초임계 수형 원자로

Supercritical water reactor
초임계 수형 원자로 계획.

초임계수형 원자로(SCWR)는 초임계 압력([1]즉 22.1 MPa 이상)에서 작동하는 경수로(LWR)로 설계된 개념의 4세대 원자로이다.이 맥락에서 임계라는 용어는 물의 임계점을 나타내며 원자로의 임계 개념과 혼동해서는 안 된다.

원자로 노심에서 가열된 물은 임계 온도인 374°C보다 높은 초임계 유체가 되며, 비등 상전이를 거치지 않고 액체 물과 더 유사한 유체에서 포화 증기(증기 터빈에서 사용할 수 있음)와 더 유사한 유체로 전환된다.

이와는 대조적으로 잘 확립된 가압수형 원자로(PWR)는 임계 미만의 압력에서 액체 상태의 물의 1차 냉각 루프를 가지며, 원자로 노심으로부터 2차 냉각 루프로 열을 전달하며, 여기서 터빈을 구동하기 위한 증기는 보일러(증기 발생기)에서 생산된다.비등수형 원자로(BWR)는 원자로 노심에서 발생하는 증기를 발생시키기 위한 비등 프로세스와 함께 더 낮은 압력으로 작동한다.

초임계 증기 발생기는 검증된 기술이다.SCWR 시스템의 개발은 높은 열효율(현재 LWR의 경우 ~33%)과 단순한 설계로 인해 원자력 발전소에 유망한 발전으로 간주된다.2012년 현재 이 개념은 13개국 [2]32개 기관에 의해 조사되고 있습니다.

역사

아임계 압력에서 작동하는 과열 증기 냉각 원자로는 1950년대와 1960년대 초에 소련과 미국에서 실험되었다. 예를 들어 벨로야르스크 원자력 발전소, 패스파인더, GE의 선라이즈 운영 프로그램의 보너스 등이 그것이다.SCWR이 아닙니다. SCWR은 1990년대 이후 [3]개발되었습니다.원자로 압력용기가 있는 LWR형 SCWR과 압력관이 있는 CANDU형 SCWR이 개발되고 있다.

2010년 책에는 노심 설계, 플랜트 시스템, 플랜트 동적 및 제어, 플랜트 시동 및 안정성, 안전성, 고속 원자로 설계 [4]등의 개념 설계 및 분석 방법이 포함되어 있다.

2013년 문서에 따르면 2015년에 [5]원형 연료 루프 테스트가 완료되었다.연료 자격 시험은 [6]2014년에 완료되었다.

2014년 책에서는 열 스펙트럼 원자로(Super LWR)와 고속 원자로(Super FR)의 원자로 개념 설계와 열 유압학, 재료 및 재료-냉각제 상호작용의 [7]실험 결과를 보았다.

설계.

모델레이터-냉각제

SCWR은 초임계 압력으로 작동합니다.원자로 출구 냉각수는 초임계수이다.중성자 감속재 및 냉각수로 경수를 사용한다.임계점 이상에서는 증기와 액체가 동일한 밀도로 변별할 수 없으므로 가압기와 증기 발생기(PWR) 또는 제트/재순환 펌프, 증기 분리기 및 건조기(BWR)가 필요하지 않다.또, 비등을 회피하는 것으로써, 밀도가 낮고, 완화 효과가 있는 카오스 보이드(거품)를 발생시키지 않는다.LWR에서 이는 열전달과 물의 흐름에 영향을 미칠 수 있으며 피드백은 원자로 출력을 예측하고 제어하기 어렵게 만들 수 있다.전력 분포를 예측하려면 중성자 및 열유압 결합 계산이 필요합니다.SCWR의 단순화는 건설 비용을 절감하고 신뢰성과 안전성을 개선해야 한다.LWR형 SCWR은 단열성이 있는 물봉, CANDU형 SCWR은 칼란드리아 탱크에 물 감속재를 유지한다.LWR형 SCWR의 고속로 노심은 고변환 LWR로서 타이트한 연료봉 격자를 채용한다.고속 중성자 스펙트럼 SCWR은 높은 전력 밀도의 장점이 있지만 재처리에서 사용할 수 있는 플루토늄과 우라늄 혼합 산화물 연료가 필요하다.

통제

SCWR은 PWR에서와 같이 상단을 통해 제어봉을 삽입할 수 있다.

재료.

SCWR 내부의 조건은 LWR, LMFBR 및 초임계 화석 연료 발전소의 조건보다 더 엄격하다(단, 가혹한 환경과 강력한 중성자 방사선의 조합은 제외된다).SCWR은 이들 중 하나보다 더 높은 수준의 핵심 재료(특히 연료 클래딩)를 필요로 한다.R&D는 다음 사항에 초점을 맞춥니다.

