일체형 고속 원자로

Integral fast reactor
실험 증식기 II로 일체형 고속 원자로의 원형 역할을 했다.

일체형 고속로(IFR, 원래 고급 액체 금속 원자로)는 고속 중성자를 사용하고 중성자 감속재('고속' 원자로)를 사용하지 않는 원자로 설계이다.IFR은 더 많은 연료를 생산하고 원자로 현장에서 전기 정제를 통해 재처리를 사용하는 핵연료 사이클로 구분된다.

미국 에너지부는 1984년에 IFR을 설계하기 시작했고 실험 증식기 II라는 시제품을 만들었다.1986년 4월 3일, 두 가지 테스트가 IFR 개념의 안전성을 입증했다.이러한 테스트는 냉각수 흐름 상실을 포함하는 사고를 시뮬레이션했습니다.정상적인 정지 장치가 비활성화되어 있어도 원자로는 시스템 내 어느 곳에서도 과열되지 않고 안전하게 정지된다.IFR 프로젝트는 [1]완성되기 3년 전인 1994년에 미 의회에 의해 취소되었다.

제안된 4세대 나트륨 냉각 고속 원자로는 현존하는 가장 가까운 고속 증식로 설계이다.다른 나라들 또한 고속 원자로를 설계하고 운영하고 있다.

S-PRISM(SuperPRism에서 유래)은 GE 히타치 원자력([2]GEH)이 설계한 원자력 발전소의 명칭이다.

역사

원자로에 대한 연구는 1984년 일리노이주 아르곤에 있는 아르곤 국립 연구소에서 시작되었다.Argonne은 미국 에너지부의 국립 실험실 시스템의 일부로 시카고 대학의 계약에 따라 운영되고 있습니다.

실험 증식로 II(EBR II)

Argonne은 이전에 "Argonne West"라는 이름의 분교 캠퍼스를 아이다호 폭포에 가지고 있었는데, 지금은 아이다호 국립 연구소의 일부이다.과거에는 아르곤의 물리학자들이 실험 증식로 II(EBR II)로 알려진 것을 지었습니다.한편, Argonne의 물리학자들은 IFR 개념을 설계했고, EBR II를 IFR로 변환하기로 결정했다.IFR 프로젝트의 책임자는 아곤 출신의 캐나다 물리학자 찰스 틸이었고 부책임자는 윤창이었다.틸은 아이다호에 배치됐고 창은 일리노이주에 있었습니다

취소

1992년 빌 클린턴 대통령이 당선되고 헤이즐 오리어리가 에너지부 장관에 임명되면서 IFR을 [3]취소하라는 상부의 압력이 있었다.존 케리 상원의원과 오리어리 의원은 비확산 노력에 위협이 될 것이며 의회가 [4]취소한 클린치 리버 증식로 프로젝트의 계속이라고 주장하며 원자로 반대 운동을 주도했다.

동시에 1994년 에너지부 장관 O'Leary는 IFR 기술 개발에 대한 그의 업적이 "향상된 안전성, 연료의 효율적 사용, 그리고 방사능 [5]폐기물의 감소"를 제공했다는 표창과 함께 선두 IFR 과학자에게 10,000달러와 금메달을 수여했다.

IFR 반대론자들은 또한 전 Argonne 직원이 안전성에 대한 우려를 제기한 것에 대해 보복했다는 주장과 IFR 프로그램에 대해 수행된 연구의 품질에 관한 DOE의 원자력 안전 사무소의 보고서를 제출했다[6].이 보고서는 주요 과학 출판물로부터 받은 취재 범위와 현저한 차이를 보이며 국제적인 관심을 받았다.영국 네이처지는 이 기사에 '내부고발자 보고서'라는 제목을 붙였고 IFR [7]연구를 평가한 DOE 패널 측의 이해 상충도 지적했다.반면 사이언스에 실린 기사의 제목은 '아르곤느 내부고발자는 정말 연기를 내뿜고 있었는가?'[8]였다.

당시 하원의원의 원자로 지원에도 불구하고리처드 더빈(D-IL)과 캐롤 모즐리 브라운(D-IL) 폴 사이먼(D-IL) 상원의원은 원자로 건설 자금이 대폭 삭감돼 1994년 완공보다 더 큰 비용을 들여 결국 취소됐다.클린턴 대통령에게 이 사실이 알려지자 그는 "알고 있다.그것은 상징이다."

2000년 이후

2001년, 4세대 로드맵의 일부로, DOE, UC 버클리, MIT, 스탠포드, ANL, LLNL, 도시바, 웨스팅하우스, 듀크, EPRI 및 기타 기관의 과학자 242명에게 27개의 다른 기준에 대한 최상의 원자로 설계 19개를 평가하도록 했다.IFR은 2002년 [9]4월 9일에 발표된 연구에서 1위를 차지했다.

현재 상업용 고속로에는 일체형 원자로가 없다.하지만, 플루토늄 비축량의 버너로 운영되는 매우 유사한 고속 원자로인 BN-800 원자로는 2014년에 상업적으로 가동되기 시작했다.

