수소-모듈 자기조절 원자력 모듈

Hydrogen-moderated self-regulating nuclear power module

소형 자기조절형 운송용 원자로(ComStar)라고도 불리는 수소계량형 자기조절형 원자력모듈(HPM)은 중성자 감속재로 하이드라이드를 사용하는 원자로의 일종이다.[1] 연료와 중성자 감속재는 고온(500–800 °C)에서 우라늄과 수소로 감소되는 우라늄 하이드라이드 UH이기3 때문에 설계는 본질적으로 안전하다.[2] 기체 수소는 노심 밖으로 빠져나가고, 고갈된 우라늄과 같은 수소 흡수 물질에 흡수되어 임계치가 낮아진다. 이는 온도가 상승하면 중성자 절제가 떨어지고 핵분열 반응이 응축되어 핵온도가 낮아진다는 것을 의미한다. 이것은 핵에서 더 많은 에너지가 추출될수록 절제가 상승하고 핵분열 과정이 더 많은 열을 생산하기 위해 자극된다는 것을 의미한다.

이런 유형의 원자로에 대한 개념은 뉴멕시코의 로스앨러모스 국립연구소(LANL)의 과학자 오티스 피터슨과 로버트 킴플랜드에 의해 개발되었다.[3] 닥터 오티스 G 피터슨은 2002년에 이 원자로 개념으로 주목할 만한 기술 개발 부문에서 연방 실험실 컨소시엄 상을 받았다.[4] 이 기술은 이후 로스앨러모스 국립연구소와 기술 이전 프로그램 및 협동 연구 개발 협정(CRADA)에 따라 하이페리온 발전소에 독점적으로 허가되었다.

이 원자로는 전 세계 연구소와 대학이 운영하는 TRIGA 연구용 원자로와 우주 응용을 위해 개발한 SNAP-10A 원자로와 일부 특성을 공유하고 있다.

HPM의 도식도

특성.

특허 출원에[5] 따르면 원자로 설계는 다른 원자로 설계와 구별되는 몇 가지 주목할 만한 특성을 가지고 있다. 그것은3 현대 경수로의 연료봉을 구성하는 일반적인 금속 우라늄이나 이산화 우라늄이 아닌, 우라늄-238로 "저농축"된 우라늄을 5% 우라늄-235로 사용하고, 나머지는 우라늄-238로 핵연료로 사용한다. 실제로 적용 분야에서는 연료봉과 제어봉이 있는 현대식 '로드' 기반 설계가 제안된 원자로 설계에서 완전히 생략되어 과립 우라늄 하이드라이드의 'tub'를 통해 작동하는 열교환기에 열을 전도하는 수동형 열파이프가 있는 'tub' 설계가 적용되고 있다. 사용될 가능성이 있는 냉각수는 칼륨이다.

해당 원자로 설계는 충분한 온도와 압력을 가진 수소 가스가 노심(과립 우라늄 금속으로 구성)에 유입되고 우라늄 금속과 반응해 우라늄 하이드라이드를 형성하면 출력을 내기 시작한다. 우라늄 하이드라이드는 핵연료와 중성자 감속재다. 분명히 다른 중성자 감속기와 마찬가지로 중성자를 충분히 감속시켜 핵분열 반응이 일어나도록 할 것이다. 하이드라이드 내의 U-235 원자도 핵연료의 역할을 한다. 핵반응이 시작되면 일정 온도인 약 800°C(1,500°F)에 이를 때까지 계속되는데, 여기서 우라늄 하이드라이드의 화학적 특성 때문에 화학적으로 분해되어 수소 가스와 우라늄 금속으로 변한다. 우라늄 하이드라이드의 화학적 분해로 인한 중성자 절제의 손실은 결과적으로 반응 속도가 느려지고 결국 중단된다. 온도가 허용 가능한 수준으로 돌아오면 수소는 다시 우라늄 금속과 결합하여 우라늄 하이드라이드를 형성하고 중용을 회복하며 핵반응이 다시 시작될 것이다.

이는 원자로를 자체 조절하는 동적계통으로 만들며, 온도가 상승하면 핵반응도가 현저히 감소하고, 온도가 하락하면 핵반응도가 현저히 증가할 것이다. 따라서 이 원자로 설계는 자체 조절이며 용융은 불가능하며 설계는 본질적으로 안전하다. 안전성 관점에서 이 설계는 TRIGA 원자로에서 사용되는 기술을 활용하는데, 이 원자로는 우라늄 지르코늄 하이드라이드(UZrH) 연료를 사용하며 미국 원자력규제위원회가 무인운전을 허가한 유일한 원자로다.

원자로 설계시방서에 따르면, 우라늄 하이드라이드 코어는 수소를 흡수하는 저장 트레이로 둘러싸여 있으며, 고갈된 우라늄이나 토륨으로 만들어졌다. 저장 트레이는 노심으로부터 수소 가스를 탈착하거나 흡수할 수 있다. 정상운전중(운전온도가 약 550 °C (1000 °F)인 상태에서 저장 트레이는 수소 가스를 노심으로 배출할 수 있을 정도로 높은 온도로 유지된다. 저장 트레이는 열 파이프와 외부 열원을 통해 가열 또는 냉각된다. 따라서, 안정된 상태에서, 우라늄 하이드라이드 코어는 저장 트레이의 온도로 절삭된다. 우라늄 하이드라이드 코어에서 돌출된 다른 열 파이프는 핵에서 생성된 열을 핵발전기로부터 열교환기로 전달하고, 열교환기는 다시 증기터빈-제너레이터 세트에 연결하여 전기를 생산한다.

