원자로의 주요 부품은 무엇입니까? 원자력 발전소 : 작동 방식

설명이 없는 이 회색 실린더는 러시아 원자력 산업의 핵심 연결 고리입니다. 물론 보기에는 별로 좋아보이지 않지만, 그 목적을 이해하고 기술적 특성을 보면 왜 국가가 그것의 생성과 구조의 비밀을 눈동자처럼 지키고 있는지 깨닫기 시작합니다.

네, 소개하는 것을 잊었습니다. 여러분 앞에는 우라늄 동위원소 VT-3F(n세대)를 분리하기 위한 가스 원심분리기가 있습니다. 작동 원리는 원심력의 영향으로 무거운 우유 분리기처럼 기본적으로 빛에서 분리됩니다. 그렇다면 의미와 독창성은 무엇입니까?

우선 다른 질문에 답해 보겠습니다. 일반적으로 우라늄을 분리하는 이유는 무엇입니까?

바로 땅 속에 있는 천연 우라늄은 두 가지 동위원소의 혼합물입니다. 우라늄-238그리고 우라늄-235(및 0.0054% U-234).
우라늄-238, 그냥 무겁고 회색 금속입니다. 그것으로 포탄을 만들거나 열쇠 고리를 만들 수 있습니다. 그리고 여기 당신이 할 수있는 일이 있습니다 우라늄-235? 음, 첫째는 원자 폭탄이고 둘째는 원자력 발전소의 연료입니다. 그리고 여기서 우리는 핵심 질문에 도달합니다. 거의 동일한 두 원자를 서로 분리하는 방법은 무엇입니까? 아니, 정말 어떻게?!

그런데:우라늄 원자핵의 반지름은 1.5 10 -8 cm입니다.

우라늄 원자가 기술 사슬에 포함되려면 우라늄이 기체 상태로 전환되어야 합니다. 비등의 의미가 없습니다. 우라늄과 불소를 결합하여 육불화 우라늄을 얻는 것으로 충분합니다. HFC. 생산 기술은 그다지 복잡하고 비용이 많이 들지 않으므로 HFC이 우라늄이 채굴되는 곳을 바로 잡으십시오. UF6는 유일하게 휘발성이 높은 우라늄 화합물입니다(53°C로 가열하면 육불화화물(그림)은 고체에서 기체로 바로 변합니다). 그런 다음 특수 용기에 펌핑되어 농축을 위해 보내집니다.

약간의 역사

핵 경쟁이 시작될 때 소련과 미국의 가장 위대한 과학적 정신은 체를 통해 우라늄을 통과시키는 확산 분리 아이디어를 마스터했습니다. 작은 235일동위 원소는 미끄러질 것이고 "두꺼운" 238일막히다. 그리고 1946년 소비에트 산업을 위해 나노 구멍이 있는 체를 만드는 것은 가장 어려운 작업이 아니었습니다.

인민위원회 산하 과학 기술위원회의 Isaac Konstantinovich Kikoin 보고서에서 (소련 원자 프로젝트 (Ed. Ryabev)에 대한 기밀 해제 된 자료 모음에서 제공) : 현재 우리는 약 5/1,000mm의 구멍으로 메쉬를 만드는 방법을 배웠습니다. 대기압에서 분자의 평균 자유 행로의 50배. 따라서 이러한 그리드에서 동위원소 분리가 발생하는 가스 압력은 대기압의 1/50 미만이어야 합니다. 실제로 우리는 약 0.01기압의 압력에서 작업할 것으로 예상합니다. 좋은 진공 상태에서. 계산에 따르면 가벼운 동위 원소에서 90% 농도로 농축된 제품을 얻으려면(이러한 농도는 폭발물을 얻기에 충분함) 약 2,000개의 이러한 단계를 캐스케이드로 연결해야 합니다. 우리가 설계하고 부분적으로 제조한 기계에서 하루에 75-100g의 우라늄-235를 생산할 것으로 예상됩니다. 설치는 약 80-100개의 "열"로 구성되며 각 열에는 20-25단계가 포함됩니다."

아래는 첫 번째 핵폭발 준비에 관한 스탈린에 대한 Beria의 보고서입니다. 아래는 1949년 여름 초까지 축적된 핵 물질에 대한 작은 참조입니다.

이제 100g을 위해 2000 개의 무거운 설치를 상상해보십시오! 글쎄, 어디로 가야할지 폭탄이 필요합니다. 그리고 그들은 공장뿐만 아니라 도시 전체를 건설하기 시작했습니다. 그리고 좋아요, 오직 도시에서만, 이 확산 플랜트는 너무 많은 전기를 필요로 했기 때문에 근처에 별도의 발전소를 건설해야 했습니다.

소련에서는 813번 공장의 첫 번째 단계 D-1이 전력이 동일한 3100개 분리 ​​단계의 2개 캐스케이드에서 하루 92-93% 우라늄-235 140g의 총 생산량을 위해 설계되었습니다. Sverdlovsk에서 60km 떨어진 Verkh-Neyvinsk 마을의 미완성 항공기 공장이 생산을 위해 할당되었습니다. 나중에 그것은 Sverdlovsk-44로 바뀌었고 813 번째 공장 (사진)은 세계 최대의 분리 생산 인 Ural Electrochemical Plant로 바뀌 었습니다.

기술적으로 큰 어려움이 있음에도 불구하고 확산 분리 기술이 디버깅되었지만 더 경제적 인 원심 공정을 마스터한다는 아이디어는 의제를 떠나지 않았습니다. 결국 원심 분리기를 만들면 에너지 소비가 20 배에서 50 배로 줄어 듭니다!

원심 분리기는 어떻게 설정됩니까?

기본 이상으로 배치되어 있어 예전 모습 그대로입니다. 세탁기"탈수/건조" 모드에서 작동합니다. 밀봉된 케이싱에는 회전하는 로터가 있습니다. 이 로터에는 가스가 공급됩니다. (UF6). 지구 중력장보다 수십만 배 더 큰 원심력으로 인해 가스는 "무거운" 부분과 "가벼운" 부분으로 분리되기 시작합니다. 가벼운 분자와 무거운 분자는 로터의 서로 다른 영역에서 그룹화되기 시작하지만 중앙과 주변이 아니라 상단과 하단에서 그룹화되기 시작합니다.

이것은 대류로 인해 발생합니다. 로터 커버가 가열되고 가스 역류가 발생합니다. 실린더의 상단과 하단에는 흡입구라는 두 개의 작은 튜브가 있습니다. 고갈된 혼합물은 아래쪽 튜브로 들어가고 원자 농도가 더 높은 혼합물은 위쪽 튜브로 들어갑니다. 235U. 이 혼합물은 농축될 때까지 다음 원심분리기 등으로 들어갑니다. 235일우라늄은 원하는 값에 도달하지 않습니다. 일련의 원심 분리기를 캐스케이드라고 합니다.

기술적 기능들.

음, 먼저 회전 속도 - y 현대 세대원심 분리기, 2000rpm에 도달합니다 (무엇과 비교할지조차 모르겠습니다 ... 항공기 엔진의 터빈보다 10 배 빠름)! 그리고 그것은 30년 동안 논스톱으로 작동해 왔습니다! 저것들. 이제 Brezhnev에서 켜진 원심 분리기가 폭포에서 회전하고 있습니다! 소련은 더 이상 존재하지 않지만 계속 돌고 돌고 있습니다. 작동 주기 동안 로터가 2,000,000,000,000(2조)번 회전한다는 것을 계산하는 것은 어렵지 않습니다. 그리고 어떤 종류의 베어링이 그것을 다룰 수 있습니까? 예, 없습니다! 베어링이 없습니다.

로터 자체는 일반 상단이고 하단에는 커런덤 스러스트 베어링에 놓인 강한 바늘이 있으며 상단은 전자기장에 의해 유지되는 진공 상태에 있습니다. 바늘도 단순하지 않고 피아노 현용 일반 와이어로 만들어졌으며 매우 까다로운 방식으로 단단해졌습니다 (무엇-GT). 이러한 광란의 회전 속도로 원심 분리기 자체가 내구성이 있을 뿐만 아니라 초강력이어야 한다는 것을 상상하는 것은 어렵지 않습니다.

학자 Joseph Friedlander는 다음과 같이 회상합니다. “세 번은 총에 맞았을 수도 있습니다. 한번은 이미 레닌상을 받았을 때 원심분리기의 뚜껑이 날아가는 큰 사고가 있었습니다. 조각이 흩어져 다른 원심 분리기를 파괴했습니다. 방사능 구름이 상승했습니다. 나는 전체 라인을 멈춰야했습니다 – 1km의 설치! Sredmash에서 원심 분리기는 Zverev 장군이 지휘했으며 원자력 프로젝트 전에 Beria 부서에서 일했습니다. 회의에서 장군은 이렇게 말했습니다. “상황이 심각합니다. 국가의 방어가 위협받고 있습니다. 빨리 시정하지 않으면 37년을 반복하게 될 것입니다. 그리고 즉시 회의가 종료되었습니다. 그런 다음 완전히 생각해 냈습니다. 새로운 기술완전히 등방성인 균일한 뚜껑 구조를 사용했지만 매우 복잡한 설정이 필요했습니다. 그 이후로 이러한 표지가 생산되었습니다. 더 이상 문제가 없었습니다. 러시아에는 수십만 대의 원심 분리기가 있는 3개의 농축 공장이 있습니다.
사진에서 : 1 세대 원심 분리기 테스트

로터 케이스도 탄소 섬유로 교체될 때까지 처음에는 금속이었습니다. 가볍고 잘 찢어지지 않는 이 소재는 회전 실린더에 이상적인 소재입니다.

UEIP 총괄 이사(2009-2012) Alexander Kurkin은 다음과 같이 회상합니다. “우스꽝스러워졌습니다. 새롭고 더 "회전하는"세대의 원심 분리기를 테스트하고 테스트 할 때 직원 중 한 명이 로터가 완전히 멈출 때까지 기다리지 않고 캐스케이드에서 분리하고 팔에 스탠드로 옮기기로 결정했습니다. 그러나 그는 앞으로 나아가는 대신 아무리 저항해도 이 원통을 끌어안고 뒤로 물러나기 시작했다. 그래서 우리는 지구가 자전하고 자이로 스코프가 큰 힘이라는 것을 우리 눈으로 직접 확인했습니다.”

누가 발명 했습니까?

오, 그것은 수수께끼에 흠뻑 젖어 있고 모호함에 가려진 수수께끼입니다. 여기에는 포로로 잡힌 독일 물리학자, CIA, SMERSH 장교, 심지어 쓰러진 스파이 조종사 Powers도 있습니다. 일반적으로 가스원심분리기의 원리는 19세기 말에 기술되었다.

Atomic Project가 시작될 때에도 Kirov Plant의 Special Design Bureau 엔지니어 인 Viktor Sergeev는 원심 분리 방법을 제안했지만 처음에는 그의 동료들이 그의 아이디어를 승인하지 않았습니다. 동시에 패배 한 독일의 과학자들은 Sukhumi의 특수 NII-5에서 분리 원심 분리기의 생성을 놓고 싸웠습니다. 히틀러 밑에서 Siemens의 수석 엔지니어로 일했던 Dr. Max Steenbeck과 전 Luftwaffe 기계공 인 Gernot Zippe , 비엔나 대학 졸업생. 전체적으로 그룹에는 약 300명의 "수출된" 물리학자가 포함되었습니다.

State Corporation Rosatom의 CJSC Centrotech-SPb 총책임자인 Aleksey Kaliteevsky는 다음과 같이 회상합니다. “저희 전문가들은 독일 원심분리기가 산업 생산에 절대적으로 부적합하다는 결론에 도달했습니다. Steenbeck 장치에는 부분 농축 제품을 다음 단계로 옮기는 시스템이 없었습니다. 뚜껑 끝을 식히고 가스를 얼린 다음 해동하고 모아서 다음 원심 분리기에 넣는 것이 제안되었습니다. 즉, 체계가 작동하지 않습니다. 그러나이 프로젝트에는 매우 흥미롭고 특이한 기술 솔루션이 있습니다. 이러한 "흥미롭고 특이한 해결책"은 소련 과학자들이 얻은 결과, 특히 Viktor Sergeev의 제안과 결합되었습니다. 상대적으로 말하자면, 우리의 소형 원심분리기는 독일 사상의 1/3, 소련 사상의 2/3입니다.”그건 그렇고, Sergeev가 Abkhazia에 와서 동일한 Steenbeck과 Zipe에게 우라늄 선택에 대한 생각을 표현했을 때 Steenbeck과 Zippe는 실현 불가능하다고 일축했습니다.