기술 개요

IFR은 액체 나트륨에 의해 냉각되고 우라늄과 플루토늄의 합금에 의해 연료 공급된다.연료는 강철 클래드에 들어 있으며 연료와 클래드 사이의 공간에 액체 나트륨이 채워져 있습니다.연료 위에 보이드가 있으면 연료 요소 내부의 압력을 크게 증가시키지 않고 헬륨 및 방사성 제논을 안전하게 수집할 수 있으며, 또한 연료가 클래딩을 파손하지 않고 팽창할 수 있으므로 산화물 연료보다는 금속 연료가 실용적입니다.

몇몇 소련의 알파급 잠수함 원자로는 납과 비스무트의 공정합금을 냉각제로 사용했다.나트륨에 비해 납의 장점은 특히 물이나 공기와 화학적으로 반응하지 않는다는 것입니다.단점은 액체 납이 액체 나트륨(펌핑 비용 증가)보다 훨씬 더 밀도가 높고 점성이 높으며, 일부 강철에는 부식성이 있으며(용해를 통해), 수많은 방사성 중성자 활성화 생성물이 있지만 나트륨에는 본질적으로 존재하지 않는다는 것이다.

기본적인 설계 결정

금속 연료

EBR-II에서는 연료 팽창을 가능하게 하기 위해 클래딩 내부에 나트륨이 충전된 보이드가 있는 금속 연료가 시연되었습니다.금속 연료는 파이로프로세싱 기술을 [citation needed]선택하게 합니다.

금속 연료의 제조는 세라믹(산화물) 연료보다 쉽고 저렴하며, 특히 원격 취급 [10][citation needed]조건에서는 더욱 그렇습니다.

금속연료는 산화물보다 열전도성이 우수하고 열용량이 적어 안전상의 [10][citation needed]이점이 있다.

나트륨 냉각수

액체 금속 냉각수를 사용하면 원자로 주변에 압력 용기를 설치할 필요가 없습니다.나트륨은 핵특성과 열용량 및 열전달능력이 뛰어나고, 저밀도, 저점도, 상당히 낮은 녹는점과 높은 끓는점을 가지고 있으며, 구조재료 및 연료 등 다른 재료와의 호환성이 뛰어나다.냉각수의 높은 열용량과 노심으로부터의 물 제거는 [10][citation needed]노심의 고유 안전성을 증가시킨다.

루프가 아닌 풀 설계

모든 1차 냉각수를 풀에 포함시키면 몇 가지 안전 및 신뢰성에 [10][citation needed]이점이 있습니다.

파이로프로세싱을 이용한 온사이트 재처리

재처리는 빠른 원자로의 이점을 대부분 달성하는데 필수적이며, 연료 사용을 개선하고 방사성 폐기물을 몇 [10][citation needed]배씩 감소시킨다.

온사이트 처리는 IFR에 필수적인 요소입니다.이와 파이로프로세싱을 사용하면 증식 위험을 줄일 수 [11][10][better source needed]있습니다.

파이로프로세싱(전기정제기 사용)은 EBR-II에서 필요한 규모로 실용적으로 입증되었다.PUREX 수성 공정에 비해 자본비용이 저렴하고 무기 [citation needed]프로그램용으로 개발된 PUREX와 달리 무기 재료 생산에 적합하지 않다.

파이로프로세싱은 금속 연료를 선택 연료로 만듭니다.그 두 가지 결정은 상호 [10][citation needed]보완적이다.

요약

금속연료인 나트륨냉각재, 풀설계, 전기정련에 의한 현장재처리의 4가지 기본결정은 상호보완적이며 연료사용에 있어 증식에 강하고 효율적인 연료사이클과 고준위 폐기물 생산을 최소화하면서 고유안전성이 높은 원자로를 생산한다.이러한 결정의 실용성은 [10]EBR-II의 수년에 걸쳐 입증되었다.

이점

증식로(IFR 등)는 원칙적으로 우라늄이나 토륨에 포함된 에너지의 거의 모든 것을 추출할 수 있으며, 채굴된 우라늄의 0.65% 미만을 추출하고 농축 우라늄의 5% 미만을 추출하는 기존 일회성 원자로에 비해 연료 요건을 거의 2단계까지 줄일 수 있다.연료를 주입했습니다.이것은 연료 공급이나 채굴에 사용되는 에너지에 대한 우려를 크게 약화시킬 수 있다.

오늘날 더 중요한 것은 왜 고속 원자로가 연료 효율이 좋은가 하는 점이다. 고속 중성자는 핵분열 또는 모든 초우라닉 폐기물(TRU) 폐기물 성분(작용제: 원자로급 플루토늄과 마이너 액티니드)을 연소시킬 수 있으며, 그 중 다수는 수만 년 이상 지속되며 기존의 핵폐기물 처리에 매우 문제가 있기 때문이다.원자로가 생산하는 대부분의 방사성 핵분열 생성물은 훨씬 짧은 반감기를 가지고 있다: 그것들은 단기간에 강한 방사능을 띠지만 빠르게 붕괴한다.IFR은 매 사이클마다 우라늄과 초우라늄 원소의 99.9%를 추출하여 재활용하고 전력을 생산하기 위해 사용합니다. 따라서 폐기물은 핵분열 생성물일 뿐입니다. 300년 후에는 원래의 우라늄 [12][13][unreliable source?][14][better source needed]광석보다 방사능이 낮아질 것입니다.4세대 원자로가 3세대 발전소의 폐기물을 사용하도록 설계되었다는 사실은 핵 이야기를 근본적으로 바꿀 수 있다. 잠재적으로 3세대와 4세대 발전소의 조합을 3세대 자체보다 더 매력적인 에너지 옵션으로 만드는 것은 폐기물 관리와 에너지 측면에서 모두 가능했을 것이다.보안.

