액체금속냉각로

액체금속 냉각형 원자로, 액체금속 고속로 또는 LMFR은 1차 냉각수가 액체금속인 발전형 원자로다.액체 금속 냉각 원자로는 처음에는 핵잠수함용으로 개조되었지만 발전 용도에 대해서도 광범위하게 연구되어 왔다.

금속 냉각제는 열을 더 빨리 제거하고 훨씬 높은 전력 밀도를 허용한다.이는 배나 잠수함처럼 크기와 무게가 프리미엄급인 상황에서 그들을 매력적으로 만든다.물을 이용한 냉각을 개선하기 위해 대부분의 원자로 설계는 비등점을 높이기 위해 가압력이 높아 액체금속 설계가 부족한 안전 및 유지관리 문제를 제시한다.또한 액체 금속의 고온은 수냉식 원자로보다 높은 온도에서 증기를 생성하기 위해 사용될 수 있어 열역학적 효율이 더 높다.이는 그들이 재래식 원자력 발전소의 전력 생산량 개선에 매력을 느끼게 한다.

전기적으로 전도성이 높은 액체 금속은 전자파 펌프에 의해 이동될 수 있다.^[1]단점은 불투명한 용융금속 속에 담근 원자로의 검사 및 보수와 관련된 어려움이며, 금속의 선택에 따라 화재위험(알칼리 금속의 경우), 방사성활성화제품의 부식 및/또는 생산에 문제가 될 수 있다.

디자인

실제로 모든 액체금속 냉각형 원자로는 고속중성 원자로로 현재까지 대부분의 고속 중성자 원자로는 액체금속 냉각형 고속증식 원자로(LMFBR) 또는 해군 추진 장치였다.일반적으로 사용되는 액체 금속은 좋은 열 전달 특성이 필요하다.고속 중성자 원자로 코어는 다른 등급의 원자로에 비해 좁은 공간에서 많은 열을 발생시키는 경향이 있다.어떤 원자로 냉각재에서도 중성자 흡수율이 낮으면 좋으나, 고속로에서는 특히 중요한데, 고속로에서는 고속로에서 좋은 중성자 경제성이 주요 장점 중 하나이기 때문이다.느린 중성자는 더 쉽게 흡수되기 때문에 냉각수는 이상적으로 중성자의 낮은 중량을 가져야 한다.또한 냉각재가 구조자재의 과도한 부식을 초래하지 않고, 냉각재의 용융점과 비등점이 원자로의 운전온도에 적합하다는 점도 중요하다.

이상적으로는 냉각수가 절대 끓어서는 안 된다. 냉각수가 시스템에서 누출되어 냉각재상실 사고가 발생할 가능성이 높기 때문이다.반대로 냉각수가 끓는 것을 막을 수 있다면 냉각계통 압력이 중립 수준에 유지될 수 있으며, 이는 사고 발생 확률을 극적으로 감소시킨다.일부 설계에서는 전체 원자로와 열 교환기를 냉각제 풀에 담그고 내부 루프 냉각이 상실될 위험을 사실상 제거한다.

냉각수 특성

가압된 물은 이론적으로 고속 원자로에 사용될 수 있지만 중성자를 느리게 하여 흡수하는 경향이 있다.이것은 원자로 노심을 통해 흐를 수 있는 물의 양을 제한하고, 고속 원자로는 높은 출력밀도를 가지기 때문에 대부분의 설계는 용해된 금속을 대신 사용한다.물의 비등점은 또한 노심을 효과적으로 식히기 위해 냉각 시스템을 고압으로 유지할 것을 요구하는 대부분의 금속보다 훨씬 낮다.

액상 금속 냉각제

냉각제	녹는점	비등점
나트륨	97.72°C, (207.9°F)	883°C, (1621°F)
NAK	-11°C, (12°F)	785°C, (1445°F)
수성.	-38.83°C, (-37.89°F)	356.73°C(674.11°F)
이끌다	327.46°C, (621.43°F)	1749°C, (3180°F)
납-bismuth eutectic	123.5°C, (254.3°F)	1670°C, (3038°F)
주석	231.9°C, (449.5°F)	2602°C, (4716°F)

수성.

클레멘타인은 최초의 액체 금속 냉각 원자로였고 수은 냉각수를 사용했는데, 실온에서 액체이기 때문에 분명한 선택이라고 생각되었다.다만 높은 독성, 상온에서도 높은 증기압, 가열 시 유독한 가스를 발생시키는 낮은 비등점, 상대적으로 낮은 열전도율,^[2] 높은^[3] 중성자 단면 등의 단점이 있어 선호도가 떨어졌다.

나트륨과 NaK

나트륨과 NaK(영양 나트륨-칼륨 합금)는 강철을 유의미한 수준으로 부식시키지 않으며 많은 핵연료와 호환되기 때문에 구조자재를 폭넓게 선택할 수 있다.그러나 그들은 공기와 접촉할 때 자연적으로 발화하며 물과 격렬하게 반응하여 수소가스를 발생시킨다.1995년 발생한 사고와 화재의 몬주원자력발전소 사건도 그랬다.나트륨의 중성자 활성화는 또한 이러한 액체가 작동 중에 강한 방사능을 띠게 하지만, 비록 반감기가 짧고 따라서 그 방사능이 추가적인 폐기 우려를 야기하지는 않는다.

