안정염 원자로

Stable salt reactor
안정염 원자로 노심 절단

안정염 원자로(SSR)는 영국과 캐나다에 본사를 둔 몰텍스 에너지사가 [1]개발 중인 원자로 설계이다.

SSR는 용융염 원자로의 요소를 통합하며, 기존의 경수로보다 개선된 안전 특성(내부 안전)과 경제성(LCOE 45달러/MWh 이하)을 갖는 것을 목표로 한다.안정적인 염분 원자로는 사고 시나리오에서 방사능 방출을 완화하기 위해 값비싼 격납구조와 부품이 필요하지 않을 것이다.SSR의 설계는 위험한 공기 중의 동위원소가 냉각수에 화학적으로 결합되기 때문에 체르노빌 또는 후쿠시마 사고 이후에 발생한 광범위한 방사능 오염 유형을 배제한다.또한 모듈식 설계를 통해 표준 도로 운송을 통해 부품을 공장에서 생산하고 현장에 납품할 수 있으므로 비용과 건설 기간을 줄일 수 있습니다.

연료 설계는 경수로 연료 집합체와 연료가 냉각수와 혼합되는 기존의 용융 염 원자로 접근법 사이의 하이브리드이다.SSR 설계에서 액체 소금 연료 혼합물은 현재의 경수로 기술과 매우 유사한 연료 집합체 내에 포함되어 있다.그런 다음 연료 어셈블리는 순수한 액체 소금 냉각수 풀에 잠깁니다.

테크놀로지

'다이빙 벨' 가스 통풍구와 전체 어셈블리를 보여주는 단일 연료 튜브.

원자로 노심의 기본 단위는 연료 집합체이다.각 어셈블리에는 직경 10mm의 연료 튜브가 약 300개 들어 있으며, 연료 소금이 1.8m 높이까지 채워져 있습니다.그 튜브들은 꼭대기에 핵분열 가스가 빠져나갈 수 있도록 다이빙 벨 가스 통풍구가 있다.

어셈블리는 코어에 수직으로 장착되고 에어록을 통해 새로운 어셈블리가 들어가 연료 공급 기계를 통해 코어에 삽입됩니다.

연료 및 재료

SSR의 연료는 3분의 2 염화나트륨(식탁염)과 3분의 1 플루토늄과 혼합 란타니드/액티니드 삼염화물로 구성되어 있다.초기 원자로의 연료는 오늘날의 원자로 비행대에서 변환된 재래식 사용후 핵연료에서 나올 계획이지만, 영국의 경우, 확산 우려를 줄이기 위해 PUREX에서 하향 블렌딩되어 불순물이 첨가된 염화물로 전환되는 민간 플루토늄의 비축에서 나올 수 있다.

삼염화물은 대응하는 플루오르화염보다 열역학적으로 안정적이기 때문에 연료관에 코팅으로 첨가된 희생핵급 지르코늄 금속 또는 연료관 내 삽입물과 접촉함으로써 강하게 환원된 상태로 유지될 수 있다.따라서 부식의 위험이 없는 표준 핵인증강으로 연료관을 만들 수 있다.원자로는 고속 스펙트럼에서 작동하기 때문에 관은 매우 높은 중성자량에 노출되기 때문에 관 수명 동안 100–200 dpa로 추정되는 높은 수준의 방사선 손상을 겪는다.따라서 튜브에는 HT9과 같은 고중성자 손상 내구성 강철이 사용된다.PE16, NF616 및 15-15Ti와 같은 현지 공급망 기능에 따라 고속 중성자 내성이 있는 다른 강철도 사용할 수 있습니다.

연료 소금의 평균 전력 밀도는 150 kW/l이므로 소금의 [citation needed]끓는점보다 낮은 온도 마진이 큽니다.상당한 기간 동안 이 수준을 두 배로 증가시키기 위한 출력 피크는 연료 [citation needed]튜브의 안전 작동 조건을 초과하지 않습니다.

냉각수

원자로 탱크의 냉각수 소금은 염화물계 냉각수 소금이다.1미터의 냉각수는 중성자속을 4단계 감소시킨다.SSR의 모든 구성 요소는 이 냉각수 차폐로 보호됩니다.

냉각수에는 또한 지르코늄 금속이 1몰% 함유되어 있습니다(2몰% ZrF를2 형성하여 용해됨).이는 산화환원 전위를 표준 강철 유형에 실질적으로 부식되지 않는 수준으로 감소시킵니다.따라서 원자로탱크, 지지구조물 및 열교환기는 표준 316L 스테인리스강으로 시공할 수 있다.