그래서 Sergeyev는 무엇을 생각해 냈습니까?

그리고 Sergeyev의 제안은 피토관 형태의 가스 샘플링 장치를 만드는 것이 었습니다. 그러나 그가 믿었던 것처럼이 주제에 대해 이빨을 먹은 Steenbeck 박사는 "그들은 흐름을 늦추고 난기류를 일으키며 분리가 없을 것입니다! "라고 단호했습니다. 몇 년 후 회고록을 작성하면서 그는 후회할 것입니다. “우리에게서 나올 가치가있는 아이디어! 하지만 내 마음을 스쳐지나 가지 않았다…

나중에 그가 소련 밖에 있었을 때 Steenbeck은 더 이상 원심 분리기를 다루지 않았습니다. 그러나 Geront Zippe는 독일로 떠나기 전에 Sergeyev 원심 분리기의 프로토 타입과 독창적으로 간단한 작동 원리에 대해 알 수있는 기회를 가졌습니다. 한때 서양에서 "교활한 Zippe"라고 불리는 그는 자신의 이름으로 원심 분리기의 디자인에 대한 특허를 받았습니다(1957년 특허 번호 1071597, 13개국에서 출원 중). 1957년 미국으로 이주한 Zippe는 그곳에서 작업 설비를 구축하여 기억에서 Sergeev의 프로토타입을 재현했습니다. 그리고 그는 그것을 "러시아 원심 분리기"(사진)라고 불렀습니다.

그건 그렇고, 러시아 공학은 다른 많은 경우에 나타났습니다. 기본 비상 차단 밸브가 그 예입니다. 센서, 감지기 및 전자 회로가 없습니다. 꽃잎이 캐스케이드 프레임에 닿는 사모바르 수도꼭지 만 있습니다. 문제가 발생하여 원심 분리기가 공간에서 위치를 변경하면 입구 라인을 돌려서 닫습니다. 우주에서 미국 펜과 러시아 연필에 대한 농담과 같습니다.

우리 시대

이번 주에이 라인의 저자는 중요한 행사에 참석했습니다. 계약에 따라 미국 에너지 부 관찰관의 러시아 사무소 폐쇄 흐-르. 이 거래(고농축 우라늄-저농축 우라늄)는 러시아와 미국 간의 가장 큰 원자력 협정이었으며 지금도 마찬가지입니다. 계약 조건에 따라 러시아 핵 과학자들은 500톤의 무기 등급(90%) 우라늄을 미국 원자력 발전소의 연료(4%) HFC로 처리했습니다. 1993-2009년 수익은 미화 88억 달러에 달했습니다. 이것은 동위 원소 분리 분야에서 우리 핵 과학자들이 전후에 이루어진 기술적 돌파구의 논리적 결과였습니다.
사진에서: UEIP 작업장 중 하나에 있는 가스 원심 분리기 캐스케이드. 여기에는 약 100,000개가 있습니다.

원심 분리기 덕분에 우리는 상대적으로 저렴한 군사용 및 상업용 제품 수천 톤을 받았습니다. 러시아가 의심할 여지 없이 우위를 점하고 있는 몇 안 되는 남은 산업(군용 항공, 우주) 중 하나인 원자력 산업. 향후 10년간(2013~2022년) 해외 수주만, 계약 제외 로자톰 포트폴리오 흐-르 693억 달러다. 2011년 500억 돌파…
사진에서 UEIP의 HFC가 있는 컨테이너 창고.

1942년 9월 28일, 국방위원회 결의안 2352ss "우라늄 작업 조직"이 채택되었습니다. 이 날짜는 러시아 원자력 산업 역사의 공식적인 시작으로 간주됩니다.

오늘 우리는 핵물리학의 세계로 짧은 여행을 떠날 것입니다. 우리 소풍의 주제는 원자로가 될 것입니다. 작동 방식, 작동의 기초가 되는 물리적 원리 및 이 장치가 사용되는 위치를 배우게 됩니다.

원자력의 탄생

세계 최초의 원자로는 1942년 미국에서 건설되었습니다.수상자가 이끄는 물리학 실험 그룹 노벨상엔리코 페르미. 동시에 그들은 자급 자족 우라늄 핵분열 반응을 수행했습니다. 아토믹 지니가 출시되었습니다.

1946년 소련 최초의 원자로가 발사되었고,그리고 8년 후, Obninsk 시에 있는 세계 최초의 원자력 발전소가 전류를 공급했습니다. 소련 원자력 산업의 최고 과학 감독관은 뛰어난 물리학 자였습니다. 이고르 바실리에비치 쿠르차토프.

그 이후로 여러 세대의 원자로가 변경되었지만 설계의 주요 요소는 변경되지 않았습니다.

원자로의 해부학

이 원자력 시설은 수 입방 센티미터에서 수 입방 미터에 이르는 원통형 용량을 가진 두꺼운 벽으로 된 강철 탱크입니다.

이 실린더 안에는 지성소가 있습니다. 원자로 코어.여기에서 핵연료의 핵분열 연쇄반응이 일어난다.

이 과정이 어떻게 일어나는지 봅시다.

특히 무거운 원소의 핵 우라늄-235(U-235),작은 에너지 푸시의 영향으로 거의 동일한 질량의 두 조각으로 떨어질 수 있습니다. 이 과정의 원인 물질은 중성자입니다.

파편은 대부분 바륨과 크립톤 핵입니다. 그들 각각은 양전하를 띠므로 쿨롱 반발력으로 인해 빛의 속도의 약 1/30의 속도로 서로 다른 방향으로 흩어집니다. 이 조각들은 엄청난 운동 에너지의 운반체입니다.

에너지의 실용화를 위해서는 에너지의 방출이 자급자족할 필요가 있다. 연쇄 반응,문제가 되는 것은 각 핵분열 사건이 새로운 중성자의 방출을 동반하기 때문에 더욱 흥미롭습니다. 하나의 초기 중성자에 대해 평균적으로 2-3개의 새로운 중성자가 발생합니다. 핵분열성 우라늄 핵의 수가 눈사태처럼 증가하고 있습니다.엄청난 에너지를 발산합니다. 이 과정을 통제하지 않으면 핵폭발이 일어난다. 에서 발생합니다.

중성자 수를 제어하려면 중성자를 흡수하는 물질이 시스템에 도입되고,에너지의 원활한 방출을 제공합니다. 카드뮴 또는 붕소는 중성자 흡수제로 사용됩니다.

파편의 거대한 운동 에너지를 억제하고 사용하는 방법은 무엇입니까? 이러한 목적을 위해 냉각수가 사용됩니다. 파편이 감속되고 극도로 높은 온도로 가열되는 이동하는 특수 매체. 이러한 매체는 일반 물 또는 중수, 액체 금속(나트륨) 및 일부 가스일 수 있습니다. 냉각수가 증기 상태로 전이되지 않도록, 고압은 코어에서 유지됩니다(최대 160atm).이러한 이유로 원자로의 벽은 특수 등급의 10cm 강철로 만들어집니다.

중성자가 핵연료 밖으로 날아가면 연쇄 반응이 중단될 수 있습니다. 따라서 임계 질량의 핵분열성 물질, 즉 연쇄 반응이 유지되는 최소 질량. 이는 원자로 노심을 둘러싼 반사경의 존재를 포함하여 다양한 매개변수에 따라 달라집니다. 중성자가 환경으로 누출되는 것을 방지합니다. 이 구조 요소의 가장 일반적인 재료는 흑연입니다.

원자로에서 일어나는 과정에는 가장 위험한 유형의 방사선인 감마선이 방출됩니다. 이러한 위험을 최소화하기 위해 방사선 방지 보호 기능을 제공합니다.

원자로는 어떻게 작동하는가

연료 요소라고 하는 핵연료는 원자로 노심에 배치됩니다. 핵분열성 물질로 만든 정제로 길이 3.5m, 지름 10mm의 얇은 튜브에 포장되어 있습니다.

같은 유형의 연료 집합체 수백 개가 노심에 배치되어 연쇄 반응 중에 방출되는 열 에너지원이 됩니다. 연료봉을 세척하는 냉각수는 원자로의 첫 번째 회로를 형성합니다.

높은 매개변수로 가열되면 증기 발생기로 펌핑되어 에너지를 2차 회로의 물로 전달하여 증기로 전환합니다. 생성된 증기는 터빈 발전기를 회전시킵니다. 이 장치에서 생성된 전기는 소비자에게 전달됩니다. 그리고 냉각 연못에서 물로 냉각된 배기 증기는 응축수 형태로 증기 발생기로 반환됩니다. 주기가 닫힙니다.

원자력 시설의 이러한 2 회로 작동은 한계를 넘어 노심에서 발생하는 과정에 수반되는 방사선 침투를 배제합니다.

따라서 일련의 에너지 변환이 원자로에서 발생합니다. 핵분열 물질의 핵 에너지 → 파편의 운동 에너지 → 냉각제의 열 에너지 → 터빈의 운동 에너지 → 발전기의 전기 에너지.

불가피한 에너지 손실은 다음과 같은 사실로 이어집니다. 원자력발전소의 효율은 33~34%로 상대적으로 낮다.

원자력 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 것 외에도 원자로는 여러 산업 분야의 연구를 위해 다양한 방사성 동위 원소를 생산하고 산업용 원자로의 허용 가능한 매개 변수를 연구하는 데 사용됩니다. 차량 엔진에 에너지를 공급하는 운송 원자로는 점점 더 널리 보급되고 있습니다.

원자로의 종류

일반적으로 원자로는 우라늄 U-235를 사용합니다. 그러나 천연물에 함유된 함량은 0.7%로 극히 미미하다. 천연 우라늄의 주요 질량은 U-238 동위 원소입니다. U-235의 연쇄 반응은 느린 중성자에 의해서만 발생할 수 있으며 U-238 동위 원소는 빠른 중성자에 의해서만 핵분열됩니다. 핵분열의 결과로 느린 중성자와 빠른 중성자가 모두 탄생합니다. 냉각수(물)에서 감속을 경험하는 빠른 중성자는 느려집니다. 그러나 천연 우라늄에 포함된 U-235 동위 원소의 양은 너무 적어 농축에 의존하여 농도를 3-5%로 끌어올릴 필요가 있습니다. 이 프로세스는 매우 비싸고 경제적으로 불리합니다. 게다가 피로시간 천연 자원이 동위원소는 겨우 100~120년 된 것으로 추정됩니다.

따라서 원자력산업에서는 고속 중성자에서 작동하는 원자로로의 점진적 전환이 있습니다.

그들의 주요 차이점은 액체 금속이 중성자를 늦추지 않는 냉각제로 사용되며 U-238은 핵연료로 사용된다는 것입니다. 이 동위원소의 핵은 U-235와 같은 방식으로 연쇄 반응을 일으키는 플루토늄-239로 일련의 핵 변형을 거친다. 즉, 핵연료의 재생산이 있으며 소비량을 초과합니다.

전문가에 따르면 우라늄-238 동위원소 매장량은 3,000년 동안 지속되어야 합니다.이 시간은 인류가 다른 기술을 개발할 충분한 시간을 갖기에 충분합니다.

원자력 이용의 문제점

원자력의 명백한 이점과 함께 원자력 시설 운영과 관련된 문제의 규모를 과소 평가할 수 없습니다.

그 중 첫 번째는 방사성폐기물 및 해체장비 처분원자력 에너지. 이러한 요소에는 장기간 지속되는 활성 방사선 배경이 있습니다. 이러한 폐기물을 처리하기 위해 특수 납 용기가 사용됩니다. 그들은 최대 600m 깊이의 영구 동토층 지역에 묻혀 있어야 합니다. 따라서 폐기 문제를 해결하고 지구의 생태계를 보존하는 데 도움이 되는 방사성 폐기물 처리 방법을 찾기 위한 작업이 지속적으로 진행되고 있습니다.

두 번째로 큰 문제는 원전 운영 중 안전을 보장합니다.체르노빌과 같은 대형 사고는 많은 것을 앗아갈 수 있습니다. 인간의 삶광활한 지역을 해체합니다.

일본 원전 '후쿠시마-1호' 사고는 핵시설에 비상사태가 발생했을 때 나타날 수 있는 잠재적 위험성을 확인했을 뿐이다.

