MOX 연료

MOX fuel

MOX 연료라고 불리는 혼합 산화물 연료는 핵분열성 물질의 하나 이상의 산화물을 포함하는 핵연료로, 보통 천연 우라늄, 재처리된 우라늄 또는 열화 우라늄과 혼합된 플루토늄으로 구성됩니다.MOX 연료는 원자력 발전을 우선하는 경수로에 사용되는 저농축 우라늄(LEU) 연료의 대안이다.

예를 들어, 7% 플루토늄과 93% 천연 우라늄의 혼합물은 LEU 연료(3 - 5% 우라늄-235)와 동일하지는 않지만 유사하게 반응한다.MOX는 보통 UO와2 PuO의2 2상 및/또는 단상 솔리드 솔루션(U, Pu)O로2 구성됩니다.PuO의2 함량은 1.5 중량%에서 25~30 중량%까지 다양합니다.원자로 유형에 따라 %.

MOX 연료의 매력 중 하나는 잉여 플루토늄 저장의 대안인 잉여 무기급 플루토늄을 활용하는 방법이라는 점이다. 잉여 플루토늄은 핵무기 [1][2]사용을 위해 도난 위험에 대비해야 한다.한편, 일부 연구는 MOX 연료의 전세계 상업적 사용을 정상화하고 핵 재처리의 관련 확장을 통해 민간 핵연료 사이클에서 [3][4][5]플루토늄의 사용후 연료로부터의 분리를 촉진함으로써 핵 확산의 위험을 감소시키기보다는 증가시킬 것이라고 경고했다.

개요

모든 우라늄 기반 원자로 노심에는 우라늄-235와 같은 우라늄 동위원소의 핵분열과 중성자 포획(주로 우라늄-238)에 의한 새롭고 무거운 동위원소의 형성이 모두 있다.원자로의 연료량은 대부분 우라늄-238이다.중성자 포획과 2개의 연속 베타 붕괴에 의해 우라늄-238은 플루토늄-239가 되고, 연속 중성자 포획에 의해 플루토늄-240, 플루토늄-241, 플루토늄-242 및 (추가 베타 붕괴 후) 다른 초우라늄 또는 액티니드 핵종이 된다.플루토늄-239와 플루토늄-241은 우라늄-235처럼 핵분열성이 있다.소량의 우라늄-236, 넵투늄-237 및 플루토늄-238은 우라늄-235에서 유사하게 형성된다.

통상, LEU 연료는 5년 정도마다 교환되기 때문에, 플루토늄-239의 대부분은 원자로내에서 「소각」된다.그것은 핵분열을 위한 단면이 약간 더 높은 우라늄-235처럼 행동하며, 핵분열은 비슷한 양의 에너지를 방출한다.일반적으로 원자로에서 방출되는 사용후 연료의 약 1%는 플루토늄이며 플루토늄의 3분의 2는 플루토늄-239이다.전 세계적으로 매년 사용후 연료에서 거의 100톤의 플루토늄이 발생한다.

플루토늄을 사용 가능한 연료로 재처리하면 원래 우라늄에서 나오는 에너지가 약 12% 증가하며, 우라늄-235도 재농축으로 재활용되면 약 20%[6]가 된다.현재 플루토늄은 재처리되어 MOX 연료로 한 번만 사용되며, 사용후 MOX 연료는 소량의 악티니드와 플루토늄 동위원소의 비율이 높다.

기존 원자로는 MOX 연료를 도입하기 전에 재면허를 받아야 한다. MOX 연료를 사용하면 원자로의 운전 특성이 변경되고, 발전소는 이를 취하기 위해 설계 또는 약간 개조되어야 한다. 예를 들어, 더 많은 제어봉이 필요하다.종종 연료 부하의 1/3에서 절반만 MOX로 전환되지만, 50% 이상의 MOX 부하의 경우 상당한 변경이 필요하며 그에 따라 원자로를 설계해야 한다.특히 애리조나주 피닉스 인근의 미국 팔로 베르데 원자력발전소에 배치된 시스템 80 원자로 설계는 100% MOX 노심 호환성을 위해 설계됐지만 지금까지 항상 신선한 저농축 우라늄을 사용해 왔다.이론적으로, 세 개의 팔로 베르데 원자로는 매년 통상적으로 연료를 공급받는 7개의 원자로에서 발생하는 MOX를 사용할 수 있으며, 더 이상 새로운 우라늄 연료를 필요로 하지 않을 것이다.

캐나다 원자력 유한회사(AECL)에 따르면 CANDU 원자로는 물리적 변경 [7][8]없이 100% MOX 코어를 사용할 수 있다.AECL은 플루토늄 0.5~3% [citation needed]함유 MOX 연료 사용을 실험한 경험이 풍부하다고 미국 국립과학원회에 보고했다.

