원자로

Nuclear reactor
이 기사는 건설된 핵분열 원자로에 관한 것이다.핵융합로는 핵융합력을 참조한다.자연 원자로는 자연 핵분열 원자로를 참조한다.
스위스 EPFL 연구에 사용되는 소형 원자로 CROCUS의 노심

이전에 원자 더미로 알려졌던 원자로는 핵분열 핵 연쇄 반응이나 핵융합 반응을 시작하고 제어하기 위해 사용되는 장치이다.원자로는 원자력 발전소와 원자력 해양 추진에 사용된다.핵분열로 인한 열은 작동 유체(물 또는 가스)로 전달되고, 작동 유체(물 또는 가스)는 증기 터빈을 통해 흐릅니다.이것들은 배의 프로펠러를 구동하거나 발전기의 축을 회전시킨다.원자력 발전 증기는 원칙적으로 산업 공정 난방 또는 지역 난방용으로 사용될 수 있다.일부 원자로는 의료 및 산업용 동위원소를 생산하거나 무기급 플루토늄을 생산하기 위해 사용된다.IAEA는 2019년 초 현재 [1][2][3]전 세계에서 454기의 원자로와 226기의 원자로가 가동되고 있다고 보고하고 있다.

작동

주요 기사:원자로 물리학
유도 핵분열 사건의 예.중성자는 우라늄-235 원자의 핵에 흡수되고, 핵은 빠르게 움직이는 가벼운 원소(분열 생성물)와 유리 중성자로 분할된다.원자로와 핵무기 모두 핵 연쇄 반응에 의존하지만 원자로의 반응 속도는 폭탄보다 훨씬 느리다.

기존 화력발전소가 화석연료를 태우면 방출되는 열에너지를 이용해 전기를 생산하는 것처럼 원자로는 핵분열 제어로 방출되는 에너지를 열에너지로 전환해 기계나 전기 형태로 전환한다.

핵분열

주요 기사:핵분열

우라늄-235나 플루토늄-239와 같은 큰 핵분열성 원자핵이 중성자를 흡수하면 핵분열을 겪을 수 있다.무거운 핵은 운동 에너지, 감마 복사, 자유 중성자를 방출하는 두 개 이상의 가벼운 핵(분열 생성물)으로 분할됩니다.이러한 중성자의 일부는 다른 핵분열성 원자에 의해 흡수되어 더 많은 중성자를 방출하는 추가적인 핵분열 이벤트를 일으킬 수 있다.이것은 핵 연쇄 반응이라고 알려져 있다.

그러한 핵 연쇄 반응을 제어하기 위해 중성자 독과 중성자 조절기를 포함하는 제어봉은 더 많은 [4]핵분열을 유발하는 중성자 부분을 변경할 수 있다.원자로는 일반적으로 감시 또는 계측이 안전하지 않은 [5]조건을 검출할 경우 핵분열 반응을 정지시키기 위한 자동 및 수동 시스템을 갖추고 있다.

발열

원자로 노심은 여러 가지 방법으로 열을 발생시킵니다.

  • 핵분열 생성물의 운동 에너지는 핵이 근처의 원자와 충돌할 때 열에너지로 변환된다.
  • 원자로는 핵분열 중에 생성된 감마선의 일부를 흡수하고 그 에너지를 열로 변환한다.
  • 열은 핵분열 생성물과 중성자 흡수에 의해 활성화된 물질의 방사성 붕괴에 의해 발생한다.이 붕괴열원은 원자로가 정지된 후에도 한동안 유지될 것이다.

핵 과정을 통해 변환된 우라늄-235(U-235) 1kg은 기존 연소 석탄 1kg보다 약 300만 배 많은 에너지를 방출한다(우라늄-235는 kg당 7.2×10줄13, [6][7][original research?]석탄은 kg당 2.4×10줄7).

우라늄-235 1kg의 핵분열은 약 190억kcal를 방출하기 때문에 우라늄-235 1kg이 방출하는 에너지는 석탄 270만kg을 태울 때 방출되는 에너지와 맞먹는다.

냉각

원자로 냉각제(통상 물이지만 때로는 가스나 액체 금속(액상 나트륨이나 납 등) 또는 용융 소금)은 발생하는 열을 흡수하기 위해 원자로 노심을 통해 순환됩니다.열은 원자로에서 운반되어 증기를 발생시키는 데 사용됩니다.대부분의 원자로 시스템은 가압수형 원자로와 같이 터빈을 위한 가압증기를 생성하기 위해 끓일 물과 물리적으로 분리된 냉각 시스템을 사용한다.그러나 일부 원자로에서는 증기 터빈을 위한 물이 원자로 노심에 의해 직접 끓는다(예: 끓는 물 원자로).[8]

반응도 제어

주요 기사:원자로 물리학, 수동적 원자력 안전성, 지연 중성자, 요오드 피트, SCRAM 및 붕괴열

원자로 노심 내 핵분열 반응 속도는 추가적인 핵분열 이벤트를 유도할 수 있는 중성자의 양을 제어함으로써 조정할 수 있다.원자로는 일반적으로 원자로 출력을 조정하기 위해 여러 가지 중성자 제어 방법을 사용한다.이러한 방법 중 일부는 방사능 붕괴의 물리학에서 자연적으로 발생하며 원자로 운전 중에 간단히 설명되는 반면, 다른 일부는 별개의 목적을 위해 원자로 설계에 설계되는 메커니즘이다.

원자로에서 핵분열을 유발하는 중성자의 수준을 조절하는 가장 빠른 방법은 제어봉의 움직임을 통해서이다.제어봉은 중성자 독으로 만들어져 중성자를 흡수한다.제어봉을 원자로에 더 깊숙이 삽입하면, 원자로가 대체하는 물질보다 더 많은 중성자를 흡수한다(대개 감속재).이 작용은 핵분열을 일으킬 수 있는 중성자를 줄이고 원자로 출력을 감소시킨다.반대로 제어봉을 추출하면 핵분열 발생률이 증가하고 출력이 증가한다.

방사능 붕괴의 물리학은 원자로의 중성자 집단에 영향을 미친다.그러한 과정 중 하나는 많은 중성자가 풍부한 핵분열 동위원소에 의한 중성자 방출 지연이다.이러한 지연 중성자는 핵분열 시 생성된 총 중성자의 약 0.65%를 차지하며, 나머지("추진 중성자")는 핵분열 즉시 방출된다.지연 중성자를 생성하는 핵분열 생성물은 밀리초에서 수 분에 이르는 중성자 방출에 의한 붕괴의 반감기를 가지며, 따라서 원자로가 임계점에 도달하는 정확한 시기를 결정하기 위해서는 상당한 시간이 필요하다.임계 질량 상태를 달성하기 위해 지연 중성자가 필요한 연쇄 반응성 영역에 원자로를 유지함으로써 기계 장치나 인간 운전자는 "실시간"에 연쇄 반응을 제어할 수 있다. 그렇지 않으면 정상 핵에서 기하급수적인 출력 서지에 의한 임계 달성과 핵 용융 사이의 시간AR 연쇄반응은 개입하기엔 너무 짧을 겁니다임계 유지를 위해 지연 중성자가 더 이상 필요하지 않은 이 마지막 단계를 즉시 임계점이라고 한다.중요도를 수치 형식으로 기술하는 척도가 있는데, 여기서 최저 임계점은 0달러, 즉시 임계점은 1달러, 그리고 그 밖의 프로세스의 다른 점들은 센트로 표기됩니다.