그러나 원자력의 가능성은 너무 커서 환경 문제는 배경으로 퇴색합니다.

오늘날 인류는 날로 증가하는 에너지 굶주림을 충족시킬 다른 방법이 없습니다. 미래의 원자력 산업의 기반은 아마도 핵연료 증식 기능을 가진 "고속" 원자로가 될 것입니다.

이 메시지가 도움이 되었다면 반갑습니다.

20세기 중반 인류의 관심은 원자와 핵반응에 대한 과학자들의 설명에 집중되었고, 맨하탄 프로젝트 하에서 최초의 핵폭탄을 발명하면서 처음에는 그것을 군사적 목적으로 사용하기로 결정했습니다. 그러나 XX 세기의 50 년대에 소련의 원자로는 평화적 목적으로 사용되었습니다. 1954년 6월 27일 세계 최초로 5000kW 용량의 원자력 발전소가 인류의 서비스에 들어갔다는 것은 잘 알려져 있습니다. 오늘날 원자로는 4,000MW 이상의 전기를 생산할 수 있습니다. 즉, 반세기 전에 비해 800배 이상 증가한 것입니다.

원자로는 무엇인가 : 장치의 기본 정의 및 주요 구성 요소

원자로는 제어된 핵 반응의 올바른 유지 관리의 결과로 에너지가 생성되는 특수 장치입니다. "원자"라는 단어를 "반응기"라는 단어와 함께 사용할 수 있습니다. 많은 사람들은 일반적으로 "핵"과 "원자"의 개념을 동의어로 간주합니다. 왜냐하면 그들은 그들 사이에 근본적인 차이를 찾지 못하기 때문입니다. 그러나 과학의 대표자들은 "원자로"라는보다 정확한 조합을 선호합니다.

흥미로운 사실!핵 반응은 에너지의 방출 또는 흡수와 함께 진행될 수 있습니다.

원자로 장치의 주요 구성 요소는 다음 요소입니다.

• 중재자;
• 제어봉;
• 우라늄 동위원소의 농축 혼합물을 포함하는 막대;
• 방사선에 대한 특수 보호 요소;
• 냉각수;
• 증기 발생기;
• 터빈;
• 발전기;
• 콘덴서;
• 핵연료.

물리학 자에 의해 결정된 원자로 작동의 기본 원리는 무엇이며 왜 흔들리지 않습니까?

원자로 작동의 기본 원리는 핵 반응 발현의 특징에 기반합니다. 표준 물리적 사슬 핵 과정의 순간에 입자는 원자핵과 상호 작용하여 결과적으로 핵은 과학자들이 감마 양자라고 부르는 2차 입자의 방출과 함께 새로운 핵으로 변합니다. 핵 연쇄 반응 동안 엄청난 양의 열 에너지가 방출됩니다. 연쇄 반응이 일어나는 공간을 원자로 노심이라고 합니다.

흥미로운 사실!활성 영역은 외부에서 냉각수 역할을 하는 일반 물이 흐르는 보일러와 유사합니다.

중성자 손실을 방지하기 위해 원자로 노심 영역은 특수 중성자 반사경으로 둘러싸여 있습니다. 주요 임무는 방출된 중성자의 대부분을 코어로 거부하는 것입니다. 반사체는 일반적으로 감속재 역할을 하는 것과 동일한 물질입니다.

원자로의 주요 제어는 특수 제어봉의 도움으로 이루어집니다. 이 막대는 원자로 노심에 도입되어 장치 작동을 위한 모든 조건을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 일반적으로 제어봉은 화합물붕소와 카드뮴. 이러한 요소가 사용되는 이유는 무엇입니까? 네, 모두 붕소나 카드뮴이 열중성자를 효과적으로 흡수할 수 있기 때문입니다. 그리고 발사가 계획되는 즉시 원자로 작동 원리에 따라 제어봉이 노심에 도입됩니다. 그들의 주요 임무는 중성자의 상당 부분을 흡수하여 연쇄 반응을 일으키는 것입니다. 결과는 원하는 수준에 도달해야 합니다. 전력이 설정 수준 이상으로 증가하면 자동 기계가 켜지고 제어봉이 원자로 노심 깊숙이 잠기게 됩니다.

따라서 제어봉 또는 제어봉이 열 원자로의 작동에 중요한 역할을 한다는 것이 분명해졌습니다.

그리고 중성자의 누출을 줄이기 위해 원자로 노심은 상당한 양의 자유롭게 방출되는 중성자를 노심으로 던지는 중성자 반사기로 둘러싸여 있습니다. 리플렉터의 의미에서 일반적으로 중재자와 동일한 물질이 사용됩니다.

기준에 따르면 감속재 물질의 원자핵은 상대적으로 질량이 작아서 가벼운 핵과 충돌할 때 사슬에 존재하는 중성자가 무거운 핵과 충돌할 때보다 더 많은 에너지를 잃습니다. 가장 일반적인 중재자는 일반 물 또는 흑연입니다.

흥미로운 사실!핵 반응 과정에서 중성자는 매우 빠른 이동 속도를 특징으로하므로 중성자를 밀어 에너지의 일부를 잃도록 감속재가 필요합니다.

원자로의 중심부에서 생성된 에너지를 제거하는 것이 목적이기 때문에 냉각제의 도움 없이는 세계에서 단 하나의 원자로도 정상적으로 작동할 수 없습니다. 냉각수로는 중성자를 흡수할 수 없는 액체나 기체가 반드시 사용된다. 물, 이산화탄소, 때로는 액체 금속 나트륨과 같은 소형 원자로 냉각수의 예를 들어 보겠습니다.

따라서 원자로의 작동 원리는 전적으로 연쇄 반응의 법칙, 그 과정에 기반합니다. 원자로의 모든 구성 요소 (감속기, 막대, 냉각수, 핵연료)는 작업을 수행하여 원자로의 정상 작동을 유발합니다.

원자로에 사용되는 연료는 무엇이며 이러한 화학 원소가 정확히 선택되는 이유는 무엇입니까?

원자로의 주요 연료는 우라늄 동위원소, 플루토늄 또는 토륨일 수 있습니다.

1934년에 F. Joliot-Curie는 우라늄 핵의 핵분열 과정을 관찰하면서 그 결과 화학 반응우라늄 핵은 파편-핵과 2개 또는 3개의 자유 중성자로 나뉩니다. 그리고 이것은 자유 중성자가 다른 우라늄 핵과 결합하여 또 다른 핵분열을 유발할 가능성이 있음을 의미합니다. 따라서 연쇄 반응이 예측한 대로 6~9개의 중성자가 3개의 우라늄 핵에서 방출되어 새로 형성된 핵과 다시 합류합니다. 그리고 무한히 계속됩니다.

기억하는 것이 중요합니다!핵분열 시 나타나는 중성자는 질량수 235인 우라늄 동위원소의 핵분열을 유발할 수 있으며, 질량수 238인 우라늄 동위원소의 핵을 파괴하기 위해 발생하는 에너지는 거의 없을 수 있습니다. 부패의 과정.

우라늄 번호 235는 자연에서 희귀합니다. 0.7%에 불과하지만 천연우라늄-238이 더 넓은 틈새를 차지하고 99.3%를 차지한다.

자연에서 우라늄-235의 작은 비율에도 불구하고 물리학자와 화학자는 원자로 작동에 가장 효과적이어서 인류의 에너지 획득 비용을 줄이기 때문에 여전히 이를 거부할 수 없습니다.

최초의 원자로는 언제 나타 났으며 오늘날 어디에 사용됩니까?

1919년에 러더퍼드가 알파 입자와 질소 원자핵의 충돌의 결과로 움직이는 양성자의 형성 과정을 발견하고 설명했을 때 물리학자들은 이미 승리를 거두었습니다. 이 발견은 알파 입자와의 충돌 결과 질소 동위 원소의 핵이 산소 동위 원소의 핵으로 변했음을 의미합니다.

최초의 원자로가 등장하기 전에 세계는 핵 반응의 모든 중요한 측면을 다루는 몇 가지 새로운 물리 법칙을 배웠습니다. 그래서 1934 년 F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky는 처음으로 사회와 세계 과학자 집단에 핵 반응 가능성에 대한 이론적 가정과 증거 기반을 제공했습니다. 모든 실험은 우라늄 핵의 핵분열 관찰과 관련이 있습니다.

1939년 E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch는 중성자와 충돌하는 동안 우라늄 핵의 핵분열 반응을 추적했습니다. 연구 과정에서 과학자들은 가속된 중성자 1개가 우라늄 핵에 들어가면 기존 핵이 2~3개 부분으로 갈라진다는 사실을 발견했다.

연쇄 반응은 20세기 중반에 실질적으로 입증되었습니다. 1939년 과학자들은 하나의 우라늄 핵분열이 약 200MeV의 에너지를 방출한다는 것을 증명했습니다. 그러나 약 165 MeV가 조각 핵의 운동 에너지에 할당되고 나머지는 감마 양자를 함께 옮깁니다. 이 발견은 양자 물리학에서 돌파구를 만들었습니다.

E. Fermi는 몇 년 더 작업과 연구를 계속하고 1942년 미국에서 최초의 원자로를 발사합니다. 구체화 된 프로젝트는 "Chicago woodpile"이라고 불리며 레일에 놓였습니다. 1945년 9월 5일 캐나다는 ZEEP 원자로를 발사했습니다. 유럽 ​​\u200b\u200b대륙은 뒤처지지 않았으며 동시에 F-1 설치가 진행되었습니다. 그리고 러시아인에게는 또 다른 기억에 남는 날짜가 있습니다. 1946 년 12 월 25 일 I. Kurchatov의지도하에 모스크바에서 원자로가 발사되었습니다. 이것들은 가장 강력한 원자로가 아니었지만 이것은 인간에 의한 원자 개발의 시작이었습니다.

평화적 목적을 위해 1954년 소련에서 과학적 원자로가 만들어졌습니다. 원자력 발전소를 탑재한 세계 최초의 평화적 선박인 레닌 핵 쇄빙선은 1959년 소련에서 건조되었습니다. 그리고 우리주의 또 하나의 성과는 핵 쇄빙선 Arktika입니다. 이 수상함은 세계 최초로 북극점에 도달했습니다. 1975년에 일어난 일입니다.

최초의 휴대용 원자로는 느린 중성자로 작동했습니다.

원자로는 어디에 사용되며 인류는 어떤 유형을 사용합니까?

• 산업용 원자로. 그들은 원자력 발전소에서 에너지를 생성하는 데 사용됩니다.
• 핵 잠수함의 추진력 역할을 하는 원자로.
• 실험용(휴대용, 소형) 원자로. 그들 없이는 하나의 현대가 아닙니다. 과학적 경험또는 연구.

오늘날 과학적 빛은 특수 원자로의 도움으로 담수화하는 법을 배웠습니다. 바닷물인구에게 양질의 서비스를 제공하기 위해 식수. 러시아에는 운영 중인 원자로가 많이 있습니다. 그래서 통계에 따르면 2018년 현재 약 37개의 블록이 주에서 운영되고 있습니다.

분류에 따라 다음과 같을 수 있습니다.

• 연구(역사적). 여기에는 플루토늄 생산을 위한 실험 장소로 만들어진 F-1 스테이션이 포함됩니다. I. V. Kurchatov는 F-1에서 근무했으며 최초의 물리적 원자로를 감독했습니다.
• 연구(활성).
• 병기고. 냉각 기능이있는 최초의 원자로로 역사에 기록 된 원자로 A-1의 예입니다. 원자로의 과거 전력은 작지만 기능적입니다.
• 에너지.
• 배. 선박과 잠수함에서는 필요성과 기술적 타당성에 따라 수냉식 또는 액체 금속 원자로가 사용되는 것으로 알려져 있습니다.
• 공간. 예를 들어 우주선에 Yenisei 설치를 호출하면 추가 에너지를 추출해야 하는 경우 작동하며 다음을 사용하여 얻어야 합니다. 태양 전지 패널및 동위 원소 소스.

따라서 원자로의 주제는 상당히 확장되어 있으므로 양자 물리학의 법칙에 대한 깊은 연구와 이해가 필요합니다. 그러나 전력 산업과 국가 경제를 위한 원자로의 중요성은 의심할 여지 없이 이미 유용성과 혜택의 분위기로 부채질되고 있습니다.

