원자로물리학

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원자로물리학은 에너지 생산을 위해 원자로에서 제어된 핵분열 속도를 유도하기 위해 연쇄반응의 적용된 연구와 공학적 응용을 연구하고 다루는 물리학 분야다.^[1] 대부분의 원자로는 핵분열 물질에서 제어된 핵분열 속도를 유도하기 위해 연쇄 반응을 사용하여 에너지와 자유 중성자를 모두 방출한다. 원자로는 핵연료의 조립체(원자로핵심)로 구성되며, 보통 일반 물, 중수, 흑연 또는 지르코늄 하이드라이드와 같은 중성자 감속재에 둘러싸여 있으며, 반응 속도를 제어하는 제어봉과 같은 메커니즘을 갖추고 있다.

핵분열 물리학은 원자로의 설계와 행동에 영향을 미치는 여러 가지 기발한 문제를 가지고 있다. 이 기사는 원자로의 물리학과 그들의 행동에 대한 일반적인 개요를 제시한다.

임계도

원자로에서 어느 순간의 중성자 모집단은 중성자 생산률(핵분열 과정으로 인한)과 중성자 손실률(비배출 흡수 메커니즘 및 계통으로부터의 누출로 인한)의 함수다. 원자로의 중성자 수가 한 세대에서 다음 세대로 일정하게 유지될 때(잃어버린 만큼 많은 새로운 중성자를 생성) 핵분열 연쇄반응이 자생하며 원자로 상태를 "중요"라고 한다. 원자로의 중성자 생산량이 출력수준을 높이는 것이 특징인 손실을 초과할 때는 '초임계'로 간주하고, 손실이 지배할 때는 '중임계'로 간주해 출력감소를 보인다.

그로 인해 제품에 중성자의 숫자의 비율에 세대에 이전의 것, 이 매개 변수에는 유효증배 k, 또한 Keff, k=Є 만약 ρ Lth fη, Є="fas에 의해 표시된라고 불린다 같은지 6개의 각각 다른 요인 등이 포함된"Six-factor 공식"은 중성자 라이프 사이클 잔고 방정식.,.t-fiss이온 계수", L_f = "빠른 비누출 계수", ρ = "재소 탈출 확률", L_th = "열 비누출 계수", f = "열 연료 이용 계수", η = "재생산 계수". 이 방정식의 인수는 대략 임계 운전 중 핵분열에서 생성된 중성자의 잠재적 발생 순서에 따른다. 앞에서 이미 언급한 바와 같이 k = (한 세대에서 생산된 중성자)/(이전 세대에서 생산된 중성자) 즉 원자로가 임계일 때는 k = 1이고, 원자로가 미임계일 때는 k < 1; 원자로가 초임계일 때는 k > 1이다.

반응성은 비판으로부터의 이탈을 나타내는 표현이다. Δk = (k - 1)/k 원자로가 임계일 때 Δk = 0. 원자로가 미임계일 때 Δk < 0. 원자로가 초임계일 때는 Δk > 0. 반응도 역시 소문자 그리스 문자 rho(ρ)로 나타낸다. 반응도는 일반적으로 Δk/k의 십진수 또는 백분율 또는 pcm(백분율 당)으로 표현된다. 반응도 ρ이 지연 중성자 분율 β 단위로 표현될 때 이 단위를 달러라고 한다.

만일 우리가 원자로 노심 내 자유 중성자의 수에 대해 'N'이라고 쓰고, 각 중성자의 평균 수명(핵에서$$ $탈출$하거나 핵에 흡수되기 전)에 대해 τ ${\디스플레이$ 스타일 $\tau }$라고 쓴다면, 원자로는 미분 방정식(진화 방정식)을 따를 것이다.

${\displaystyle {\frac {dN}{dt}={\frac {\alpha N}{\tau }}}}$

여기서 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha}$은 비례성의 상수이며, $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$/ d ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle dN/dt}$은 노심 중성자 카운트의 변화율이다. 이러한 유형의 미분방정식은 하나의 평균 중성자 수명이 경과한 후 예상되는 중성자 수치에 불과한 상수 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha$ $\}$의 부호에 따라 지수 성장 또는 지수 붕괴를 설명한다.

