경수로
Light-water reactor
경수로(LWR)는 중수와는 달리 일반 물을 냉각수 및 중성자 감속재로 사용하는 열중성자 원자로의 일종이다. 나아가 고체 형태의 핵분열성 원소가 연료로 사용된다.열중성자 원자로는 가장 일반적인 유형의 원자로이며, 경수로가 가장 일반적인 유형의 열중성자 원자로이다.
경수로에는 가압수형 원자로(PWR), 비등수형 원자로(BWR), 초임계수형 원자로(SCWR)의 세 가지 종류가 있다.
역사
초기 개념 및 실험
핵분열, 감속 및 핵 연쇄 반응의 이론적 가능성을 발견한 후, 초기 실험 결과는 자연 우라늄이 흑연이나 중수를 감속제로 사용하는 지속적인 연쇄 반응만 겪을 수 있다는 것을 빠르게 보여주었다.세계 최초의 원자로(CP-1, X10 등)가 성공적으로 임계점에 도달하는 동안, 우라늄 농축은 맨하탄 프로젝트의 목표를 달성하기 위해 이론적인 개념에서 실용적인 응용으로 발전하기 시작했다.
1944년 5월 로스앨러모스의 저전력(LOPO) 원자로에서 생산된 첫 번째 농축 우라늄은 임계치에 도달했다. 이 원자로는 원자폭탄 [1]생산을 위한 U235의 임계 질량을 추정하는 데 사용되었다.LOPO는 연료가 고체 우라늄 화합물이 아니라 물에 녹은 [2]황산우라닐염으로 구성돼 있어 최초의 경수로라고 볼 수 없다.그러나 이는 최초의 수성 균질 원자로이며 농축 우라늄을 연료로, 일반 물을 [1]감속재로 사용하는 최초의 원자로이다.
전쟁이 끝날 무렵, Alvin Weinberg의 아이디어에 따라, 천연 우라늄 연료 원소가 중성자 [3]증식 인자를 평가하기 위해 X10 원자로 상부의 보통 물의 격자에 배치되었다.이 실험의 목적은 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하고 고체 우라늄을 연료로 응집시킨 원자로의 실현 가능성을 결정하는 것이었다.그 결과, 경농축 우라늄을 사용하면 임계치에 [4]도달할 수 있었다.이 실험은 경수로를 향한 실질적인 첫걸음이었다.
제2차 세계대전 후 농축 우라늄의 가용성과 함께 새로운 원자로 개념이 실현 가능해졌다.1946년 유진 위그너와 앨빈 와인버그는 농축 우라늄을 연료로, 경수를 감속재 및 [3]냉각수로 사용하는 원자로 개념을 제안하고 개발하였다.이 개념은 중성자속 하에서 물질의 거동을 시험하는 것이 목적이었던 원자로에 대해 제안되었다.이 원자로, 재료 시험 원자로(MTR)는 INL에서 아이다호에 건설되어 1952년 [5]3월 31일에 임계치에 도달했다.이 원자로의 설계를 위해 실험이 필요했기 때문에 1차 회로의 유압 성능을 평가하고 중성자 특성을 테스트하기 위해 ORNL에서 MTR의 목업이 구축되었다.나중에 저강도 시험 원자로(LITR)라고 불리는 이 MTR 모형은 1950년 2월[6] 4일 임계치에 도달했으며 세계 최초의 [7]경수로였다.
가압수형 원자로
제2차 세계대전이 끝난 직후 미 해군은 선장 하이만 리코버의 지휘 아래 선박용 핵추진 프로그램을 시작했다.그것은 1950년대 초에 최초의 가압수형 원자로를 개발했고, 최초의 핵잠수함인 USS 노틸러스(SSN-571)의 성공적인 배치로 이어졌다.
소련은 1950년대 후반에 VVER라는 이름으로 PWR 버전을 독자적으로 개발했다.기능적으로는 미국의 노력과 매우 비슷하지만, 서양의 PWR과 설계상의 차이도 있습니다.
비등수형 원자로
연구원 Samuel Untermyer II는 BORAX 실험이라고 불리는 일련의 테스트에서 미국 국립 원자로 시험소(현 아이다호 국립 연구소)에서 BWR을 개발하기 위한 노력을 주도했다.