을 위한 평범한 사람고대인들이 번개를 숭배했듯이 현대 첨단 장치는 너무 신비하고 신비해서 숭배하는 것이 옳습니다. 학교 수업수학적 계산으로 가득 찬 물리학자들은 문제를 풀지 못한다. 그러나 작동 원리가 십대에게도 분명한 원자로에 대해서도 이야기하는 것이 흥미 롭습니다.

원자로는 어떻게 작동합니까?

이 첨단 장치의 작동 원리는 다음과 같습니다.

1. 중성자가 흡수되면 핵연료(대부분 이 우라늄-235또는 플루토늄-239) 원자핵의 분열이 일어난다.
2. 운동 에너지, 감마선 및 자유 중성자가 방출됩니다.
3. 운동 에너지는 열 에너지로 변환되고(핵이 주변 원자와 충돌할 때) 감마선은 원자로 자체에 의해 흡수되며 또한 열로 변환됩니다.
4. 생성된 중성자 중 일부는 연료 원자에 흡수되어 연쇄 반응을 일으킵니다. 이를 제어하기 위해 중성자 흡수체와 감속재가 사용됩니다.
5. 냉각제(물, 기체 또는 액체 나트륨)의 도움으로 반응 부위에서 열이 제거됩니다.
6. 가열된 물의 가압 증기는 증기 터빈을 구동하는 데 사용됩니다.
7. 발전기의 도움으로 터빈 회전의 기계적 에너지가 교류로 변환됩니다.

분류에 대한 접근

원자로의 유형에 대한 많은 이유가 있을 수 있습니다.

• 핵반응의 종류별. 핵분열(모든 상업 설비) 또는 핵융합(열핵 발전, 일부 연구 기관에서만 널리 사용됨)
• 절삭유에 의해. 대부분의 경우 이러한 목적으로 물(끓거나 무거운 물)이 사용됩니다. 때때로 대체 용액이 사용됩니다: 액체 금속(나트륨, 납-비스무트 합금, 수은), 가스(헬륨, 이산화탄소 또는 질소), 용융염(불소염);
• 세대별.첫 번째는 상업적인 의미가 없는 초기 프로토타입입니다. 두 번째는 1996년 이전에 건설된 현재 사용 중인 원자력 발전소의 대다수입니다. 3세대는 이전 세대와 사소한 개선 사항만 다릅니다. 4세대에 대한 작업은 아직 진행 중입니다.
• 집계 상태에 따라연료(가스는 여전히 종이에만 존재함);
• 사용목적별(전기 생산, 엔진 시동, 수소 생산, 담수화, 원소 변환, 신경 방사선 획득, 이론 및 조사 목적).

원자로 장치

대부분의 발전소에서 원자로의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

1. 핵연료 - 동력 터빈용 열 생산에 필요한 물질(보통 저농축 우라늄)
2. 원자로의 활성 영역 - 핵 반응이 일어나는 곳입니다.
3. 중성자 감속재 - 고속 중성자의 속도를 줄여 열중성자로 전환합니다.
4. 시작 중성자 소스 - 안정적이고 안정적인 핵 반응 시작에 사용됩니다.
5. 중성자 흡수체 - 신선한 연료의 높은 반응성을 줄이기 위해 일부 발전소에서 사용할 수 있습니다.
6. 중성자 곡사포 - 꺼진 후 반응을 다시 시작하는 데 사용됩니다.
7. 냉각수(정제수);
8. 제어봉 - 우라늄 또는 플루토늄 핵의 핵분열 속도를 제어합니다.
9. 워터 펌프 - 물을 스팀 보일러로 펌핑합니다.
10. 증기 터빈 - 증기의 열 에너지를 회전 기계 에너지로 변환합니다.
11. 냉각탑 - 과도한 열을 대기로 제거하는 장치;
12. 방사성폐기물을 접수·저장하는 시스템
13. 안전 시스템(비상 디젤 발전기, 비상 노심 냉각 장치).

최신 모델의 작동 방식

최신 4세대 원자로 상업 운전 가능 2030년 이전. 현재 그들의 작업 원리와 배열은 개발 단계에 있습니다. 현재 데이터에 따르면 이러한 수정 사항은 기존 모델과 다를 것입니다. 이익:

• 급속 가스 냉각 시스템. 헬륨이 냉각제로 사용될 것으로 가정합니다. 에 따르면 프로젝트 문서, 따라서 850 °C의 온도로 원자로를 냉각하는 것이 가능합니다. 이러한 고온에서 작업하려면 복합 세라믹 재료 및 악티나이드 화합물과 같은 특정 원료도 필요합니다.
• 납 또는 납-비스무트 합금을 1차 냉각제로 사용할 수 있습니다. 이 물질은 중성자 흡수율이 낮고 상대적으로 낮은 온도녹는;
• 또한 용융 염의 혼합물을 주 냉각수로 사용할 수 있습니다. 따라서 최신 수냉식보다 더 높은 온도에서 작업할 수 있습니다.

자연의 자연 유사체

원자로는 다음과 같이 인식됩니다. 대중 의식독점적으로 첨단 기술의 제품으로. 그러나 사실 첫 번째 장치는 자연적 기원입니다. 중앙 아프리카 가봉 주의 오클로 지역에서 발견되었습니다.

• 원자로는 우라늄 암석의 범람으로 인해 형성되었습니다. 지하수. 그들은 중성자 감속재 역할을 했습니다.
• 우라늄이 붕괴하는 동안 방출되는 열 에너지는 물을 증기로 바꾸고 연쇄 반응을 멈춥니다.
• 냉각수 온도가 떨어지면 모든 것이 다시 반복됩니다.
• 액체가 끓지 않고 반응 과정을 멈췄다면 인류는 새로운 자연 재해에 직면했을 것입니다.
• 자가 유지 핵분열은 약 15억년 전에 이 원자로에서 시작되었습니다. 이 기간 동안 약 10만 와트의 출력 전력이 할당되었습니다.
• 이러한 지구상의 경이로움은 알려진 유일한 것입니다. 새로운 것의 출현은 불가능합니다. 천연 원료에서 우라늄 -235의 비율은 연쇄 반응을 유지하는 데 필요한 수준보다 훨씬 낮습니다.

한국에는 몇 개의 원자로가 있습니까?

천연 자원은 부족하지만 산업화되고 인구 과잉인 대한민국은 에너지가 절실히 필요합니다. 독일이 평화로운 원자를 거부한 배경에서 이 나라는 핵 기술 억제에 대한 높은 희망을 가지고 있습니다.

• 2035년까지 원자력 발전소에서 생산되는 전기의 비율은 60%에 도달하고 총 생산량은 40기가와트 이상입니다.
• 이 나라에는 원자 무기가 없지만 핵 물리학에 대한 연구가 진행 중입니다. 한국 과학자들은 모듈식, 수소, 액체 금속 등 현대식 원자로 설계를 개발했습니다.
• 현지 연구원의 성공으로 해외에 기술을 판매할 수 있습니다. 향후 15-20년 내에 이 나라는 80대를 수출할 것으로 예상됩니다.
• 그러나 오늘날 대부분의 원자력 발전소는 미국 또는 프랑스 과학자들의 도움으로 건설되었습니다.
• 작동 스테이션의 수는 상대적으로 적지만(단지 4개) 각 스테이션에는 상당한 수의 원자로(총 40개)가 있으며 이 수치는 증가할 것입니다.

중성자와 충돌하면 핵연료가 연쇄 반응을 일으켜 엄청난 양의 열이 발생합니다. 시스템의 물은 이 열을 받아 전기를 생산하는 터빈을 돌리는 증기로 바꿉니다. 다음은 지구상에서 가장 강력한 에너지원인 원자로의 작동에 대한 간단한 도표입니다.

비디오: 원자로 작동 방식

이 비디오에서 핵 물리학자 Vladimir Chaikin은 원자로에서 전기가 생성되는 방법과 자세한 구조에 대해 설명합니다.

보내다

원자로는 무엇입니까?

이전에 "핵 보일러"로 알려진 원자로는 지속적인 핵 연쇄 반응을 시작하고 제어하는 ​​데 사용되는 장치입니다. 원자로는 원자력 발전소에서 전기를 생산하고 선박 엔진에 사용됩니다. 핵분열의 열은 증기 터빈을 통과하는 작동 유체(물 또는 가스)로 전달됩니다. 물이나 가스는 배의 날개를 움직이거나 발전기를 회전시킵니다. 핵반응에서 나오는 증기는 원칙적으로 열 산업이나 지역 난방에 사용할 수 있습니다. 일부 원자로는 의료 및 산업 응용을 위한 동위원소를 생산하거나 무기급 플루토늄을 생산하는 데 사용됩니다. 그들 중 일부는 연구 목적으로만 사용됩니다. 오늘날 전 세계 약 30개국에서 전기를 생산하는 데 사용되는 약 450개의 원자로가 있습니다.

원자로의 작동 원리

기존의 발전소가 화석 연료 연소에서 방출되는 열 에너지를 사용하여 전기를 생성하는 것처럼 원자로는 제어된 핵분열에서 방출되는 에너지를 열 에너지로 변환하여 기계적 또는 전기적 형태로 변환합니다.

핵분열 과정

상당한 수의 붕괴하는 원자핵(예: 우라늄-235 또는 플루토늄-239)이 중성자를 흡수하면 핵 붕괴 과정이 발생할 수 있습니다. 무거운 핵은 두 개 이상의 가벼운 핵(핵분열 생성물)으로 붕괴하여 운동 에너지, 감마선 및 자유 중성자를 방출합니다. 이러한 중성자 중 일부는 나중에 다른 핵분열성 원자에 흡수되어 더 많은 중성자를 방출하는 추가 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 이 과정을 핵 연쇄 반응이라고 합니다.

이러한 핵 연쇄 반응을 제어하기 위해 중성자 흡수 장치와 감속재는 더 많은 핵분열에 들어가는 중성자의 비율을 변경할 수 있습니다. 원자로는 위험한 상황이 확인되면 붕괴 반응을 멈출 수 있도록 수동 또는 자동으로 제어됩니다.

일반적으로 사용되는 중성자 플럭스 조절기는 일반("경") 물(전 세계 원자로의 74.8%), 고체 흑연(반응기의 20%) 및 "중수"(반응기의 5%)입니다. 일부 실험 유형의 반응기에서는 베릴륨과 탄화수소를 사용하는 것이 제안되었습니다.

원자로에서 열 발생

원자로의 작업 영역은 여러 가지 방법으로 열을 생성합니다.

• 핵분열 생성물의 운동 에너지는 핵이 인접한 원자와 충돌할 때 열 에너지로 변환됩니다.
• 원자로는 핵분열 중에 생성된 감마선의 일부를 흡수하고 그 에너지를 열로 변환합니다.
• 열은 핵분열 생성물과 중성자 흡수의 영향을 받은 물질의 방사성 붕괴에서 발생합니다. 이 열원은 원자로가 정지된 후에도 일정 시간 동안 변경되지 않은 상태로 유지됩니다.

핵 반응 동안 1kg의 우라늄-235(U-235)는 기존 방식으로 연소된 석탄 1kg보다 약 300만 배 더 많은 에너지를 방출합니다(우라늄-235의 1kg당 7.2×1013줄과 석탄 1kg당 2.4×107줄). ,

원자로 냉각 시스템

원자로의 냉각수(일반적으로 물이지만 때때로 가스, 액체 금속(예: 액체 나트륨) 또는 용융염)는 생성된 열을 흡수하기 위해 원자로 노심 주위를 순환합니다. 반응기에서 열을 제거한 다음 증기를 생성하는 데 사용합니다. 대부분의 원자로는 가압수형 원자로처럼 터빈에 사용되는 증기를 끓이고 생성하는 물과 물리적으로 격리된 냉각 시스템을 사용합니다. 그러나 일부 원자로에서는 증기 터빈용 물이 원자로 노심에서 직접 끓입니다. 예를 들어, 가압수형 원자로에서.

원자로의 중성자 플럭스 제어

원자로 전력 출력은 더 많은 핵분열을 일으킬 수 있는 중성자의 수를 제어하여 제어됩니다.

"중성자 독"으로 만들어진 제어봉은 중성자를 흡수하는 데 사용됩니다. 제어봉에 의해 더 많은 중성자가 흡수될수록 더 적은 중성자가 더 많은 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 따라서 흡수봉을 원자로 깊숙이 담그면 출력이 감소하고, 반대로 제어봉을 제거하면 출력이 높아진다.