"통합"이란 전기화학적 파이로프로세싱에 의한 현장 재처리를 말한다.사용후 연료를 3분율 1로 나눕니다.우라늄, 2. 플루토늄 동위원소 및 기타 초우라늄 원소 및 3.핵분열 생성물.우라늄과 초우라늄 원소는 새로운 연료봉으로 재활용되고 핵분열 생성물은 안전한 폐기를 위해 결국 유리와 금속 블록으로 변환된다.분율 2와 3(초우라늄 원소와 핵분열 생성물의 결합)은 고방사능이기 때문에 연료봉 이송 및 재처리 작업은 로봇 또는 원격 제어 장비를 사용한다.이것은 또한 버그가 아닌 특징이라고 주장되고 있다.설비를 떠나지 않는 핵분열성 물질은 핵분열성 물질의 확산 가능성을 크게 감소시키기 때문이다.

안전.

기존의 경수로(LWR)에서는 노심이 높은 온도로 유지되도록 고압으로 유지되어야 한다.반대로 IFR은 액체 금속 냉각 원자로이기 때문에 노심이 주변 압력에 가깝게 작동하여 냉각제 상실 사고의 위험을 크게 줄일 수 있다.원자로 노심, 열교환기 및 1차 냉각펌프 전체가 액체 나트륨 또는 납 풀에 침지되어 1차 냉각수의 손실이 극히 적다.냉각수 루프는 자연대류를 통해 냉각되도록 설계되어 있으며, 이는 1차 냉각펌프가 고장나더라도 원자로 노심으로부터의 열이 냉각수를 순환시키기에 충분함을 의미한다.

IFR은 또한 기존의 LWR에 비해 수동적인 안전상의 이점을 가지고 있다.연료와 피복재는 온도 상승으로 인해 팽창할 때 더 많은 중성자가 노심을 빠져나갈 수 있도록 설계되어 핵분열 연쇄 반응 속도를 감소시킨다.즉, 노심온도의 상승은 노심전력을 감소시키는 피드백 메커니즘으로 작용한다.이 속성은 반응성의 음의 온도 계수로 알려져 있습니다.대부분의 LWR에는 음의 반응도 계수도 있다. 단, IFR에서는 이 영향이 운전원이나 안전계통의 외부 조치 없이 원자로가 노심 손상에 도달하는 것을 막을 수 있을 정도로 강력하다.이는 시제품에 대한 일련의 안전성 테스트에서 입증되었습니다.국제 청중들을 대상으로 테스트를 진행한 엔지니어 피트 플랜촌은 "1986년에 우리는 실제로 20 MWe의 소형 시제품에 녹을 수 있는 몇 번의 기회를 주었습니다.두 번 다 정중하게 거절했어요."[15]

액체 나트륨은 공기와 접촉하면 저절로 발화하며 물과 접촉하면 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 안전상의 문제를 일으킨다.1995년 몬주 원자력발전소 화재사건이 그랬다.증기 터빈으로부터의 물 누출에 따른 폭발 위험을 줄이기 위해 IFR 설계(다른 나트륨 냉각 고속 원자로와 마찬가지로)는 원자로와 증기 터빈 사이의 중간 액체 금속 냉각수 루프를 포함한다.이 루프의 목적은 나트륨과 터빈 물의 우발적인 혼합에 따른 폭발이 2차 열교환기로 제한되고 원자로 자체에 위험을 초래하지 않도록 하는 것이다.대체 설계에서는 나트륨 대신 납을 1차 냉각수로 사용합니다.납의 단점은 높은 밀도와 점도로 펌핑 비용이 증가하며 중성자 흡수에 따른 방사능 활성화 생성물이다.일부 러시아 잠수함 원자로에서 사용되는 납-비스무트 공정산염은 점도와 밀도가 낮지만 동일한 활성화 생성물 문제가 발생할 수 있다.

효율성 및 연료 주기

중수명
핵분열 생성물[구체적인 설명이 필요]
t½
(년)		 수율
(%)		 Q
(keV)		 β의
155에우 4.76 0.0803 252 β의
85Kr 10.76 0.2180 687 β의
113mCD 14.1 0.0008 316 β
90시르 28.9 4.505 2826 β
137Cs 30.23 6.337 1176 β의
121m스니 43.9 0.00005 390 β의
151SM 88.8 0.5314 77 β

IFR 프로젝트의 목표는 플루토늄을 번식시켜 우라늄 사용의 효율성을 높이는 것이며, 초우라늄 동위원소가 현장을 떠날 필요성을 없애는 것이었다.원자로는 고속 중성자로 작동하는 감속되지 않은 설계로, 초우라늄 동위원소가 소비되도록 설계되었다(그리고 경우에 따라서는 연료로 사용됨).