PIO 원자로
Process Indivent Ultimate Safety의 약자인 PIO는 ASEA-ATOM이 설계한 스웨덴 설계입니다.그것은 경수로 시스템의 [8]개념이다.안전운전을 제공하기 [9]위해 SECURE 원자로와 함께 운영자의 조치나 외부 에너지 공급이 필요하지 않은 수동적 조치에 의존했다.단위는 만들어지지 않았다.
오픈100
2020년에 에너지 영향 센터는 OPEN100이라고 불리는 300 MWh/100 [10]MWe의 에너지를 생산할 수 있는 가압수형 원자로의 오픈 소스 엔지니어링 설계를 발표했다.
개요
로 경수로, 냉각과 보통의 물을 사용하여 잠잠해져, 핵 reactors[표창 필요한]의 다른 종류보다 짓는 것이 더 싸 더 단순해 지고 이러한 요인으로 인해 그것들이 세계로 내내 민간용 핵 원자로와 해군 추진 원자로의 서비스의 거대한 과반수를 차지해(경수로 건설)원자로의 가족이 알려져 있다. 2009년.LWR은 가압수형 원자로(PWR), 비등수형 원자로(BWR) 및 초임계수형 원자로(SCWR)의 세 가지 범주로 세분될 수 있다.SCWR은 2009년 현재 가설로 남아 있다. SCWR은 여전히 경수로이지만 경수로에 의해 부분적으로만 감속되며 고속 중성자 원자로의 특정 특성을 나타낸다.
PWRs 가진 국가의 경험의 지도자들의 수출 원자로를 제공하는 미국(는 수동적으로 안전한 AP1000, 웨스팅 하우스 디자인뿐만 아니라 여러개의 작은 모듈형, 수동적으로 안전한 PWRs은 밥콕 및과 같은;윌콕스 MPower고, NuScale MASLWR을 제공한다), 러시아 연방(둘 다 VVER-1000고 VVER할 수 있다.-120수출 0개국, 프랑스(수출용 AREVA EPR 제공), 일본(수출용 미쓰비시 고도 가압수형 원자로 제공) 등 중국과 한국 모두 PWR 건설국 순위에서 급부상하고 있다.G는 원자력 발전의 거대한 프로그램에 참여했고, 현재 한국인들은 그들의 2세대 토종 디자인을 설계하고 건설하고 있다.수출용 원자로를 제공하는 BWR에 대한 국가적 경험의 선두 주자는 미국과 일본이며, 도시바 건설 및 수출용으로 고급 비등수형 원자로(ABWR)와 경제 간이 비등수형 원자로(ESBWR)를 제공하는 미국 및 일본이다.ABWR 변종도 일본에서의 건설에 사용합니다.서독 또한 한때 BWR을 가진 주요 선수였다.발전용으로 사용되는 다른 유형의 원자로는 캐나다(CANDU)와 인도(AHWR)가 건설한 중수 감속로, 영국이 건설한 첨단 가스 냉각로(AGCR), 러시아 연방, 공화국, 일본이 건설한 액체 금속 냉각로(LMFBR)이다.러시아 연방과 구소련 국가에서만 발견된 진드기 감속 수냉식 원자로(RBMK 또는 LWGR).
발전 능력은 앞서 언급한 기능과 LWR의 광범위한 운전 경험으로 인해 이러한 모든 유형의 원자로에 필적하지만, 대부분의 신규 원자력 발전소에서 선호된다.게다가, 경수로가 해군 원자력 선박에 동력을 공급하는 원자로의 대부분을 차지한다.핵 해군 추진력을 가진 5개 강대국 중 4개국은 영국 해군, 중국 인민해방군 해군, 프랑스 해병국적함, 미국 해군 등 경수로만을 사용한다.러시아 연방 해군만이 생산 선박에 비교적 소수의 액체 금속 냉각 원자로를 사용했는데, 특히 알파급 잠수함은 납-비스무트 공정물질을 원자로 감속기와 냉각수로 사용했지만, 대부분의 러시아 원자력 추진 보트와 선박은 경수로만을 사용한다.핵 해군 함정에서 거의 독점적으로 LWR을 사용하는 이유는 이러한 유형의 원자로에 내장된 고유 안전 수준 때문이다.이들 원자로에서는 경수가 냉각수 및 중성자 감속재로 사용되기 때문에 이들 원자로 중 하나가 군사행동으로 인해 손상을 입어 노심의 건전성이 저하될 경우 경수 감속기의 방출은 핵반응을 중지하고 원자로를 정지시키는 역할을 한다.이 기능을 반응성의 음의 보이드 계수라고 합니다.
