가압 중수로

Pressurized heavy-water reactor

가압중수로(PHWR)는 중수(산화중수소2 DO)를 냉각수 및 중성자 [1]감속재로 사용하는 원자로이다.PHWR은 천연 우라늄을 연료로 자주 사용하지만 때로는 매우 저농축 우라늄을 사용하기도 한다.중수 냉각수는 비등하지 않도록 압력을 유지하므로 가압수형 원자로와 마찬가지로 증기 기포를 형성하지 않고 (대부분) 더 높은 온도에 도달할 수 있다.중수는 일반 물(중수와는 대조적으로 종종 경수로라고 함)에서 분리하는 데 매우 비용이 많이 들지만, 중성자의 낮은 흡수는 원자로의 중성자 경제를 크게 증가시켜 농축 연료의 필요성을 회피한다.중수의 높은 비용은 천연 우라늄 및/또는 대체 연료 사이클의 낮은 비용으로 상쇄된다.2001년 초 현재 31기의 PHWR이 가동되고 있으며, 총용량은 16.5GW(e)이며, 수로는 약 7.76%, 현재 가동 중인 모든 원자로의 발전용량은 약 4.7%이다.

중수 사용 목적

다음 항목도 참조하십시오.원자로 물리학, 핵분열 및 중수

원자로 내에서 핵 연쇄 반응을 유지하는 열쇠는 평균적으로 각 핵분열 사건에서 방출되는 중성자 중 하나를 사용하여 다른 핵분열 사건(다른 핵분열 사건)을 자극하는 것이다.원자로 형상의 신중한 설계와 반응도에 영향을 미치도록 존재하는 물질의 신중한 제어를 통해 자생 연쇄 반응 또는 "임계"를 달성하고 유지할 수 있다.

천연 우라늄은 다양한 동위원소(주로 U)와 훨씬 적은 양의 [2]U(중량 기준 약 0.72%)로 구성되어 있다. 약 1MeV 이상의 비교적 에너지 중성자에 의해서만 발사될 수 있다.핵분열 과정에서 방출되는 중성자보다 더 많은 중성자를 기생적으로 흡수하는 경향이 있기 때문에 어떤 양의 U도 "임계"로 만들 수 없다.235반면 U는 자급자족 연쇄반응을 지원할 수 있지만 U의 자연함유량이 적어 천연우라늄만으로는 임계치를 달성할 수 없다.

임계 질량이 "나른" 임계 질량이 없는 자연 또는 저농축 우라늄만을 사용하여 임계치를 달성하는 방법은 중성자를 충분히 흡수하지 않고 방출된 중성자를 소량의 U에서 추가 핵분열을 일으킬 수 있는 수준까지 느리게 하는 것이다.(238천연 우라늄의 대부분을 차지하는 U는 고속 중성자로도 핵분열할 수 있다.)이를 위해서는 중성자의 운동 에너지를 거의 모두 흡수하는 중성자 감속재를 사용해야 하며, 중성자가 주변 물질과 열 평형에 도달할 때까지 감속해야 한다.U는 중간 운동 에너지 수준으로 중성자를 흡수할 확률이 높기 때문에 중성자 에너지 조절 과정을 우라늄 연료 자체로부터 물리적으로 분리하는 것이 중성자 경제에 유익한 것으로 밝혀졌다.이는 연료와 감속재의 균질한 혼합을 제공하는 기하학이 아니라 감속재로 둘러싸인 별도의 고체 연료 세그먼트를 가진 원자로를 설계하는 근본적인 이유이다.

물은 훌륭한 감속제를 만든다; 물 분자의 보통의 수소나 프로튬 원자는 질량이 단일 중성자에 매우 가깝기 때문에, 그들의 충돌은 개념적으로 두 당구공의 충돌과 유사하게 운동량의 매우 효율적인 전달을 야기한다.그러나 일반 물은 좋은 감속재일 뿐만 아니라 중성자 흡수에도 매우 효과적이다.따라서 일반 물을 감속재로 사용하면 너무 많은 중성자를 쉽게 흡수할 수 있기 때문에 연료 내의 작은 분리된 U원자핵과 연쇄반응을 지속할 수 있는 중성자가 너무 적기 때문에 천연 우라늄의 중요성은 배제됩니다.이러한 이유로 경수로에서는 U 동위원소가 우라늄 연료에 농축되어야 하며, 농축 우라늄은 일반적으로 중량 3%에서 5% 사이이다(이 공정의 부산물은 열화 우라늄으로 알려져 있으며, 따라서 주로 U로 구성되며, 화학적으로 순수하다).경수 감속재로 임계치를 달성하기 위해 필요한 농축 정도는 원자로의 정확한 형상 및 기타 설계 매개변수에 따라 달라진다.