자연에서 발견된 우라늄의 1% 미만으로 핵분열을 유도하는 일회성 연료 사이클을 가진 현재의 경수로와 비교하여 IFR과 같은 증식로는 매우 효율적인 연료 [13]사이클을 가진다(우라늄의 99.5퍼센트가 핵분열을 겪는다[citation needed]).기본 방식은 다른 야금 공정에서 일반적인 방법인 열전 분리를 사용하여 폐기물에서 초우라닉과 악티니드를 제거하고 농축했습니다.이러한 농축 연료는 현장에서 새로운 연료 원소로 개조되었다.

사용 가능한 연료 금속은 플루토늄 동위원소나 모든 핵분열 [11][better source needed]생성물에서 분리되지 않았으며, 따라서 핵무기에 상대적으로 사용하기 어려웠다.또한 플루토늄은 그 장소를 떠날 필요가 없었기 때문에 [16]무단 반출에 훨씬 덜 노출되었다.

폐기 사이클에서 긴 반감기 트랜스우라닉을 제거하는 또 다른 중요한 이점은 남은 폐기물이 훨씬 더 짧은 기간의 위험이 된다는 것입니다.액티니드(재처리된 우라늄, 플루토늄 및 마이너 액티니드)를 재활용한 후, 나머지 방사성 폐기물 동위원소는 핵분열 생성물로, 반감기는 90년 이하(Sm-151년) 또는 211,100년 이상(Tc-99년)이다. 또한 비연료 원자로 구성요소의 활성화 생성물도 포함된다.

경수로와의 비교

현재의 열중성자 핵분열로는 [17]중성자가 짝수인 악티니드 핵종을 핵분열할 수 없기 때문에 기존의 재처리 후 악티니드가 축적되어 일반적으로 초우라늄 폐기물로 취급된다.고속로의 주장은 그들이 모든 악티니드를 핵분열할 수 있다는 것이다.

핵폐기물

IFR 방식의 원자로는 LWR 원자로보다 훨씬 적은 폐기물을 배출할 수 있으며, 다른 폐기물을 연료로 활용할 수도 있다.

현재 IFR 방식의 기술을 추구하는 주된 이유는 고속 원자로가 기존 원자로의 폐기물과 무기에 사용되는 플루토늄으로부터 연료를 공급받을 수 있기 때문이다. 2014년 현재 BN-800 원자로의 운영에서와 마찬가지로.열화우라늄(DU) 폐기물은 고속로에서도 연료로 사용될 수 있다.

IFR 원자로의 폐기물은 짧은 반감기를 가지고 있는데, 이는 원자로가 빠르게 붕괴되고 상대적으로 안전해진다는 것을 의미하고, 또는 반감기가 길다는 것을 의미하며, 이는 원자로가 약간만 방사능을 방출한다는 것을 의미한다.파이로프로세싱으로 인해 실제 폐기물/분열 제품의 총 부피는 동일한 출력의 경수 발전소에서 생산되는 사용후 연료의 20분의 1이며, 종종 모두 폐기물로 간주됩니다.핵분열 생성물의 70%는 안정적이거나 반감기가 1년 미만이다.핵분열 생성물의 6%를 차지하는 테크네튬-99와 요오드-129는 매우 긴 반감기를 가지지만 원자로 내의 중성자 흡수에 의해 매우 짧은(15.46초와 12.36시간)의 동위원소로 변환되어 효과적으로 파괴될 수 있다(더 긴 수명 핵분열 생성물 참조).핵분열 생성물의 또 다른 5%인 지르코늄-93은 원칙적으로 방사능이 문제가 되지 않는 연료 핀 피복재로 재활용될 수 있다.U-238이 LWR에서 느린 열 중성자를 포착하지만 핵분열하지 않을 때 생성되는 초우라닉 폐기물(TRU)의 기여도를 제외하면 TRU 연료의 재처리에서 남은 모든 고준위 폐기물/분열 생성물("FP")은 천연 우라늄보다 방사독성(그램 단위)이 낮다.400년 동안 계속 감소해 왔습니다.[14][18][19][13][unreliable source?][better source needed]

에드윈 세이어는 금속으로 환원된 핵분열 생성물(매우 약한 방사능인 팔라듐-107 등 포함) 1톤이 1천600만 달러의 [20]시장 가치를 가지고 있다고 추정했다.

생성된 두 가지 형태의 IFR 폐기물은 플루토늄이나 기타 악티니드를 포함하지 않는다.폐기물의 방사능은 약 300-400년 [19][13][unreliable source?][14][better source needed]후 원래의 광석과 유사한 수준으로 감소한다.

연료의 현장 재처리는 발전소에서 나오는 고준위 핵폐기물의 양이 LWR 사용후 [21][citation needed]연료에 비해 작다는 것을 의미한다.실제로 미국에서는 대부분의 사용후 LWR 연료가 재처리나 지질저장소에 보관되는 대신 원자로 현장에 보관돼 왔다.재처리로 인한 고준위 폐기물의 소량은 원자로 현장에 잠시 머물 수 있지만 중수명 핵분열 생성물(MLFP)에서 나오는 고준위 방사성 물질이므로 현재의 드라이 캐스크 저장용기와 같이 안전하게 보관해야 한다.MLFP가 낮은 열 생성 수준으로 붕괴되기 전 처음 수십 년 동안 지질 저장소 용량은 부피가 아니라 열 생성에 의해 제한되며, 중간 수명 핵분열 생성물의 붕괴 열 발생은 모든 종류의 핵분열 원자로에서 단위 출력당 거의 동일하여 저장소의 초기 배치를 제한한다.