- 현재 제공되는 LWR에는 다음이 포함됩니다.
LWR 통계 정보
 | 이 섹션은 업데이트해야 합니다.(2015년 7월) |
2009년 [11]국제원자력기구(IAEA)의 데이터:
| 원자로 가동 중 | 359 |
| 원자로 건설 중 | 27 |
| LWR이 있는 국가의 수. | 27 |
| 발전용량(기가와트) | 328.4 |
원자로 설계
경수로에서는 제어된 핵분열을 통해 열을 발생시킨다.원자로 노심은 핵반응이 일어나는 원자로의 부분이다.그것은 주로 핵연료와 제어 요소로 구성되어 있다.연필로 된 얇은 핵연료봉은 각각 길이가 약 3.7미터로, 연료 집합체라고 불리는 수백 개의 다발로 묶여 있다.각 연료봉 안에는 우라늄 알갱이, 즉 일반적으로 우라늄 산화물이 끝과 끝 사이에 쌓여 있습니다.제어봉이라고 불리는 제어 원소는 중성자를 쉽게 포획하는 하프늄이나 카드뮴과 같은 물질의 알갱이로 채워져 있다.제어봉이 노심으로 내려가면 중성자를 흡수하기 때문에 연쇄반응에 관여할 수 없다.반대로 제어봉을 들어 올리면 더 많은 중성자가 인근 연료봉의 핵분열 우라늄-235나 플루토늄-239 핵에 충돌해 연쇄반응이 심해진다.이 모든 것은 원자로 용기라고 불리는 물이 채워진 강철 압력 용기에 담겨 있다.
비등수형 원자로에서는 핵분열에 의해 발생한 열이 물을 증기로 바꿔 발전 터빈을 직접 구동한다.그러나 가압수형 원자로에서는 핵분열에 의해 발생한 열이 열교환기를 통해 2차 루프로 전달된다.증기는 2차 루프에서 생성되며, 2차 루프는 발전 터빈을 구동한다.두 경우 모두 터빈을 통과한 후 증기는 다시 [12]응축기 내의 물로 변합니다.
응축기를 냉각하는 데 필요한 물은 근처의 강이나 바다에서 채취합니다.그리고 나서 그것은 따뜻한 상태로 강이나 바다로 다시 보내진다.열은 냉각탑을 통해 대기 중으로 방출될 수도 있습니다.미국은 캐나다에서 [13]사용되는 중수로와 비교하여 전력 생산에 LWR 원자로를 사용한다.
통제
제어봉은 보통 제어봉 조립체(일반적으로 상업용 가압수형 원자로 조립체용 20개 로드)에 결합되어 연료 요소 내의 가이드 튜브에 삽입된다.제어봉은 우라늄 원자를 추가로 분할하는 중성자의 수를 제어하기 위해 원자로 중앙 노심으로부터 제거되거나 원자로 중앙 노심에 삽입된다.이것은 차례로 원자로의 열출력, 생성된 증기량, 그리고 그에 따라 생산된 전기에 영향을 미친다.컨트롤 로드는 연쇄 반응이 일어날 수 있도록 코어에서 부분적으로 분리됩니다.원자로의 반응도를 제어하기 위해 삽입되는 제어봉의 수와 삽입되는 거리를 변경할 수 있다.
일반적으로 반응성을 제어하는 다른 방법도 있습니다.PWR 설계에서는 용해성 중성자 흡수체(일반적으로 붕산)가 원자로 냉각수에 첨가되어 정지전력 운전 중 제어봉을 완전히 추출하여 노심 전체에 균일한 출력과 플럭스 분포를 보장한다.BWR 설계 운전자는 노심을 통과하는 냉각수 흐름을 이용하여 원자로 재순환 펌프의 속도를 변화시켜 반응도를 제어한다.코어를 통과하는 냉각수 흐름이 증가하면 증기 기포 제거가 개선되고, 따라서 출력 증가에 따라 냉각수/조절기의 밀도가 높아집니다.
