열전도율과 높은 녹는점은 우라늄 카바이드의 매력적인 연료로 만든다.또한 이 연료에 산소가 없기 때문에(조사 과정 중, 과도한 가스 압력은 O 또는₂ 기타 기체의 형성에 의해 형성될 수 있다) 세라믹 코팅 보완 능력(세라믹-세라믹 인터페이스는 구조 및 화학적 장점을 가지고 있음) 우라늄 카바이드(certai)는 certai의 이상적인 연료 후보가 될 수 있다.n 기체 냉각 고속 원자로와 같은 4세대 원자로.탄소의 중성자 단면은 낮은 반면, 연소 기간 중 C는 대부분 중성자 포획을 통해 방사성 C뿐만 아니라 안정적인 C를 생성하게 된다.질산우라늄을 사용하여 생산된 C와 달리, C는 전체 탄소 함량에서 작은 동위원소 불순물만을 구성하여 전체 탄소 함량을 비핵 용도에 적합하지 않게 만들지만, 농축 없이 핵 배터리에 사용하기에는 C 농도가 너무 낮을 것이다.감속재로 사용되었던 원자로에서 방출된 핵 흑연은 동일한 문제를 제시한다.

액체연료

액체연료는 용해된 핵연료를 함유한 액체로서 기존의 고체연료 접근법에 비해 많은 운영상 이점을 제공하는 것으로 나타났다.^[4]

액체연료 원자로는 본질적으로 안정된 "자체 조정" 원자로 역학 때문에 상당한 안전상의 이점을 제공한다.이는 두 가지 주요 이점을 제공한다. 즉, 원자로 용융 가능성을 사실상 배제하고, 전기 발생 및 고온 산업용 열 용도에 매우 적합한 자동 부하 추적 기능을 제공하는 것이다.

액체 코어의 또 다른 주요 장점은 수동적으로 안전한 덤프 탱크에 빠르게 배수되는 능력이다.이러한 이점은 매우 성공적인 4년간의 용융 염화 원자로 실험 동안 주간 정지 절차의 일환으로 결정적으로 반복적으로 입증되었다.

Another huge advantage of the liquid core is its ability to release xenon gas which normally acts as a neutron absorber (¹³⁵
Xe is the strongest known neutron poison and is produced both directly and as a decay product of ¹³⁵
I as a fission product) and causes structural occlusions in solid fuel elements (leading to the early replacement of solid fuel rods많은 장수의 액티니드를 포함하여 98% 이상의 핵연료를 태우지 않은 상태.이와는 대조적으로, 용융 염화 원자로(MSR)는 연료 혼합물을 상당히 긴 시간 동안 유지할 수 있으며, 이는 연료 효율을 극적으로 증가시킬 뿐만 아니라 정상적인 작동 특성의 일부로서 자체 폐기물의 대부분을 소각한다.Xe가 중성자를 포획할 수 있도록 하는 대신, 기본적으로 안정적이고 화학적으로 불활성인 Xe로 변환시키는 것의 단점은, 다른 알칼리 금속과 비슷하게 작용하고 신진대사에 있어 유기체에 의해 흡수될 수 있는, 화학적으로 반응성이 높은 장수 방사능 Cs로 빠르게 부패하게 된다는 것이다.

용융염

용해된 소금 연료는 용해된 소금 냉각수에 직접 용해된 핵연료를 가지고 있다.액화불소토륨원자로(LFTR)와 같은 용융염연료 원자로는 냉각재에 핵연료를 용해하지 않는 용융염냉각 원자로와 다르다.

용융된 소금 연료는 용융된 소금 원자로 실험으로 알려진 LFTR과 다른 액체 노심 원자로 실험에서 사용되었다.용융 염화 원자로의 액체 연료는 리튬, 베릴륨, 토륨, 우라늄 불소 혼합물 LiF-BeF-ThF-UF₂₄₄(72-16-12-0.4 mol%)이었다.실험에서 최고 운용온도는 705℃였지만 녹은 소금의 비등점이 1400℃를 초과했기 때문에 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있었다.