원자로 폐기물 흐름에서 플루토늄을 완전히 제거할 수 있기 때문에 사용후 핵연료를 매립하거나 지질저장소에 저장할 때 발생하는 대부분의 다른 원자로의 사용후 핵연료와 함께 현재 존재하는 우려를 줄일 수 있다.[22]"방사 독성의million-fold 감소 이 scheme,[23]에서 제공되는에도 불구하고 일부 최대 관심사의 지하수 침출과 같은 시나리오 때문에 몇몇은 핵 분열 생성물의 핵종들이actinide 제거 지질 보관소에 처분으로 거의 어떤 경우 상당한 이점을 제공할 것이라고 믿는다 실제로 ra보다 더 오랜 반감기를 가지고 있다.dio활성 악티니드이러한 우려는 그러한 물질을 불용성 Synroc에 저장하는 계획을 고려하지 않으며 의료용 X선, 우주선 또는 자연방사능암(화강암 등)과 같은 자연 발생원의 위험과 비례하여 위험을 측정하지 않는다.이 사람들은 213,000명의 15.7억 사이의 반감기를 가지고 technetium-99, iodine-129, cesium-135 같은 방사성 핵 분열 생성물 years"[22]들 중 일부는 변환을 위해 더욱 이러한 비교적 낮은 우려 belay을 목표로 하고 있은 관심을 가지고 예를 들어 계기 비행 규칙의 긍정적인 보이드 계수는 acceptab로 줄어들 수 있습니다.르핵분열 생성물 technetium-99를 [24]핵변환으로 파괴하는 데 도움을 준다.(더 긴 수명 핵분열 생성물 참조)

효율성.

IFR은 우라늄 연료의 거의 모든 에너지 성분을 사용하는 반면, 기존의 경수로에서는 채굴된 우라늄 에너지의 0.65% 미만이 사용되고 농축 우라늄 에너지의 5% 미만이 사용된다.

이산화탄소

주요 기사: 에너지원의 라이프 사이클 온실가스 배출

IFR과 LWR은 모두 운전 중에 CO를 배출하지2 않지만, 건설 및 연료 처리 결과 탄소 중립이 아닌 에너지원(화석 연료 등) 또는 CO2 배출 시멘트가 건설 과정에서 사용될 경우 CO 배출이 발생한다2.

2012년 산업 생태학 저널(Journal of Industrial Ecology)에 발표된 원자력 발전소의 CO 라이프 사이클 평가 배출 분석에서2 다음과 같은 결과가 나왔다.[25]

"이러한 LCA 문헌은 원자력에 의한 라이프 사이클 GHG 배출이 전통적인 화석 자원의 극히 일부에 불과하며 재생 가능한 기술에 필적한다는 것을 알 수 있습니다.

이 논문은 주로 2세대 원자로의 데이터를 다루었으며, 현재 건설 중인 3세대 원자로의 2050년까지 CO 배출량을2 분석하지 않았지만, 개발 원자로 기술에 대한 수명 주기 평가 결과를 요약하였다.

이론적인 FBR[고속 증식로]는 LCA 문헌에서 평가되었다.이 잠재적인 미래 기술을 평가하는 제한된 문헌은 중간 수명 주기 GHG 배출량을 보고한다.LWR[경수로]와 비슷하거나 낮으며 우라늄 광석을 거의 또는 전혀 소비하지 않는다고 주장한다.

반감기별 악티니드 및 핵분열 생성물
붕괴사슬에 의한 액티니드[26] 반감기
범위(a)		 수율에 의한[27] 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[28] 249Cfƒ 242m암ƒ 141 ~ 351 a

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

241암ƒ 251Cfƒ[29] 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[30] 이상

232Th№(Th) 238U№ 235Uƒ№ 0.7~14.1 Ga

연료 사이클

다음 항목도 참조하십시오.핵연료 사이클

고속로 연료는 LWR에 사용되는 저농축 우라늄보다 큰 20% 이상의 핵분열성이 있어야 한다.핵분열성 물질에는 처음에는 LWR 사용후 연료, 해체된 핵무기 또는 기타 선원에서 추출된 고농축 우라늄 또는 플루토늄이 포함될 수 있다.가동 중 원자로는 비옥한 물질로부터 핵분열성 물질을 더 많이 생산하고, 우라늄으로부터 최대 약 5%, 토륨으로부터 1% 더 생산한다.

고속로 연료의 비옥한 물질은 열화 우라늄(대부분 U-238), 천연 우라늄, 토륨 또는 전통적인 경수로의 사용후 [13]연료에서 재처리된 우라늄이 될 수 있으며 플루토늄의 비분열성 동위원소와 악티니드 동위원소도 포함된다.1GWe IFR 방식의 원자로는 재처리 과정에서 액티니드가 폐기물 흐름으로 누출되지 않는다고 가정할 경우 연간 약 1t의 비옥한 물질을 소비하고 약 1t의 핵분열 생성물을 생산하게 된다.

