핵흑연

Nuclear graphite

핵 흑연은 원자로 내에서 감속재 또는 반사체로 사용하기 위해 제조된 흑연(일반적으로 합성 흑연)의 모든 등급입니다.흑연은 매우 순수하고 매우 높은 온도에도 견딜 수 있는 능력 때문에 역사적, 현대적 원자로 건설에 중요한 재료이다.흑연은 또한 최근 웬델슈타인 7-X와 같은 핵융합로에도 사용되고 있다.2019년에 발표된 실험 결과, 스텔라레이터 벽의 요소와 흑연 섬 다이버터의 그래파이트는 장치 내 플라즈마 성능을 크게 향상시켜 불순물 및 열 배기가스 및 긴 고밀도 [1]방전을 보다 효과적으로 제어할 수 있게 되었습니다.

용융염 원자로 실험의 노심 흑연

역사

핵분열은 1939년 오토 한과 프리츠 스트라스만의 실험과 리제 마이트너와 오토 [2]프리쉬와 같은 물리학자들의 해석에 따라 발견되었다.그 후 얼마 지나지 않아, 이 발견에 대한 소문이 국제 물리학계에 퍼졌다.

핵분열 과정이 연쇄 반응하기 위해서는 우라늄 핵분열에 의해 생성된 중성자가 다른 우라늄 원자에 포착되기 전에 중성자 감속재(중성자에 맞았을 때 "바운스"되는 원자량)와 상호작용하여 속도를 늦춰야 한다.1939년 후반, 가장 유망한 두 가지 모델레이터가 중수와 [3]흑연이라는 것이 잘 알려지게 되었다.

1940년 2월, 아인슈타인-질라드 대통령이 루스벨트 대통령에게 보낸 편지의 결과로 부분적으로 할당된 자금을 사용하여, 레오 질라드는 엔리코에서 사용하기 위해 스피어 탄소 회사와 국립 탄소 회사(오하이오 주 클리블랜드에 있는 유니온 카바이드와 카본 회사의 국가 탄소 부서)로부터 흑연 몇 톤을 구입했다.페르미의 첫 핵분열 실험, 이른바 지수 파일.[4]: 190 페르미는 "이 실험의 결과는 다소 [5]실망스러웠다"고 쓰고 있는데, 아마도 알려지지 않은 [6]: 40 불순물에 의한 중성자의 흡수 때문일 것이다.그래서 1940년 12월에 페르미와 질라드는 허버트 G를 만났다. 맥퍼슨과 V.C.National Carbon에서 [7]: 143 흑연에 불순물이 존재할 가능성을 논의하기 위해 Hamister.이 대화 중에 미량의 붕소 불순물이 문제의 [3][8]근원이라는 것이 분명해졌다.

이 회의의 결과로, 이후 2년 동안 맥퍼슨과 해미스터는 붕소가 없는 [8][9]흑연을 생산하기 위해 내셔널 카본에서 열 및 가스 추출 정제 기술을 개발했습니다.그 결과 생성된 제품은 내셔널 카본에 의해 AGOT 그래파이트(Achon Graphite Commergain Temperature)로 명명되었으며, "최초의 진정한 핵 등급 그래파이트"[10]였다.

이 기간 동안 Fermi와 Szilard는 다양한 중성자 흡수 단면을 가진 여러 제조업체로부터 흑연을 구입했습니다: 단면 6.68 mb의 AGX 흑연, 단면 6.38 mb의 미국 흑연 회사로부터 6.38 mb의 미국 흑연, Speer Carbon Company로부터 흑연, 단면 6.38 mb의 흑연,단면 5.51 mb, 사용 가능하게 되었을 때 단면 [6]: 178 [11]: 4 4.97 mb의 내셔널 카본의 AGOT 그래파이트.('Haag'도 참조).1942년 11월, 내셔널 카본은 250톤의 AGOT 흑연을 시카고[4]: 200 대학으로 운송했고, 그곳에서 지속적인 연쇄 반응을 일으킨 최초의 원자로인 페르미의 시카고 파일 1의 건설에 사용되는 흑연의 주요 공급원이 되었다.[6]: 295 AGOT 흑연은 [8][10]제2차 세계대전 중과 후에 플루토늄 생산을 위해 Oak Ridge TN의 X-10 흑연 원자로와 워싱턴의 Hanford Site의 첫 번째 원자로를 건설하는 데 사용되었다.[11]: 5 AGOT 공정과 그 후의 개선은 핵 [11]흑연 제조의 표준 기술이 되었다.