모든 원자로의 첫 번째 제어 수준에서 중성자가 풍부한 핵분열 동위 원소의 중성자 지연 방출은 중요한 물리적 과정입니다. 이러한 지연 중성자는 핵분열 중에 생성된 총 중성자 수의 약 0.65%를 차지하며 나머지(소위 "고속 중성자")는 핵분열 중에 즉시 형성됩니다. 지연중성자를 형성하는 핵분열생성물은 반감기가 밀리초에서 몇 분에 이르기 때문에 원자로가 도달하는 시점을 정확하게 판단하는 데 상당한 시간이 걸린다. 임계점. 임계 질량에 도달하기 위해 지연된 중성자가 필요한 연쇄 반응 모드에서 원자로를 유지하는 것은 "실시간"으로 연쇄 반응을 제어하기 위한 기계 장치 또는 인간 제어에 의해 달성됩니다. 그렇지 않으면 정상적인 핵 연쇄 반응에서 기하급수적인 전력 급증의 결과로 임계점에 도달하고 원자로 노심이 녹는 사이의 시간이 너무 짧아 개입할 수 없습니다. 이것 마지막 스테이지임계성을 유지하기 위해 더 이상 지연된 중성자가 필요하지 않은 경우를 프롬프트 임계성이라고 합니다. 숫자 형식으로 중요도를 설명하는 척도가 있는데, 여기서 초기 임계성은 ​​"0달러"라는 용어로 표시되고 빠른 임계점은 "1달러"로 표시되며 프로세스의 다른 지점은 "센트"로 보간됩니다.

일부 원자로에서는 냉각수가 중성자 감속재 역할도 합니다. 감속재는 핵분열 중에 방출되는 고속 중성자가 에너지를 잃고 열중성자가 되도록 하여 원자로의 출력을 높입니다. 열중성자는 고속중성자보다 핵분열을 일으킬 가능성이 더 높습니다. 냉각재가 중성자 감속재이기도 하면 온도 변화가 냉각재/감속재의 밀도에 영향을 미치므로 원자로 출력의 변화에 ​​영향을 미칠 수 있습니다. 냉각수의 온도가 높을수록 밀도가 낮아지므로 감속재의 효과가 떨어집니다.

다른 유형의 원자로에서 냉각수는 "중성자 독"으로 작용하여 제어봉과 같은 방식으로 중성자를 흡수합니다. 이러한 원자로에서는 냉각수를 가열하여 밀도를 낮추어 전력 출력을 높일 수 있습니다. 원자로는 일반적으로 비상 정지를 위해 원자로를 정지하기 위한 자동 및 수동 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 시스템은 위험한 조건이 감지되거나 의심되는 경우 핵분열 과정을 중지하기 위해 다량의 "중성자 독"(종종 붕산 형태의 붕소)을 원자로에 넣습니다.

대부분의 반응기 유형은 "크세논 피트" 또는 "요오드 피트"로 알려진 프로세스에 민감합니다. 일반적인 핵분열 생성물인 크세논-135는 원자로를 정지시키려는 중성자 흡수체 역할을 합니다. 크세논-135의 축적은 생산되는 즉시 중성자를 흡수하여 크세논-135를 파괴할 수 있을 만큼 충분히 높은 전력 수준을 유지함으로써 제어할 수 있습니다. 핵분열은 또한 요오드-135의 형성을 초래하고, 이것은 차례로 붕괴(6.57시간의 반감기)하여 크세논-135를 형성합니다. 원자로가 정지되면 요오드-135는 계속해서 붕괴하여 크세논-135를 형성하는데, 크세논-135가 붕괴하여 세슘-135를 형성하기 때문에 하루나 이틀 안에 원자로를 재가동하기가 더 어려워집니다. 크세논-135.135, 반감기는 9.2시간. 이 임시 상태는 "요오드 피트"입니다. 원자로에 충분한 추가 전력이 있으면 다시 시작할 수 있습니다. 크세논-135가 많을수록 중성자 흡수체보다 작은 크세논-136으로 변하고 몇 시간 내에 원자로는 소위 "크세논 연소 단계"를 경험합니다. 또한 손실된 크세논-135를 대체하기 위해 중성자의 흡수를 보상하기 위해 제어봉을 원자로에 삽입해야 합니다. 이 절차를 제대로 따르지 않은 것이 체르노빌 원자력 발전소 사고의 핵심 원인이었습니다.

해상 핵시설(특히 핵잠수함)에 사용되는 원자로는 종종 지상 기반 동력 원자로와 같은 방식으로 연속 동력 모드에서 시동할 수 없습니다. 또한 이러한 발전소는 연료를 바꾸지 않고 장기간 운전해야 합니다. 이러한 이유로 많은 설계에서는 고농축 우라늄을 사용하지만 연료봉에 가연성 중성자 흡수체를 포함합니다. 이것은 중성자 흡수 물질의 존재로 인해 원자로 연료 주기의 연소 초기에 상대적으로 안전한 과도한 핵분열 물질을 가진 원자로를 설계하는 것을 가능하게 하며, 이후에 기존의 수명이 긴 중성자 흡수 장치로 대체됩니다. (Xenon-135보다 더 내구성이 있음) 원자로 수명 동안 점진적으로 축적 연료.

전기는 어떻게 생산됩니까?

핵분열 중에 생성된 에너지는 열을 발생시키며, 그 중 일부는 유용한 에너지로 변환될 수 있습니다. 일반적인 방법이 열 에너지의 사용은 물을 끓이고 가압 증기를 생성하는 데 사용되며, 이 증기 터빈은 교류 발전기를 구동하고 전기를 생성하는 증기 터빈을 구동합니다.

최초의 원자로 등장의 역사

중성자는 1932년에 발견되었습니다. 중성자에 노출된 결과 핵반응에 의해 유발된 연쇄 반응의 계획은 1933년 헝가리 과학자 레오 실라드(Leo Sillard)에 의해 처음 수행되었습니다. 그는 다음 해에 런던의 해군성에서 간단한 원자로 아이디어에 대한 특허를 신청했습니다. 그러나 Szilard의 아이디어에는 중성자 소스로서의 핵분열 이론이 포함되지 않았습니다. 이 과정은 아직 발견되지 않았기 때문입니다. 가벼운 요소에서 중성자 매개 핵 연쇄 반응을 사용하는 원자로에 대한 Szilard의 아이디어는 실행 불가능한 것으로 판명되었습니다.

우라늄을 사용하는 새로운 유형의 원자로를 만드는 원동력은 1938년 Lise Meitner, Fritz Strassmann 및 Otto Hahn의 발견이었습니다. 우라늄 핵의 붕괴에서 비롯된 것으로 믿었던 바륨을 형성합니다. 1939년 초(실라르드와 페르미)의 후속 연구에서는 원자가 분열하는 동안 일부 중성자도 생성되었으며, 이로 인해 실라르드가 6년 전에 예견한 것처럼 핵 연쇄 반응을 수행할 수 있음이 밝혀졌습니다.

1939년 8월 2일, 알버트 아인슈타인은 실라드가 프랭클린 D. 루즈벨트 대통령에게 보낸 편지에 서명하여 우라늄 핵분열의 발견이 "매우 강력한 새로운 유형의 폭탄"을 만들 수 있다고 말했습니다. 이것은 원자로와 방사성 붕괴에 대한 연구에 자극을 주었다. Szilard와 아인슈타인은 서로를 잘 알고 수년 동안 함께 일했지만, 아인슈타인은 Szilard가 탐구 초기에 우리 정부에 경고하기 위해 Einstein-Szilard 편지를 쓰라고 그에게 알릴 때까지 원자력에 대한 그러한 가능성을 생각하지 않았습니다.

그 직후인 1939년에 나치 독일이 폴란드를 침공하여 유럽에서 제2차 세계 대전이 시작되었습니다. 공식적으로 미국은 아직 전쟁 중이 아니었지만 10월 아인슈타인-실라드의 편지가 전달되었을 때 루즈벨트는 연구의 목적이 "나치가 우리를 폭파하지 않도록" 하는 것이라고 언급했습니다. 미국의 원자력 프로젝트는 약간의 지연이 있었지만(특히 페르미로부터) 회의론이 남아 있었고 초기에 프로젝트를 감독한 소수의 정부 관리 때문에 시작되었습니다.

이듬해 미국 정부는 영국으로부터 연쇄 반응을 수행하는 데 필요한 우라늄의 양이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 적다는 Frisch-Peierls 각서를 받았습니다. 이 각서는 나중에 "튜브 합금"(관형 합금)이라는 코드명으로 알려지고 나중에 맨해튼 프로젝트에 포함된 영국의 원자폭탄 프로젝트에 참여한 Maud Commity의 참여로 작성되었습니다.

궁극적으로 Chicago Woodpile 1이라고 불리는 최초의 인공 원자로가 1942년 말 Enrico Fermi가 이끄는 팀에 의해 시카고 대학에 건설되었습니다. 전쟁. "Chicago Woodpile"은 1942년 12월 2일 15시 25분에 임계점에 도달했습니다. 원자로의 프레임은 천연 산화 우라늄의 중첩된 "브리켓" 또는 "유사 구체"가 있는 흑연 블록 스택(따라서 이름)을 함께 고정하는 목재였습니다.

Chicago Woodpile 건설 직후인 1943년부터 미군은 맨해튼 프로젝트를 위해 일련의 원자로를 개발했습니다. 가장 큰 원자로(워싱턴 주 핸포드 단지에 위치)의 주요 목적은 핵무기용 플루토늄 대량 생산이었습니다. Fermi와 Szilard는 1944년 12월 19일 원자로에 대한 특허 출원을 제출했습니다. 전시 기밀로 인해 발행이 10년 지연되었습니다.

"세계 최초" - 이 비문은 현재 아이다호주 아르코 시 근처의 박물관인 EBR-I 원자로 부지에서 만들어졌습니다. 원래 "Chicago Woodpile-4"로 명명된 이 원자로는 Aregonne National Laboratory를 위해 Walter Zinn의 지시에 따라 건설되었습니다. 이 실험용 고속 증식로는 미국 원자력 위원회에서 처분했습니다. 원자로는 1951년 12월 20일 시험에서 0.8kW의 전력을 생산했고, 다음날 100kW의 전력(전기)을 생산했으며 설계 용량은 200kW(전력)였다.

원자로의 군사적 사용 외에도 평화적 목적을 위해 원자력 연구를 계속해야 하는 정치적 이유가 있었습니다. 드와이트 아이젠하워 미국 대통령은 유명한 연설 1953년 12월 8일 유엔 총회에서의 "평화를 위한 원자" 이러한 외교적 움직임은 미국과 전 세계에 원자로 기술의 확산을 가져왔습니다.

민간 목적으로 건설된 최초의 원자력 발전소는 소련에서 1954년 6월 27일에 발사된 Obninsk의 AM-1 원자력 발전소였습니다. 그것은 약 5MW의 전기 에너지를 생산했습니다.

제2차 세계대전 후 미군은 원자로 기술의 다른 응용 분야를 모색했습니다. 육군과 공군에서 수행된 연구는 실행되지 않았습니다. 그러나 미 해군은 1955년 1월 17일 핵잠수함 USS 노틸러스(SSN-571)의 진수로 성공을 거두었다.

최초의 상업용 원자력 발전소(영국 셀라필드의 칼더 홀)는 1956년에 초기 용량 50MW(이후 200MW)로 가동되었습니다.

최초의 휴대용 원자로 "Alco PM-2A"는 ​​1960년부터 미군 기지 "Camp Century"의 전기(2MW)를 생성하는 데 사용되었습니다.

원자력 발전소의 주요 구성 요소

대부분 유형의 원자력 발전소의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

원자로의 요소

• 핵연료(원자로 노심, 중성자 감속재)
• 중성자의 초기 소스
• 중성자 흡수체
• 중성자 총(꺼진 후 반응을 다시 시작하기 위해 일정한 중성자 공급원 제공)
• 냉각 시스템(종종 중성자 감속재와 냉각수는 동일하며 일반적으로 정제수임)
• 제어봉
• 원자로 용기(NRC)

보일러 수도 펌프

• 증기 발생기(비등수형 원자로 제외)
• 증기 터빈
• 발전기
• 콘덴서
• 냉각탑(항상 필요한 것은 아님)
• 방사성폐기물 처리시설(방사성폐기물 처리장 일부)
• 핵연료 장전장
• 사용후핵연료 풀

방사선 안전 시스템

• 총장 보호 시스템(SZR)
• 비상 디젤 발전기
• 원자로 노심비상냉각계통(ECCS)
• 비상 유체 제어 시스템(붕소 비상 주입, 비등수형 원자로에만 해당)
• 책임 있는 소비자를 위한 서비스 급수 시스템(SOTVOP)

보호 쉘

• 리모콘
• 긴급 설치
• 핵 훈련 단지 (원칙적으로 제어판 시뮬레이션이 있음)

원자로의 분류

원자로의 종류

원자로는 여러 가지 방식으로 분류됩니다. 요약이러한 분류 방법은 아래에 나와 있습니다.