${\displaystyle \alpha =P_{impact}P_{fission}n_{avg}-P_{흡수b}-P_{escape}}}$

여기서 ${\displaystyle {Pi}_{}}$ ${\displaystyle m_{}}$ a ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\$는 특정$$ 중성자가 연료 핵을 타격할 확률이고, $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ i ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ i ${\displaystyle o_{}}$ n$${\$displaystyle P_{fission}}$은 핵이 핵분열을 일으킬 확률이고$$, $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ b ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ ${\$는 t}이다$$.그는 가능성이 무언가를 연료보다 다른 사람에 의해 및 Pesc} e{\displaystyle P_{탈출}완화될 것이다 확률은 완전히 핵심을 떠남.'v'가 g{\displaystyle n_{평균}}n 중성자 중 평균적으로 핵 분열 event—it에 의해를 만들어"탈출" 것이다에 2~3모두 235을 위해서.d239Pu

만약 $\alpha {\displaystyle }${\$displaystyle \alpha}$이 양성이면$$, 코어는 초임계이고 중성자 생산률은 다른 효과가 성장을 멈출 때까지 기하급수적으로 증가할 것이다. $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$이(가) 음수일$$ 경우, 코어는 "하위임계"이고 코어 내 자유 중성자의 수는 0(또는 자발적 핵분열로 인한 배경 수준)의 평형에 도달할 때까지 기하급수적으로 줄어들 것이다. $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$이(가) 정확히 0이면$$ 원자로는 임계이고 그 출력은 시간적으로 달라지지 않는다(${\displaystyle \mathrm{위}}$에서 d ${\displaystyle N/d}$ ${\displaystyle t}$= 0 ${\displaysty dN/dt=0$

원자로는 P ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ a ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\$ ${\displaystyle P_{}}$ $a{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ b ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ r$$b {\$displaystyle P_{흡수b}}$를 줄이도록 설계되어 있다$.$ 소형 소형 소형 구조물은 노심의 표면적을 최소화함으로써 직접 탈출의 확률을 낮추고, 일부 물질(흑연 등)은 노심, fu로 다시 일부 중성자를 반사시킬 수 있다.rther 환원 $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ c ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\$

핵분열 확률 $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\$은$$연료의 핵물리학에 따라 달라지며, 종종 단면으로 표현된다. 원자로는 보통 $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ r ${\displaystyle b_{}}$ ${\$를 조정하여 제어한다$.$ 카드뮴이나 붕소와 같은 강력한 중성자 흡수 물질로 만들어진 제어봉은 코어에 삽입할 수 있다. 제어봉에 충격을 주는 모든 중성자는 체인 반응으로부터 손실되어 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$을 감소시킨다$.$${\displaystyle P_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\$ 또한 원자로 노심 자체의 최근 이력에 의해 제어된다$$(아래 참조).

스타터 소스

한 어셈블리가 초임계라는 사실만으로 그것이 어떤 자유 중성자를 포함하고 있다는 것을 전혀 보장하지는 않는다. 연쇄반응을 "스트라이크(strike)"하기 위해서는 최소한 한 개의 중성자가 필요하며, 자연분열률이 충분히 낮으면 원자로가 초임계라 하더라도 중성자 만남이 연쇄반응을 시작하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있다(U 원자로에서는 몇 분만큼 오래 걸릴 수 있다. 대부분의 원자로는 원자로 노심 내에 항상 몇 개의 자유 중성자가 존재하도록 보장하는 "별자" 중성자원을 포함하고 있어 노심이 임계화될 때 즉시 연쇄 반응이 시작될 것이다. 시동 중성자 선원의 일반적인 유형은 Am(미국산-241)과 같은 알파 입자 방출체와 Be(베릴륨-9)와 같은 경량 동위원소를 혼합한 것이다.

위에서 설명한 1차 선원은 신선한 원자로 코어와 함께 사용해야 한다. 운용 중인 원자로의 경우 2차 선원이 사용된다. 대부분은 베릴륨과 안티몬의 조합이다. 안티몬은 원자로에서 활성화되어 베릴륨으로부터 광자원을 생산하는 고에너지 감마광자를 생산한다.