  • 방사선 하의 초임계수 화학(응력 부식 균열 방지, 중성자 방사선 및 고온 하에서의 내식성 유지)
  • 치수 및 미세구조 안정성(방사선 및 고온 하에서도 취약성 방지, 강도 유지 및 크리프 저항)
  • 가혹한 조건에 견디고 연비에 영향을 미치는 중성자를 너무 많이 흡수하지 않는 물질

이점

  • 초임계수는 높은 전력 밀도, 작은 코어 및 작은 격납 구조를 가능하게 하는 우수한 열전달 특성을 가지고 있습니다.
  • 일반적으로 온도가 높은 초임계 랭킨 사이클을 사용하면 효율성이 향상됩니다(현재 PWR/BWR의 약 33%에 비해 약 45%).
  • 이렇게 효율성이 높아지면 연비가 개선되고 연료 부하가 가벼워져 잔류 열(감쇠)이 감소합니다.
  • SCWR은 일반적으로 직접 사이클로 설계되며, 이를 통해 노심의 증기 또는 고온 초임계수가 증기 터빈에 직접 사용됩니다.이것에 의해, 설계가 심플하게 됩니다.BWR은 PWR보다 심플하기 때문에 SCWR은 동일한 전기출력을 가진 저효율 BWR보다 훨씬 간단하고 콤팩트합니다.압력 용기 내부에는 증기 분리기, 증기 건조기, 내부 재순환 펌프 또는 재순환 흐름이 없습니다.이 설계는 가능한 한 한 번 통과되는 직접 사이클로, 가능한 한 가장 단순한 유형의 사이클입니다.또한 소형 노심 및 (1차) 냉각 회로에 저장된 열 및 방사선 에너지는 BWR 또는 PWR의 [8]에너지보다 적을 것이다.
  • 물은 상온에서 액체이며, 값싸고, 독성이 없으며, 투명하기 때문에 검사와 수리가 간단해집니다(액상 금속 냉각 원자로에 비해).
  • 고속 SCWR은 제안된 클린 앤 환경 세이프 어드밴스드 원자로와 같은 증식로일 수 있으며, 장수명 악티니드 동위원소를 연소시킬 수 있다.
  • 중수 SCWR은 토륨에서 연료를 생산할 수 있다(우라늄보다 4배 더 많다).CANDU와 마찬가지로 충분한 조절이 제공되면 농축되지 않은 천연 우라늄을 사용할 수 있다.
  • 프로세스 열은 다른 수냉식 원자로가 허용하는 것보다 높은 온도에서 전달될 수 있습니다.

단점들

  • (콤팩트한 1차 루프로 인한) 저수량이란 (급수 흐름 상실 또는 대형 냉각제 손실 사고 등)[9] 기존의 금속 피복에 비해 너무 높은 사고 및 과도 온도를 야기하는 과도 및 사고를 완충할 수 있는 열 용량이 적다는 것을 의미한다.

단, LWR형 SCWR의 안전성 분석 결과, 유량전손사고, 냉각수상실사고 [9]: 97, 104 등 사고 및 이상과도시 안전기준에 부합하는 것으로 나타났다.한 번 통과하는 냉각수 사이클로 인해 양단 파손이 발생하지 않습니다.냉각재 상실사고 시 유도유량에 의해 노심이 냉각된다.

  • 높은 압력과 더 높은 온도 및 코어 전체의 더 높은 온도 상승(PWR/BWR에 비해)으로 인해 용기 재료에 대한 기계적 및 열적 스트레스가 증가하여 해결이 어렵습니다.LWR형 설계의 원자로 압력용기 내벽은 PWR로서 입구 냉각수에 의해 냉각된다.출구 냉각수 노즐에는 열 슬리브가 장착되어 있습니다.연료 채널별로 코어가 작은 튜브로 분할되는 압력 튜브 설계는 여기서 문제가 적습니다. 왜냐하면 작은 직경의 튜브는 거대한 단일 압력 용기보다 훨씬 얇을 수 있고 튜브는 낮은 온도([10]칼란드리아 물)에서 작동할 수 있도록 불활성 세라믹 절연으로 내부에 절연될 수 있기 때문입니다.