사용후 MOX연료

열원자로의 사용후 MOX 연료에서 미연소 플루토늄 함량은 유의미하다. 즉, 초기 플루토늄 적재량의 50% 이상이 된다.그러나 MOX를 연소하는 동안 핵분열(홀수) 동위원소와 비핵분열(짝수) 동위원소의 비율은 연소율에 따라 약 65%에서 20%로 감소한다.이것은 핵분열 동위원소를 복구하는 시도를 어렵게 만들고, 복구된 부피 Pu는 2세대 MOX에서 Pu의 높은 비율을 필요로 하기 때문에 실용적이지 [why?]않을 것이다.이는 그러한 사용후연료가 플루토늄의 추가 재사용(연소)을 위해 재처리하는 것이 어렵다는 것을 의미한다.Biphasic 사용후 MOX의 정기적인 재처리는 질산의 [9]PuO의2 용해도가 낮기 때문에 어렵다.

2015년 현재, 페닉스 [10]고속 원자로에서 두 번 순환되고 연소되는 연료에 대한 시연은 유일하다.

현재 응용 프로그램

63GW(열)의 연소일수를 가지며 전자 마이크로프로브 부착 장치를 사용하여 스캔 전자 현미경으로 검사한 중고 MOX.오른쪽에 있는 픽셀이 옅을수록 해당 지점의 플루토늄 함량이 높아집니다.

MOX를 만들기 위한 상업용 핵연료의 재처리는 프랑스에서 이루어지며, 러시아, 인도, 일본에서는 덜 이루어진다.영국에서는 1994년부터 2018년까지 TORP가 운영되었습니다.중국은 고속 증식로를 개발하고 재처리를 할 계획이다.미국에서는 비확산 고려 사항 때문에 상업용 원자로 핵연료의 재처리가 허용되지 않는다.독일은 바커스도르프에 재처리 공장을 설립할 계획이었으나 실현되지 못하자 2005년 [11]재처리를 위한 독일 사용후 핵연료 수송을 법적으로 금지할 때까지 프랑스의 핵 재처리 능력에 의존했다.

미국은 사우스 캐롤라이나에 있는 사바나 리버 사이트에 MOX 연료 공장을 짓고 있었다.테네시밸리청(TVA)과 듀크에너지는 무기급 [12]플루토늄 전환에 따른 MOX 원자로 연료 사용에 관심을 표명했지만, 2011년 4월 TVA(현재 가장 유력한 고객)는 후쿠시마 [13]제1원전 사고에서 MOX 연료의 성능을 확인할 수 있을 때까지 결정을 미루겠다고 밝혔다.2018년 5월, 에너지부는 이미 76억 달러를 지출한 발전소 외에 추가로 480억 달러가 더 필요할 것이라고 보고했다.공사가 [14]취소되었습니다.

열원자로

고연소 우라늄 산화물 연료를 사용하는 대부분의 현대 열원자로는 노심 수명 초기에 우라늄 238에서 중성자 포획에 의해 생성된 플루토늄의 핵분열로부터 노심 수명 말기에 상당한 비율을 생산하기 때문에 제조 시 연료에 일부 플루토늄 산화물을 추가하는 것은 원칙적으로 매우 급진적인 단계가 아니다.유럽(벨기에, 네덜란드, 스위스, 독일 및 프랑스)에서 약 30개의 열원자로가 MOX를 사용하고[15] 있으며, 추가로 20개의 열원자로가 면허되었다.대부분의 원자로는 노심의 약 3분의 1로 사용하지만, 일부 원자로는 MOX 조립체를 50%까지 수용한다.프랑스에서 EDF는 900 MWe 시리즈의 모든 원자로를 3분의 1 이상의 MOX로 가동하는 것을 목표로 하고 있다.일본은 2010년까지 MOX를 사용하는 원자로의 3분의 1을 목표로 하고 있으며, MOX의 완전 연료 부하를 가진 새로운 원자로 건설을 승인했다. 현재 사용되는 총 핵 연료의 2%[6]를 제공하고 있다.

MOX 연료 사용에 대한 라이센스 및 안전 문제에는 다음이 포함됩니다.[15]

  • 플루토늄 산화물은 우라늄 산화물보다 훨씬 독성이 강하기 때문에 연료 제조가 더 어렵고 비용이 많이 든다.
  • 플루토늄 동위원소가 우라늄 연료보다 더 많은 중성자를 흡수하기 때문에 원자로 제어 시스템은 수정이 필요할 수 있다.
  • MOX 연료는 열전도율이 낮기 때문에 뜨거워지는 경향이 있으며, 이는 일부 원자로 설계에서 문제가 될 수 있습니다.
  • MOX 연료 어셈블리에서 핵분열 가스가 방출되면 MOX 연료의 최대 연소 시간이 제한될 수 있습니다.