우라늄-235는 소량의 자연적 자발적 핵분열을 겪기 때문에 완전 정지 원자로에서도 항상 일부 중성자가 생성되고 있다. 중성자의 흡수가 점진적으로 감소하고 있기 때문에 제어봉이 인출되고 임계도에 근접하면 연쇄반응이 자생하게 된다. 원자로에 중성자 선원이 제공되지만, 이것이 연쇄 반응을 시작하는 데 필수적이지는 않지만, 주요 목적은 계기에 의해 감지 가능한 정지 중성자 인구를 제공하여 임계값을 더 잘 관측할 수 있도록 하는 것이다. 원자로는 선원의 부하 여부에 관계없이 동일한 제어봉 위치에서 위중하게 된다.

일단 연쇄 반응이 시작되면, 운전 중인 원자로 노심의 높은 중성자 유량으로부터의 손상을 방지하기 위해 1차 시동기 선원을 노심으로부터 제거할 수 있다. 2차 선원은 보통 임계도를 제어하기 위한 배경 기준 수준을 제공하기 위해 제자리에 유지된다.

서브임계 곱하기

정지 원자로 노심과 같은 미임계 조립체에서도 노심에 존재하는 모든 부유 중성자(예를 들어 연료의 자발적 핵분열, 핵분열 생성물의 방사능 붕괴 또는 중성자 선원에서)는 기하급수적으로 붕괴하는 연쇄 반응을 유발할 것이다. 비록 연쇄반응이 자생하지는 못하지만, 핵에 있는 중성자의 평형수를 증가시키는 승수 역할을 한다. 이 미임계 곱셈 효과는 두 가지 방법으로 사용될 수 있다. 즉, 핵이 임계도에 얼마나 가까운지 조사하는 방법과 임계 질량과 관련된 위험 없이 핵분열 동력을 생성하는 방법이다.

$k{\displaystyle }$ ${\displaystyle k}$이(가) 미임계 코어의 중성자 곱셈 계수이고 ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\$이 외부 선원에서 원자로에 생성되는 중성자의 수라면, 중성자 선원이 켜지는 순간 노심 중성자의 수는 ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ $0{\displaystyle {}_{}}$ ${\$ 된다.${{0$ 이 중성자는 1세대 후 $원자로$에서 k${\displaystyle }$× ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ 0${\displaystyle k_{0}}$ 중성자를$$ 생성하며 원자로는 새로 진입한 중성자를 고려하여 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle \times }$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$+ ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\$ 중성자를$$ 총합성한다. 마찬가지로 2세대 후 원자로에서 생산되는 중성자의 수는 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle \times }$(${\displaystyle k}$× ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$+ ${\displaystyle {}_{}{0\mathrm{}}_{}}$ )${\displaystyle }$+ ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ $(\$가 될 것이다.$S_$${0}}$ 등 이 과정은 계속될 것이고, 충분한 시간이 지난 후, 원자로 내의 중성자의 수는,

${\displaystyle S_{0}+k_\time S_{0}+k\times S_{0}+{0}+\ldots }$

이 시리즈는 수렴될 것이다 임계 이하의 노심인 0< k< ${\displaystyle 0<k<1$}. 따라서 원자로 내의 중성자의 수는 단순할 것이다.

${\displaystyle {\frac {S_{0}{1-k}}$

${\displaystyle \frac{분수\mathrm{}}{}}$ $1{\displaystyle \frac{\mathrm{}}{}}$ -${\displaystyle \frac{k}{}}$ ${\$을(를) 서브임계 곱셈 계수라고 한다$$.

원자로 내의 전력은 핵연료 물질(분열이 일어날 수 있는 물질)에 존재하는 중성자의 수에 비례하므로, 그러한 임계 이하의 노심으로부터 생성되는 전력도 임계 이하의 곱셈계수와 외부 선원 강도에 비례할 것이다.

측정 기법으로는 초기 실험에서 맨해튼 프로젝트 동안 U와 Pu의 최소 임계 질량을 결정하기 위해 서브임계 곱셈이 사용되었다. 많은 효과(다음 절에서 설명)가 원자로 임계도를 달성하는 데 필요한 제어 설정을 변경할 수 있기 때문에, 오늘날에도 기동 중 원자로에 대한 제어장치를 교정하는 데 사용된다. 발전 기법으로서, 미임계 곱셈은 핵분열을 위한 원자력 발전을 가능하게 한다. 핵분열을 위한 중요한 어셈블리는 안전이나 다른 이유로 바람직하지 않다. 중성자 선원과 함께 미임계 조립체는 핵분열로부터 에너지를 생성하기 위한 안정적인 열원 역할을 할 수 있다.