감속재 유형별 원자로 분류

사용된 열 원자로:

• 흑연 원자로
  
• 가압수형 원자로
• 중수로(캐나다, 인도, 아르헨티나, 중국, 파키스탄, 루마니아, 한국에서 사용).
• 경수로(LVR). 경수로(열 원자로의 가장 일반적인 유형)는 일반 물을 사용하여 원자로를 제어하고 냉각합니다. 물의 온도가 상승하면 밀도가 감소하여 추가 연쇄 반응을 일으킬 수 있을 만큼 중성자 플럭스가 느려집니다. 이 네거티브 피드백은 핵 반응 속도를 안정화시킵니다. 흑연 및 중수형 원자로는 경수형 원자로보다 더 강하게 가열되는 경향이 있습니다. 추가 열로 인해 이러한 원자로는 천연 우라늄/비농축 연료를 사용할 수 있습니다.
• 가벼운 요소 중재자 기반 반응기.
• 용융 염 조절 원자로(MSR)은 LiF 및 BEF2 냉각수/연료 매트릭스 염의 일부인 리튬 또는 베릴륨과 같은 가벼운 원소의 존재에 의해 제어됩니다.
• 액체 금속 냉각기가 있는 원자로냉각수가 납과 비스무트의 혼합물인 경우 중성자 흡수체에서 BeO 산화물을 사용할 수 있습니다.
• 유기 감속재 기반 반응기(OMR) 감속재 및 냉각수 성분으로 디페닐 및 터페닐을 사용합니다.

냉각수 유형별 원자로 분류

• 수냉식 원자로. 미국에는 104개의 운영 중인 원자로가 있습니다. 이 중 69개는 가압수형 원자로(PWR)이고 35개는 비등수형 원자로(BWR)입니다. 가압수형 원자로(PWR)는 모든 서양 원자력 발전소의 대다수를 구성합니다. RVD 유형의 주요 특징은 특수 고압 용기인 과급기가 있다는 것입니다. 대부분의 상업용 고압 원자로와 해군용 원자로 플랜트는 과급기를 사용합니다. 정상 작동 중에 송풍기는 부분적으로 물로 채워지고 그 위에 침수 히터로 물을 가열하여 생성되는 증기 거품이 유지됩니다. 정상 모드에서 과급기는 원자로의 압력 용기(HRV)에 연결되고 압력 보상기는 원자로의 물의 양이 변할 경우 공동을 제공합니다. 이러한 계획은 또한 히터를 사용하여 보정기의 증기 압력을 높이거나 낮춤으로써 반응기의 압력을 제어합니다.

• 고압 중수로다양한 가압수형 원자로(PWR)에 속하며, 경제적으로 유익한 중수를 냉각수 및 감속재로 사용한다고 가정하고 압력을 사용하는 원리, 고립된 열 사이클을 결합합니다.
• 끓는 물 원자로(BWR). 비등수형 원자로 모델은 주 원자로 용기 바닥의 연료봉 주변에 끓는 물이 존재하는 것이 특징입니다. 비등수형 원자로는 이산화 우라늄 형태의 농축 235U를 연료로 사용합니다. 연료는 강철 용기에 놓인 막대에 배열되며, 강철 용기는 물에 잠겨 있습니다. 핵분열 과정을 통해 물이 끓고 증기가 형성됩니다. 이 증기는 터빈의 파이프라인을 통과합니다. 터빈은 증기로 구동되며 이 과정에서 전기가 생성됩니다. 정상 운전 중에 압력은 원자로 압력 용기에서 터빈으로 흐르는 증기의 양에 의해 제어됩니다.
• 풀형 반응기
• 액체 금속 냉각제를 사용하는 원자로. 물은 중성자 감속재이기 때문에 고속 중성자 원자로에서 냉각제로 사용할 수 없습니다. 액체 금속 냉각수에는 나트륨, NaK, 납, 납-비스무트 공융 및 초기 세대 원자로의 경우 수은이 포함됩니다.
• 나트륨 냉각제를 사용하는 고속 중성자로.
• 납 냉각수를 사용하는 고속 중성자 원자로.
• 가스 냉각 원자로고온 구조에서 헬륨으로 생각되는 순환하는 불활성 기체에 의해 냉각됩니다. 동시에 영국과 프랑스의 원자력 발전소에서는 초기에 이산화탄소를 사용했습니다. 질소도 사용되었습니다. 열 사용은 반응기 유형에 따라 다릅니다. 일부 원자로는 너무 뜨거워서 가스가 가스 터빈을 직접 구동할 수 있습니다. 구형 원자로 설계에는 일반적으로 증기 터빈용 증기를 생성하기 위해 열 교환기를 통해 가스를 통과시키는 것이 포함되었습니다.
• 용융 염 원자로(MSR)은 순환 용융염(일반적으로 FLiBe와 같은 플루오르화물 염의 공융 혼합물)에 의해 냉각됩니다. 일반적인 MSR에서 냉각수는 핵분열성 물질이 용해되는 매트릭스로도 사용됩니다.

원자로 세대

• 1세대 원자로(초기 프로토타입, 연구용 원자로, 비상업용 원자로)
• 2세대 원자로(가장 현대적인 원자력 발전소 1965-1996)
• 3세대 원자로(기존 디자인의 진화적 개선 1996-현재)
• 4세대 원자로(아직 개발 중인 기술, 시작일 미상, 아마도 2030년)

2003년 프랑스 원자력위원회(CEA)는 Nucleonics Week에서 처음으로 "Gen II"라는 명칭을 도입했습니다.

2000년에 "Gen III"에 대한 첫 번째 언급은 Generation IV International Forum(GIF)의 시작과 관련하여 이루어졌습니다.

"Gen IV"는 새로운 유형의 발전소 개발을 위해 미국 에너지부(DOE)에서 2000년에 언급했습니다.

연료 유형별 원자로 분류

• 고체 연료 원자로
• 액체 연료 원자로
• 균질 수냉식 반응기
• 용융염 원자로
• 가스연소 원자로(이론상)

목적에 따른 원자로의 분류

• 발전
• 소형 클러스터 원자로를 포함한 원자력 발전소
• 자체 추진 장치(원자력 발전소 참조)
• 해양 원자력 시설
• 제안된 다양한 유형의 로켓 엔진
• 열의 다른 용도
• 담수화
• 가정용 및 산업용 난방용 열 생성
• 수소 에너지 사용을 위한 수소 생산
• 원소 변환용 생산 원자로
• 증식 반응기는 연쇄 반응 동안 소비하는 것보다 더 많은 핵분열성 물질을 생산할 수 있습니다(모 동위원소 U-238을 Pu-239로 또는 Th-232를 U-233으로 전환함으로써). 따라서 한 주기를 수행한 후 우라늄 증식 원자로는 천연 우라늄 또는 열화 우라늄으로 반복적으로 연료를 보급할 수 있습니다. 차례로, 토륨 증식 원자로를 토륨으로 다시 채울 수 있습니다. 그러나 핵분열성 물질의 초기 공급이 필요합니다.
• 연기 감지기에 사용되는 아메리슘과 추적자 및 치료에 사용되는 코발트-60, 몰리브덴-99 등과 같은 다양한 방사성 동위원소 생성.
• 무기급 플루토늄 등 핵무기 소재 생산
• 중성자 방사선원(예: Lady Godiva 펄스 원자로) 및 양전자 방사선(예: 중성자 활성화 분석 및 칼륨-아르곤 연대 측정) 생성
• 연구용 원자로: 일반적으로 원자로는 과학 연구 및 교육, 재료 테스트 또는 의학 및 산업을 위한 방사성 동위원소 생산에 사용됩니다. 그들은 전력 원자로 또는 선박 원자로보다 훨씬 작습니다. 이러한 반응기의 대부분은 대학 캠퍼스에 있습니다. 56개국에서 약 280개의 원자로가 운영되고 있습니다. 일부는 고농축 우라늄 연료로 작동합니다. 저농축 연료를 대체하기 위한 국제적인 노력이 진행 중입니다.

현대 원자로

가압경수로(PWR)

이 원자로는 핵연료, 제어봉, 감속재 및 냉각수를 담기 위해 압력 용기를 사용합니다. 반응기는 냉각되고 중성자는 고압의 액체 물에 의해 조절됩니다. 압력 용기를 빠져나가는 뜨거운 방사성 물은 증기 발생기 회로를 통과하여 2차(비방사성) 회로를 가열합니다. 이 원자로는 대부분의 현대 원자로를 구성합니다. 최신형인 VVER-1200, 첨단 가압수형 원자로, 유럽형 가압수형 원자로인 중성자로가열 설계장치입니다. 미 해군 원자로는 이런 유형입니다.

비등수형 원자로(BWR)

비등수형 원자로는 증기 발생기가 없는 가압수형 원자로와 유사합니다. 비등수형 원자로는 물을 냉각수로 사용하고 중성자 감속재를 가압수형 원자로로 사용하지만 압력이 낮기 때문에 보일러 내부에서 물이 끓어 터빈을 돌리는 증기를 생성합니다. 가압수형 원자로와 달리 1차 회로와 2차 회로가 없다. 이러한 원자로의 가열 용량은 더 높을 수 있고 설계가 더 간단할 수 있으며 훨씬 더 안정적이고 안전할 수 있습니다. 이것은 열중성자 원자로 장치로 최신 비등수형 첨단 원자로와 경제적인 간이 비등수형 원자로가 있다.

가압 중수형 감속 원자로(PHWR)

캐나다 설계(CANDU로 알려짐)는 가압 중수 감속 원자로입니다. 가압수형 원자로에서와 같이 단일 압력 용기를 사용하는 대신 연료는 수백 개의 고압 채널에 있습니다. 이 원자로는 천연 우라늄으로 작동하며 열 중성자 원자로입니다. 중수형 원자로는 운전 중 재급유가 가능하다. 최대 전력, 우라늄을 사용할 때 매우 효율적입니다(이로 인해 코어의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있음). 중수형 CANDU 원자로는 캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도, 파키스탄, 루마니아 및 한국에 건설되었습니다. 인도는 또한 캐나다 정부가 1974년 "미소 짓는 부처" 핵무기 실험에 이어 인도와의 핵 관계를 종료한 후 건설된 "CANDU 파생물"이라고 하는 다수의 중수로를 운영하고 있습니다.

고전력 채널 리액터(RBMK)

플루토늄과 전기를 생산하도록 설계된 소비에트 개발. RBMK는 물을 냉각제로 사용하고 흑연을 중성자 감속재로 사용합니다. RBMK는 사용 중에 재충전할 수 있고 압력 용기 대신 압력 튜브를 사용할 수 있다는 점에서 CANDU와 일부 측면에서 유사합니다(가압수형 원자로에서와 같이). 그러나 CANDU와 달리 매우 불안정하고 부피가 커서 원자로 캡이 비싸다. 체르노빌 재해 이후 이러한 결함 중 일부가 수정되었지만 RBMK 설계에서도 여러 가지 중요한 안전 결함이 확인되었습니다. 그들의 주요 특징은 경수와 비농축 우라늄을 사용하는 것입니다. 2010년 기준으로 미국 에너지부와 같은 국제 안전 기구의 지원과 개선된 안전성 덕분에 11개의 원자로가 계속 가동되고 있습니다. 이러한 개선에도 불구하고 RBMK 원자로는 여전히 사용하기에 가장 위험한 원자로 설계 중 하나로 간주됩니다. RBMK 원자로는 구소련에서만 사용되었습니다.