냉각수 소금은 각 모듈의 열교환기에 부착된 3개의 펌프에 의해 원자로 노심을 순환한다.유속은 약 1m/s로 중간 정도이며 따라서 펌프 전력에 대한 요구 사항이 낮습니다.펌프 고장 시에도 작동을 계속할 수 있는 용장성이 있습니다.

안전.

안정염 원자로는 본질적인 안전 특성을 일차 방어선으로 하여 설계되었다.원자로를 안전하고 안정적인 상태로 유지하기 위해 운전원이나 능동계통이 필요하지 않다.다음은 SSR 뒤에 있는 기본 안전 기능입니다.

반응도 제어

SSR는 자체 제어이므로 기계적인 제어가 필요하지 않습니다.이는 높은 음의 반응성 온도 계수와 연료 튜브에서 지속적으로 열을 추출할 수 있는 기능을 결합함으로써 가능합니다.시스템에서 열이 제거되면 온도가 내려가 반응성이 높아집니다.원자로가 뜨거워지면 반응성이 떨어진다.이러한 큰 부반응도 피드백은 원자로가 800 °C를 초과하는 온도에서 항상 정지(아임계) 상태에 있도록 한다.이를 통해 반응성 삽입 사고와 같은 모든 오버파워 시나리오에 대한 보안을 확보할 수 있습니다.다양하고 중복된 안전 시스템을 갖추기 위해 중력 구동식 탄화붕소 제어봉 [2]어레이도 존재한다.

비휘발성 방사성 물질

적절한 화학작용으로 용융염연료를 사용하면 위험한 휘발성 요오드와 세슘이 제거되므로 심각한 사고 시나리오에서 공기 중 방사성 플룸을 방지하기 위해 다층 격납용기가 불필요해진다.크세논과 크립톤은 원자로 노심을 정상 가동 상태로 두지만 방사성 동위원소가 붕괴될 때까지 갇히게 되므로 사고로 [3]방출될 수 있는 양은 거의 없을 것이다.

고압 없음

원자로 내의 고압은 수냉식 원자로로부터의 방사성 물질 확산의 원동력을 제공한다.용해된 소금 연료와 냉매는 SSR의 작동 온도보다 훨씬 높은 비등점을 가지고 있기 때문에 노심은 대기압으로 작동합니다.2차 냉각수 루프를 통해 증기발생계통을 방사성 노심으로부터 물리적으로 분리함으로써 원자로로부터의 구동력을 제거한다.핵분열 가스를 주변의 냉각수 소금으로 배출함으로써 연료관 내의 고압을 회피한다.

낮은 화학 반응성

가압수형 원자로(PWR)의 지르코늄과 고속 원자로의 나트륨은 모두 심각한 폭발과 화재 위험을 야기한다.SSR에는 화학반응성 물질이 사용되지 않습니다.

붕괴열 제거

원자로가 정지된 직후에는 단수명 핵분열 생성물의 붕괴로 인해 이전 가동 전력의 거의 7%가 계속 발생한다.기존 원자로에서는 온도가 낮기 때문에 이 붕괴열을 수동적으로 제거하는 것이 어렵다.SSR는 훨씬 더 높은 온도에서 작동하므로 이 열이 코어에서 빠르게 전달될 수 있습니다.원자로 정지 및 SSR의 모든 활성 열 제거 시스템 고장 시 노심으로부터의 붕괴열은 지속적으로 작동하는 탱크 주변 공기 냉각 덕트로 방출된다.주요 열전달 메커니즘은 방사형입니다.열전달은 온도에 따라 크게 증가하므로 작동 조건에서는 무시할 수 있지만 사고 온도가 높을 때는 붕괴열을 제거하기에 충분하다.이 과정에서 원자로 구성요소는 손상되지 않으며 이후 발전소를 재가동할 수 있다.

핵폐기물 유산에 대한 해결책

원자력을 사용하는 대부분의 국가는 방사능이 천연 우라늄과 유사한 수준으로 줄어들 때까지 사용후 핵연료를 지하 깊은 곳에 저장하는 것을 선택한다.SSR는 폐기물 버너 역할을 하면서 이 낭비를 관리하는 다른 방법을 제공합니다.