외부 중성자 선원의 영향("외부")을 핵분열 과정에 포함시켜 다음과 같은 변형된 진화 방정식을 작성할 수 있다.

${\displaystyle {\frac {dN}{dt}={\frac {\alpha N}{\tau }}}+R_{ext}}}}}$

여기서 $R{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\$는 외부 선원이 중성자를 코어에 주입하는 속도다$$. 평형상태에서는 핵이 변하지 않고 dN/dt가 0이므로 중성자의 평형수는 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle N=-{\frac {\tau R_{ext}}{\alpha }}$

코어가 미임계인 경우 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$이(가) 음수이므로$$ 양의 중성자 수로 평형이 있다. 핵이 임계도에 가까우면 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$이(가) 매우 작기$$ 때문에 중성자의 최종 수는 임의로 크게 만들 수 있다.

중성자 감속기

$P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ n ${\$을(를) 개선하고$$ 연쇄반응을 가능하게 하려면 자연 또는 저농축 우라늄 연료 원자로는 핵분열 이벤트에서 새로 생성된 고속 중성자와 상호작용하는 중성자 감속재를 포함시켜 여러 MeV에서 1 eV 이하의 열 에너지로 운동 에너지를 감소시켜 m이 되도록 해야 한다.핵분열을 일으킬 가능성이 있는 광석 이는 U가 저속 중성자에 대한 단면적이 더 크기 때문이며, 또한 U가 핵분열에서 갓 생성된 중성자보다 열 중성자를 흡수할 가능성이 훨씬 낮기 때문이다.

그러므로 중성자 감속기는 중성자를 느리게 하는 물질이다. 중성자는 경원자의 핵에 충돌하여 가장 효과적으로 느려지는데, 수소는 그 중에서도 가장 가볍다. 따라서, 감속재료는 중성자를 흡수하기 보다는 충격에 산란하는 경향이 있는 원자핵을 가진 빛 원소를 포함해야 한다. 수소와 더불어 베릴륨과 탄소 원자도 중성자를 감속하거나 감속하는 작업에 적합하다.

수소 감속기는 물(HO₂), 중수(DO₂), 지르코늄 하이드라이드(ZrH₂)를 포함하며, 수소 핵은 자유 중성자와 거의 동일한 질량을 가지기 때문에 모두 작용한다: 중성자-HO₂ 또는 중성자-ZrH₂ 충격은 분자의 회전 모드를 자극한다(돌리기). 중수소핵(중수)은 가벼운 수소핵보다 운동 에너지를 잘 흡수하지 못하지만 충돌하는 중성자를 흡수할 가능성은 훨씬 적다. 물이나 중수는 투명한 액체라는 장점이 있어 원자로 노심 차폐 및 감속 이외에도 운전 중인 노심을 직접 볼 수 있고 열 전달을 위한 작동 유체 역할도 할 수 있다.

흑연 형태의 탄소는 감속재로 널리 사용되어 왔다. 세계 최초의 인공임계집회인 시카고 파일-1에서 사용됐으며 체르노빌 원전 등 소련 RBMK 원전을 비롯한 초기 원자로 설계에서 일반적이었다.

진행자 및 원자로 설계

중성자 절제의 양과 성질은 원자로 제어 가능성과 그에 따른 안전에 영향을 미친다. 감속기는 중성자를 느리게 흡수하기 때문에 주어진 원자로 노심 기하학적 구조에 포함시킬 최적의 감속재가 있다. 절제를 덜 하면 진화 방정식에서 $P{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ n ${\$ 항을$$ 줄임으로써 효과가 감소하고, 보다 절제를 통해 P ${\displaystyle e_{}}$ s ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\$ 항을$$ 증가시킴으로써 효과가 감소한다.