유일한 위험요소는 모든 핵물질, 즉 방사선의 위험요인이지만, 이는 원자로 설계가 지하에 묻혀 5년마다 연료교체를 위해 파내도록 되어 있다는 사실에 의해 상당히 완화된다. 이 시점에서 적절한 안전장치를 사용한다고 가정할 때 방사능에 노출되는 것은 비교적 사소한 우려사항이다.사용후 핵연료도 우려되지만, 이는 해당 설계가 핵연료 재활용에 더 적합하도록 만드는 특정 기술과 장점 때문에 완화된다. 특히, 설계에 대한 특허 출원은 이러한 유형의 원자로가 있는 우라늄 연료 사이클 대신 토륨 연료 사이클을 사용하면 표준 사용 연료에서 현재 발견되는 것보다 훨씬 더 큰 재활용 잠재력이 허용된다는 것을 나타낸다. 더욱이, 우라늄 하이드라이드는 보통 5%의 연소율을 달성하는 경수로와는 대조적으로 최대 50%의 높은 연료 연소 능력을 가지고 있다.

사용후 핵연료의 재처리는 소위 구역정제 공정을 분리에 사용할 수 있기 때문에 수화 원자로 설계에 있어 단순하고 경제적이다.[6]

분명히, 제안된 원자로 설계는 27 MW의e 전력 또는 70 MW의th 전력 공급, 18–20 톤의 무게, 약 1.5 미터 직경의 측정, 조립 라인에서 대량 생산될 수 있으며 동시에 최대 7년에서 10년 동안 무인화되고 연료가 공급되지 않은 운전이 가능할 것이다. 비용은 석탄, 재래식 원자력, 천연 가스 등과 같은 다른 확립된 에너지원과 경쟁할 것으로 예상된다.

핵 공정을 MCNP로 모델링하였지만, 이러한 유형의 원자로는 아직 프로토타입이 실현되지 않았다. 우라늄 하이드라이드 원자로의 개념이 참신하기 때문에 가스 흐름 역학, 재료 선택 및 성능에 관한 추가 실험 작업이 필요할 것이다(특히 수소 분쇄 및 하이드라이드 파이러 관련).방사선 손상 및 핵분열 파편 증식. 저장 트레이의 원격 온도 제어는 물론 필요할 때 이러한 트레이를 냉각시켜 노심으로부터 수소를 흡수한다(흡수 자체에서 열을 방출하고 저장 트레이에 더 많은 수소가 흡수되기 전에 먼저 대피해야 한다).

역사

HPM 개념은 캘리포니아 대학교 방사선연구소(현재의 로렌스 리버모어 국립연구소)가 열핵무기의 발화 전하로서 소형 핵분열장치를 요구했던 1950년대부터의 작업에 바탕을 두고 있다. 그 목적은 최소한의 핵분열 물질만 사용하면서 발화시킬 수 있을 정도로 강력한 폭발을 만들어내는 것이었다. 이것은 임계 질량을 줄이기 위해 수소가 사용된 Upshot-Knothole 운영에서 시도되었다.[7] 그 시험 폭발로 루스와 레이는 핵 우라늄 하이드라이드에 사용되었다. 루스는 수소 동위원소 프로튬(1H)을, 레이는 수소 동위원소 중수소(2H 또는 D)를 중성자 감속기로 사용했다. 예상 수율은 루스의 1.5~3kt TNT, 레이의 0.5-1kt TNT였으나 테스트 결과 약 200t의 수율에 그쳤다.

상용화

HPM 기술은 하이페리온 발전 주식회사가 개발하고 상업화하고 있다. 하이페리온은 2만~10만 가구(일반 미국)에 달하는 산업용 설비 및 주거용 설비의 경우 외진 지역의 중소형 애플리케이션 용적 시장을 타깃으로 하고 있다. 그들은 이 유닛이 밀봉된 컨테이너로 운송될 수 있을 것이며, 그 유닛은 현장에서 개방되지 않을 것이기 때문에 대부분 유지보수가 무료일 것이라고 주장한다. 공장에서 양산해 트럭으로 납품한 뒤 5~10년(배출량에 따라) 후 재처리를 위해 다시 가져가겠다는 것이다.[citation needed]

그러나 2009년 11월 히페리온 발전소는 우라늄 하이드라이드 원자로 설계에 대한 오랜 개발 및 규제 허가 과정을 이유로 질화 우라늄을 기반으로 한 다른 납 냉각 고속 원자로 설계를 전력 모듈에 사용하기로 결정했다.[8]

참조

  1. ^ 로스 알라모스 국립 실험실 기술 보고서 번호 LA-UR-03-5170(2003) 및 LA-UR-04-1087(2004)
  2. ^ 미국 특허 출원 20100119027 섹션 28 미국 특허 출원 20100119027
  3. ^ 피터슨, O.G., 킴플랜드, R.H. 코츠, D.M.: 소형, 자기조절형 원자로. 미국 원자력협회의 거래, 제98권 페이지 729–730(2008)
  4. ^ [1] LANL 2002 과학상 및 명예
  5. ^ [2] 미국 특허출원 20100119027
  6. ^ NRC 사전 신청 회의를 위한 하이퍼이온 발전 슬라이드, 2007년 8월 22일: 미국 NRC 전체 문서 접근 및 관리 시스템(ADAMS) 문서 ML072340518
  7. ^ http://www.nuclearweaponarchive.org/Usa/Tests/Upshotk.html Upshot-Knothole 운영에 관한 미션 문서
  8. ^ [3] 2009년 11월 18일 웨이백 머신 하이퍼이온 발전 뉴스 릴리즈에서 2010-09-24 보관

외부 링크

  • 미국 특허청 특허출원
  • Otis Peterson (January 1, 2009). "High hopes for hydride". Nuclear Engineering International. Global Trade Media. Archived from the original on October 9, 2009. Retrieved 2009-10-18.