일부 원자로에서 냉각수는 중성자 감속재 역할도 한다.감속제는 핵분열에서 방출되는 고속 중성자를 에너지 손실과 열 중성자로 만들어 원자로 출력을 높인다.열중성자는 빠른 중성자보다 핵분열을 일으킬 가능성이 높다.냉각수가 감속재일 경우 온도 변화가 냉각수/조절기의 밀도에 영향을 미쳐 출력에 변화를 줄 수 있습니다.온도가 높은 냉각수는 밀도가 낮기 때문에 감속재 효율이 떨어집니다.

다른 원자로에서 냉각수는 제어봉과 같은 방식으로 중성자를 흡수함으로써 독으로 작용한다.이러한 원자로에서는 냉각수를 가열함으로써 출력을 높일 수 있으며, 이는 냉각수의 밀도가 낮은 독을 만든다.원자로는 일반적으로 비상정지 상태에서 원자로를 정지시키기 위한 자동 및 수동 시스템을 갖추고 있다.이러한 시스템은 안전하지 않은 조건이 감지되거나 [9]예상되는 경우 핵분열 반응을 멈추기 위해 대량의 독(종종 붕산 형태의 붕소)을 원자로에 주입한다.

대부분의 유형의 원자로는 제논 중독 또는 요오드 피트로 다양하게 알려진 과정에 민감합니다.핵분열 과정에서 생성되는 공통 핵분열 생성물 제논-135는 중성자를 흡수하는 중성자 독극물로 작용해 원자로를 정지시키는 경향이 있다.제논-135 축적은 생성되는 즉시 중성자 흡수에 의해 파괴될 정도로 높은 출력 레벨을 유지함으로써 제어할 수 있습니다.핵분열은 또한 요오드-135를 생성하며, 요오드-135는 다시 새로운 제논-135로 분해됩니다(6.57시간 반감기).원자로가 정지되면, 요오드-135는 제논-135까지 계속 붕괴되고, 제논-135는 반감기가 9.2시간인 제논-135만큼 독성이 높지 않은 세슘-135로 분해되기 때문에 하루나 이틀 동안 원자로 재가동이 더 어려워진다.이 일시적인 상태가 "요오드 피트"입니다.원자로가 충분한 추가 반응 능력을 가지고 있으면 원자로를 재가동할 수 있다.추가 크세논-135가 중성자 독이 훨씬 적은 크세논-136으로 변환되면 몇 시간 내에 원자로는 "크세논 연소(전원) 과도"를 경험한다.손실된 제논-135의 중성자 흡수를 대체하려면 제어봉을 추가로 삽입해야 합니다.이러한 절차를 제대로 따르지 않은 것이 체르노빌 [10]참사의 핵심 단계였다.

원자력 해양 추진에 사용되는 원자로(특히 핵잠수함)는 보통 육상 발전소가 가동되는 것과 같은 방식으로 24시간 연속 전력으로 가동할 수 없으며, 또한 연료 주입 없이 매우 긴 노심 수명을 가져야 하는 경우가 많다.이러한 이유로 많은 설계에서 고농축 우라늄을 사용하지만 연료봉에 [11]연소성 중성자 독을 포함한다.이를 통해 원자로는 핵분열성 물질의 과잉으로 건설될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 원자로의 연료 연소 주기 초기에 중성자 흡수 물질의 존재로 비교적 안전하다. 중성자 흡수 물질은 나중에 정상적으로 생성된 중성자 독(제논-135보다 훨씬 긴 수명)으로 대체된다.er 연료 부하의 작동 수명.

발전

핵분열 과정에서 방출되는 에너지는 열을 발생시키며, 그 중 일부는 사용 가능한 에너지로 변환될 수 있다.이 열에너지를 이용하는 일반적인 방법은 물을 끓여 가압된 증기를 생성하는 것입니다. 가압된 증기는 교류 발전기를 돌려 [9]전기를 생산하는 증기 터빈을 구동합니다.

초기 원자로

다음 항목도 참조하십시오.핵분열 » 역사
최초의 원자로인 시카고 파일(Chicago Pile)은 미국의 맨해튼 프로젝트의 일환으로 제2차 세계대전 중 1942년 시카고 대학에서 비밀리에 건설되었다.
실험실의 리스 마이트너와 오토 한은
엔리코 페르미, 레오 실라드를 포함한 시카고 파일 팀원 중 일부는

중성자는 1932년 영국의 물리학자 제임스 채드윅에 의해 발견되었다.중성자에 의해 매개되는 핵 반응에 의해 야기된 핵 연쇄 반응의 개념은 그 직후인 1933년 헝가리의 과학자 레오 실라르드에 의해 처음 실현되었다.그는 런던의 [12]해군성에서 일하던 이듬해 간단한 원자로에 대한 자신의 아이디어에 대한 특허를 신청했다.그러나 Szilarrd의 아이디어는 핵분열 과정이 아직 발견되지 않았기 때문에 중성자 선원으로서의 핵분열 개념을 통합하지 않았다.가벼운 요소에서 중성자 매개 핵 연쇄 반응을 이용한 원자로에 대한 실라드의 아이디어는 실행할 수 없는 것으로 판명되었다.

우라늄을 사용하는 새로운 유형의 원자로에 대한 영감은 1938년 리제 마이트너, 프리츠 스트라스만, 오토 한이 우라늄과 중성자 간의 핵융합 반응에 의해 제공된 우라늄의 폭격으로 인해 바륨 잔류물이 생성되었고, 그들은 우라늄 핵의 파쇄에 의해 생성된 것으로 추측했다.1939년 초 후속 연구(그 중 1개 실라드 및 페르미)는 파편 과정에서 중성자 몇 개가 방출된다는 것을 밝혀내 6년 전에 실라드가 상상했던 핵 연쇄 반응의 기회를 제공했다.

1939년 8월 2일 알버트 아인슈타인은 프랭클린 D 대통령에게 보내는 편지에 서명했다. 루즈벨트(실라드 지음)는 우라늄의 핵분열 발견이 원자로와 핵분열 연구에 박차를 가하는 새로운 유형의 초강력 폭탄의 개발로 이어질 수 있음을 시사했다.실라드와 아인슈타인은 수년 전부터 서로를 잘 알고 함께 일해왔지만, 아인슈타인은 미국 정부에 경고하기 위해 아인슈타인-실라드 편지를 작성하기 위해 그에게 보고하기 전까지 핵 에너지의 가능성에 대해 생각해 본 적이 없었다.

얼마 지나지 않아 히틀러의 독일은 1939년 폴란드를 침공하여 유럽에서 제2차 세계대전을 일으켰다.미국은 아직 공식적으로 전쟁을 치르지는 않았지만, 10월 아인슈타인과 질라르드의 편지가 그에게 전달되었을 때, 루즈벨트는 이 연구의 목적은 "나치가 우리를 폭파시키지 않기 위한 것"이라고 말했다.미국의 핵 개발 계획은 회의적인 시각(일부는 페르미로부터)이 남아있었고 당초 프로젝트를 추진하도록 지시받았던 소수의 정부 당국자들로부터 별다른 조치가 없었기 때문에 다소 지연되었다.

이듬해 미국 정부는 영국으로부터 연쇄 반응에 필요한 우라늄 양이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 낮다는 내용의 프리쉬-페얼스 각서를 받았다.이 메모는 후에 맨해튼 프로젝트에 포함될 튜브 알로이(Tube Alloys)로 알려진 영국의 원자폭탄 프로젝트를 담당하던 MAUD 위원회의 산물이었다.