천왕성염의 수용액

수용성 동질 원자로(AHR)는 물에 있는 천왕성 황산염 또는 다른 우라늄 염의 용액을 사용한다.역사적으로 AHR은 모두 대형 발전소가 아닌 소규모 연구용 원자로였다.의료용 동위원소 생산 시스템이라고 알려진 AHR이 의료용 동위원소 생산을 위해 고려되고 있다.^[5]

액체금속 또는 합금

이중 유체 원자로는 U-Cr 또는 U-Fe와 같은 Eutectic 액상 금속 합금으로 작동하는 변형 DFR/m을 가지고 있다.^[6]

핵연료의 일반적인 물리적 형태

이산화우라늄(UO₂) 분말을 원통형 펠릿에 압축한 뒤 고온에서 소결시켜 밀도가 높고 물리적 성질과 화학적 조성이 잘 정의된 세라믹 핵연료 펠릿을 생산한다.그라인딩 공정을 사용하여 공차가 좁은 균일한 원통형 형상을 구현한다.그런 다음 그러한 연료 알갱이를 쌓아서 금속 튜브에 채워 넣는다.관에 사용되는 금속은 원자로 설계에 따라 달라진다.과거에는 스테인리스강을 사용했지만 현재는 대부분의 원자로가 지르코늄 합금을 사용하고 있는데, 이 합금은 내식성이 높을 뿐 아니라 중성자 흡수율도 낮다.연료 알갱이가 들어 있는 튜브는 밀봉되어 있다. 이 튜브를 연료봉이라고 한다.완성된 연료봉은 원자로 노심 축조에 사용되는 연료 조립체로 분류된다.

클래딩은 냉각재와 핵연료 사이에 있는 연료봉의 외부 층이다.열 중성자의 경우 흡수 단면이 낮은 내식성 물질로 만들어졌으며, 일반적으로 현대 건설의 경우 지르칼로이 또는 강철로, 또는 지금은 오지 마그녹스 원자로의 경우 알루미늄 및 기타 금속이 소량 함유된 마그네슘으로 구성되어 있다.클래딩은 방사성 핵분열 파편이 연료를 냉각재로 빠져나와 오염시키는 것을 방지한다.방사능 누출 방지 외에도, 이것은 또한 냉각수를 가능한 비부식성으로 유지하고 화학적으로 공격적인 핵분열 생성물과 냉각재 사이의 반응을 방지하는 역할을 한다.(예: 물과 강하게 반응하여 수소를 생성하며 더 일반적인 핵분열 생성물 중 하나인 고반응성 알칼리 금속 세슘)

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  원자력규제위원회(NRC)의 미방사(신선한) 연료 펠릿 사진.

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  조립 준비가 된 신선한 연료 알갱이의 NRC 사진.

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  NRC가 검사 중인 신선한 연료 어셈블리의 사진.

PWR 연료

가압수형 원자로(PWR) 연료는 원통형 로드를 묶음으로 넣어 구성한다.산화 우라늄 세라믹이 펠릿으로 형성되어 지르칼로이 튜브에 함께 끼워진다.지르칼로이 관은 지름이 약 1cm이며, 연료 피복재 간격은 헬륨 가스로 채워져 연료로부터 피복재까지의 열전도를 개선한다.연료다발당 약 179–264개의 연료봉이 있으며 약 121 - 193개의 연료다발이 원자로 노심에 적재된다.일반적으로 연료다발은 14×14~17×17번으로 묶인 연료봉으로 구성된다.PWR 연료다발은 길이가 약 4m이다.PWR 연료다발에서는 제어봉이 상단을 통해 연료다발에 직접 삽입된다.연료다발은 대개 U.S.에서 몇 퍼센트 농축된다. 산화 우라늄은 관에 삽입하기 전에 건조된다. 세라믹 연료의 습기를 제거하기 위해 부식과 수소 부서짐을 유발한다.지르칼로이 튜브는 헬륨으로 가압되어 장기간 연료봉 고장으로 이어질 수 있는 펠릿-피복 상호작용을 최소화한다.