냉각수
경수로 또한 원자로를 냉각시키기 위해 일반 물을 사용한다.냉각원인 경수는 원자로 노심을 통해 순환되어 발생하는 열을 흡수합니다.열은 원자로에서 운반되어 증기를 발생시키는 데 사용됩니다.대부분의 원자로 시스템은 가압수형 원자로와 같이 터빈을 위한 가압 증기를 생성하기 위해 끓일 물과 물리적으로 분리된 냉각 시스템을 사용한다.그러나 일부 원자로에서는 증기 터빈을 위한 물이 원자로 노심에 의해 직접 끓어오릅니다. 예를 들어 비등수형 원자로입니다.
많은 다른 원자로들 또한 경수로 냉각되는데, 특히 RBMK와 일부 군사용 플루토늄 생산 원자로들이 그렇다.이것들은 흑연에 의해 감속되기 때문에 LWR로 간주되지 않으며, 그 결과 핵 특성이 매우 다르다.상업용 PWR의 냉각수 유속은 일정하지만 미 해군 함정에 사용되는 원자로에는 없다.
연료
일반 물을 사용하면 원자로의 필요한 임계값이 유지되기 전에 우라늄 연료의 일정량의 농축을 수행할 필요가 있다.이 경수로에는 우라늄 235가 연료로 사용되며, 농축률은 약 3%이다.우라늄 238 원자는 플루토늄 239로 전환돼 핵분열 과정에 기여하며, 이 중 절반 가량은 원자로에서 소비된다.경수로의 연료는 일반적으로 12개월에서 18개월마다 재급유되며, 그 때 연료의 약 25%가 교체된다.
농축된6 UF는 이산화 우라늄 분말로 변환되어 펠릿 형태로 가공됩니다.그런 다음 펠릿을 고온의 소결로에서 소성하여 단단하고 세라믹으로 된 농축 우라늄 펠릿을 만듭니다.그런 다음 원통형 펠릿은 균일한 펠릿 크기를 달성하기 위해 분쇄 공정을 거칩니다.산화우라늄은 튜브에 삽입하기 전에 건조하여 세라믹 연료에서 부식 및 수소 취약성 발생을 초래할 수 있는 수분을 제거하려고 합니다.펠릿은 각 핵 코어의 설계 사양에 따라 내식성 금속 합금의 튜브로 쌓인다.튜브는 연료 알갱이를 담기 위해 씰링됩니다. 이러한 튜브를 연료봉이라고 합니다.
완성된 연료봉은 특수 연료 집합체로 분류되어 발전소의 핵연료 노심을 만드는 데 사용된다.관에 사용되는 금속은 원자로 설계에 따라 달라지는데, 과거에는 스테인리스강이 사용되었지만, 현재는 대부분의 원자로가 지르코늄 합금을 사용한다.가장 일반적인 유형의 원자로의 경우, 관은 정확한 거리를 두고 다발로 조립된다.그런 다음 이러한 번들에는 제조에서 사용, 폐기까지 추적할 수 있는 고유 식별 번호가 부여됩니다.
가압수형 원자로 연료는 원통형 막대가 다발로 끼워져 있다.산화우라늄 세라믹을 펠릿으로 형성하여 지르코늄 합금관에 삽입하여 묶는다.지르코늄 합금 튜브는 직경이 약 1cm이며, 연료 클래딩 간극은 헬륨 가스로 채워져 연료에서 클래딩으로의 열 전달을 개선합니다.연료 다발당 약 179-264개의 연료봉이 있으며 약 121-193개의 연료 다발이 원자로 노심에 적재된다.일반적으로 연료 다발은 14x14~17x17로 묶인 연료 로드로 구성됩니다.PWR 연료 다발의 길이는 약 4미터입니다.지르코늄 합금 튜브는 헬륨으로 가압되어 장기간 연료봉 고장을 일으킬 수 있는 펠릿 클래딩 상호작용을 최소화합니다.