이 접근방식의 한 가지 복잡한 점은 우라늄 농축 시설의 필요성입니다. 우라늄 농축 시설은 일반적으로 건설과 운영에 비용이 많이 듭니다.그들은 또한 핵 확산에 대한 우려를 나타내고 있다; 미국을 농축하기 위해 사용되는 것과 같은 시스템은 핵무기 생산에 적합한 훨씬 더 많은 "순수한" 무기 등급 물질(90% 또는 그 이상)을 생산하는데도 사용될 수 있다.이것은 결코 사소한 연습이 아니라 농축 시설이 상당한 핵 확산 위험을 야기할 만큼 충분히 실현 가능하다.

이 문제에 대한 대안적 해결책은 물처럼 쉽게 중성자를 흡수하지 않는 감속재를 사용하는 것이다.이 경우 방출되는 모든 중성자를 조절하고 U와의 반응에 사용할 수 있으며, 이 경우 자연 우라늄에는 임계 상태를 유지할 수 있는 U가 충분히 있다.그러한 감속재 중 하나는 중수 또는 산화수소이다.비록 그것이 경수와 유사한 방식으로 중성자와 동적으로 반응하지만(중수소 또는 중수소가 수소 질량의 약 두 배라는 점을 고려할 때, 그것은 이미 경수가 일반적으로 흡수하는 경향이 있는 추가적인 중성자를 가지고 있다).

장점과 단점

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U 핵분열 단면 - 비선형 관계가 분명하지만, 대부분의 경우 낮은 중성자 온도가 핵분열 가능성을 증가시켜 중성자 감속재의 필요성과 가능한 한 낮은 온도를 유지하는 것이 바람직하다는 것을 설명한다.

이점

중수를 감속재로 사용하는 것이 PHWR(가압중수로) 시스템의 핵심으로 천연 우라늄을 연료(세라믹 UO2 형태)로 사용할 수 있어 고가의 우라늄 농축 시설 없이도 가동할 수 있다.대부분의 감속재를 낮은 온도에 배치하는 PHWR의 기계적 배열은 특히 효율적이다. 왜냐하면 결과적으로 발생하는 열 중성자는 기존 설계보다 낮은 에너지( 감속재를 연속적으로 통과한 후 중성자 온도는 감속재의 온도와 거의 동일)를 가지기 때문이다.maly는 훨씬 더 뜨겁다.핵분열을 위한 중성자 단면은 U에서 중성자 온도가 낮을수록 높기 때문에 감속재 온도가 낮을수록 중성자와 핵분열성 물질 간의 상호작용이 성공할 가능성이 높아진다.이러한 특징은 PHWR이 천연 우라늄 및 기타 연료를 사용할 수 있으며 경수로(LWR)보다 더 효율적으로 사용할 수 있음을 의미한다.CANDU형 PHWR은 MOX 연료뿐만 아니라 재처리된 우라늄이나 심지어 "기존" 경수로의 사용후 핵연료를 포함한 연료를 처리할 수 있다고 주장되고 있으며, 상업적인 환경에서 그러한 연료만을 사용하여 운전할 수 있는 CANDU형 원자로의 능력에 대한 연구가 진행 중이다(자세한 내용은 CANDU r 기사에서 참조).eactor 자체)

단점들

가압 중수로에는 몇 가지 단점이 있다.중수는 일반적으로 kg당 수백 달러의 비용이 든다. 하지만 이것은 연료비 절감에 대한 트레이드오프이다.농축 우라늄에 비해 천연 우라늄의 에너지 함량이 감소하기 때문에 [citation needed]연료 교체가 더 자주 필요하다. 이는 일반적으로 전력 재급유 시스템을 사용하여 달성된다.또한 원자로를 통한 연료 이동 속도가 증가하면 농축 우라늄을 사용하는 LWR보다 사용후 핵연료의 양이 증가한다.그러나 농축우라늄 연료는 농축우라늄 연료보다 낮은 밀도의 핵분열 생성물을 축적하기 때문에 열을 덜 발생시켜 보다 콤팩트한 [3]저장을 가능하게 한다.중수소는 프로튬보다 중성자 포획 단면이 낮지만 이 값은 0이 아니므로 중수 감속재 일부가 삼중수소수로 변환될 수밖에 없다.수소의 방사성 동위원소인 삼중수소는 다른 원자로에서도 미세한 양으로 핵분열 생성물로 생산되지만, 삼중수소는 냉각수에도 존재한다면 환경으로 더 쉽게 빠져나갈 수 있다. 이는 감속재와 냉각수로 중수를 사용하는 PHWR의 경우이다.그러나 일부 CANDU 원자로는 중수 재고에서 정기적으로 삼중수소를 분리하여 이익을 남기고 판매한다.