BWR 연료

BWR(Boiling water reactor, BWR)에서 연료는 PWR 연료와 유사하다. 단, 다발은 "캔"이다.즉, 각 보따리를 둘러싸고 있는 얇은 관이 있다.이는 주로 국부밀도 변화가 원자로 노심의 중성자학 및 열유압학 등에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 수행된다.현대의 BWR 연료다발에서는 제조사에 따라 조립당 91, 92 또는 96개의 연료봉이 있다.가장 작은 조립품의 경우 368개에서 가장 큰 미국 BWR의 경우 800개 사이의 범위가 원자로 노심을 형성한다.각 BWR 연료봉은 약 3기압(300kPa)의 압력까지 헬륨으로 채워진다.

캔두 연료

CANDU 연료다발은 길이가 약 반 미터, 지름이 10 cm이다.그것들은 지르코늄 합금 튜브의 소결(UO₂) 펠릿으로 구성되며, 지르코늄 합금 엔드 플레이트에 용접된다.각 묶음은 약 20 kg이며, 설계에 따라 일반적인 코어 하중은 4500–6500 묶음이다.현대형에는 일반적으로 번들의 긴 축에 대해 방사상으로 배열된 37개의 동일한 연료 핀이 있지만, 과거에는 여러 개의 다른 구성과 핀 수가 사용되었다.CANFLEX 번들은 두 개의 요소 크기를 가진 43개의 연료 요소를 가지고 있다.또한 지름이 약 10cm(4인치), 길이 0.5m(20인치), 무게는 약 20kg(44lb)이며 37핀 표준다발을 대체한다.핀 직경이 서로 다른 두 개를 활용해 연료 성능을 높이도록 특별히 설계했다.현재의 CANDU 설계는 임계도를 달성하기 위해 농축 우라늄을 필요로 하지 않지만(그들의 보다 효율적인 중수 감속재 때문에), 일부 새로운 개념은 원자로의 크기를 줄이기 위해 낮은 농축을 요구한다.

덜 일반적인 연료 형태

다양한 다른 핵연료 형태는 특정 용도에서 사용되나 BWR, PWR 및 CANDU 발전소에서 발견되는 연료의 광범위한 사용은 부족하다.이러한 연료 형태들 중 다수는 연구용 원자로에서만 발견되거나 군사용 응용이 가능하다.

마그녹스 연료

마그녹스(Magnesium non-oxidizing) 원자로는 천연 우라늄(즉, 무농축)을 연료로, 마그녹스 합금을 연료 피복재로 사용하여 가압, 이산화탄소 냉각, 흑연 감속 원자로를 사용한다.강철 압력 용기의 작동 압력은 6.9에서 19.35bar까지 다양하며, 두 개의 철근 콘크리트 설계는 24.8과 27bar에서 작동했다.마그녹스 합금은 주로 소량의 알루미늄과 기타 금속을 함유한 마그네슘으로 구성되며, 핵분열 생성물을 함유하기 위해 비산소 커버와 함께 피복재 비농축 우라늄 금속 연료에 사용된다.이 물질은 중성자 포획 단면이 낮다는 장점이 있지만 크게 두 가지 단점이 있다.

• 그것은 발전소의 최대 온도와 열 효율을 제한한다.
• 물과 반응해 사용후연료를 물속에 장기간 저장하는 것을 방지한다.

마그녹스 연료는 낮은 작동 온도에도 불구하고 최대 열 전달을 제공하기 위해 냉각 핀을 통합해 생산 비용이 많이 들었다.산화물이 아닌 우라늄 금속을 사용하면 재처리가 더 간단하고 따라서 비용이 저렴해진 반면, 원자로에서 제거 후 단시간 내에 연료를 재처리해야 한다는 것은 핵분열 생성물 위험이 심각하다는 것을 의미했다.이 위험을 해결하려면 값비싼 원격 처리 시설이 필요했다.