대부분의 감속기는 온도가 올라가면 효과가 떨어지기 때문에 감속된 원자로는 원자로 노심의 온도 변화에 대해 안정적이다: 노심이 과열되면 감속재의 품질이 저하되고 반응이 느려지는 경향이 있다(노심의 반응도에 "부온도계수"가 있음). 물은 극단적인 경우다: 극도의 열에서는 끓어 노심의 물리적 구조를 파괴하지 않고 원자로 노심 내에 효과적인 공극을 생성할 수 있다; 이것은 반응을 멈추고 연료가 녹을 가능성을 감소시키는 경향이 있다. 과속 원자로는 온도 변화(코어의 반응도에 "양온도계수"가 있음)에 대해 불안정하므로 과속된 코어보다 본질적으로 안전성이 떨어진다.

일부 원자로는 감속재료를 조합하여 사용한다. 예를 들어 TRIGA형 연구용 원자로는 U 연료인 HO 충전₂ 노심과 C(그래피이트) 감속재와 노심 주변 반사체 블록을 혼합한 ZrH₂ 감속재를 사용한다.

지연 중성자 및 제어 가능성

핵분열 반응과 그에 따른 중성자 탈출은 매우 빠르게 일어난다; 이것은 핵 무기에 있어서 중요한데, 여기서 목적은 핵 구덩이가 물리적으로 폭발하기 전에 가능한 많은 에너지를 방출하는 것이다. 핵분열 사건에 의해 방출되는 대부분의 중성자는 즉각적이다: 그것들은 효과적으로 즉각적으로 방출된다. 일단 방출되면 일반 노심에서의 평균 중성자 ${\displaystyle }$( ( ${\displaystyle \tau$ )은 밀리초의 순서가 되기 때문에 지수 계수 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$이 0.01만큼 작으면$$ 1초 안에 원자로 출력은 (1 + 0.01)¹⁰⁰⁰의 계수 또는 1만 이상의 계수만큼 달라진다. 핵무기는 전력증가율을 최대화하기 위해 설계되며, 수명주기가 밀리초 미만이고 지수주기가 2에 가깝다. 그러나 그러한 급속한 변화는 원자로 내의 반응률을 조절하는 것을 실질적으로 불가능하게 한다.

다행히 유효 중성자 수명은 노심 내 단일 중성자의 평균 수명보다 훨씬 길다. U 핵분열에 의해 생성된 중성자의 약 0.65%와 Pu 핵분열에 의해 생성된 중성자의 약 0.20%는 즉시 생성되지 않고, 오히려 추가 붕괴 단계를 거쳐 흥분핵에서 방출된다. 이 단계에서 일부 핵분열 생성물(대부분 항상 음의 베타 붕괴)의 방사능 붕괴가 추가되며, 흥분한 딸 생산물에서 즉각적인 중성자 방출이 뒤따르며, 베타 붕괴(따라서 중성자 방출)의 평균 수명은 약 15초이다. 이러한 소위 지연 중성자는 노심 내 중성자의 유효 평균 수명을 0.1초 가까이 증가시켜 0.01의$$ $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$을(를) 가진 노심이 1초 만에 (1 + 0.01),¹⁰ 즉 약 1.1: 10% 증가하게 된다. 이것은 통제 가능한 변화율이다.

따라서 대부분의 원자로는 즉각적인 미임계, 지연된 임계상태로 운전된다. 즉, 즉, 중성자만으로는 연쇄반응을 지속하기에 충분하지 않지만, 지연된 중성자는 반응을 지속하는 데 필요한 작은 차이를 구성한다. 이것은 원자로가 제어되는 방식에 영향을 미친다: 소량의 제어봉이 원자로 노심 안으로 또는 원자로 노심 밖으로 미끄러질 때, 처음에는 즉각적인 미임계 곱셈으로 인해 출력 수준이 매우 빠르게 변화하고, 그 다음에는 지연 임계 반응의 지수 성장 또는 붕괴 곡선을 따라 더 점진적으로 변화한다. 또한 원자로 출력의 증가는 제어봉을 충분한 길이로 뽑아내는 것만으로 원하는 속도로 수행될 수 있다. 그러나 중성자 독물질이나 활성 중성자 흡수제를 첨가하지 않고 핵분열 속도가 제한되는데, 이는 신속한 핵분열 중성자 생성을 멈추기 위해 원자로를 심층적으로 미임계 상태로 취하더라도 이미 시행된 핵분열 생성물의 통상적인 베타 붕괴 후 지연 중성자가 생성되기 때문이다.온스는 변경할 수 없다.