결국 최초의 인공 원자로인 시카고 파일 1호기는 1942년 말 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미가 이끄는 팀에 의해 시카고 대학에서 건설되었다.이때까지, 이 프로그램은 미국의 참전으로 인해 1년 동안 압박을 받았다.Chicago[13] Pile은 1942년 12월 2일 오후 3시 25분에 임계치에 도달했다.원자로 지지구조는 천연 우라늄 산화물 '의사구' 또는 '연탄'을 내장한 흑연 블록 더미를 지지하는 나무로 만들어졌다.

시카고 파일 사건 직후, 미군은 1943년부터 맨해튼 프로젝트를 위해 많은 원자로를 개발했다.(워싱턴 핸포드 사이트에 위치한) 가장 큰 원자로의 주된 목적은 핵무기용 플루토늄의 대량 생산이었다.페르미와 질라드는 1944년 12월 19일 원자로 특허를 출원했다.그 발행은 전시 [14]비밀 때문에 10년 동안 지연되었다.

"세계 최초의 원자력 발전소"는 현재 아이다호주 아르코 근처에 있는 박물관이 있는 EBR-I 부지에 있는 표지판에 의해 주장되었다.원래 "시카고 파일-4"라고 불렸던 이 작업은 아르곤 국립 [15]연구소에서 월터 진의 지시로 수행되었습니다.미국 원자력 위원회가 운영하는 이 실험용 LMFBR은 1951년 12월[16] 20일 테스트에서 0.8kW를 생산했고,[17] 다음날 설계 출력은 200kW(전기)였다.

원자로의 군사적 사용 외에도, 민간에서 원자력을 사용하는 것을 추구해야 할 정치적인 이유가 있었다.미국 대통령 드와이트 아이젠하워는 1953년 12월 8일 유엔 총회에서 그의 유명한 평화 원자 연설을 했다.이 외교는 미국 기관과 [18]전 세계에 원자로 기술의 보급으로 이어졌다.

최초의 민간용 원자력 발전소는 1954년 6월 27일 소련에서 출범한 AM-1 오브닌스크 원자력 발전소였다.약 5 MW(전기)를 생산했습니다.그것은 유럽에서 처음으로 임계 상태가 된 원자로인 F-1(원자로) 이후에 건설되었고 소련에 의해 건설되었다.

제2차 세계대전 이후 미군은 원자로 기술의 다른 용도를 모색했다.육군의 연구는 그린란드 캠프 센추리와 남극 육군 핵발전 프로그램인 맥머도 기지의 발전소로 이어졌다.공군 핵폭격기 프로젝트는 용융-소금 원자로 실험의 결과를 가져왔다.미 해군은 1955년 1월 17일 핵발전으로 USS 노틸러스(SSN-571)를 증파해 성공했다.

최초의 상업용 원자력 발전소인 영국 셀라필드에 있는 칼더 홀은 1956년에 50 MW(나중에 [19][20]200 MW)의 초기 용량으로 문을 열었다.

최초의 이동식 원자로 "알코 PM-2A"는 1960년부터 [21]1963년까지 캠프 센추리의 전력(2MW)을 생산하는 데 사용되었다.

3개의 냉각수 루프에서 원자로 압력용기(빨간색), 증기발생기(보라색), 가압기(파란색), 펌프(녹색)를 나타내는 1차 냉각수 시스템

원자로 타입

Pressurized Water ReactorBoiling Water ReactorGas Cooled ReactorPressurized Heavy Water ReactorLWGRFast Breeder ReactorCircle frame.svg
  • PWR: 277 (63.2%)
  • BWR: 80(18.3%)
  • GCR: 15(3.4%)
  • PHWR: 49 (11.2%)
  • LWGR: 15(3.4%)
  • FBR: 2 (0.5%)
유형별 원자로 수(2014년 [22]말)
Pressurized Water ReactorBoiling Water ReactorGas Cooled ReactorPressurized Heavy Water ReactorLWGRFast Breeder ReactorCircle frame.svg
  • PWR: 257.2(68.3%)
  • BWR: 75.5 (20.1 %)
  • GCR: 8.2 (2.2%)
  • PHWR: 24.6 (6.5%)
  • LWGR: 10.2 (2.7%)
  • FBR: 0.6 (0.2%)
유형별 순전력용량(GWe)([22]2014년 말)
NC State의 PULSTAR 원자로는 지르칼로이 피복재에 UO2 펠릿으로 구성된 4% 농축 핀형 연료를 사용하는 1MW 풀형 연구용 원자로이다.

분류

핵반응 유형별

모든 상업용 원자로는 핵분열을 기반으로 한다.토륨 연료 사이클도 가능하지만 일반적으로 우라늄과 그 생산물 플루토늄을 핵연료로 사용한다.핵분열 원자로는 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 중성자의 에너지에 따라 크게 두 가지 등급으로 나눌 수 있다.

  • 열중성자 원자로는 연료의 핵분열을 유지하기 위해 감속 또는 열중성자를 사용한다.현재의 원자로는 거의 모두 이런 유형이다.중성자 온도가 열화될 때까지, 즉 운동 에너지가 주변 입자의 평균 운동 에너지에 도달할 때까지 중성자를 느리게 만드는 중성자 감속재 물질을 포함하고 있다.열중성자는 핵분열 핵 우라늄-235, 플루토늄-239 및 플루토늄-241의 파열의 단면적(확률)이 훨씬 높고, 원래 핵분열로 인한 빠른 중성자에 비해 우라늄-238(U-238)에 의한 중성자 포획 확률이 상대적으로 낮아 저농축 우라늄이나 천연 우라늄을 사용할 수 있다.연료. 감속재 또한 보통 끓는점을 증가시키기 위해 높은 압력의 물인 냉각수이다.원자로 용기, 원자로 감시 및 제어를 위한 계기, 방사선 차폐 및 원자로 건물로 둘러싸여 있다.
  • 고속 중성자 원자로는 연료에 핵분열을 일으키기 위해 고속 중성자를 사용한다.그들은 중성자 감속제를 가지고 있지 않고 덜 조절된 냉각제를 사용한다.연쇄 반응을 유지하려면 핵분열 확률이 U-238에 의한 포획에 비해 상대적으로 낮기 때문에 핵분열 물질(약 20% 또는 그 이상)에서 연료가 더 고농축되어야 한다.모든 악티니드는 고속 [23]중성자로 핵분열 가능하기 때문에 고속 원자로는 초우라늄 폐기물을 덜 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 건설이 더 어렵고 운영 비용이 더 많이 든다.전반적으로 고속 원자로는 대부분의 애플리케이션에서 열 원자로보다 덜 일반적이다.일부 초기 발전소는 고속 원자로였고, 일부 러시아 해군 추진 부대도 마찬가지였다.시제품의 건설은 계속되고 있다(고속 증식기 또는 4세대 원자로 참조).

원칙적으로 핵융합 에너지는 수소의 중수소 동위원소와 같은 원소의 핵융합에 의해 만들어질 수 있다.적어도 1940년대 이후 지속되고 있는 풍부한 연구 주제이지만, 어떤 목적을 위한 자급자족형 핵융합로는 건설된 적이 없다.

