보이드 계수

Void coefficient

핵공학에서 보이드 계수(반응성의 보이드 계수)는 원자로 감속재 또는 냉각수에 보이드(일반적으로 증기 기포)가 형성될 때 원자로의 반응도가 얼마나 변화하는지 추정하기 위해 사용할 수 있는 수치이다.원자로의 순반응도는 이러한 기여의 총합이며, 보이드 계수는 1에 불과하다.감속재 또는 냉각수가 액체인 원자로는 일반적으로 음수(원자로가 감속되지 않은 경우) 또는 양수(원자로가 감속되지 않은 경우)인 보이드 계수 값을 갖는다.감속재나 냉각수가 액체(예: 흑연 감속, 가스 냉각 원자로)가 아닌 원자로는 0과 같은 보이드 계수 값을 갖는다.감속재/냉각재가 액체도 가스도 아닌 원자로(초임계 수형 원자로)에 'void' 계수의 정의가 어떻게 적용되는지는 불분명하다.

설명.

핵분열 원자로는 핵분열을 겪는 각 핵이 열과 중성자를 방출하는 핵 연쇄 반응으로 가동된다.각각의 중성자는 다른 핵에 충돌하여 핵분열을 일으킬 수 있다.중성자의 속도는 중성자 흡수 물질의 존재와 마찬가지로 추가 핵분열을 일으킬 확률에 영향을 미친다.한편, 열중성자는 고속 중성자보다 핵분열성 핵에 쉽게 흡수되기 때문에 중성자를 느리게 하는 중성자 감속제는 원자로의 반응성을 높일 것이다.반면 중성자 흡수기는 원자로의 반응성을 감소시킨다.이 두 가지 메커니즘은 원자로의 열 출력을 제어하기 위해 사용된다.

원자로를 온전하고 기능하게 유지하고, 원자로에서 유용한 전력을 끌어내기 위해서는 냉각 시스템을 사용해야 한다.일부 원자로는 가압수를 순환시키고, 일부는 나트륨, NaK, 납 또는 수은과 같은 액체 금속을 사용하며, 다른 원자로는 가스를 사용한다(첨단 가스 냉각 원자로 참조).냉각수가 액체일 경우 원자로 내부의 온도가 상승하면 끓을 수 있다.이 끓는 소리는 원자로 내부에 공극으로 이어진다.공극은 또한 어떤 종류의 사고로 원자로에서 냉각수가 상실된 경우에도 형성될 수 있다(냉각재 상실 사고라고 하며, 이는 다른 위험을 수반한다.일부 원자로는 발생한 증기를 사용하여 터빈을 회전시키는 등 냉각수가 계속 끓는 상태에서 작동한다.

냉각수 액체는 중성자 흡수체로서, 중성자 감속재로서, 일반적으로 양쪽 모두의 역할을 하지만 가장 영향력 있는 역할을 할 수 있다.어느 경우든 원자로 내부의 보이드의 양은 원자로의 반응성에 영향을 미칠 수 있다.원자로 내부의 공극 변화로 인한 반응도 변화는 공극 계수에 정비례한다.

양의 보이드 계수는 원자로 내부의 보이드 함량이 비등 또는 냉각수의 상실로 인해 증가함에 따라 반응도가 증가함을 의미한다. 예를 들어 냉각수가 중성자 흡수체로서 주로 작용하는 경우이다.이 양의 보이드 계수는 증기 기포의 첫 번째 발생부터 양의 피드백 루프를 일으킵니다.이것은 (자동) 제어 메커니즘에 의해 반격되지 않거나 해당 메커니즘의 응답 시간이 너무 느릴 경우 원자로 내의 모든 냉각수를 빠르게 비등시킬 수 있다.이것은 체르노빌 참사로 파괴된 RBMK 원자로에서 발생했는데, 이는 자동 제어 메커니즘이 대부분 비활성화되었기 때문이다(그리고 운전자들은 높은 출력 수준을 신속하게 복구하려고 다소 무모하게 시도하고 있었다).제어봉 설계 불량으로 인해 운전자는 노심에 최대 수준의 중성자 독극물이 있는 것을 알지 못했다.)

음의 보이드 계수는 원자로 내부의 보이드 함량이 증가함에 따라 반응도가 감소함을 의미하지만, 원자로 내부의 보이드 함량이 감소하면 반응도가 증가함을 의미하기도 한다.음의 보이드 계수가 큰 비등수형 원자로에서 급격한 압력 상승(예: 유선형 밸브의 계획되지 않은 폐쇄에 의해 발생)은 보이드 함량의 급격한 감소를 초래할 것이다. 즉, 압력이 증가하면 증기 기포의 일부가 응축("붕괴")되어 열 출력이 증가할 수 있다.안전 시스템에 의해 종료되거나, 더 높은 출력으로 인한 보이드 형성 증가 또는 압력을 완화하는 시스템 또는 구성 요소 고장에 의해 보이드 함량이 증가하고 출력이 감소한다.비등수형 원자로는 모두 이러한 유형의 과도현상을 처리하기 위해 설계(및 필수)된다.한편, 원자로가 공극 없이 작동하도록 설계되면 큰 음의 보이드 계수가 안전계통으로 작용할 수 있다.이러한 원자로에서 냉각수가 손실되면 열 출력이 감소하지만, 물론 발생하는 열은 더 이상 제거되지 않으므로 온도가 상승할 수 있습니다(다른 모든 안전 시스템이 동시에 고장난 경우).