TRISO 연료

트리스토럴 이등방성(TRIO) 연료는 마이크로 연료 입자의 일종이다.중앙에 UO_X(때로는 UC 또는 UCO)로 구성된 연료 커널로 구성되며, 유동화 화학 증기 증착(FCVD)을 통해 침전된 3개의 등방성 물질의 4개 층으로 코팅되어 있다.4개 층은 핵분열 생성물 반동을 흡수하는 탄소성 다공성 완충층이며, 그 뒤를 보호용 열융성 탄소(PyC)의 밀도 있는 내부층이 따르고, 이어서 SiC의 세라믹 층이 상승된 온도에서 핵분열 생성물을 보존하고 TRISO 입자의 구조적 무결성을 더 많이 부여하며, 그 뒤에 PyC의 밀도 높은 외부층이 나타난다.그런 다음 TRISO 입자는 원통형 또는 구형 흑연 펠릿으로 캡슐화된다.TRISO 연료 입자는 최대 1600 °C의 온도에서 프로세스로부터의 스트레스(미분열팽창 또는 핵분열 가스 압력 등)로 인해 균열이 발생하지 않도록 설계되었으며, 따라서 적절히 설계된 원자로에서 최악의 사고 시나리오에서 연료를 포함할 수 있다.그러한 두 개의 원자로 설계는 프리즘 블록 가스 냉각 원자로(GT-MHR 등)와 조약돌형 원자로(PBR)이다.이러한 원자로 설계는 모두 고온 가스 원자로(HTGR)이다.이것들은 또한 훨씬 더 높은 HTGR 배출구 온도에 도달하려고 시도하는 4세대 이니셔티브의 6가지 원자로 설계 중 하나인 초고온 원자로(VHTR)의 기본 원자로 설계다.

TRISO 연료 입자는 원래 영국에서 드래곤 원자로 프로젝트의 일환으로 개발되었다.SiC를 확산 장벽으로 포함시키는 것은 D에 의해 처음 제안되었다.T. 리비.^[7]TRISO 연료를 사용한 첫 번째 원자로는 드래곤 원자로였고 첫 번째 발전소는 THTR-300이었다.현재 실험용 원자로, 중국의 HTR-10, 일본의 고온공학시험용 원자로 등에 TRISO 연료 압축이 사용되고 있다.UO와₂ UC솔루션 커널이 있는 TRISO 입자를 활용하는 구형 연료소자는 미국의 Xe-100에서 사용되고 있다.

쿼드리스오 연료

QUDRISO 입자에서는 연소성 중성자 독(산화유로피움 또는 산화 에르비움 또는 카바이드) 층이 일반 TRISO 입자의 연료 커널을 둘러싸고 반응성의 과잉을 보다 잘 관리한다.코어에 TRISO와 QUDRISO 연료가 모두 장착된 경우, 생명 중성자는 연소성 독물질에 의해 정지되기 때문에 QUDRISO 입자의 연료에 도달하지 못한다.원자로 운전 중, 독물질의 중성자 조사는 독을 "소각"시키거나 독성이 없는 동위원소로 점진적으로 변화시켜, 이 독물질 효과를 감소시키고 연쇄반응을 유지하기 위해 점진적으로 더 많은 중성자를 사용할 수 있게 한다.이 메커니즘은 핵분열 생성물의 피할 수 없는 부분인 바람직하지 않은 중성자 독의 축적을 보상하며, 일반적인 핵분열 연료 "소진" 또는 고갈을 보상한다.일반화된 QUDRISO 연료 개념에서 독은 결국 연료 커널이나 외부 화탄소와 혼합될 수 있다.QUDRISO^[8] 개념은 Argonne National Laboratory에서 구상되었다.

RBMK 연료

RBMK 원자로 연료는 소련이 설계하고 건설한 RBMK형 원자로에서 사용되었다.이것은 저농축 우라늄 산화물 연료다.RBMK의 연료 요소는 각각 3m 길이로 되어 있으며, 이들 중 2개는 각 연료 채널인 압력 튜브에 앞뒤로 놓여 있다.러시아 VVER 원자로 사용후 연료로부터 재처리된 우라늄은 RBMK 연료를 가공하는데 사용된다.체르노빌 사고에 이어 제어봉 개조와 추가 흡수제 도입 등을 보완하기 위해 연료 농축을 2.0%에서 2.4%로 변경했다.