모델레이터 재료별

열원자로에 사용:

  • 흑연 감속로
  • 수속 원자로
    • 중수로(캐나다,[24] 인도, 아르헨티나, 중국, 파키스탄, 루마니아 및 [25]한국에서 사용).
    • 경수로(LWR).경수로(가장 일반적인 유형의 열 원자로)는 원자로를 [24]조절하고 냉각하기 위해 일반 물을 사용한다.경수소 동위원소는 중성자 독이기 때문에 이 원자로들은 인공적으로 농축된 연료를 필요로 한다.작동 온도에서 물의 온도가 올라가면 밀도가 떨어지고, 물을 통과하는 중성자가 줄어들어 더 많은 반응을 일으킬 수 있을 만큼 느려진다.그 부정적인 피드백은 반응 속도를 안정시킨다.흑연과 중수로는 경수로보다 더 철저히 열화되는 경향이 있다.추가적인 열화와 가벼운 수소 중독 효과가 없기 때문에 이러한 유형은 천연 우라늄/농축 연료를 사용할 수 있습니다.
  • 경원소 감속형 원자로.
    • 용융염 원자로(MSR)는 냉각수/연료 매트릭스 소금 "LiF"와 "BeF2", "LiCh"와 "BeCh2"의 구성 요소인 리튬 또는 베릴륨과 같은 경원소와 염분을 포함한 기타 경원소에 의해 감속된다.
    • 냉각수가 납과 비스무트의 혼합물인 원자로와 같은 액체 금속 냉각 원자로는 BeO를 감속재로 사용할 수 있다.
  • 유기 감속로(OMR)는 감속재 및 냉각수로 비페닐과 테르페닐을 사용한다.

냉각수에 의한

Atommash에서의 VVER-1000 원자로 프레임 내부 처리
열원자로(구체적으로 LWR)에서 냉각수는 중성자가 연료에 효율적으로 흡수되기 전에 감속재 역할을 한다.
  • 수냉식 원자로.이들 원자로는 가동 중인 원자로의 대부분을 차지하고 있다.2014년 현재 전 세계 원자로의 93%가 수냉식 원자로로 전 세계 총 원자력 발전 [22]용량의 약 95%를 제공하고 있다.
    • 가압수형 원자로(PWR) 가압수형 원자로는 서양 원자력 발전소의 대부분을 차지한다.
      • PWR의 주요 특징은 압력용기인 가압기입니다.대부분의 상용 PWR과 해군 원자로는 가압기를 사용한다.정상운전 중에는 가압기에 물을 부분적으로 충전하고, 침수히터로 물을 가열하여 그 위에 증기기포를 유지한다.정상운전 중 가압기는 1차 원자로 압력용기(RPV)에 연결되며 가압기 "버블"은 원자로 내 수량의 변화를 위한 팽창공간을 제공한다.이 장치는 가압기 히터를 이용하여 가압기 내 증기압력을 증가시키거나 감소시킴으로써 원자로를 위한 압력제어 수단을 제공한다.
      • 가압 중수형 원자로는 가압된 격리된 열수송 루프의 사용을 공유하는 가압수형 원자로의 하위 집합이지만, 중수를 냉각제 및 감속제로 사용한다.
    • 비등수형 원자로(BWR)
      • BWR은 1차 원자로 압력용기 하부에 있는 연료봉 주변에 물이 끓는 것이 특징이다.비등수형 원자로는 이산화우라늄으로 농축된 U를 연료로 사용한다.연료는 물에 잠긴 강철 용기에 수용된 로드로 조립됩니다.핵분열은 물을 끓게 하고 증기를 발생시킨다.이 증기는 파이프를 통해 터빈으로 흐른다.터빈은 증기에 의해 구동되며,[26] 이 과정은 전기를 발생시킨다.정상운전 중 압력은 원자로 압력용기에서 터빈으로 흐르는 증기의 양에 의해 제어된다.
    • 초임계수형 원자로(SCWR)
      • SCWR은 원자로가 초임계 압력으로 가동되고 물을 초임계 유체로 가열하는 4세대 원자로 개념으로, 증기 발생기에 전력을 공급하기 위해 증기로 전환되는 일은 없지만 포화 증기처럼 동작한다.
    • 환원 감속수형 원자로(RWMR) - 연료 원소가 서로 더 가깝게 설정된 고농축 연료를 사용하여 에피더말 중성자 스펙트럼이라고도 불리는 더 빠른 중성자 스펙트럼을 가능하게 한다.
    • 풀형 원자로는 비압축 수냉 오픈풀 [27]원자로를 참조할 수 있지만 나트륨 냉각된 풀형 LMFBR과 혼동해서는 안 된다.
    • 일부 원자로는 감속재 역할을 하는 중수에 의해 냉각되었다.예를 들어 다음과 같습니다.
      • 초기 CANDU 원자로(나중에 나온 원자로는 중수 감속재를 사용하지만 경수 냉각수를 사용한다)
      • DIDO급 연구용 원자로
  • 액체 금속 냉각 원자로.물은 감속재이기 때문에 고속로에서는 냉각수로 사용할 수 없다.액체 금속 냉각제에는 나트륨, NaK, 납, 납-비스무트 공정 및 초기 원자로에서 수은이 포함되어 있습니다.
  • 가스 냉각 원자로는 순환 가스에 의해 냉각된다.상업용 원자력 발전소에서는 이산화탄소가 일반적으로 사용되어 왔다. 예를 들어 현재의 영국 AGR 원자력 발전소에서는 그리고 이전에는 영국, 프랑스, 이탈리아 및 일본 제1세대 원자력 발전소에서는 이산화탄소가 사용되었다.질소와 헬륨도 사용되었으며, 헬륨은 고온 설계에 특히 적합한 것으로 간주되고 있습니다[28].열의 이용은 원자로에 따라 다르다.상업용 원자력 발전소는 증기 터빈을 위한 증기를 만들기 위해 가스를 열교환기를 통해 작동시킨다.일부 실험 설계는 가스가 가스터빈에 직접 전력을 공급할 수 있을 정도로 충분히 뜨겁습니다.
  • 용융염 원자로(MSR)는 일반적으로 FLiBe와 같은 불소염의 공정 혼합물인 용융염을 순환시켜 냉각한다.일반적인 MSR에서 냉각수는 핵분열성 물질이 용해되는 매트릭스로서도 사용된다.사용되는 기타 공정염 조합은 "Zr"을 포함한다.F는4 NaF, LiCh는 BeCh로2 구분됩니다.
  • 유기 원자로는 물 대신 비페닐, 테르페닐 등의 유기 유체를 냉각수로 사용한다.

세대별

2003년 프랑스 위원회(CEA)는 핵물질학 [31]주간에서 "제2세대" 유형을 최초로 언급했다.

'제3세대'에 대한 첫 언급은 2000년 제4세대 국제포럼(GIF) 계획의 출범과 함께 이루어졌다.

'제4세대'는 2000년 미국 에너지부(DOE)에 의해 새로운 [32]발전소 유형을 개발하기 위해 명명되었다.