전형적인 CANDU 유도 연료 다발의 경우 원자로 설계는 반응성의 보이드 계수가 약간 양수이지만, 아르헨티나 설계 CARA 연료 다발은 아투차 I에 사용되는 음계수를 [4]선호한다.

핵확산

인도의 핵무기 개발 이전(아래 참조)에는 천연 우라늄을 사용하는 능력(따라서 이중 사용 기술인 우라늄 농축의 필요성 포기)이 핵 확산을 저해하는 것으로 여겨졌지만, 이 의견은 플루토늄으로 원자폭탄을 제조하는 여러 나라의 능력에 비추어 크게 변화했다.중수형 원자로에서 쉽게 생산될 수 있습니다.따라서 1937년 Hans von Halban과 Otto [5]Frisch에 의해 발견된 중수 중성자 흡수 특성이 낮기 때문에 중수형 원자로는 동등한 경수형 원자로에 비해 핵 확산 위험이 더 클 수 있다.때때로 U의 원자가 중성자 방사선에 노출될 때, 그 핵은 중성자를 포획하여 U로 변화시킨다.U는 전자와 반뉴트리노를 방출하는 두− 가지 β 붕괴를 빠르게 거친다.첫 번째는 U를 Np로 변환하고 두 번째는 Np를 Pu로 변환한다.이 과정은 초순도 흑연이나 베릴륨과 같은 다른 조절제와 함께 진행되지만, 중수가 단연 [5]최고입니다.맨하탄 프로젝트는 궁극적으로 플루토늄을 생산하기 위해 흑연 감속로를 사용했고, 독일의 전시 핵 프로젝트는 불순물을 간과한 이유로 흑연을 적절한 감속재로 잘못 치부하여 중수를 사용하려고 시도했지만 실패했다.소련의 핵 프로그램도 마찬가지로 흑연을 감속재로 사용했고 궁극적으로 흑연 감속 RBMK를 중수나 최소한 초기 설계 사양에 따라 우라늄 농축 없이 대량의 전력과 무기급 플루토늄을 생산할 수 있는 원자로로 개발했다.

239Pu는 핵무기에 적합한 핵분열 물질이다.그 결과 중수로의 연료가 자주 바뀌면 핵 재처리에 의해 조사된 천연 우라늄 연료에서 상당량의 무기급 플루토늄을 화학적으로 추출할 수 있다.

또한, 중수를 감속제로 사용하면 중수핵이 중성자를 흡수할 때 소량의 삼중수소가 생성되는데, 이는 매우 비효율적인 반응이다.삼중수소는 핵분열 무기 증강에 필수적이며, 이는 중성자 폭탄을 포함한 열핵 무기의 생산을 용이하게 한다.이 과정은 현재 ITER에 ([6]적어도 부분적으로) 삼중수소를 제공할 것으로 예상된다.

중수형 원자로의 확산 위험은 인도가 CIRUS [7]원자로로 알려진 중수형 연구용 원자로의 사용후 연료에서 추출하여 첫 번째 핵무기 실험인 미소불 작전을 위해 플루토늄을 생산했을 때 입증되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Pocket Guide Reactors" (PDF). World-Nuclear.org. 2015. Retrieved 2021-12-24.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  2. ^ Marion Brünglinghaus. "Natural uranium". euronuclear.org. Archived from the original on 12 June 2018. Retrieved 11 September 2015.
  3. ^ National Research Council (2005). An International Spent Nuclear Fuel Storage Facility - Exploring a Russian Site as a Prototype: Proceedings of an International Workshop. doi:10.17226/11320. ISBN 978-0-309-09688-1.[페이지 필요]
  4. ^ Lestani, H.A.; González, H.J.; Florido, P.C. (2014). "Negative power coefficient on PHWRS with CARA fuel". Nuclear Engineering and Design. 270: 185–197. doi:10.1016/j.nucengdes.2013.12.056.
  5. ^ a b Waltham, Chris (June 2002). "An Early History of Heavy Water". Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia: 28. arXiv:physics/0206076. Bibcode:2002physics...6076W.
  6. ^ Pearson, Richard J.; Antoniazzi, Armando B.; Nuttall, William J. (2018-11-01). "Tritium supply and use: a key issue for the development of nuclear fusion energy". Fusion Engineering and Design. 136: 1140–1148. doi:10.1016/j.fusengdes.2018.04.090. ISSN 0920-3796. S2CID 53560490.
  7. ^ "India's Nuclear Weapons Program: Smiling Buddha: 1974". Retrieved 23 June 2017.

외부 링크