파이로프로세싱(이 경우 전기정제)에 의한 IFR 연료 사이클의 재처리는 PUREX 프로세스가 의도한 것처럼 핵분열 생성물 방사능이 없는 순수한 플루토늄을 생산할 필요가 없다.IFR 연료 사이클에서 재처리의 목적은 단순히 중성자 독인 핵분열 생성물의 수준을 낮추는 것이다. 이러한 핵분열 생성물도 완전히 제거할 필요는 없다.전기 정제된 사용후 연료는 고방사성이지만 새로운 연료를 LWR 연료 펠릿처럼 정밀하게 제작할 필요가 없고 간단하게 주조할 수 있기 때문에 원격조직을 사용할 수 있어 작업자에 대한 노출을 줄일 수 있다.

다른 고속 원자로와 마찬가지로, IFR은 블랭킷에 사용되는 재료를 변경함으로써 증식기에서 버너로 자급자족하는 스펙트럼에 걸쳐 작동할 수 있습니다.브리더 모드(U-238 담요 사용)에서는 소모량보다 더 많은 핵분열성 물질이 생성됩니다.이것은 다른 공장의 시동을 걸기 위한 핵분열성 재료를 제공하는 데 유용합니다.U-238 블랭킷 대신 강철 반사체를 사용하여 원자로는 순수 버너 모드로 작동하며 핵분열성 물질의 순창출자가 아니다. 즉, 핵분열성 물질과 비옥한 물질을 소비하고, 무손실 재처리를 가정할 때 액티니드는 생성되지 않고 핵분열 생성물과 활성화 생성물만 출력한다.잉여 무기 플루토늄과 LWR 사용후 핵연료 플루토늄의 재고가 충분하지 않은 경우 필요한 핵분열 물질의 양은 고속 원자로의 매우 광범위한 배치에 제한 요인이 될 수 있다.고속로를 배치할 수 있는 속도를 최대화하기 위해 최대 증식 모드로 가동할 수 있다.

농축 우라늄의 현재 비용은 대규모 파이로프로세싱 및 전기정제 장비의 예상 비용과 2차 냉각수 루프 구축 비용에 비해 낮기 때문에 발전소의 예상 가동 수명에 걸친 열 원자로의 높은 연료 비용은 자본 비용 증가에 의해 상쇄된다. (현재 미국에서)전력회사는 핵폐기물정책법에 따라 법률에 의해 고준위 방사성 폐기물의 처리에 대해 정부에 킬로와트시당 1/10의 균일요금을 지급한다.만약 이 요금이 폐기물의 수명에 기초한다면, 폐쇄형 연료 주기는 재정적으로 더 경쟁력이 있을 것이다.유카산 형태의 지질 보고가 추진되지 않아 이 기금은 수년간 모아졌고 현재 250억 달러가 정부 문턱에 쌓여 있다. 즉,[31] 폐기물로 인한 위험을 줄이기 위해서다.

파이로프로세싱과 전기정제를 이용한 핵연료 재처리는 상업적인 규모로 아직 입증되지 않았기 때문에 대형 IFR식 발전소에 투자하는 것은 기존의 경수로보다 더 높은 재정적 위험이 될 수 있다.

IFR 개념(컬러)은 파이로프로세싱 사이클의 애니메이션도 사용할 [32]수 있습니다.
IFR 개념(흑백과 선명한 텍스트)

수동 안전

IFR은 열 전도성이 떨어지고 연료 알갱이 중심에서 고온에 도달하는 LWR(및 일부 고속 증식로) 우라늄 산화물과 달리 열 전도성이 좋은 금속 합금 연료(우라늄/플루토늄/지르코늄)를 사용합니다.IFR은 또한 핵분열성 물질이 비옥한 물질로 5 이하의 비율로 희석되기 때문에 LWR 연료의 경우 약 30개보다 적은 양의 연료를 보유하고 있습니다.IFR 코어는 LWR 코어보다 가동 중에 코어 볼륨당 더 많은 열 제거가 필요하지만, 반면 셧다운 후에도 여전히 확산되어 제거가 필요한 갇힌 열은 훨씬 적습니다.단, 단수명 핵분열 생성물과 악티니드에 의한 붕괴열 발생은 높은 수준에서 시작하여 정지 후 시간이 경과함에 따라 감소하는 두 경우 모두 유사하다.풀 구성의 다량의 액체 나트륨 1차 냉각수는 연료 용해 온도에 도달하지 않고 붕괴 열을 흡수하도록 설계되었습니다.1차 나트륨 펌프는 플라이휠로 설계되어 있어 동력이 차단되면 천천히(90초) 하강합니다.이 감압은 정지 시 노심 냉각에 도움이 된다.1차 냉각 루프가 갑자기 정지하거나 제어봉을 갑자기 분리한 경우 EBR-I에서 우연히 시연된 것처럼 금속 연료가 녹을 수 있지만, 용해된 연료는 강철 연료 클래드 튜브 위 및 활성 노심 영역 밖으로 돌출되어 영구 원자로 정지 및 추가 핵분열 열이 발생하지 않는다.발전 또는 연료 용해.[33]금속연료의 경우 피복재는 파손되지 않으며 극단적인 과출력 과도에도 방사능이 방출되지 않는다.