가스 냉각식 원자로(GCR) 및 첨단 가스 냉각식 원자로(AGR)

일반적으로 흑연 중성자 감속재와 CO2 냉각기를 사용합니다. 작동 온도가 높기 때문에 가압수형 원자로보다 열 발생 효율이 더 높을 수 있습니다. 주로 이 개념이 개발된 영국에 이러한 설계의 운영 원자로가 많이 있습니다. 이전 개발(예: Magnox 스테이션)은 폐쇄되었거나 가까운 장래에 폐쇄될 예정입니다. 그러나 개선된 가스 냉각 원자로의 작동 수명은 10~20년 더 예상됩니다. 이 유형의 원자로는 열 중성자 원자로입니다. 그러한 원자로를 해체하는 금전적 비용은 많은 양의 노심으로 인해 높을 수 있습니다.

고속증식로(LMFBR)

이 원자로의 설계는 감속재 없이 액체 금속에 의해 냉각되며 소비하는 것보다 더 많은 연료를 생산합니다. 그들은 중성자 포획 과정에서 핵분열성 연료를 생산하기 때문에 연료를 "번식"한다고 합니다. 이러한 원자로는 효율성 측면에서 가압수형 원자로와 동일한 방식으로 기능할 수 있으며, 매우 높은 온도에서도 과도한 압력을 생성하지 않는 액체 금속이 사용되기 때문에 증가된 압력을 보상해야 합니다. 소련의 BN-350 및 BN-600과 프랑스의 Superphoenix는 미국의 Fermi I과 마찬가지로 이러한 유형의 원자로였습니다. 1995년 나트륨 누출로 피해를 입은 일본 몬주 원자로가 2010년 5월 가동을 재개했다. 이 원자로는 모두 액체 나트륨을 사용/사용했습니다. 이 원자로는 고속 중성자 원자로이며 열 중성자 원자로에 속하지 않습니다. 이 원자로는 두 가지 유형이 있습니다.

납 냉각

액체 금속으로 납을 사용하면 우수한 방사선 차폐를 제공하고 매우 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 또한 납은 (대부분) 중성자에 대해 투명하므로 냉각수에 손실되는 중성자가 적고 냉각수가 방사능이 되지 않습니다. 나트륨과 달리 납은 일반적으로 불활성이기 때문에 폭발이나 사고의 위험이 적지만 이렇게 많은 양의 납은 독성 및 폐기물 처리 문제를 일으킬 수 있습니다. 종종 납-비스무트 공융 혼합물이 이러한 유형의 반응기에서 사용될 수 있습니다. 이 경우 비스무트는 중성자에 완전히 투명하지 않고 납보다 더 쉽게 다른 동위 원소로 변할 수 있기 때문에 방사선에 약간의 간섭을 일으킬 것입니다. 러시아 알파급 잠수함은 납 비스무트 냉각 고속 중성자로를 주 발전 시스템으로 사용합니다.

나트륨 냉각

대부분의 액체금속 증식로(LMFBR)는 이 유형입니다. 나트륨은 상대적으로 입수가 용이하고 다루기 쉬우며, 나트륨에 잠긴 원자로 각 부분의 부식 방지에도 도움을 준다. 그러나 나트륨은 물과 접촉하면 격렬하게 반응하므로 이러한 폭발이 예를 들어 SCWR 또는 RWD에서 과열된 액체 누출보다 훨씬 강력하지는 않지만 주의해야 합니다. EBR-I는 노심이 용융물로 구성된 이러한 유형의 첫 번째 원자로입니다.

볼베드 반응기(PBR)

그들은 가스가 볼을 통해 순환되는 세라믹 볼에 압축된 연료를 사용합니다. 결과적으로 이들은 저렴하고 표준화된 연료를 사용하는 효율적이고 소박하며 매우 안전한 원자로입니다. 시제품은 AVR 원자로였습니다.

용융 염 원자로

그들에서 연료는 불소 염에 용해되거나 불소가 냉각제로 사용됩니다. 다양한 보안 시스템, 고효율 및 고에너지 밀도는 차량에 적합합니다. 놀랍게도 코어에 고압이나 가연성 부품이 있는 부품이 없습니다. 프로토타입은 토륨 연료 사이클을 사용하는 MSRE 원자로였습니다. 증식형 원자로로서 사용후핵연료를 재처리하여 우라늄과 초우라늄 원소를 모두 회수하여 현재 가동 중인 기존의 원스 스루 우라늄 경수로에 비해 초우라늄 폐기물의 0.1%만 남깁니다. 별도의 문제는 재활용되지 않고 재래식 원자로에서 폐기해야 하는 방사성 핵분열 생성물입니다.

수성 균질 반응기(AHR)

이 원자로는 물에 용해되고 냉각제 및 중성자 감속재와 혼합되는 용해성 염 형태의 연료를 사용합니다.

혁신적인 원자력 시스템 및 프로젝트

고급 원자로

12개 이상의 첨단 원자로 프로젝트가 다양한 개발 단계에 있습니다. 이들 중 일부는 RWD, BWR 및 PHWR 설계에서 발전했으며 일부는 더 크게 다릅니다. 전자는 고급 비등수형 원자로(ABWR)(이 중 2개는 현재 가동 중이고 다른 원자로는 건설 중임)와 계획된 경제적 단순화 수동 안전 비등수형 원자로(ESBWR) 및 AP1000 설치(아래 참조)를 포함합니다. 2010).

일체형 고속 중성자 원자로(IFR)은 1980년대에 걸쳐 건설, 테스트 및 테스트를 거친 후 핵 비확산 정책으로 인해 1990년대 클린턴 행정부가 사임한 후 폐기되었습니다. 사용후핵연료의 재처리는 설계의 핵심이므로 작동 중인 원자로에서 발생하는 폐기물의 일부만 생성합니다.

모듈형 고온 가스 냉각 원자로원자로(HTGCR)는 고온에서 중성자 빔 단면의 도플러 확장으로 인해 전력 출력이 감소하도록 설계되었습니다. 원자로는 세라믹 유형의 연료를 사용하므로 안전한 작동 온도는 경감 온도 범위를 초과합니다. 대부분의 구조는 불활성 헬륨으로 냉각됩니다. 헬륨은 증기 팽창으로 인해 폭발을 일으킬 수 없고, 방사능을 유발할 수 있는 중성자를 흡수하지 않으며, 방사능이 될 수 있는 오염 물질을 용해하지 않습니다. 일반적인 설계는 경수로(일반적으로 3개)보다 더 많은 수동 보호 계층(최대 7개)으로 구성됩니다. 안전을 제공할 수 있는 고유한 기능은 연료 볼이 실제로 코어를 형성하고 시간이 지남에 따라 하나씩 교체된다는 것입니다. 연료 전지의 설계 특징으로 인해 재활용 비용이 많이 듭니다.

작고 폐쇄적이며 모바일, 자율 원자로(SSTAR)원래 미국에서 테스트 및 개발되었습니다. 원자로는 오작동이 의심되는 경우 원격으로 정지할 수 있는 수동 보호 시스템을 갖춘 고속 중성자 원자로로 생각되었습니다.

깨끗하고 환경 친화적인 첨단 원자로(CAESAR)증기를 중성자 감속재로 사용하는 원자로의 개념입니다. 이 설계는 아직 개발 중입니다.

Reduced Water Moderated Reactor는 현재 운영 중인 ABWR(Advanced Boiling Water Reactor)을 기반으로 합니다. 이것은 완전 고속 중성자로가 아니라 주로 열과 고속 사이의 중간 속도를 갖는 표열 중성자를 사용합니다.

수소 감속재가 있는 자기 조절형 원자력 모듈 (HPM)수소화우라늄을 연료로 사용하는 로스앨러모스 국립연구소에서 발표한 설계형 원자로이다.

아임계 원자로더 안전하고 안정적으로 작동하도록 설계되었지만 엔지니어링 및 경제적 측면에서 어렵습니다. 한 가지 예는 "에너지 증폭기"입니다.

토륨 기반 원자로. 이 목적을 위해 특별히 설계된 원자로에서 토륨-232를 U-233으로 변환하는 것이 가능합니다. 이런 식으로 우라늄보다 4배 더 흔한 토륨은 U-233을 기반으로 핵연료를 만드는 데 사용될 수 있다. U-233은 재래식 U-235에 비해 유리한 핵 특성을 가지고 있는 것으로 여겨진다. 최고의 배당률중성자를 유익하게 사용하고 수명이 긴 초우라늄 폐기물의 양을 줄입니다.

고급 중수로 (AHWR)- 개발을 대표할 제안된 중수로 다음 세대 PHWR 유형. 인도 Bhabha 원자력 연구 센터(BARC)에서 개발 중입니다.

카미니- 우라늄-233 동위원소를 연료로 사용하는 독특한 원자로. BARC 연구 센터와 Indira Gandhi 원자력 연구 센터(IGCAR)에서 인도에 건설되었습니다.

인도는 또한 토륨-우라늄-233 연료 주기를 사용하여 고속 중성자 원자로를 건설할 계획입니다. FBTR(고속 중성자 원자로)(인도 Kalpakkam)은 작동 중에 플루토늄을 연료로 사용하고 액체 나트륨을 냉각제로 사용합니다.

4세대 원자로란?

4세대 원자로는 현재 고려 중인 일련의 다양한 이론적 프로젝트입니다. 이러한 프로젝트는 2030년까지 실행될 것 같지 않습니다. 작동 중인 현대식 원자로는 일반적으로 2세대 또는 3세대 시스템으로 간주됩니다. 1세대 시스템은 한동안 사용되지 않았습니다. 이 4세대 원자로의 개발은 8가지 기술 목표를 바탕으로 4세대 국제 포럼(GIF)에서 공식적으로 시작되었습니다. 주요 목표는 원자력 안전을 개선하고, 확산에 대한 보안을 강화하고, 폐기물을 최소화하고, 천연 자원을 사용하고, 그러한 발전소를 건설하고 운영하는 비용을 줄이는 것이었습니다.

• 가스 냉각식 고속 중성자 원자로
• 납 냉각기가 있는 고속 중성자로
• 액체 염 원자로
• 나트륨 냉각 고속 중성자 원자로
• 초임계 수냉식 원자로
• 초고온 원자로

5세대 원자로란?

5세대 원자로는 이론적인 관점에서 구현이 가능하지만 현재 적극적인 고려 및 연구 대상이 아닌 프로젝트입니다. 이러한 원자로는 현재 또는 단기적으로 건설될 수 있지만 경제적 타당성, 실용성 또는 안전성의 이유로 거의 관심이 없습니다.

• 액상 반응기. 핵분열성 물질이 용융 우라늄 또는 격납용기 바닥의 구멍을 통해 주입된 작업 가스의 도움으로 냉각된 우라늄 용액의 형태인 원자로 코어에 액체가 있는 폐쇄 루프.
• 노심에 기상이 있는 반응기. 원자력 로켓의 폐루프 변형으로 핵분열성 물질이 석영 용기에 있는 기체 상태의 육불화우라늄입니다. 작동 가스(예: 수소)는 이 용기 주위를 흐르고 핵 반응으로 인한 자외선을 흡수합니다. 그러한 디자인은 Harry Harrison의 1976년 SF 소설 Skyfall에서 언급된 것처럼 로켓 엔진으로 사용될 수 있습니다. 이론적으로 육불화우라늄을 핵연료로 사용하면(현재처럼 중간 연료가 아닌) 에너지 생성 비용을 낮추고 원자로의 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 실제로, 그러한 높은 전력 밀도에서 작동하는 원자로는 제어되지 않은 중성자 플럭스를 생성하여 대부분의 원자로 재료의 강도 특성을 약화시킵니다. 따라서 흐름은 열핵 시설에서 방출되는 입자의 흐름과 유사합니다. 차례로 이것은 핵융합 조사 시설 구현을 위한 국제 프로젝트에서 사용된 것과 유사한 재료를 사용해야 합니다.
• 기상 전자기 반응기. 기상 반응기와 유사하지만 광전지가 자외선을 직접 전기로 변환합니다.
• 조각화 기반 반응기
• 하이브리드 핵융합. 원본 또는 "복제 영역의 물질"의 융합 및 붕괴 중에 방출되는 중성자가 사용됩니다. 예를 들어, 다른 원자로에서 U-238, Th-232 또는 사용후 연료/방사성 폐기물을 상대적으로 더 양성인 동위원소로 변환합니다.