세르메트 연료

CerMet 연료는 금속 매트릭스에 내장된 세라믹 연료 입자(일반적으로 산화 우라늄)로 구성된다.이런 종류의 연료가 미국 해군 원자로에서 사용되는 것이라는 가설이^{[by whom?]} 있다.이 연료는 열 수송 특성이 높아 다량의 팽창에도 견딜 수 있다.

플레이트형 연료

플레이트형 연료는 지난 몇 년간 인기가 떨어졌다.판형 연료는 일반적으로 금속 피복재 사이에 낀 농축 우라늄으로 구성된다.플레이트형 연료는 세라믹, 원통형 연료에서 볼 수 있는 고온 없이 재료 조사 연구나 동위원소 생산과 같은 용도로 높은 중성자 유속이 필요한 여러 연구용 원자로에서 사용된다.현재 아이다호 국립 연구소의 첨단 실험 원자로(ATR)와 매사추세츠 대학교 로웰 방사선 연구소의 핵 연구 원자로에서 사용되고 있다.^{[citation needed]}

나트륨결합연료

나트륨 결합 연료는 연료 슬러그(또는 펠릿)와 피복재 사이의 틈새에 액체 나트륨이 있는 연료로 구성된다.이 연료 타입은 나트륨 냉각 액화 금속 고속 원자로에 자주 사용된다.EBR-I, EBR-II 및 FFTF에서 사용되어 왔다.연료 슬러그는 금속 또는 세라믹일 수 있다.나트륨 본딩은 연료의 온도를 낮추는 데 사용된다.

내재해성 연료

사고 허용 연료(ATF)는 일련의 새로운 핵연료 개념으로, 냉각재상실사고(LOCA)나 반응 개시사고(RIA)와 같이 사고조건에서 연료 성능을 개선하기 위해 연구된다.이러한 우려는 일본 후쿠시마 제 1 원자력 발전소 사고 이후 특히 사고 조건에서의 경수로(LWR) 연료 성능에 관해 더욱 두드러지게 되었다.^[9]

이 연구의 목적은 기존 연료 설계보다 상당히 긴 기간 동안 활성 냉각 손실을 견딜 수 있고 사고 시 방사성핵종의 방출을 방지하거나 지연시킬 수 있는 핵연료를 개발하는 것이다.^[10]이 연구는 연료 알갱이와 피복재의 설계뿐만 아니라 둘 사이의 상호작용을 재고하는 데 초점을 맞추고 있다.^[11]

사용후핵연료

사용된 핵연료는 핵분열 생성물, 우라늄, 플루토늄, 이앙utonium 금속이 복합적으로 혼합된 것이다.원자로에서 높은 온도에서 사용된 연료에서는 연료가 이질적인 것이 일반적이다; 종종 연료는 팔라듐과 같은 백금 그룹 금속의 나노 입자를 포함할 것이다.또한 연료가 갈라지고, 부어오르고, 용해점에 가깝게 가열되었을 수도 있다.사용한 연료가 균열될 수 있다는 사실에도 불구하고, 그것은 물에서 매우 불용성이며, 이산화 우라늄 결정 격자 안에 액티니이드와 핵분열 생성물의 대부분을 유지할 수 있다.사용후 핵으로 인한 방사선 위험은 방사성 구성 요소가 부패함에 따라 감소하지만, 수년 동안 높은 수준을 유지하고 있다.예를 들어 원자로에서 제거된 지 10년이 지난 후에도 일반적인 사용후연료 조립체의 표면 선량률이 여전히 시간당 10,000 렘을 초과하여 단 몇 분 만에 치명적인 선량이 발생한다.^[12]

사고 조건에서의 산화 연료

두 가지 주요 방출 모드가 존재한다. 즉, 핵분열 생성물은 기화되거나 연료의 작은 입자가 분산될 수 있다.