원래 MOX 연료에 적재된 플루토늄의 약 30%가 열원자로에서 소비된다.이론적으로 노심연료 부하의 3분의 1이 MOX이고 3분의 2가 우라늄 연료라면 사용후 연료의 플루토늄 질량에 변화가 없고 반복될 수 있지만 사용후 MOX 연료의 재처리에 여러 가지 어려움이 남아 있다.2010년 현재 플루토늄은 열원자로에서 한 번만 재활용되며 사용후 MOX 연료는 나머지 사용후 연료와 분리돼 [15]폐기물로 저장된다.

플루토늄-242는 핵분열 큐륨-245가 되기 전에 중성자 3개를 흡수해야 하지만, 모든 플루토늄 동위원소는 핵분열 또는 비옥한 것이다. 열 원자로에서는 동위원소 열화가 플루토늄 재활용 가능성을 제한한다.현재 LWR의 사용후 핵연료의 약 1%는 플루토늄이며,[15] 대략적인 동위원소 구성은 52%Pu
, 24%Pu
, 15%Pu
, 6%Pu
 및 2%Pu이다
.

고속로

'BN-800 원자로'도 참조해 주세요.

U를 포함한
거의 모든 액티니드에 대해 고에너지 또는 고속 중성자의 핵분열 대 포획 비율이 핵분열을 선호하도록 변화하기 때문에 고속 원자로는 이들 모두를 연료로 사용할 수 있다.모든 악티니드는 중성자 유도 핵분열을 감속되지 않거나 빠른 중성자와 함께 할 수 있다.따라서 고속 원자로는 플루토늄과 더 높은 액티니드를 연료로 사용하는 데 열 원자로보다 효율적이다.

이러한 고속 원자로는 열 원자로보다 다른 악티니드의 변환에 더 적합하다.열원자로는 느린 중성자 또는 감속 중성자를 사용하기 때문에 열 중성자로 핵분열할 수 없는 악티니드는 파열이 아닌 중성자를 흡수하는 경향이 있다.이로 인해 더 무거운 악티니드가 축적되고 연쇄 반응을 지속하는 데 사용할 수 있는 열 중성자의 수가 감소합니다.외부 중성자 선원이 있는 아임계 원자로는 고속 중성자 스펙트럼에서 가동되거나(고속 원자로에서 일반적인 고농축 연료 없이) 열 중성자를 사용하여 핵분열성 물질을 증식하여 중성자 선원의 플럭스를 증가시켜 중성자 손실을 보상할 수 있다.

제조

플루토늄 분리

첫 번째 단계는 PUREX 프로세스를 사용하여 나머지 우라늄(사용 후 연료의 약 96%)과 핵분열 생성물을 다른 폐기물(약 3%)과 분리하는 것이다.

드라이 믹스

MOX 연료는 혼합산화물을 펠릿으로 압착하기 전에 산화우라늄(UO2)과 산화플루토늄(PuO2)을 분쇄해 만들 수 있지만 이 과정에서 방사성 먼지가 많이 발생하는 단점이 있다.

공침

질산 중의 질산우라닐과 질산플루토늄의 혼합물을 암모니아 등의 염기로 처리하여 디우란산암모늄과 수산화플루토늄의 혼합물을 형성한다.5% 수소와 95% 아르곤의 혼합물로 가열된 후 이산화 우라늄과 이산화 플루토늄의 혼합물을 형성합니다.베이스를 사용하여 생성된 분말은 프레스기를 통해 송출되어 펠릿으로 변환될 수 있습니다.펠릿은 혼합 우라늄과 플루토늄 산화물로 소결될 수 있다.

아메리슘 함량

재처리된 연료에서 나오는 플루토늄은 보통 플루토늄의 단수명 동위원소의 붕괴로 인한 불순물로 인한 문제를 피하기 위해 생산 후 5년 이내에 MOX로 제조된다.특히 플루토늄-241은 14년 반감기의 아메리슘-241로 분해된다.아메리슘-241은 감마선 [citation needed]방출체이기 때문에 아메리슘-241의 존재는 잠재적인 직업 건강 위험이다.그러나 화학분리를 통해 플루토늄에서 아메리슘을 제거하는 것은 가능하다.최악의 조건에서도 아메리슘/플루토늄 혼합물은 사용후 연료 용해액보다 방사능이 적기 때문에 PUREX나 다른 수성 재처리 방법으로 [citation needed]플루토늄을 회수하는 것이 비교적 간단할 것이다.