흑연의 중성자 단면은 발터 보테, P. 옌센, 베르너 하이젠베르크에 의해 독일에서 2차 세계대전 동안 조사되었다.그들이 사용할 수 있는 가장 순수한 흑연은 지멘스 플라니아 회사의 제품으로, 중성자 흡수[12]: 370 단면이 약 6.4 mb - 7.5 mb이다(Haag 2005).따라서 하이젠베르크는 흑연이 명백히 높은 중성자 [3][12][13]흡수율 때문에 천연 우라늄을 사용하는 원자로 설계에서 감속재로 적합하지 않다고 결정했다.결과적으로, 연쇄 반응을 일으키려는 독일의 노력은 비싸고 희귀한 대안인 중수를 사용하려는 시도를 포함하였고, 노르웨이와 연합군의 노르웨이 중수 파괴의 결과로 얻기가 더욱 어렵게 만들었다.1947년까지 글을 쓰면서 하이젠버그는 흑연의 유일한 문제가 붕소 [13]불순물이라는 것을 여전히 이해하지 못했다.

위그너 효과

주요 기사:위그너 효과

1942년 12월, 유진 위그너는[14] 중성자 폭격으로 원자로의 흑연 감속재와 같은 물질의 분자 구조에 전위 및 기타 손상이 발생할 수 있다고 제안했다(위그너 효과).그 결과 물질 내 에너지 축적이 우려되는[10]: 5 문제가 되었다. 흑연 막대가 열렸다가 닫혔을 때 막대의 표면에서 화학 결합으로 함께 융합될 가능성이 제기되었다.흑연 부품이 아주 빠르게 작은 조각으로 부서질 가능성도 배제할 수 없었다.그러나 최초의 발전용 원자로(X-10 Graphite Reactor와 Hanford B Reactor)는 그러한 지식 없이 건설되어야 했다.사용 가능한 유일한 고속 중성자 선원이었던 사이클로트론은 핸포드 원자로에서 하루와 동등한 중성자 조사를 생성하는 데 수개월이 걸릴 것이다.

이는 빠른 입자 방사선으로 인한 특성 변화를 조사하고 건설될 흑연 원자로의 안전과 수명에 미치는 영향을 예측하는 대규모 연구 프로그램의 출발점이 되었다.고속 중성자 복사가 강도, 전기 및 열 전도성, 열팽창성, 치수 안정성, 내부 에너지(위그너 에너지) 저장 및 기타 많은 특성에 미치는 영향은 1944년 X-10 원자로에서 첫 번째 결과가 나온 이후 여러 번 그리고 많은 국가에서 관찰되었다.

흑연 조각의 융접이나 붕괴와 같은 치명적인 거동은 발생하지 않았지만 원자로의 흑연 구성요소를 설계할 때 고려해야 하는 고속 중성자 조사로 인해 많은 특성에서 큰 변화가 발생한다.아직 모든 효과가 잘 이해된 것은 아니지만, 1940년대 이후 수십 년 동안 100개 이상의 흑연 원자로가 성공적으로 가동되었다.흑연 원자로에서 발생하는 몇 가지 심각한 사고는 [citation needed]사용 중인 흑연의 특성에 관한 불충분한 정보(설계 당시)에 기인할 수 없다.2010년대에는 신소재 재산 데이터의 수집으로 지식이 크게 향상되었다.[15][16]