나트륨 냉각 Gen IV LMFR에 대한 제안은 두 가지가 있는데, 하나는 산화 연료를 기반으로 하고 다른 하나는 금속 연료 일체형 고속 원자로에 있다.

이끌다

납은 우수한 중성자 특성(반사, 낮은 흡수)을 가지고 있으며 감마선에 대한 매우 강력한 방사선 차폐물이다.납의 비등점이 높아지면 정상운전 조건보다 수백 도 이상 높아도 원자로를 효율적으로 냉각시킬 수 있어 안전상의 이점을 제공한다.그러나 납은 용해점이 높고 증기압이 높기 때문에 납냉식 원자로에 연료를 공급하고 서비스를 하는 것이 까다롭다.납을 비스무트로 합금하여 용융점을 낮출 수 있지만, 납-비스무트 공극은 구조 재료에 사용되는 대부분의 금속의^[4] 부식성이 매우 높다.

주석

오늘날 주석(tin)은 지각(crack)을 쌓기 때문에 가동 중인 원자로의 냉각재로 쓰이지 않지만,^[5] 원자력 재해나 냉각재상실사고 시 유용한 추가 또는 대체 냉각재가 될 수 있다.

주석의 또 다른 장점은 끓는점이 높고 액체 주석보다 크러스트를 만드는 능력이 독성 유출을 막고 냉각수를 원자로 안팎으로 유지하는데 도움이 된다는 것이다.주석으로 인해 모든 원자로 유형을 정상 운전 시 사용할 수 없게 된다.우크라이나 연구자들에 의해 실험되어 후쿠시마 제 1 원자력 재해의 끓는 물 원자로를 액체 상태의 주석 냉각 원자로로 전환하자는 제안을 받았다.^[6]

추진

잠수함

소련 11월급 잠수함 K-27과 7척의 알파급 잠수함은 모두 납-비스무트 합금으로 냉각된 원자로를 사용했다(K-27의 VT-1 원자로, 기타의 BM-40A 및 OK-550 원자로).소련과 미국 해군 모두 LMFR 동력 장치를 사용하여 초기 시제품 공격 잠수함을 만들었다.

두 번째 핵잠수함인 USS 시울프는 나트륨 냉각 원전을 보유한 유일한 미국 잠수함이었다.1957년에 임관되었으나, 슈퍼히터에서는 누수가 발생하여 우회되었다.함대 내 원자로를 표준화하기 위해 1958년부터 잠수함의 나트륨 냉각 원자로를 제거하고 가압수 원자로로 대체했다.^{[citation needed]}

핵항공기

액체 금속 냉각 원자로는 Pratt & Whitney에 의해 항공기 핵 추진 프로그램의 일환으로 핵 항공기에 사용하기 위해 연구되었다.^[7]

발전

나트륨 원자로 실험은 실험용 나트륨 냉각 원자로를 산타 수사나 현장 실험실의 한 부분에 배치한 후 북미 항공의 아토믹스 국제 분과에 의해 운영되었다.1959년 7월, 나트륨 원자로 실험은 43개의 연료 원소 중 13개의 부분 용융과 방사성 가스의 상당한 방출과 관련된 심각한 사건을 겪었다.^[8]이 원자로는 1960년 9월 보수되어 다시 가동되었고 1964년에 가동을 끝냈다.원자로는 총 37GWh의 전기를 생산했다.

미시간주 먼로카운티의 페르미 1호는 1963년부터 1972년까지 가동된 실험용 액체 나트륨 냉각 고속 브리더 원자로였다.1963년에 부분적인 핵융해를 겪었고 1975년에 해체되었다.

스코틀랜드 북쪽 먼 곳의 케이티니스에 있는 도운레이에서 영국 원자력청(UKAEA)은 1959년부터 1977년까지 NaK를 냉각재로 사용해 도운레이 고속로(점유율 1위)를 가동해 그 기간 동안 600.GWh의 전기를그리드에 수출했다.1974년부터 1994년까지 가동되어 액체 나트륨을 냉각재로 사용한 시제품 고속로인 PFR이 같은 현장에서 성공하였다.

소련 BN-600은 나트륨이 냉각되었다.BN-350과 미국 EBR-II 원전은 나트륨이 냉각됐다.EBR-I는 액체 금속 합금인 NaK를 냉각에 사용했다.NaK는 상온에서 액체다.액체 금속 냉각은 또한 적분형 고속 원자로와 같은 고속 브리더 원자로를 포함한 대부분의 고속 중성자 원자로에서도 사용된다.

많은 4세대 원자로 연구는 액체 금속으로 냉각된다.

• 나트륨 냉각 고속로(SFR)
• 납냉각 고속로

참조