연료 위상별

코어 모양별

  • 입방체
  • 원통형
  • 팔각형의
  • 구면
  • 슬래브
  • 고리 모양

용도별

최신 테크놀로지

디아블로 캐니언 – PWR
  • 가압수형 원자로(PWR) [조절기: 고압수, 냉각수: 고압수]
이 원자로들은 핵연료, 제어봉, 감속재, 냉각수를 담기 위해 압력용기를 사용한다.압력 용기에서 나오는 뜨거운 방사성 물은 증기 발생기를 통해 순환되고, 이는 터빈을 구동할 수 있는 증기로 물의 2차(비방사성) 순환을 가열합니다.그것들은 현재 원자로의 과반수(약 80%)를 차지한다.이 원자로는 열중성자 원자로 설계로, 러시아제 VVER-1200, 일본제 첨단 가압수형 원자로, 미국제 AP1000, 중국제 화룡 가압로, 프랑스-독일제 유럽 가압로 등이 최신이다.모든 미 해군 원자로는 이런 유형이다.
  • 비등수형 원자로(BWR) [조절기: 저압수, 냉각수: 저압수]
BWR은 증기 발생기가 없는 PWR과 같습니다.냉각수의 압력이 낮기 때문에 압력 용기 내부에서 끓어오르며 터빈을 구동하는 증기를 생성합니다.PWR과 달리 프라이머리 루프와 세컨더리 루프는 없습니다.이러한 원자로의 열효율은 더 높아질 수 있고, 더 단순해질 수 있으며, 잠재적으로 더 안정적이고 안전할 수 있습니다.이것은 열중성자 원자로 설계로 최신 비등수형 원자로와 경제 간이 비등수형 원자로입니다.
CANDU킨산 원자력 발전소
PWR과 매우 유사하지만 중수를 사용하는 캐나다 설계(CANDU)입니다.중수는 일반 물보다 훨씬 비싸지만 중성자 경제성이 높아(열 중성자 수가 더 많다) 연료 농축 시설 없이 원자로를 운영할 수 있다.PWR에서처럼 하나의 대형 압력 용기를 사용하는 대신, 연료가 수백 개의 압력 튜브에 들어 있습니다.이 원자로들은 천연 우라늄으로 연료를 공급받으며 열중성자 원자로 설계이다.PHWR은 최대 출력으로 재급유(온라인 급유)할 수 있기 때문에 우라늄을 효율적으로 사용할 수 있습니다(코어의 정확한 플럭스 제어를 가능하게 합니다).CANDU PHWR은 캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도, 파키스탄, 루마니아 및 한국에서 구축되었습니다.인도는 또한 캐나다 정부가 1974년 미소의 부처 핵무기 실험 이후 인도와의 핵 거래를 중단한 이후 종종 'CANDU 파생상품'으로 불리는 다수의 PHWR을 운영하고 있다.
이그날리나 원자력 발전소 – RBMK 유형 (2009년 폐쇄)
  • Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (고출력 채널 원자로)(RBMK) [모델레이터: 흑연, 냉각수: 고압수]
소련의 설계인 RBMK는 전력 작동 중에 재급유가 가능하며 PWR 스타일의 압력 용기 대신 압력 튜브 설계를 채택한다는 점에서 CANDU와 유사합니다.그러나 CANDU와는 달리 매우 불안정하고 크기 때문에 격납용기 건물이 비쌉니다.RBMK 설계에서도 일련의 중대한 안전 결함이 확인되었지만, 체르노빌 사고 이후 이러한 결함 중 일부는 수정되었습니다.그들의 주된 매력은 경수와 농축되지 않은 우라늄을 사용하는 것이다.2022년 현재 8개 노선이 개방된 상태로 유지되고 있는데, 이는 주로 안전 개선과 DOE와 같은 국제 안전 기관의 도움 때문이다.이러한 안전 개선에도 불구하고, RBMK 원자로는 여전히 사용 중인 가장 위험한 원자로 설계 중 하나로 간주된다.RBMK 원자로는 구소련에만 배치되었다.
MagnoxSizewell A 원자력 발전소
Torness 원자력 발전소 – AGR
이러한 설계는 동작 온도가 높기 때문에 PWR에 비해 열효율이 높습니다.이 설계의 원자로는 이 개념이 개발된 영국에서 다수 운용되고 있다.오래된 설계(즉, Magnox 스테이션)는 폐쇄되었거나 가까운 미래에 폐쇄될 예정입니다.그러나 AGRs의 예상 수명은 10~20년이다.이것은 열중성자 원자로 설계입니다.폐로 비용은 원자로 노심의 대량으로 인해 높을 수 있다.
TOPAZ 원자로 축소 모델
이 완전히 감속되지 않은 원자로 설계는 소비되는 것보다 더 많은 연료를 생산한다.그들은 중성자 포획으로 인해 작동 중에 핵분열성 연료를 생산하기 때문에 연료를 "증식"한다고 한다.이러한 원자로는 효율 면에서 PWR과 매우 유사한 기능을 할 수 있으며 액체 금속을 매우 높은 온도에서 고압으로 유지할 필요가 없기 때문에 고압 격납을 많이 필요로 하지 않는다.이들 원자로는 고속 중성자이며 열 중성자 설계가 아니다.이러한 원자로에는 두 가지 유형이 있습니다.
1998년에 문을 닫은 슈퍼픽스는 몇 안 되는 FBR 중 하나였다.
납 냉각
액체 금속으로 납을 사용하면 방사선 차폐가 뛰어나고 매우 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.또한 납은 (대부분) 중성자에 투명하기 때문에 냉각수에서 손실되는 중성자가 적고 냉각수는 방사능이 되지 않는다.나트륨과 달리 납은 대부분 불활성이기 때문에 폭발이나 사고의 위험이 적지만, 이렇게 많은 양의 납은 독성학 및 폐기 관점에서 문제가 있을 수 있습니다.종종 이런 유형의 원자로는 납-비스무트 공정 혼합물을 사용한다.이 경우 비스무트는 중성자만큼 투명하지 않고 납보다 더 쉽게 방사성 동위원소로 변환될 수 있기 때문에 약간의 방사선 문제를 일으킬 수 있다.러시아의 알파급 잠수함은 납 비스무트 냉각 고속 원자로를 주 발전소로 사용한다.
나트륨 냉각
대부분의 LMFBR은 이 타입입니다.소련의 TOPAZ, BN-350, BN-600, 프랑스의 Superphénix, 미국의 Fermi-I는 이러한 유형의 원자로였다.나트륨은 비교적 입수하기 쉽고 작업도 용이하며, 침지된 여러 원자로 부분의 부식을 실제로 방지할 수 있다.그러나 나트륨은 물에 노출되면 격렬하게 폭발하기 때문에 주의해야 하지만, 그러한 폭발은 (예를 들어) 가압수형 원자로에서 과열된 유체가 누출되는 것보다 더 격렬하지는 않을 것이다.일본 몬주 원자로는 1995년 나트륨 누출로 2010년 5월까지 재가동할 수 없었다.1955년 노심 용융을 일으킨 최초의 원자로인 EBR-I도 나트륨 냉각 원자로였다.
  • 페블베드 원자로(PBR)[가속기: 흑연, 냉각수: 헬륨]
세라믹 볼에 성형된 연료를 사용하여 볼을 통해 가스를 순환시킵니다.그 결과, 저렴하고 표준화된 연료를 사용하는 효율적이고, 유지보수가 적고, 매우 안전한 원자로가 탄생했습니다.시제품은 AVR이었고 HTR-10은 HTR-PM이 개발되고 있는 중국에서 운용되고 있다.HTR-PM은 [35]가동에 들어가는 첫 번째 IV세대가 될 것으로 예상된다.
  • 용융염 원자로(MSR) [변조기: 고속 스펙트럼 MSR의 경우 흑연 또는 없음, 냉각수: 용융염 혼합물]
이들은 연료를 플루오르화나 염화염에 녹이거나 냉각제로 그러한 소금을 사용한다.MSR에는 노심에 고압 또는 인화성이 높은 구성요소가 없는 등 많은 안전 기능이 있을 수 있습니다.처음에는 고효율과 고출력 밀도 때문에 항공기 추진용으로 설계되었다.하나의 프로토타입인 용융염 원자로 실험은 토륨에서 핵분열 우라늄-233 연료를 생산하는 열 스펙트럼 원자로인 액체 플루오르화 토륨 원자로의 실현 가능성을 확인하기 위해 건설되었다.
이러한 원자로는 물에 용해되어 냉각수 및 감속재와 혼합된 연료 가용성 핵염(일반적으로 황산 우라늄 또는 질산 우라늄)으로 사용된다.2006년 4월 현재 [36]운용되고 있는 AHR은 5대뿐입니다.