퀴륨 함량

U/Pu MOX 연료는 "액티니드 버너 모드"로 가동되는 고속 원자로나 아임계 원자로에 탑재되기 전에 아메리슘과 퀴륨을 모두 첨가할 수 있다.이것은 하나의 변환 수단입니다.큐륨은 중성자 방출체이기 때문에 큐륨은 아메리슘보다 훨씬 더 어렵습니다. MOX 생산 라인은 작업자를 보호하기 위해 납과 물로 차폐해야 합니다.

또한 퀴륨의 중성자 조사는 사용된 핵연료와 관련된 중성자 선량을 증가시키는 캘리포니아와 같은 더 높은 악티니드를 생성한다. 이는 강력한 중성자 방출체로 연료 사이클을 오염시킬 가능성이 있다.이에 따라 대부분의 MOX 연료에서 퀴륨이 제외될 것으로 보인다.가속기 구동식 시스템과 같은 아임계 원자로는 취급 및 운송과 관련된 문제가 해결되면 그러한 연료를 "소각"할 수 있다.단, 의도하지 않은 임계로 인한 전력 이탈을 방지하기 위해 중성자 방출 핵종 및 중성자 독소의 축적 또는 소비 효과를 포함하여 주어진 시점에서 중성자를 정확하게 알아야 한다.

토륨 MOX

다음 항목도 참조하십시오.토륨 연료 주기

토륨과 플루토늄 산화물을 함유한 MOX 연료도 [16]시험 중이다.노르웨이의 한 연구에 따르면 "토륨-플루토늄 연료의 냉각수 보이드 반응성은 플루토늄 함량이 최대 21%인 반면 MOX [17]연료의 경우 16%에 이른다."저자들은 "토륨-플루토늄 연료는 MOX 연료보다 제어봉과 붕소 값, CVR과 플루토늄 [17]소비량 면에서 몇 가지 이점을 제공하는 것으로 보인다"고 결론지었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel - Megatons to MegaWatts - World Nuclear Association". www.world-nuclear.org.
  2. ^ "U.S. MOX program wanted relaxed security at the weapon-grade plutonium facility". 11 April 2011.
  3. ^ "Is U.S. Reprocessing Worth The Risk? - Arms Control Association". www.armscontrol.org.
  4. ^ "Factsheets on West Valley · NIRS". 1 March 2015.
  5. ^ Podvig, Pavel (10 March 2011). "U.S. plutonium disposition program: Uncertainties of the MOX route". International Panel on Fissile Materials. Retrieved 13 February 2012.
  6. ^ a b "Information from the World Nuclear Association about MOX".
  7. ^ "Candu works with UK Nuclear Decommissioning Authority to study deployment of EC6 reactors". Mississauga: Candu press-release. June 27, 2012. Retrieved 5 December 2013.
  8. ^ 2013-10-03년 오타와 시티즌 웨이백 머신에 보관된 2013-10-03년 "Swords into Ploughshares: Canada pl play " " " " " " " " " " " " " " " " " " ": 핵 무기 물질을 전기로 바꾸는 데 중요한 역할을 할 수 있다"(1994년 8월 22일) : "CANDU ... 원자로 설계는 본질적으로 완전한 MOX 코어를 다룰 수 있도록 허용한다."
  9. ^ Burakov, B. E.; Ojovan, M. I.; Lee, W. E. (2010). Crystalline Materials for Actinide Immobilisation. London: Imperial College Press. p. 58.
  10. ^ Natarajan, R. (2015). "Reprocessing of spent fast reactor nuclear fuels, Natarajan". Reprocessing and Recycling of Spent Nuclear Fuel: 213–243. doi:10.1016/B978-1-78242-212-9.00009-5.
  11. ^ https://rueckfuehrung.bgz.de/
  12. ^ TVA는 SRS의 MOX 연료를 사용할 수 있습니다(2009년 6월 10일).
  13. ^ 플루토늄을 연료로 바꾸는 것에 대한 새로운 의구심, 2011년 4월 10일
  14. ^ Gardner, Timothy (12 October 2018). "Trump administration kills contract for plutonium-to-fuel plant". Reuters.
  15. ^ a b c d "NDA Plutonium Options" (PDF). Nuclear Decommissioning Authority. August 2008. Archived from the original (PDF) on 2011-05-25. Retrieved 2008-09-07. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  16. ^ "Thorium test begins". World Nuclear News. 21 June 2013. Retrieved 21 July 2013.
  17. ^ a b Björk, Klara Insulander; Fhager, Valentin (June 2009). "Comparison of thorium-plutonium fuel and MOX fuel for PWRs": 487. Retrieved 11 October 2017. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)

외부 링크