따라서 양수든 음수든 큰 보이드 계수는 설계상의 문제(좀 더 신중하고 빠르게 작동하는 제어 시스템 필요) 또는 원자로 설계에 따라 원하는 품질이 될 수 있다.가스 냉각 원자로는 공극 형성에 문제가 없다.

원자로 설계

  • 비등수형 원자로는 일반적으로 음의 보이드 계수를 가지며, 정상운전 시 음의 보이드 계수는 노심을 통과하는 물의 유속을 변화시킴으로써 원자로 출력을 조정할 수 있다.음의 보이드 계수는 원자로 압력이 갑자기 상승하는 이벤트(유선형 밸브의 갑작스러운 폐쇄 등)에서 계획되지 않은 원자로 출력 증가를 야기할 수 있다.또한 음의 보이드 계수는 재순환 펌프 고장으로 인해 발생할 수 있는 노심 흐름의 급격한 감소 시 전력 진동을 일으킬 수 있습니다.비등수형 원자로는 급유선형 밸브 폐쇄로 인한 압력 상승 속도가 허용 가능한 값으로 제한되도록 설계되었으며, 연료 또는 배관 손상이 발생하기 전에 급유형 원자로 출력 증가 또는 불안정한 출력 진동이 종료되도록 설계된 여러 안전 시스템을 포함한다.
  • 가압수형 원자로는 비교적 적은 양의 공극으로 작동하며 물은 감속재 및 냉각재 역할을 한다.따라서 음의 보이드 계수가 크면 물이 끓거나 손실될 경우 출력이 저하됩니다.
  • CANDU 원자로는 원자로가 위험한 온도에 도달하기 전에 제어 시스템이 끓는 냉각수에 쉽게 반응할 수 있을 정도로 충분히 작은 양의 보이드 계수를 가진다(참고 자료 참조).또한 냉각재 상실 사고는 원자로를 자동으로 긁어모으고 경수로와는 달리 비상 냉각수로써 원자로 노심에 "일반" 물을 도입하는 것은 중요한 중성자 흡수가 존재하지 않을 때만 CANDU가 임계치에 도달할 수 있기 때문에 임계 위험을 초래하지 않는다.개미의 양의 경수
  • 체르노빌의 원자로와 같은 RBMK 원자로는 위험할 정도로 높은 양의 보이드 계수를 가지고 있다.이를 통해 원자로는 비농축 우라늄에서 가동할 수 있었고 중수가 필요하지 않아 비용을 절감할 수 있었다(또한 다른 러시아 주 원자로 설계 VVER와 달리 RBMK는 [1]병기급 플루토늄을 생산할 수 있었다).체르노빌 사고 전에는 이 원자로들이 4.7베타의 양의 보이드 계수를 가지고 있었고, 사고 후에는 0.7베타로 낮아져 안전하게 가동을 유지할 수 있었다.
  • 고속 증식로는 고속 중성자에서 작동하기 때문에 감속기를 사용하지 않지만 냉각수(대개 납 또는 나트륨)는 중성자 흡수체 및 반사체 역할을 할 수 있다.이러한 이유로 그들은 양의 보이드 계수를 갖는다.
  • 마그녹스 원자로, 첨단 가스 냉각 원자로 및 조약돌 바닥 원자로는 가스 냉각식이기 때문에 보이드 계수는 문제가 되지 않는다.실제로 냉각수의 총상실이 활성 제어 시스템이 없는 경우에도 노심 용융을 일으키지 않도록 설계할 수 있다.모든 원자로 설계와 마찬가지로 냉각수 상실은 사고로 이어질 수 있는 많은 기능 상실 중 하나에 불과하다.자갈 바닥 원자로의 노심에 액체 물이 우발적으로 유입되는 경우 양의 보이드 계수가 [citation needed]발생할 수 있다.마그녹스와 UNGG 원자로는 전력과 무기급 플루토늄을 생산하기 위한 이중의 목적으로 설계되었다.
  • 발전된 CANDU 원자로는 CANDU를 기반으로 건설된 적이 없는 원자로 유형으로 음의 보이드 계수를 약속하지만 연료로 약간 농축된 우라늄을 사용해야 하며 "일반" CANDU처럼 천연 우라늄과 함께 작동할 수 없다.
  • 용융염 원자로에서 소금은 보통 강한 감속재도 중성자 독도 아니다.열 중성자 스펙트럼을 사용할 경우 핵 흑연과 같은 외부 조절기가 사용된다.휘발성 핵분열 생성물은 용액에서 "거품"이 나올 수 있으며, 연료가 소금에 용해되면서, 이것은 거품 부위와 그 주변의 반응성을 감소시킨다.게다가, 핵분열 생성물 귀가스, 그 중에서도 제논-135는 강한 중성자 독소이다.관련된 소금의 비등점이 상대적으로 높기 때문에(용융염 하우징의 구조적 무결성이 의심되는 시점), 비등점의 결과에 대한 강조는 거의 또는 전혀 없다.용융염 원자로는 소금의 끓는점보다 훨씬 낮은 온도에서 녹아서 노심 포수기에서 응고시킬 수 있는 용해 플러그를 사용한다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ Prelas, Mark A.; Peck, Michael (2016-04-07). Nonproliferation Issues For Weapons of Mass Destruction. Google Books. p. 89. ISBN 9781420028652. Retrieved 2016-04-20.

레퍼런스