냉각수는 노심 끝에 있는 밀도를 크게 낮추기 때문에 거기에 추가적인 감속재를 배치해야 합니다.LWR형 SCWR 설계는 연료 어셈블리에 워터 로드를 채택합니다.CANDU 타입 SCWR의 대부분의 설계에서는 공급수 흐름의 일부가 코어를 통해 상부 튜브를 통해 유도되어 해당 영역에 추가적인 조절(급수)을 제공하는 내부 칼란드리아를 사용합니다.이렇게 하면 전체 혈관 벽을 급수로 냉각할 수 있다는 추가적인 장점이 있지만, 복잡하고 물질적으로 까다로운(고온, 고온 차이, 높은 방사선) 내부 칼란드리아 및 플레나 배열이 발생합니다.압력관 설계는 대부분의 감속재가 저온 및 저압에서 열간드리아에 있기 때문에 문제가 적으며, 열간드리아수에 [10]의해 실제 압력관을 냉각시킬 수 있다.

  • 방사선을 쬐는 초임계수 화학에 대한 광범위한 재료 개발과 연구가 필요하다.
  • 물이 초임계 상태에 도달하기 전에 불안정성을 방지하기 위해 특별한 시동 절차가 필요했습니다.불안정성은 전력 대 냉각수 유량비로 BWR로 관리됩니다.
  • 고속 SCWR은 음의 보이드 계수를 가지기 위해 상대적으로 복잡한 원자로 노심이 필요하다.그러나 단일 냉각수 흐름 통과 코어는 가능합니다.
  • 현재 널리 퍼져 있는 설계(대부분 아임계 수냉식 수냉식 수냉식 수냉식 수냉식 열원자로)에 대한 모든 대안과 마찬가지로 적어도 초기에는 수십 년 전에 입증된 기술이나 III세대+ 원자로와 같은 진화적 개선보다 기술 및 부품의 공급자가 적고 전문 지식도 적을 것이다.
  • 초임계수의 용액 특성은 액체 상태의 물과 크게 다르기 때문에 화학 심은 크게 다를 수 있습니다.현재 대부분의 가압수형 원자로는 연소 초기에 반응성을 제어하기 위해 붕산을 사용한다.
  • 설계에 따라서는 온라인 주유는 불가능할 수 있습니다.CANDU는 온라인 급유를 할 수 있지만, 다른 급수 감속형 원자로는 할 수 없다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR)". www.gen-4.org. Retrieved 7 Apr 2016.
  2. ^ Buongiorno, Jacopo (July 2004), "The Supercritical Water Cooled Reactor: Ongoing Research and Development in the U.S", 2004 international congress on advances in nuclear power plants, American Nuclear Society - ANS, La Grange Park (United States), OSTI 21160713
  3. ^ Oka, Yoshiaki; Koshizuka, Seiichi (2001), "Supercritical-pressure, Once-through Cycle Light Water Cooled Reactor Concept", Nuclear Science and Technology, 38 (12): 1081–1089, doi:10.1080/18811248.2001.9715139, S2CID 95258855
  4. ^ Oka, Yoshiaki; Koshizuka, Seiichi; Ishiwatari, Yuki; Yamaji, Akifumi (2010). Super Light Water Rectors and Super Fast Reactors. Springer. ISBN 978-1-4419-6034-4.
  5. ^ https://www.gen-4.org/gif/upload/docs/application/pdf/2013-09/gif_rd_outlook_for_generation_iv_nuclear_energy_systems.pdf[베어 URL PDF]
  6. ^ "European Commission : CORDIS : Projects and Results : Final Report Summary - SCWR-FQT (Supercritical Water Reactor - Fuel Qualification Test)". cordis.europa.eu. Retrieved 21 April 2018.
  7. ^ Yoshiaki Oka; Hideo Mori, eds. (2014). Supercritical-Pressure Light Water Cooled Reactors. Springer. ISBN 978-4-431-55024-2.
  8. ^ Tsiklauri, Georgi; Talbert, Robert; Schmitt, Bruce; Filippov, Gennady; Bogoyavlensky, Roald; Grishanin, Evgenei (2005). "Supercritical steam cycle for nuclear power plant" (PDF). Nuclear Engineering and Design. 235 (15): 1651–1664. doi:10.1016/j.nucengdes.2004.11.016. ISSN 0029-5493. Archived from the original (PDF) on 2013-09-28. Retrieved 2013-09-25.
  9. ^ a b MacDonald, Philip; Buongiorno, Jacopo; Davis, Cliff; Witt, Robert (2003), Feasibility Study of Supercritical Light Water Cooled Reactors for Electric Power Production - Progress Report for Work Through September 2003 - 2nd Annual Report and 8th Quarterly Report (PDF), Idaho National Laboratory
  10. ^ a b Chow, Chun K.; Khartabil, Hussam F. (2007), "Conceptual fuel channel designs for CANDU-SCWR" (PDF), Nuclear Engineering and Technology, 40 (2), archived from the original (PDF) on 2013-09-27

외부 링크

Wikimedia Commons는 초임계수형 원자로와 관련된 미디어를 가지고 있다.