순도

원자로급 흑연은 중성자 흡수 물질, 특히 중성자 포획 단면이 큰 붕소가 없어야 한다.흑연의 붕소 공급원에는 원료, 제품을 굽는 데 사용되는 포장재, 심지어 기계 [11]: 80 공장에서 일하는 사람들이 입는 옷을 세탁하는 데 사용되는 비누(예: 붕사)가 포함됩니다.열정제 흑연(AGOT 흑연 등)의 붕소 농도는 0.4ppm[11]: 81 미만일 수 있으며 화학정제 핵 흑연에서는 0.06ppm [11]: 47 미만일 수 있다.

조사 중인 거동

이것은 핵 흑연, 특히 빠른 중성자 조사에 노출되었을 때의 행동을 설명한다.

특정 현상 해결:

활성 원자로의 핵 흑연 상태는 약 18개월마다 정기적인 검사에서만 확인할 수 있기 때문에 수명이 다함에 따라 핵 흑연의 수학적 모델링이 중요하다.그러나 표면 특성만 검사할 수 있고 정확한 변경 시간은 알려지지 않았기 때문에 신뢰성 모델링이 특히 어렵다.[17]

제조하다

영국 Magnox 원자로용 핵 흑연은 가열되어 빌렛으로 압출된 석탄 기반 바인더 피치와 혼합된 석유 코크스로 제조된 후 며칠 동안 1,000°C에서 구워졌습니다.다공성을 줄이고 밀도를 높이기 위해 2,800°C에서 최종 굽기 전에 빌렛에 콜타르를 고온 및 압력으로 함침시켰습니다.그런 다음 개별 빌렛을 최종 필요한 [18]모양으로 가공했습니다.

흑연 감속로 사고

흑연 감속로에서는 윈드스케일 화재와 체르노빌 참사라는 두 가지 큰 사고가 있었다.

윈드스케일 화재에서는 흑연에 대한 검증되지 않은 아닐링 프로세스가 사용되었으며, 이는 노심의 모니터링되지 않은 영역에서 과열을 유발하여 직접 화재 발화로 이어졌습니다.발화한 물질은 흑연 감속재 자체가 아니라 원자로 내 금속 우라늄 연료 통이었다.불이 꺼졌을 때 흑연 감속재에서 열 피해를 입은 곳은 연소 중인 연료통 [19][20]근처에 있던 곳뿐인 것으로 밝혀졌다.

체르노빌 참사에서는 주최자가 1차 사건에 대한 책임이 없었습니다.대신, 잘못 취급된 시험 중의 대규모 출력 이탈은 원자로 용기의 치명적인 고장과 냉각수 공급의 거의 완전한 상실을 야기했다.그 결과 연료봉이 초고출력 상태에서 급속히 녹아 함께 흐르면서 노심의 일부가 급상승 임계 상태에 도달하고 대량의 에너지 [21]방출이 일어나 원자로 노심이 폭발하고 원자로 건물이 파괴되었다.1차 이벤트 중의 대규모 에너지 방출은 흑연 감속재를 과열시켰고, 원자로 용기와 건물의 붕괴는 과열된 흑연을 대기 산소와 접촉하게 했다.그 결과, 흑연 감속재에 불이 붙었고, 고방사능 낙진 기둥을 대기와 매우 광범위한 [22]지역으로 보냈다.

레퍼런스

  • Haag, G. 2005, ATR-2E 흑연의 특성 및 고속 중성자 조사에 의한 특성 변화, FZ-Juelich, Juel-4813.
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  2. ^ Roberts, R. B.; Kuiper, J. B. H. (1939), "Uranium and Atomic Power", Journal of Applied Physics, 10 (9): 612–614, Bibcode:1939JAP....10..612R, doi:10.1063/1.1707351
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  22. ^ "Frequently Asked Chernobyl Questions". International Atomic Energy Agency – Division of Public Information. May 2005. Archived from the original on 23 February 2011. Retrieved 23 March 2011.

외부 링크