활성 영역에서 기체 상태의 반응기. 원자력 로켓의 폐루프 변형으로 핵분열성 물질이 석영 용기에 있는 기체 상태의 육불화우라늄입니다. 작동 가스(예: 수소)는 이 용기 주위를 흐르고 핵 반응으로 인한 자외선을 흡수합니다. 그러한 디자인은 Harry Harrison의 1976년 SF 소설 Skyfall에서 언급된 것처럼 로켓 엔진으로 사용될 수 있습니다. 이론적으로 육불화우라늄을 핵연료로 사용하면(현재처럼 중간 연료가 아닌) 에너지 생성 비용을 낮추고 원자로의 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 실제로, 그러한 높은 전력 밀도에서 작동하는 원자로는 제어되지 않은 중성자 플럭스를 생성하여 대부분의 원자로 재료의 강도 특성을 약화시킵니다. 따라서 흐름은 열핵 시설에서 방출되는 입자의 흐름과 유사합니다. 차례로 이것은 핵융합 조사 시설 구현을 위한 국제 프로젝트에서 사용된 것과 유사한 재료를 사용해야 합니다.

기상 전자기 반응기. 기상 반응기와 유사하지만 광전지가 자외선을 직접 전기로 변환합니다.

조각화 기반 반응기

하이브리드 핵융합. 원본 또는 "복제 영역의 물질"의 융합 및 붕괴 중에 방출되는 중성자가 사용됩니다. 예를 들어, 다른 원자로에서 U-238, Th-232 또는 사용후 연료/방사성 폐기물을 상대적으로 더 양성인 동위원소로 변환합니다.

핵융합 원자로

제어된 핵융합은 핵융합 발전소에서 악티나이드와 함께 작업하는 복잡성 없이 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 심각한 과학적, 기술적 장애물이 남아 있습니다. 여러 핵융합 원자로가 건설되었지만 원자로가 소비하는 에너지보다 더 많은 에너지를 방출할 수 있게 된 것은 최근의 일입니다. 연구가 1950년대에 시작되었다는 사실에도 불구하고 상업용 핵융합로는 2050년까지 가동되지 않을 것으로 추정됩니다. ITER 프로젝트는 현재 핵융합 에너지를 사용하기 위해 노력하고 있습니다.

핵연료주기

열 원자로는 일반적으로 우라늄의 정제 및 농축 정도에 따라 달라집니다. 일부 원자로는 플루토늄과 우라늄의 혼합물로 작동할 수 있습니다(MOX 연료 참조). 우라늄 광석을 채굴, 처리, 농축, 사용, 재활용 및 폐기하는 과정을 핵연료 주기라고 합니다.

자연에 있는 우라늄의 최대 1%는 쉽게 핵분열 가능한 동위원소 U-235입니다. 따라서 대부분의 원자로 설계에는 농축 연료 사용이 포함됩니다. 농축은 U-235의 비율을 증가시키는 것과 관련되며 일반적으로 가스 확산을 사용하거나 가스 원심 분리기에서 수행됩니다. 농축 제품은 이산화 우라늄 분말로 변환되어 펠릿으로 압축 및 소성됩니다. 이 과립을 튜브에 넣은 다음 밀봉합니다. 이러한 튜브를 연료봉이라고 합니다. 각 원자로는 이러한 연료봉을 많이 사용합니다.

대부분의 상업용 BWR 및 PWR은 대략 4% U-235로 농축된 우라늄을 사용합니다. 또한 중성자 경제가 높은 일부 산업용 원자로는 농축 연료가 전혀 필요하지 않습니다(즉, 천연 우라늄을 사용할 수 있음). 국제원자력기구에 따르면 고농축 연료(무기급/90% 농축 우라늄)를 사용하는 연구용 원자로가 전 세계에 최소 100개 있다. 이러한 유형의 연료(핵무기 제조에 사용 가능)의 도난 위험으로 인해 저농축 우라늄(확산 위협이 적은) 원자로 사용으로의 전환을 요구하는 캠페인이 시작되었습니다.

핵분열성 U-235 및 비분열성, 핵분열성 U-238은 핵 변형 과정에 사용됩니다. U-235는 열(즉, 느리게 움직이는) 중성자에 의해 핵분열됩니다. 열중성자는 주변의 원자와 거의 같은 속도로 움직이는 중성자입니다. 원자의 진동 주파수는 절대 온도에 비례하기 때문에 열 중성자는 동일한 진동 속도로 움직일 때 U-235를 분할하는 능력이 더 큽니다. 반면에 U-238은 중성자가 매우 빠르게 움직이면 중성자를 포획할 가능성이 더 큽니다. U-239 원자는 가능한 빨리 붕괴하여 그 자체가 연료인 플루토늄-239를 형성합니다. Pu-239는 완전 연료이며 고농축 우라늄 연료를 사용하는 경우에도 고려해야 합니다. 플루토늄 핵분열 공정은 일부 원자로에서 U-235 핵분열 공정보다 우선합니다. 특히 원래 장전된 U-235가 고갈된 후. 플루토늄은 고속 원자로와 열 원자로 모두에서 핵분열하므로 원자로와 핵폭탄 모두에 이상적입니다.

현존하는 대부분의 원자로는 열 원자로로서 일반적으로 중성자 감속재(중성자란 중성자를 열 속도로 감속시키는 것을 의미함)와 냉각수로 물을 사용합니다. 그러나 고속 중성자 원자로에서는 약간 다른 종류의 냉각제가 사용되며 이는 중성자 플럭스를 너무 많이 늦추지 않습니다. 이를 통해 고속 중성자가 우세할 수 있으며 연료 공급을 지속적으로 보충하는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다. 값싸고 농축되지 않은 우라늄을 코어에 넣기만 하면 자발적으로 핵분열되지 않는 U-238이 Pu-239로 변환되어 연료를 "재생"합니다.

토륨 기반 연료 주기에서 토륨-232는 고속 원자로와 열 원자로 모두에서 중성자를 흡수합니다. 토륨의 베타 붕괴는 프로트악티늄-233을 생성한 다음 우라늄-233을 생성하여 연료로 사용합니다. 따라서 우라늄-238과 마찬가지로 토륨-232도 비옥한 물질입니다.

원자로의 유지 보수

핵연료 탱크의 에너지 양은 종종 "최대 전력 일수"로 표현되며, 이는 원자로가 열 에너지를 생성하기 위해 최대 전력으로 작동하는 24시간 기간(일)의 수입니다. 원자로 작동 주기에서 최대 출력 작동 일수(급유에 필요한 간격 사이)는 주기 시작 시 핵연료 집합체에 포함된 붕괴 우라늄-235(U-235)의 양과 관련이 있습니다. 주기 초기에 노심에서 U-235의 비율이 높을수록 원자로가 작동할 수 있는 최대 전력 작동 일수가 더 길어집니다.

작동 주기가 끝날 때 일부 어셈블리의 연료는 "소진"되고 언로드되며 새로운(신선한) 연료 어셈블리 형태로 교체됩니다. 또한 이러한 핵연료 내 붕괴 생성물의 축적 반응은 원자로 내 핵연료의 수명을 결정한다. 최종 핵분열 과정이 일어나기 오래 전에도 수명이 긴 중성자 흡수 붕괴 부산물이 원자로에 축적되어 연쇄 반응이 진행되지 않습니다. 연료 재장전 중에 교체되는 원자로 노심의 비율은 일반적으로 비등수형 원자로의 경우 1/4, 가압수형 원자로의 경우 1/3입니다. 이 사용 후 연료의 처리 및 저장은 산업 원자력 발전소 운영 조직에서 가장 어려운 작업 중 하나입니다. 이러한 핵 폐기물은 극도로 방사능이 강하며 그 독성은 수천 년 동안 위험했습니다.

연료 보급을 위해 모든 원자로를 중단할 필요는 없습니다. 예를 들어, 구형 침대 원자로, RBMK(고출력 덕트형 원자로), 용융 염 원자로, Magnox, AGR 및 CANDU 원자로는 발전소 작동 중에 연료 요소를 이동할 수 있습니다. CANDU 원자로에서는 연료 요소의 U-235 함량을 조정하는 방식으로 개별 연료 요소를 노심에 배치할 수 있습니다.

핵연료에서 추출된 에너지의 양을 연소도라고 하며, 이는 연료의 초기 단위 중량에 의해 생성된 열 에너지로 표현됩니다. 연소도는 일반적으로 원래 중금속 톤당 열 메가와트일로 표현됩니다.

원자력 안전

원자력 안전은 원자력 및 방사선 사고를 예방하거나 그 결과를 국지화하기 위한 조치입니다. 원자력 산업은 원자로의 안전성과 성능을 개선했으며 새롭고 안전한 원자로 설계(일반적으로 테스트되지 않음)도 제시했습니다. 그러나 그러한 원자로가 설계, 건설되고 안정적으로 작동할 수 있다는 보장은 없습니다. 일본 후쿠시마 원자력 발전소의 원자로 설계자들이 NRG(National Research Group)의 수많은 경고에도 불구하고 지진으로 발생한 쓰나미가 지진 후 원자로를 안정화하기로 되어 있는 백업 시스템을 중단시킬 것으로 예상하지 못한 실수가 발생합니다. 원자력 안전에 관한 일본 행정부. UBS AG에 따르면 후쿠시마 1호 원전 사고는 일본과 같은 선진국도 원전 안전을 보장할 수 있는지에 대한 의구심을 불러일으켰다. 테러 공격을 포함한 치명적인 시나리오도 가능합니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 학제간 팀은 예상되는 원자력의 성장을 감안할 때 2005-2055년 기간 동안 최소 4건의 심각한 원자력 사고가 예상되어야 한다고 계산했습니다.

원자력 및 방사선 사고

발생한 심각한 핵 및 방사능 사고 중 일부. 원전 사고로는 SL-1호 사고(1961년), 스리마일 섬 사고(1979년), 체르노빌 원전 사고(1986년), 후쿠시마 원전 사고(2011년) 등이 있다. 원자력 사고로는 K-19(1961년), K-27(1968년), K-431(1985년) 원자로 사고가 있다.

원자로는 최소 34번 지구 궤도에 진입했습니다. 소련의 원자력 추진 무인 위성 RORSAT와 관련된 일련의 사건으로 인해 사용후 핵연료가 궤도에서 지구 대기로 침투하게 되었습니다.

천연 원자로

핵분열 원자로는 종종 현대 기술, 최초의 원자로는 자연 조건. 천연 원자로는 설계된 원자로의 조건을 모방하는 특정 조건에서 형성될 수 있습니다. 지금까지 가봉에 있는 Oklo 우라늄 광산의 세 개의 개별 광상에서 최대 15개의 천연 원자로가 발견되었습니다. 서 아프리카). 잘 알려진 "죽은" Ocllo 원자로는 1972년 프랑스 물리학자 Francis Perrin에 의해 처음 발견되었습니다. 약 15억년 전에 이러한 원자로에서 자체 유지 핵분열 반응이 발생했으며 수십만 년 동안 유지되어 이 기간 동안 평균 100kW의 전력 출력을 생성했습니다. 천연 원자로의 개념은 이미 1956년 아칸소 대학의 폴 쿠로다(Paul Kuroda)에 의해 이론의 관점에서 설명되었습니다.

그러한 원자로는 더 이상 지구상에서 형성될 수 없습니다. 이 막대한 기간 동안의 방사성 붕괴로 인해 천연 우라늄에서 U-235의 비율이 연쇄 반응을 유지하는 데 필요한 수준 이하로 감소했습니다.

천연 원자로는 풍부한 우라늄 광상이 지하수로 채워지기 시작했을 때 형성되었으며, 이는 중성자 감속재 역할을 하여 상당한 연쇄 반응을 일으켰습니다. 물 형태의 중성자 감속재가 증발하여 반응을 가속시킨 다음 다시 응축하여 핵 반응을 늦추고 녹는 것을 방지합니다. 핵분열 반응은 수십만 년 동안 지속되었습니다.

이러한 천연 반응기는 지질학적 환경에서 방사성 폐기물의 처리에 관심이 있는 과학자들에 의해 광범위하게 연구되었습니다. 그들은 방사성 동위원소가 지각을 통해 이동하는 방법에 대한 사례 연구를 제안합니다. 이것은 폐기물에 포함된 동위원소가 물 공급원에 들어가거나 환경으로 이동할 수 있다고 우려하는 폐기물의 지층 처분에 대한 비평가들에게 핵심 포인트입니다.

원자력의 환경 문제

원자로는 소량의 삼중수소 Sr-90을 공기와 지하수로 방출합니다. 삼중수소로 오염된 물은 무색 무취입니다. 다량의 Sr-90은 동물과 아마도 인간에서 골암과 백혈병의 위험을 증가시킵니다.