IFR의 출력 레벨의 자가 조절은 주로 연료의 열팽창에 의존하여 더 많은 중성자가 빠져나가 연쇄 반응을 감쇠시킵니다.LWR은 연료의 열팽창(노심의 상당 부분이 중성자 감속재이기 때문에)의 영향은 적지만 도플러 확폭(고속 중성자가 아닌 열 및 발열 중성자에 작용함)의 강한 음의 피드백과 물 감속재/냉각재 비등으로부터의 음의 보이드 계수를 갖는다. 밀도가 낮은 증기는 점점 더 적게 반환된다.연료에 대한 알마화 중성자, U-238에 의해 포착될 가능성이 더 높다.그러나 IFR의 양의 보이드 계수는 노심에 테크네튬을 첨가함으로써 허용 가능한 수준으로 감소시킬 수 있으며,[24] 이 과정에서 핵변환에 의해 오래 지속되는 핵분열 생성물 테크네튬-99를 파괴하는 데 도움을 줄 수 있다.

IFR은 SCRAM을 사용하지 않는 흐름 손실과 SCRAM을 사용하지 않는 히트 싱크의 손실 모두에 견딜 수 있습니다.원자로의 수동정지 외에 1차 냉각재계통에서 발생하는 대류전류는 연료손상(노심용융)을 방지할 수 있다.이러한 기능은 EBR-II에서 [1]입증되었습니다.궁극적인 목표는 어떤 상황에서도 방사능이 방출되지 않는 것이다.

나트륨의 가연성은 운영자에게 위험합니다.나트륨은 공기 중에 쉽게 연소되며 물과 접촉하면 자연 발화됩니다.원자로와 터빈 사이의 중간 냉각수 루프를 사용하면 원자로 노심의 나트륨 화재 위험을 최소화할 수 있다.

중성자 충격 하에서 나트륨-24가 생성된다.이것은 매우 방사성이어서 2.7MeV의 강력한 감마선을 방출한 후 베타 붕괴를 통해 마그네슘-24를 형성합니다.반감기는 15시간이므로 이 동위원소는 장기적인 위험이 아니다.그럼에도 불구하고 나트륨-24의 존재는 원자로와 터빈 사이의 중간 냉각수 루프를 추가로 사용해야 한다.

증식

참고 항목: 원자로 등급 플루토늄

IFR과 경수로(LWR)는 모두 원자로급 플루토늄을 생산하며, 높은 연소율에서도 [34]무기는 사용할 수 있지만, IFR 연료 사이클은 현재 사용후 LWR 연료의 PUREX 재활용보다 증식을 더 어렵게 하는 몇 가지 설계 특성을 가지고 있다.예를 들어, 더 높은 연소에서 작동할 수 있으며, 따라서 핵분열은 아니지만 비옥한 동위원소 플루토늄-238, 플루토늄-240 및 플루토늄-242의 [35]상대적 풍부성을 증가시킬 수 있다.

퓨렉스 재처리와는 달리, IFR의 사용후 연료의 전해 재처리는 순수한 플루토늄을 분리하지 않았고, 약간의 액티니드 및 희토류 핵분열 생성물과 혼합된 상태로 남겨져 핵폭탄에서 직접 폭탄을 만들 수 있는 이론적인 능력을 상당히 [11][better source needed]의심스럽게 만들었다.IFR 파이로프로세싱 연료는 현재 프랑스에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 대형 중앙 재처리 공장에서 다른 위치에 있는 원자로로 운반되는 것이 아니라, 라 헤이그에서 분산된 LWR 핵 비행대로 운반되는 것이 훨씬 더 승인되지 않은 [16][better source needed]전환에 견딜 수 있을 것이다.IFR에 플루토늄 동위원소가 혼합된 물질은 원자로 현장에 머물다가 실질적으로 [16][better source needed]현장에서 연소된다. 그렇지 않으면 증식기로 작동할 경우 파이로프로세싱된 연료의 일부는 동일하거나 다른 곳에 위치한 다른 원자로에서 소비될 수 있다.그러나, 기존의 수성 재처리의 경우처럼, 모든 플루토늄 동위원소를 파이로프로세싱/재순환 연료에서 화학적으로 추출하는 것이 가능할 것이고, 비록 기존의 다른 재생 핵연료인 MOX와 비교하더라도 원래의 사용후 연료에서 추출하는 것보다 재활용 제품에서 추출하는 것이 훨씬 더 쉬울 것이다.IFR 재생 연료는 MOX보다 더 많은 핵분열 생성물을 포함하고 있으며, 높은 연소율 때문에 MOX보다 증식에 더 강한 Pu-240을 가지고 있기 때문에 더 어렵다.

사용후 연료에서 IFR의 액티니드 제거 및 연소(액티니드에는 플루토늄 포함)의 장점은 사용후 연료 또는 실제로 전통적인 사용후 연료의 잔류에 대한 우려를 없애고, 따라서 사용후 연료의 연소율을 상대적으로 낮춘다는 것이다. 이 연료는 지질 저장소의 무기 사용 가능한 플루토늄 동위원소 농도를 포함할 수 있다(또는 더 많은 c).무기 [22]제조를 위해 언젠가 채굴될 수 있을 것이다."

원자로급 플루토늄은 높은 자발 핵분열률을 가진 플루토늄 동위원소를 포함하고 있고, 무기 제조의 관점에서 볼 때, 이러한 골치 아픈 동위원소의 비율은 연료가 점점 더 오래 연소될 때 증가하기 때문에, 핵분열 핵무기를 생산하는 것이 상당히 더 어렵다.일반적으로 중간 연소된 LWR 사용후 연료보다 높은 연소 사용후 연료의 산출량.