연료 거동 및 방사선 조사 후

PIE(Post-Iradiation Examination)는 핵연료와 같은 사용핵물질에 대한 연구다.그것은 여러 가지 목적이 있다.사용된 연료의 검사를 통해 정상적인 사용 중 발생하는 고장 모드(그리고 사고 중 연료가 작동하는 방식)를 연구할 수 있는 것으로 알려져 있다.또한 연료 사용자들이 연료의 품질을 확신할 수 있도록 하는 정보를 얻으며 또한 새로운 연료의 개발을 돕는다.큰 사고 후에 코어는 보통 무슨 일이 일어났는지 알아내기 위해 PIE의 대상이 된다.PIE가 행해진 한 곳은 고방사성 물질 연구를 위한 EU의 중심지인 ITU이다.

고방사선 환경(원자로 등)에 있는 물질은 붓기와^[13] 비열 크리프와 같은 독특한 행동을 할 수 있다.물질 내에서 (연료에서 일어나는 일 등) 핵반응이 일어난다면, 스토이치측정법도 시간이 지남에 따라 서서히 변화할 것이다.이러한 행동들은 새로운 물질적 특성, 균열, 핵분열 가스 방출로 이어질 수 있다.

이산화 우라늄의 열전도율은 낮다. 다공성과 연소율의 영향을 받는다.화상으로 인해 핵분열 생성물이 격자(란타니드 등), 팔라듐 등 핵분열 생성물의 강수량, 제논·크립톤 등 핵분열 생성물에 의한 핵분열 가스 거품 형성, 격자 방사선 손상 등이 발생한다.열전도율이 낮으면 사용 중 펠릿의 중심 부분이 과열될 수 있다.다공성은 연료의 열전도율과 사용 중 발생하는 부기의 감소를 초래한다.

국제원자력안전센터에^[14] 따르면 이산화 우라늄의 열전도도는 일련의 방정식에 의해 다른 조건에서 예측할 수 있다.

연료의 대량 밀도는 열전도도와 관련될 수 있다.

여기서 ρ은 연료의 대량 밀도, ρ은_td 이산화 우라늄의 이론 밀도다.

그 후 다공성 위상(K_f)의 열전도도는 다음 방정식에 의해 완벽한 위상(K_o, 다공성 없음)의 전도도와 관계가 있다.s는 구멍의 형상 인자에 대한 용어라는 점에 유의하십시오.

K_f = K_o(1 − p/1 + (s − 1)p)

리스의 디스크나 포브스의 방법, 서얼의 막대 같은 전통적인 방법을 사용하여 열전도도를 측정하기보다는 소형 연료 디스크가 용광로에 놓여 있는 레이저 플래시 분석을 사용하는 것이 일반적이다.디스크의 필요한 온도로 가열된 후, 디스크의 한쪽은 레이저 펄스로 조명을 받아 열파가 디스크로 흐르는데 필요한 시간, 디스크의 밀도, 디스크의 두께 등을 이용하여 열전도도를 계산하고 결정할 수 있다.

λ = ρC_pα

• λ 열전도도
• ρ 밀도
• C_p 열 용량
• α 열 확산성

만약 t가_1/2 비조명 표면이 최종 온도 상승의 반을 경험하는 데 필요한 시간으로 정의되었다면,

α = 0.1388 L²/t_1/2

• L은 디스크의 두께다.

자세한 내용은 K를 참조하십시오.신자토와 T. 바바(2001년).^[15]

방사성 동위원소 붕괴 연료

방사성 동위원소 배터리

원자 배터리(핵전지 또는 방사성 동위원소 배터리라고도 함)는 방사능 붕괴를 사용하여 전기를 발생시키는 장치다.이 시스템들은 낮은 에너지 베타 입자 또는 때로는 다양한 에너지의 알파 입자를 생성하는 방사성 동위원소를 사용한다.저에너지 베타 입자는 무거운 차폐가 필요한 고에너지 침투 브림스트라흘룽 방사선의 생성을 방지하기 위해 필요하다.플루토늄-238, 큐륨-242, 큐륨-244, 스트론튬-90과 같은 방사성 동위원소가 사용되었다.삼중수소, 니켈-63, 프로메튬-147, 테크네튬-99가 시험되었다.