원자로 출력의 변화율은 원자로 기간 $T{\displaystyle }$ ${\displaystyle T}$에 의해 결정되며$,$ 이는 Inhour 방정식을 통한$$ 반응도 $\rho {\displaystyle }$ ${\displaystyle \rho }$과 관련이 있다.

키네틱스

원자로의 동역학은 중성자와 핵(핵분열, 핵분열 생성물)의 균형 방정식으로 설명된다).

원자로 독성

중성자를 강하게 흡수하는 핵종은 진행 중인 핵분열 연쇄 반응을 차단(독성)하는 경향이 있기 때문에 원자로 독이라고 불린다. 일부 원자로 독은 반응을 조절하기 위해 의도적으로 핵분열 원자로 코어에 삽입된다. 붕소나 카드뮴 제어봉이 가장 좋은 예다. 많은 원자로 독은 핵분열 과정 자체에 의해 생성되며, 중성자 흡수 핵분열 생성물의 축적은 연료경제성과 원자로의 제어가능성 모두에 영향을 미친다.

장수 독극물 및 연료 재처리

실제로, 핵연료의 원자로 독물질 축적은 원자로 내 핵연료의 수명을 결정하는 것이다. 가능한 모든 연료가 방출되기 훨씬 전에, 장수명 중성자 흡수 핵분열 생성물의 축적은 연쇄반응을 감쇠시킨다. 이것이 핵 재처리가 유용한 활동인 이유다: 사용후 핵연료는 새로 제조된 핵연료에 존재하는 원래 핵분열성 물질의 약 96%를 함유하고 있다. 핵분열 생성물의 화학적 분리는 핵연료를 회복시켜 다시 사용할 수 있게 한다.

핵 재처리는 화학적 분리가 천연 우라늄 광석에서 핵연료를 준비하는 데 필요한 어려운 동위원소 분리에 비해 훨씬 더 간단하기 때문에 경제적으로 유용하다. 그래서 원칙적으로 화학적 분리는 새로운 우라늄을 채굴, 정화, 동위원소 분리에 비해 적은 노력으로 더 많은 에너지를 생산하기 때문이다.re. 실제로, 고방사성 핵분열 생성물을 다루는 어려움과 다른 정치적 우려는 모두 연료 재처리를 논쟁적인 주제로 만든다. 그러한 우려 중 하나는 사용후 우라늄 핵연료가 핵무기의 주요 성분인 Pu를 상당량 함유하고 있다는 사실이다.

단명 독 및 관리 가능성

핵분열 생성물의 단명 원자로 독성은 원자로가 가동될 수 있는 방법에 강한 영향을 미친다. 불안정한 핵분열 생성물 핵은 붕괴 사슬을 거쳐 안정된 동위원소로 변화하면서 많은 다른 원소(2차 핵분열 생성물)로 변한다. 그러한 원소 중 가장 중요한 것은 제논인데, 왜냐하면 반감기가 약 9시간인 2차 핵분열 생성물인 동위원소 Xe는 매우 강한 중성자 흡수제이기 때문이다. 운전 중인 원자로에서 Xe의 각 핵은 생성되는 거의 즉시 중성자 포획에 의해 Xe(나중에 베타 붕괴를 지속할 수 있음)가 되어 노심에 축적이 없게 된다. 그러나 원자로가 정지하면 Xe의 수위는 붕괴되기 전까지 약 9시간 동안 노심 속에 쌓인다. 그 결과 원자로가 정지된 후 약 6~8시간이 지나면 Xe호가 앞으로 몇 시간 동안 붕괴할 기회가 있을 때까지 연쇄반응을 다시 시작하는 것이 물리적으로 불가능해질 수 있다. 이 일시적 상태를 요오드 핏 또는 제논 독소라고 하는데, 이는 며칠 동안 지속되어 재시동을 방해할 수 있다. 원전이 24시간 고른 전력 수준으로 가동되는 것도 한 가지 이유다.