비등수형 원자로에서 연료는 다발이 "통조림"된다는 점을 제외하면 PWR 연료와 유사하다. 즉, 각 다발을 둘러싼 얇은 튜브가 있다.이는 주로 국소 밀도 변화가 전지구적 규모로 핵 노심의 중성자학과 열수력학에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 수행된다.현대의 BWR 연료 번들에서는 제조원에 따라 조립품당 91, 92, 또는 96개의 연료봉이 있습니다.최소 조립체 368개에서 최대 조립체 800개 사이의 범위가 원자로 노심을 형성한다.각 BWR 연료 로드는 약 3기압(300kPa)까지 헬륨으로 다시 채워집니다.
주최자
중성자 감속재는 고속 중성자의 속도를 줄여 우라늄-235와 관련된 핵 연쇄 반응을 유지할 수 있는 열 중성자로 바꾸는 매체이다.좋은 중성자 감속재는 중성자를 쉽게 흡수하지 않는 가벼운 핵을 가진 원자로 가득 찬 물질이다.중성자가 원자핵에 부딪히고 튕겨져 나간다.충분한 충격이 있은 후 중성자의 속도는 핵의 열속도와 비슷할 것이다. 이 중성자는 열중성자라 불린다.
경수로의 중성자 감속재는 경수로라고도 불리는 일반 물을 사용한다.경수는 중성자를 너무 많이 흡수해 농축되지 않은 천연 우라늄과 함께 사용할 수 없기 때문에 우라늄 농축이나 핵 재처리가 필요하게 되어 전체적인 비용이 증가한다.이는 중수를 중성자 감속재로 사용하는 중수형 원자로와 차별화된다.일반 물은 중수 분자를 가지고 있지만, 대부분의 용도에 있어서 중요한 것은 아니다.가압수형 원자로에서는 중성자를 물 속의 경수소 원자와 여러 번 충돌시켜 냉각수를 감속재로 사용한다.물의 밀도가 높을 때 더 많은 충돌이 발생하기 때문에 중성자의 감속은 더 자주 발생할 것이다.
감속재로 물을 사용하는 것은 PWR의 중요한 안전 특성이다. 왜냐하면 온도가 상승하면 물이 팽창하고 밀도가 낮아지기 때문이다. 따라서 중성자가 감속되는 정도가 감소하여 원자로 내 반응성이 감소하기 때문이다.따라서 반응도가 정상 이상으로 증가하면 중성자의 감속으로 연쇄반응이 느려져 열이 적게 발생한다.반응성의 음온도계수로 알려진 이 특성은 PWR을 매우 안정적으로 만듭니다.냉각제 상실 사고가 발생하면 감속재도 상실되어 능동 핵분열 반응이 멈춘다.방사성 부산물인 핵분열에서 연쇄반응이 멈춘 후에도 정격 전력의 약 5%에서 여전히 열이 발생한다.이 "감쇠열"은 정지 후 1년에서 3년 동안 지속되며, 이에 따라 원자로는 마침내 "완전 냉간 정지"에 도달한다.붕괴열은 핵을 녹일 정도로 위험하고 강하지만 활성 핵분열 반응만큼 강하지는 않습니다.정지 후 기간 동안 원자로는 냉각수를 펌핑해야 하며 그렇지 않으면 원자로가 과열될 것이다.온도가 2200°C를 초과하면 냉각수가 수소와 산소로 분해되어 폭발성 혼합물이 형성될 수 있습니다.붕괴열은 LWR 안전 기록의 주요 위험 요소이다.
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레퍼런스
- ^ a b "Federation of American Scientists - Early reactor" (PDF). Retrieved 2012-12-30.
- ^ 또한 LOPO는 제로 출력으로 작동하도록 설계되었으며 냉각 수단이 필요하지 않았기 때문에 일반 물은 감속재 역할만 했습니다.
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- ^ "ORNL - History of the X10 Graphite Reactor". Archived from the original on 2012-12-11. Retrieved 2012-12-30.
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... We were so nervous because there had never been a reactor fueled with enriched uranium go critical before. ...
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