원자 배터리의 두 가지 주요 범주가 있다: 열과 열이다.다양한 디자인을 가진 비열 원자 배터리는 충전된 알파 입자와 베타 입자를 이용한다.이러한 설계에는 직접 충전 발전기, 베타볼태틱스, 광전자 핵 배터리 및 방사성 동위원소 압전 발전기가 포함된다.반면에 열 원자 배터리는 방사능 붕괴에서 나오는 열을 전기로 변환시킨다.이러한 설계에는 열이온 변환기, 열전극전지, 알칼리-금속-전기 변환기 및 가장 일반적인 설계인 방사성 이소토프 열전 발전기가 포함된다.

방사성 동위원소 열전 발전기

방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)는 열전대를 배열하여 열을 방사성 동위원소에서 전기로 변환하는 간단한 전기 발전기다.

²³⁸
Pu는
이산화 플루토늄의 형태로 RTG에 가장 널리 사용되는 연료가 되었다.반감기가 87.7년이고, 에너지 밀도가 적당하며, 감마선과 중성자 방사선 수치가 유난히 낮다.일부 러시아 육상 RTG는 Sr을
사용해왔다; 이 동위원소는 반감기가 짧고 에너지 밀도가 훨씬 낮지만 더 싸다.1958년 미국 원자력위원회가 처음 건설한 초기 RTGs는 포를
사용해 왔다.이 연료는 엄청나게 큰 에너지 밀도를 제공하지만(폴로늄-210 한 그램은 140와트의 열을 발생시킨다) 매우 짧은 반감기와 감마 생산 때문에 사용이 제한되어 있으며, 이 용도에 대해서는 단계적으로 사용이 중단되었다.

방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)

방사성 동위원소 히터 장치(RHU)는 일반적으로 플루토늄-238의 몇 그램의 붕괴에서 추출한 약 1와트의 열을 각각 제공한다.이 열은 수십 년 동안 계속 발산된다.

그들의 기능은 민감한 장비(외계의 전자제품 등)의 국부적 난방을 제공하는 것이다.더 카시니-토성으로 가는 Huygens 궤도선에는 82개의 장치가 있다(발전용 3개의 주요 RTG 이외에).타이탄으로 가는 Huygens 탐사선은 35개의 장치를 포함하고 있다.

핵융합연료

핵융합 연료는 가상의 핵융합 발전소에서 사용하기 위한 연료다.여기에는 헬륨-3(²He)³뿐만 아니라 중수소(H)와 ³삼중수소(H)도 포함된다.많은 다른 원소들은 함께 융합될 수 있지만, 핵의 전하가 크다는 것은 훨씬 더 높은 온도가 필요하다는 것을 의미한다.가장 가벼운 원소의 융합만이 미래의 에너지원으로 심각하게 고려되고 있다.태양과 별에서 행해지는 것처럼 가장 가벼운 원자 H 수소의 융합도 지구에서는 실용적이라고 여겨지지 않았다.핵분열 연료보다 핵융합 연료의 에너지 밀도가 훨씬 높고, 몇 분 동안 지속된 핵융합 반응이 이뤄졌지만, 핵융합 연료를 순 에너지원으로 활용하는 것은 이론적 가능성만 남는다.^[16]

1세대 핵융합 연료

중수소와 삼중수소는 둘 다 1세대 핵융합 연료로 간주된다. 핵에 대한 전하가 모든 원소 중 가장 낮기 때문에 그것들은 융합하기 가장 쉽다.에너지 생성에 사용될 수 있는 가장 흔히 인용되는 세 가지 핵반응은 다음과 같다.

²H + ³H → n (14.07 MeV) + ⁴He (3.52 MeV)

²H + ²H → n (2.45 MeV) + ³He (0.82 MeV)

²H + ²H → p (3.02 MeV) + ³H (1.01 MeV)

제2세대 핵융합연료

2세대 연료는 1세대 핵융합 연료에 필요한 것보다 더 높은 구속 온도나 긴 구속 시간을 필요로 하지만 중성자는 더 적게 발생한다.중성자는 핵융합 반응들이 핵융합실 벽에 흡수되어 방사성 물질로 만들기 때문에 에너지 생성 맥락에서 원치 않는 핵융합 반응의 부산물이다.그것들은 전기적으로 충전되지 않기 때문에 자기장에 의해 제한될 수 없다.이 그룹은 중수소와 헬륨-3로 구성되어 있다.이 제품들은 모두 전하 입자지만 중성자의 생산으로 이어지는 상당한 부작용들이 있을 수 있다.