따라서 IFR 시스템에서 확산 위험은 많은 지표에 의해 상당히 감소하지만 완전히 제거되지는 않는다.ALMR 재생 연료의 플루토늄은 다른 고연소 사용후 핵연료원에서 얻은 것과 유사한 동위원소 구성을 갖는다.이 때문에 무기 생산에는 그다지 매력적이지 않지만, 다양한 수준의 정교함/핵융합 부스팅으로 무기에 사용될 수 있습니다.

미국 정부는 1962년에 당시 정의된 "리액터급 플루토늄"을 사용하여 핵 장치를 폭발시켰지만, 보다 최근의 분류에서는 연료급 플루토늄으로 간주되며, 이는 저연소 마그녹스 [36][37]원자로에서 생성되는 전형적인 플루토늄으로 간주되었다.

증식로 연료로 생산된 플루토늄은 일반적으로 다른 원자로에서 생산된 것보다 동위원소 플루토늄-240의 비율이 높기 때문에 특히 팻맨과 유사한 1세대 핵무기 설계에서 무기 사용에 덜 매력적이다.이는 핵을 둘러싸고 있는 우라늄 담요에서 만들어진 플루토늄은 보통 Pu-239의 질로 Pu-240이 거의 함유되지 않아 무기 [38]사용에 매우 매력적이다.

러시아의 개념 PRISM(리액터)과 가동 중인(2014년) BN-800 원자로와 같이 ALR/IFR 개념의 미래에 대한 일부 최근 제안들이 플루토늄을 변환하고 돌이킬 수 없는 사용 능력에 더 초점을 맞추고 있지만 IFR 개발자들은 IFR이 'IFR을 그물로 구성할 수 있다'는 것을 인정한다.플루토늄을 [39]첨가해 주세요."

위에서 언급한 바와 같이, IFR은 버너가 아닌 증식자로서 "사용후 연료를 처리하는 대신 ALMR 시스템을 사용하여 조사된 비옥한(증식용) 물질을 재처리할 경우"(즉, U-238의 증식용 담요를 사용할 경우), 결과 플루토늄은 거의 아이디어를 가진 우수한 재료가 될 수 있다.l 핵무기 [40]제조를 위한 동위원소 조성"

원자로 설계 및 시공

IFR의 상용 버전인 S-PRISM은 공장에서 제작되어 현장으로 운송될 수 있습니다.이 소형 모듈 설계(311 MWe 모듈)는 비용을 절감하고 다양한 크기의 원자력 발전소(311 MWe 및 정수 배수)를 경제적으로 건설할 수 있게 한다.

전체 라이프 사이클을 고려한 비용 사정에 따르면 고속 원자로는 세계에서 가장 널리 사용되는 수냉식 원자로보다 더 비싸지 않을 수냉동 [41]수냉식 원자로이다.

액체 금속 Na 냉각수

참조 항목: BN-600 reactor

비교적 느린 저에너지(열) 중성자를 사용하는 원자로와 달리 고속 중성자 원자로는 핵분열이 가능하지만 핵분열은 되지 않는 액티니드 동위원소를 핵분열하기에 충분한 에너지를 갖도록 중성자를 조절하거나 차단하지 않는 원자로 냉각수를 필요로 한다.또한 노심은 소형이어야 하며 중성자 조절 물질을 가능한 한 적게 포함해야 한다.금속 나트륨(Na) 냉각수는 여러 가지 면에서 이러한 목적을 위한 가장 매력적인 특성 조합을 가지고 있습니다.중성자 감속재가 아닐 뿐만 아니라 바람직한 물리적 특성에는 다음이 포함된다.

  • 낮은 용해 온도
  • 낮은 증기 압력
  • 고비등온도
  • 뛰어난 열전도성
  • 저점도
  • 경량
  • 열 및 방사 안정성

기타 장점:

풍부하고 저렴한 재료.염소로 세척하면 무독성 식탁용 소금이 생성됩니다.코어에 사용되는 다른 재료와 호환되므로(스텐레스강이 반응하거나 녹지 않음), 특별한 부식 방지 조치가 필요하지 않습니다.펌핑 파워가 낮다(경량 및 저점도).미량과의 반응을 통해 산화나트륨 또는 수산화나트륨과 수소를 만들어 다른 성분이 부식되지 않도록 보호함으로써 산소(및 물)가 없는 환경을 유지합니다.경량(저밀도)은 지진 관성 이벤트(지진)에 대한 내성을 향상시킨다.

결점:

상당한 양의 공기(산소)와 물에 의한 자연 연소로 나트륨 누출 및 홍수가 위험해질 수 있습니다.1995년 몬주 원자력발전소 화재사건이 그랬다.물과 반응하면 수소가 생성되어 폭발할 수 있다.나트륨 활성화 생성물(이소토프) Na는 부패할 때 위험한 에너지 광자를 방출한다(단, 반감기는 15시간으로 매우 짧다).원자로 설계는 Na를 원자로 풀에 유지하고 2차 나트륨 루프를 사용하여 전력 생산을 위해 열을 전달하여 건설 및 유지보수에 비용을 추가한다.

UChicago[42] Argonne에 의해 발표된 연구


「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크