미래 및 발전 중인 기술

개량형 원자로

12개 이상의 발전된 원자로 설계가 다양한 [37]개발 단계에 있다.일부는 위의 PWR, BWR 및 PHWR 설계에서 진화한 것이고, 일부는 더 급진적인 이탈이다.전자는 첨단 비등수형 원자로(ABWR)와 현재 건설 중인 원자로(ABWR), 수동적으로 안전한 경제 간이 비등수형 원자로(ESBWR) 및 AP1000 유닛을 포함한다(원자력 2010 프로그램 참조).

  • 1980년대 건설, 시험, 평가된 통합형 고속로(IFR)는 1990년대 클린턴 행정부 시절 핵 비확산 정책으로 퇴역했다.사용후 핵연료의 재활용은 설계의 핵심이며, 따라서 현재 [38]원자로 폐기물의 극히 일부만을 생산한다.
  • 고온 가스 냉각 원자로(HTGCR)인 조약돌 바닥 원자로는 고온으로 인해 연료 중성자 단면의 도플러 확대에 의해 출력이 감소하도록 설계되었다.세라믹 연료를 사용하여 안전 작동 온도가 전력 절감 온도 범위를 초과합니다.대부분의 설계는 불활성 헬륨에 의해 냉각됩니다.헬륨은 증기폭발을 일으키지 않고 방사능으로 이어지는 중성자 흡수에 강하며 방사능이 될 수 있는 오염물질을 녹이지 않는다.전형적인 설계는 경수로(일반적으로 3)보다 더 많은 수동 원자로 층(최대 7)을 가지고 있다.안전에 도움이 될 수 있는 독특한 특징은 연료 볼이 실제로 노심의 메커니즘을 형성하고 시간이 지남에 따라 하나씩 교체된다는 것입니다.연료의 디자인은 연료 재처리를 비싸게 만든다.
  • 소형 밀폐형 수송형 자율형 원자로(SSTAR)는 주로 미국에서 연구 개발되고 있으며 수동적으로 안전하며 조작 의혹이 제기될 경우 원격으로 폐쇄될 수 있는 고속 증식 원자로로 의도되어 있다.
  • 청정 및 환경 안전 고급 원자로(CASAR)는 증기를 감속재로 사용하는 원자로 개념으로, 이 설계는 아직 개발 중이다.
  • 감속수형 원자로는 현재 사용 중인 첨단 비등수형 원자로 ABWR)를 기반으로 구축되며, 대신 열중성자와 고속중성자 사이에 있는 발열중성자를 주로 사용한다.
  • 수소 감속 자가조절 원자력 모듈(HPM)은 로스앨러모스 국립연구소에서 나온 원자로 설계로 수소화 우라늄을 연료로 사용한다.
  • 아임계 원자로는 보다 안전하고 안정되도록 설계되었지만, 많은 엔지니어링 및 경제적 어려움을 야기한다.한 가지 예가 에너지 앰프입니다.
  • 토륨 기반 원자로 - 목적을 위해 특별히 설계된 원자로에서 토륨-232를 U-233으로 변환할 수 있다.이렇게 하면 우라늄보다 4배나 많은 토륨을 U-233 [39]핵연료를 생산할 수 있다.또한 U-233은 중성자 경제 개선과 장기수명 초우라늄 폐기물 생산 저감을 포함하여 기존에 사용된 U-235에 비해 유리한 핵 특성을 가진 것으로 여겨진다.
    • AHWR(Advanced Heavy-Water Reactor) — 차세대 PHWR 설계 중수 감속 원자력 발전소.인도 바바 원자력 연구 센터(BARC)에서 개발 중입니다.
    • KAMINI – 우라늄-233 동위원소를 연료로 사용하는 독특한 원자로.BARC와 Indira Gandhi Center for Atomic Research(IGCAR)에 의해 인도에 건설되었습니다.
    • 인도는 또한 토륨 – 우라늄-233 연료 사이클을 사용하여 고속 증식로를 건설할 계획이다.인도 칼팍캄에서 가동 중인 고속증식로(FBTR)는 플루토늄을 연료로, 액체나트륨을 냉각제로 사용한다.
    • 세로 임팩토 매장량을 관리하고 있는 중국은 원자로를 보유하고 있으며 석탄 에너지를 원자력으로 [40]대체하기를 희망하고 있다.

롤스로이스는 [41]항공기용 신연료 생산을 위한 원자로 판매를 목표로 하고 있다.

제4세대 원자로

4세대 원자로는 현재 연구 중인 일련의 이론적인 원자로 설계이다.이러한 설계는 일반적으로 2030년 이전에는 상업 건설에 사용할 수 없을 것으로 예상된다.현재 전 세계에서 가동 중인 원자로는 일반적으로 2세대 또는 3세대 시스템으로 간주되며, 1세대 시스템은 얼마 전에 폐기되었다.이들 원자로 유형에 대한 연구는 8가지 기술 목표를 바탕으로 IV세대 국제포럼(GIF)에 의해 공식적으로 시작되었다.주요 목표는 원자력 안전 향상, 증식 저항성 향상, 폐기물 및 천연자원 이용 최소화 및 이러한 [42]발전소 건설 및 운영 비용 절감이다.

V+세대 원자로

V세대 원자로는 이론적으로는 가능하지만 현재 적극적으로 검토되거나 연구되고 있지 않은 설계이다.일부 V세대 원자로는 현재 또는 단기 기술로 잠재적으로 건설될 수 있지만, 경제, 실용성 또는 안전상의 이유로 거의 관심을 유발하지 않는다.

  • 액체 노심 원자로.핵분열성 물질이 격납용기 바닥의 구멍을 통해 주입된 작동 가스에 의해 냉각된 용융 우라늄 또는 우라늄 용액인 폐쇄 루프 액체 노심 원자로.
  • 가스 노심 원자로.핵전구 로켓의 폐쇄 루프 버전으로 핵분열성 물질은 용융 실리카 용기에 포함된 6불화 우라늄 가스이다.작동 중인 가스(예: 수소)가 이 용기 주위를 흐르며 반응으로 생성된 자외선을 흡수합니다.이 원자로 설계는 해리슨의 1976년 공상과학 소설 스카이폴에서 다루어지듯이 로켓 엔진으로도 기능할 수 있다.이론적으로 UF를 (지금처럼 1단계로서가 아니라) 작동 연료로 직접 사용하는6 것은 처리 비용 절감과 매우 작은 원자로를 의미한다.실제로 그러한 고출력 밀도로 원자로를 가동하면 관리하기 어려운 중성자속이 생성되어 대부분의 원자로 재료가 약화될 수 있다. 따라서 이 플럭스는 핵융합 원자로에서 예상한 것과 유사하므로 국제융합물질조사시설에서 선택한 것과 유사한 재료가 필요하다.
    • 가스 노심 전자파 원자로.가스 노심 원자로에서처럼, 하지만 태양광 발전 어레이가 자외선을 [43]전기로 직접 변환합니다.이 접근법은 실험적으로 증명된 광전 효과와 유사하며, 고에너지 광자를 전도성 박의 배열을 통과시켜 전자에 에너지의 일부를 전달함으로써 광자의 에너지는 정전 용량과 유사하게 포착된다.엑스레이는 전자보다 훨씬 더 큰 물질 두께를 통과할 수 있기 때문에, [44]엑스레이를 흡수하기 위해서는 수백 또는 수천 개의 층이 필요하다.
  • 핵분열 파편 원자로.핵분열 단편 원자로는 핵반응을 이용해 열을 내는 대신 핵분열 부산물의 이온빔을 감속시켜 전기를 생산하는 원자로다.이를 통해 Carnot 사이클을 우회하여 효율적인 터빈 구동식 열 원자로에 의해 달성 가능한 40-45%가 아닌 최대 90%의 효율성을 달성할 수 있습니다.핵분열 파편 이온 빔은 전기를 생산하기 위해 자기유체역학 발전기를 통과할 것이다.
  • 하이브리드 핵융합.핵융합으로 방출된 중성자를 사용하여 U-238 또는 Th-232와 같은 비옥한 물질의 담요를 핵분열하고 다른 원자로의 사용후 핵연료/핵폐기물을 비교적 양성 동위원소로 변환한다.