원자로 노심에 ¹³⁵축적되면 원자로가 정지된 지 몇 시간 후에 원자로를 가동하는 것이 매우 위험하다. Xe는 중성자를 강하게 흡수하기 때문에 Xe 조건이 높은 원자로를 가동하기 위해서는 제어봉을 정상보다 훨씬 멀리 노심 밖으로 빼내야 한다. 그러나 만일 원자로가 임계치에 도달하면 노심 중성자 유속이 높아져 Xe가 급속하게 파괴된다. 이는 노심으로부터 많은 길이의 제어봉을 매우 빠르게 제거하는 것과 같은 효과를 가지며, 반응이 너무 빠르게 성장하거나 심지어 즉각적으로 임계 상태가 될 수 있다.

¹³⁵세는 체르노빌 사고에서 큰 역할을 했다. 예정된 정비 중단 후 약 8시간 후, 근로자들은 제어 회로를 테스트하기 위해 원자로를 무전원 위중 상태로 만들려고 했다. 코어에 전날 발전량 Xe를 탑재했기 때문에 이를 위해서는 제어봉을 더 많이 빼야 했다. 그 결과 과격한 반동이 빠르고 걷잡을 수 없이 커져 중심부의 증기폭발과 격렬한 시설 파괴로 이어졌다.

우라늄 농축

많은 핵분열성 동위원소가 자연에 존재하지만, 어떤 양에서나 발견되는 유용한 핵분열성 동위원소는 U. 대부분의 광석에서 발견되는 우라늄의 약 0.7%는 235 동위원소, 약 99.3%는 핵분열성이 아닌 238 동위원소다. 대부분의 핵연료의 경우 우라늄은 U의 높은 비율을 포함하도록 농축-정화되어야 한다. U는 빠른 중성자를 흡수하기 때문에 U 함량이 증가함에 따라 연쇄반응을 지속하는데 필요한 임계 질량이 증가하여 무한대인 94% U(6% U)에 도달한다.^[2] 6% U 이하의 농도는 중성자 감속재가 있는 원자로에서 사용 가능하지만 빠르게 임계값이 될 수 없다. 우라늄을 사용한 핵무기 1차 단계는 2차 단계에서는 종종 낮은 농축액을 사용하지만 90% U까지 농축된 HEU를 사용한다. 물 조정자와 핵 반응기는. 무거운 물이나 흑연 감속과 핵 반응기는 천연 우라늄을 가지고, 전면 중단하고 핵무기를 만들기 위한 유용함으로부터 연료를 방지하는 농축의 필요성을 제거함;캐나다형 중수로 발전소 캐나다 발전소에서 익숙한 예를 작동할 수 있다 235U가 적어도 일부 농축이 필요하다.of 이 타입

우라늄 농축은 U와 U의 화학적 특성이 동일하기 때문에 질량의 작은 차이를 바탕으로 한 동위원소 분리를 위해서는 기체 확산, 가스 원심분리기, 질량분석 등의 물리적 공정을 이용해야 한다. 농축은 핵연료와 간단한 핵무기 생산의 주요 기술적 장애물이기 때문에 농축기술은 정치적으로 민감하다.

옥로: 천연 원자로

현대적인 우라늄 퇴적물은 최대 0.7% U(및 99.3% U)까지만 함유하고 있어 일반 물이 감속하는 연쇄반응을 지속하기에는 역부족이다. 그러나 U는 반감기(7억년)가 U(45억년)보다 훨씬 짧기 때문에 먼 옛날에는 U의 비율이 훨씬 높았다. 약 20억년 전, 수포화 우라늄 퇴적물(현재 서아프리카 가봉에 있는 옥로 광산에서)은 지하수에 의해 감속되고, 아마도 그 반응의 열로 물이 끓어오르면서 음극계수에 의해 조절되는 자연적으로 발생하는 연쇄반응을 겪었다. 옥로광산의 우라늄은 다른 지역에 비해 약 50%가 고갈된 것으로 0.3%~0.7% U에 불과하며 광석에는 오랜 기간 동안 분해된 핵분열 생성물의 안정된 딸들의 흔적이 남아 있다.

참고 항목

• 원자로 목록
• 핵물리학
• 핵분열
• 핵융합
• 보이드 계수

참조

• DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. Archived from the original (PDF) on 2013-12-03. Retrieved 2012-01-02.

외부 링크

페르미 시대 이론

압델하미드 도케인 박사의 핵 확산에 관한 고찰