²H + ³He → p (14.68 MeV) + ⁴He (3.67 MeV)

제3세대 핵융합연료

제3세대 핵연료는 1차 반응에서 전하 입자만 생성하며, 측면 반응은 상대적으로 중요하지 않다.매우 적은 양의 중성자가 생성되기 때문에, 핵융합실 벽에는 유도 방사능이 거의 없을 것이다.이것은 종종 퓨전 연구의 최종 목표로 여겨진다.³그는 3세대 핵융합 연료 중 맥스웰리안 반응성이 가장 높다.그러나 지구에는 이 물질의 중요한 자연원이 없다.

³He + He → 2p + He (12.86 MeV)

또 다른 잠재적 애뉴트로닉 핵융합 반응은 양성자-보론 반응이다.

p + ¹¹B → 3 ⁴He (8.7 MeV)

합리적인 가정 하에서, 측면 반응은 중성자에 의해 약 0.1%의 핵융합 에너지를 전달하게 될 것이다.123 keV로 이 반응의 최적 온도는 순수 수소 반응의 경우보다 10배 가까이 높으며, 에너지 억제는 D-T 반응에 필요한 것보다 500배 이상 우수해야 하며, 출력 밀도는 D-T보다 2500배 낮을 것이다.^{[citation needed]}

참고 항목

• 핵분열재
• 글로벌 핵에너지 파트너십
• 통합 핵연료 사이클 정보 시스템
• 원자력 재해 및 방사능 사고 목록
• 핵연료은행
• 핵연료 사이클
• 재처리 우라늄
• 우라늄시장

참조

외부 링크

PWR 연료

• "NEI fuel schematic". Archived from the original on 2004-10-22. Retrieved 2005-12-14.
• "Picture of a PWR fuel assembly". Archived from the original on 2015-04-23. Retrieved 2005-12-14.
• PWR 번들의 처리를 보여주는 그림
• "Mitsubishi nuclear fuel Co". Archived from the original on 2012-02-24. Retrieved 2005-12-14.

BWR 연료

• "Picture of a "canned" BWR assembly". Archived from the original on 2006-08-28. Retrieved 2005-12-14.
• LWR 연료의 물리적 설명
• 핵 관광 웹 페이지의 BWR 사진에 대한 링크

캔두 연료

• CANDU 연료 사진 및 FAQ
• CANDU 설계 기본 사항
• CANDU 연료 사이클의 발전과 세계 평화에 대한 잠재적 기여
• "CANDU Fuel-Management Course" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2006-03-15. Retrieved 2005-12-17.
• CANDU 연료 및 원자로 세부사항 (핵 관광객)
• 캔두 연료봉 및 번들

TRISO 연료

• TRISO 연료 데스크립시온
• X-Ray 형광 마이크로토모그래피 기법을 이용한 SiC 핵연료 쉘의 비파괴검사
• GT-MHR 연료 압축 프로세스
• "pebbles"용 TRISO
• TRISO 연료 생산의 다양한 단계를 보여주는 LANL 웹 페이지
• TRISO 연료의 온도 프로파일을 계산하는 방법

쿼드리스오 연료

• QUDRISO 연료의 개념설계

CERMET 연료

• "A Review of Fifty Years of Space Nuclear Fuel Development Programs" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2005-12-30. Retrieved 2005-12-14.
• Soria 기반 Cermet 핵연료: 분무건조에 의한 소결 마이크로스피어 제작
• "The Use of Molybdenum-Based Ceramic-Metal (CerMet) Fuel for the Actinide Management in LWRs" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2006-03-19. Retrieved 2005-12-14.

플레이트형 연료

• IMT-2000 3GPP-INL 원자로 목록 및 ATR 코어 그림
• ATR 플레이트 연료

TRIGA 연료

• "General Atomics TRIGA fuel website". Archived from the original on 2005-12-23. Retrieved 2005-12-14.

핵융합연료

• 고급 핵융합 연료 프레젠테이션