핵융합로

주요 기사:퓨전 파워

제어된 핵융합은 원칙적으로 악티니드를 취급하는 복잡성 없이 핵융합 발전소에서 전력을 생산하기 위해 사용될 수 있지만, 상당한 과학적, 기술적 장애물이 남아 있다.여러 개의 핵융합로가 만들어졌지만, 원자로는 그 과정에서 사용된 에너지의 양보다 더 많은 에너지를 방출할 수 없었다.1950년대에 연구가 시작되었음에도 불구하고 2050년 전에는 상업용 핵융합로가 없을 것으로 예상된다.ITER 프로젝트는 현재 핵융합 전력을 활용하기 위한 노력을 주도하고 있습니다.

핵연료 사이클

주요 기사:핵연료 사이클

열원자로는 일반적으로 정제되고 농축된 우라늄에 의존한다.일부 원자로는 플루토늄과 우라늄의 혼합물로 작동할 수 있다(MOX 참조).우라늄 광석이 채굴, 가공, 농축, 사용, 재처리 및 처분되는 과정을 핵연료 주기라고 한다.

자연에서 발견되는 우라늄의 1% 미만에는 쉽게 핵분열할 수 있는 U-235 동위원소가 있으며, 그 결과 대부분의 원자로 설계에는 농축 연료가 필요하다.농축은 U-235의 비율을 증가시키는 것을 수반하며, 일반적으로 가스 확산 또는 가스 원심분리기를 통해 이루어집니다.농축된 결과는 이산화 우라늄 분말로 변환되고, 이 분말은 압착되어 펠릿 형태로 발사됩니다.이 알갱이들은 튜브에 쌓이고, 튜브는 밀봉되어 연료봉이라고 불립니다.이 연료봉들 중 많은 것들이 각 원자로에 사용된다.

대부분의 BWR 및 PWR 상용 원자로는 약 4% U-235로 농축된 우라늄을 사용하며, 중성자 경제성이 높은 일부 상용 원자로는 연료를 농축할 필요가 전혀 없다(즉 천연 우라늄을 사용할 수 있다).국제원자력기구(IAEA)에 따르면 고농축 우라늄(무기급/90% 농축)을 연료로 하는 연구용 원자로는 전 세계에 최소 100개 이상 있다.이 연료의 도난 위험(핵무기 생산에 잠재적으로 사용됨)으로 인해 이러한 유형의 원자로를 저농축 우라늄([45]확산 위험이 적음)으로 전환하는 것을 옹호하는 캠페인이 벌어졌다.

핵분열 과정에는 핵분열 U-235와 비핵분열성, 비옥한 U-238이 사용된다.U-235는 열(즉, 느리게 움직이는) 중성자에 의해 핵분열이 가능하다.열중성자는 주변의 원자와 거의 같은 속도로 움직이는 것이다.모든 원자는 절대 온도에 비례해 진동하기 때문에 열 중성자는 같은 진동 속도로 움직일 때 U-235를 핵분열할 수 있는 가장 좋은 기회가 있다.반면 U-238은 중성자가 매우 빠르게 움직일 때 중성자를 포획할 가능성이 높다.이 U-239 원자는 곧 또 다른 연료인 플루토늄-239로 분해될 것이다.Pu-239는 사용 가능한 연료이며 고농축 우라늄 연료를 사용하더라도 고려해야 한다.일부 원자로에서는 특히 U-235의 초기 부하가 소비된 후 플루토늄 파편이 U-235 파편을 지배할 것이다.플루토늄은 빠른 중성자와 열 중성자 둘 다로 핵분열이 가능하기 때문에 원자로나 핵폭탄에 이상적입니다.

현존하는 대부분의 원자로 설계는 열 원자로이며 일반적으로 물을 중성자 감속재(감속기는 중성자를 열 속도로 감속시킨다는 의미) 및 냉각수로 사용한다.그러나 고속 증식로에서는 중성자를 감속시키거나 감속시키지 않는 다른 종류의 냉각수가 사용된다.이를 통해 고속 중성자를 지배할 수 있으며, 연료 공급을 지속적으로 보충하는 데 효과적으로 사용될 수 있습니다.값싼 농축우라늄을 핵에 넣는 것만으로 핵분열성이 없는 U-238은 Pu-239, 즉 "증식" 연료로 바뀔 것이다.

토륨 연료 사이클에서 토륨-232는 고속 또는 열 원자로에서 중성자를 흡수한다.토륨-233 베타는 프로텍티늄-233으로 분해되고 우라늄-233으로 분해되어 연료로 사용된다.따라서 우라늄-238과 마찬가지로 토륨-232는 비옥한 물질이다.

원자로의 연료 공급

핵연료 저장소의 에너지 양은 열 에너지 생성을 위해 원자로가 최대 출력으로 운전하도록 예정된 24시간 기간(일)인 "최대 출력 일수"로 자주 표현된다.원자로 가동 주기의 최대 출력 일수(급유 중단 시간 간)는 주기 시작 시 연료 어셈블리에 포함된 핵분열 우라늄-235(U-235)의 양과 관련이 있다.사이클의 개시시에 노심내의 U-235 의 비율이 높아지면, 원자로는 보다 많은 풀 파워 데이 동안 가동할 수 있게 됩니다.

작동 사이클이 끝나면 일부 어셈블리의 연료는 "소비"되어 원자로에서 4년에서 6년 동안 전력을 생산한다.이 사용 후 연료는 배출되고 새([citation needed]신규) 연료 어셈블리로 교체됩니다.이러한 연료 어셈블리는 "스펜트"로 간주되지만 대량의 [citation needed]연료를 포함하고 있습니다.실제로 원자로에서 핵연료의 수명을 결정하는 것은 경제학이다.가능한 모든 핵분열이 발생하기 훨씬 전에 원자로는 100%의 최대 출력 출력을 유지할 수 없으며, 따라서 발전소 출력 출력이 감소함에 따라 유틸리티의 수입은 감소한다.대부분의 원자력 발전소는 운영 오버헤드, 주로 규제 비용 때문에 매우 낮은 수익률로 운영되기 때문에 100% 미만의 전력으로 운영되는 것은 경제적으로 [citation needed]그리 오래 가능하지 않다.연료 주입 중 교체된 원자로의 연료 노심 비율은 일반적으로 1/3이지만, 연료 주입 사이에 발전소가 얼마나 오래 가동되는지에 따라 달라진다.발전소는 보통 18개월의 급유 주기 또는 24개월의 급유 주기로 가동된다.이것은 연료의 3분의 1만을 대체하는 한 번의 주유로 거의 [citation needed]2년 동안 원자로를 최대 출력으로 유지할 수 있다는 것을 의미한다.이 사용후 핵연료의 처분과 저장은 상업용 원자력발전소 운영에서 가장 어려운 측면 중 하나이다.이 핵폐기물은 매우 방사능이 많고 독성이 수천 [26]년 동안 위험을 내포하고 있다.사용후핵연료는 원자로에서 배출된 후 현장 사용후핵연료 저장조로 이동된다.사용후 핵연료 저장조는 사용후 핵연료의 [citation needed]냉각과 차폐를 제공하는 큰 물웅덩이이다.에너지가 어느 정도(약 5년) 썩으면 연료가 연료 저장조에서 건조 차폐 통으로 옮겨져 수천 년 동안 안전하게 보관할 수 있습니다.건조 차폐 캐스크에 적재한 후 캐스크는 불침투성 콘크리트 벙커에 있는 특수 경비 시설에 현장 보관됩니다.현장 연료 저장 시설은 사용후 연료에 대한 손상이 거의 또는 전혀 없이 민간 여객기의 충격을 견딜 수 있도록 설계되었다.평균적인 현장 연료 저장 시설은 [citation needed]축구장보다 작은 공간에 30년 동안 사용 후 연료를 보관할 수 있습니다.

예를 들어, 조약돌 바닥 원자로, RBMK 원자로, 용융염 원자로, 마그녹스, AGR 및 CANDU 원자로는 가동 중에 연료를 원자로를 통해 이동할 수 있다.CANDU 원자로에서는 이를 통해 개별 연료 요소를 연료 요소의 U-235 양에 가장 적합한 노심 내에 배치할 수 있다.

핵연료에서 추출되는 에너지의 양은 연소라고 불리며, 연료 중량의 초기 단위당 생성되는 열에너지로 표현된다.연소량은 보통 초기 중금속 미터톤당 메가와트 일수로 표현됩니다.

원자력 안전

주요 기사:원자력 안전
다음 항목도 참조하십시오.원자로 안전 시스템

원자력 안전은 원자력 및 방사선 사고 및 사고를 방지하거나 그 결과를 제한하기 위해 취해지는 조치를 포함한다.원자력 산업은 원자로의 안전성과 성능을 향상시켰고, 새롭고 안전한(그러나 일반적으로 테스트되지 않은) 원자로 설계를 제안했지만,[46] 원자로가 올바르게 설계, 건설 및 운영될 것이라는 보장은 없다.일본 후쿠시마 원자로 설계자들은 NRG와 일본 원자력 [citation needed]안전국의 여러 경고에도 불구하고 [47]지진에 의해 발생한 쓰나미가 원자로를 안정시킬 것으로 예상하지 못했다.UBS AG에 따르면 후쿠시마 1호 원전 사고는 일본과 같은 선진 경제국도 원자력 [48]안전에 숙달할 수 있을지 의문을 제기하고 있다.테러 공격을 수반하는 재앙적인 시나리오도 생각할 [46]수 있다.MIT의 학제간 팀은 2005년부터 2055년까지 원자력 발전의 예상 성장을 감안할 때 이 기간에 [49]적어도 4건의 심각한 원자력 사고가 예상된다고 추정했다.

원자력 사고

다음 항목도 참조하십시오.원자력 재해 및 방사능 사고 목록
후쿠시마 1호기의 원자로 중 3기가 과열되어 냉각수 분리가 일어나 수소 폭발이 일어났다.이것은 연료 용융과 함께 많은 양의 방사성 물질을 [50]공기 중으로 방출했다.

드물긴 하지만 심각한 원전 사고와 방사능 사고가 발생했다.여기에는 윈드스케일 화재(1957년 10월), SL-1 사고(1961년), 스리마일 섬 사고(1979년), 체르노빌 사고(1986년 4월), 후쿠시마 제1원자력 사고(2011년 [51]3월) 등이 포함된다.원자력 잠수함 사고로는 K-19 원자로 사고(1961년),[52] K-27 원자로 사고(1968년),[53] K-431 원자로 사고(1985년)[51] 등이 있다.

원자로는 적어도 34번 지구 궤도로 발사되었다.핵연료가 궤도에서 지구 대기로 재진입하여 캐나다 북부로 확산된 무인 핵반응기 구동 소련의 RORSAT, 특히 코스모스 954 레이더 위성과 관련된 여러 사건(1978년 1월).

천연 원자로

주요 기사: 자연 핵분열 원자로

거의 20억 년 전, 서아프리카 가봉의 오클로라고 알려진 지역에서 일련의 자생 핵분열 "반응기"가 자체 조립되었다.그 장소와 시간의 조건은 건설된 원자로의 [54]조건과 유사한 상황에서 자연 핵분열이 일어날 수 있게 했다.가봉의 옥로 우라늄 광산의 세 개의 광산에서 지금까지 15개의 화석 자연 핵분열 원자로가 발견되었다.1972년 프랑스 물리학자 Francis Perrin에 의해 처음 발견된 그것들은 총칭하여 Oklo Forse Reactors로 알려져 있다.약 15억 년 전에 이러한 원자로에서 자생적인 핵분열 반응이 일어났고,[55] 그 기간 동안 평균 100kW의 출력을 내며 수십만 년 동안 가동되었다.자연 원자로의 개념은 1956년 [56][57]아칸소 대학의 폴 쿠로다에 의해 이론화 되었다.

그러한 원자로는 현재의 지질학 기간에는 더 이상 지구에서 형성될 수 없다.수억 년의 기간에 걸쳐 이전에 보다 풍부한 우라늄-235의 방사성 붕괴로 인해 자연적으로 발생하는 핵분열성 동위원소의 비율이 감속재로서 일반 물만으로 연쇄 반응을 지속하는 데 필요한 양 이하로 감소하였다.

천연원자로는 우라늄이 풍부한 광상이 중성자 감속재 역할을 하는 지하수로 범람해 강한 연쇄반응이 일어났다.물의 감속제는 반응이 증가함에 따라 끓어 없어지고, 다시 속도를 늦춰 용융을 막습니다.핵분열 반응은 수십만 년 동안 지속되었고, 몇 시간에서 며칠 동안 반복되었다.

이 천연 원자로들은 지질학적 방사성 폐기물 처리에 관심이 있는 과학자들에 의해 광범위하게 연구되고 있다.그들은 방사성 동위원소가 지구의 지각에서 어떻게 이동하는지에 대한 사례 연구를 제공한다.지질 폐기물 처리에 반대하는 사람들은 저장된 폐기물의 동위원소가 급수되거나 환경으로 운반될 수 있다는 것을 두려워하기 때문에 이것은 중요한 논쟁의 영역이다.

배출들

원자로는 정상 운전의 일부로 삼중수소를 생산하고, 이는 결국 미량 상태로 환경으로 방출된다.

수소의 동위원소로서 삼중수소(T)는 산소에 자주 결합하고 TO를 형성한다2.이 분자는 화학적으로 HO와2 동일하며 무색 및 무취이지만, 수소 핵의 추가 중성자는 삼중수소가 12.3년의 반감기로 베타 붕괴를 겪게 한다.측정 가능함에도 불구하고, 원자력 발전소에서 방출되는 삼중수소는 미미하다.미국 NRC는 중요한 삼중수소수 유출로 간주되는 유정에서 1년간 물을 마시는 사람이 0.3밀리렘의 [58]방사선량을 받을 것으로 추정한다.비교하자면, 이는 워싱턴 DC에서 로스앤젤레스까지 왕복 비행할 때 받는 4밀리미터보다 적은 규모이며, 이는 높은 [58]고도에서 고에너지 우주선에 대한 대기 보호가 덜 된 결과이다.

정상 운전 중인 원자력 발전소에서 방출되는 스트론튬-90의 양은 자연방사선 위에서는 검출할 수 없을 정도로 낮다.지하수와 일반 환경에서 검출 가능한 스트론튬-90은 20세기 중반에 발생한 무기 실험(환경에서 스트론튬-90의 99%를 차지)과 체르노빌 사고(나머지 [59]1%를 차지)로 추적할 수 있다.

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