SSR는 고속 스펙트럼에서 작동하기 때문에 장수명 악티니드를 보다 안정적인 동위원소로 변환하는 데 효과적이다.오늘날 재처리된 사용후 연료로 연료를 공급하는 원자로는 안정적인 펠릿을 형성하기 위해 매우 순도가 높은 플루토늄을 필요로 한다.SSR의 연료에는 랜타니드 및 액티니드 오염이 있을 수 있습니다. 임계 상태가 될 수 있는 한 말입니다.이 낮은 순도는 기존 폐기물에 대한 재처리 방법을 크게 단순화합니다.

사용되는 방법은 파이로프로세싱을 기반으로 하며 잘 알려져 있습니다.캐나다 국립 연구소가 발표한 2016년 CANDU 연료 재처리에 관한 보고서에 따르면 파이로프로세싱 비용은 기존 재처리 비용의 약 절반에 이를 것으로 추산된다.SSR의 파이로프로세싱은 기존 파이로프로세싱 단계의 3분의 1만 사용하므로 비용이 더욱 절감됩니다.그것은 잠재적으로 채굴된 우라늄에서 신선한 연료를 제조하는 비용과 경쟁할 수 있다.

SSR의 폐기물 흐름은 튜브에 고형염의 형태를 띠게 됩니다.이것은 오늘날 계획한 대로 유리화 및 10만 년 이상 지하에 저장되거나 재처리될 수 있습니다.이 경우 핵분열 생성물은 분리돼 우라늄 광석과 유사한 수준으로 붕괴하는 데 필요한 수백 년 동안 지상에 안전하게 저장될 것이다.문제가 되는 장수명 악티니드와 남은 연료는 원자로로 돌아가 연소되어 보다 안정적인 동위원소로 변환될 것이다.

기타 안정적인 염 원자로 설계

안정적인 염 원자로 기술은 매우 유연하며 여러 가지 다른 원자로 설계에 적용할 수 있다.표준 연료 어셈블리에 용융 염연료를 사용하면 전 세계 개발 대상으로 검토되는 많은 다양한 원자로의 안정 염연료가 가능하다.그러나 오늘날 초점은 저비용 원자로에서 신속한 개발과 롤아웃을 허용하는 것이다.

Moltex Energy는 위에서 설명한 고속 스펙트럼 SSR-Wasteburner의 도입에 중점을 두고 있습니다.이 결정은 주로 이 원자로의 낮은 기술적 도전과 낮은 예측 비용에 의해 추진된다.

장기적으로 볼 때 튜브 내 용융 연료 소금의 근본적인 돌파구는 다른 옵션을 열어줍니다.이것들은 실현 가능성을 확인하기 위해 개념적인 수준으로 개발되었습니다.다음과 같은 것이 있습니다.

  • 우라늄 버너(SSR-U) 이것은 저농축 우라늄을 연소하는 열 스펙트럼 원자로로, 기존 핵 비행대가 없는 국가 및 폐기물에 대한 우려에 더 적합할 수 있다.연료 어셈블리의 일부로 흑연을 사용하여 감속됩니다.
  • 토륨 증식기(SSR-Th) 이 원자로는 새로운 연료를 증식할 수 있는 냉각수 소금에 토륨을 포함한다.토륨은 천연 우라늄 매장량이 없는 국가에 에너지 안보를 제공할 수 있는 풍부한 연료원이다.

이러한 범위의 원자로 옵션과 이용 가능한 많은 양의 우라늄과 토륨의 세계적인 매장량을 가지고, 안정 소금 원자로는 수천 년 동안 지구를 연료로 만들 수 있다.

경제학

영국의 한 독립 원자력 엔지니어링 [4]회사에 의해 안정적인 소금 원자로의 자본 비용은 1,950달러/kW로 추정되었다.비교를 위해, 미국의 현대식 분쇄 석탄 발전소의 자본 비용은 3,250/kW달러이고, 대규모 원자력 발전소의 비용은 5,500/[5]kW달러이다.모듈러형 공장 기반 건설의 경우 하룻밤 사이에 이 비용을 추가로 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다.

이러한 낮은 자본 비용은 [citation needed]SSR의 더 큰 단순성과 내재적 안전성으로 인해 MWh당 44.64달러의 균등화된 전기 비용(LCOE)이 발생하며 추가적인 절감 가능성이 상당히 크다.

이 기술의 상업화 이전의 특성을 고려할 때, 자본 비용과 LCOE의 수치는 추정치이며, 개발 및 라이센스 프로세스가 완료되면 상향 조정되거나 하향 조정될 수 있습니다.

국제에너지기구는 원자력이 2040년까지 219GWhe의 시장 기회를 갖고 세계 에너지 공급에서 지속적으로 작은 역할을 할 것으로 전망했다.SSR의 경제성이 향상됨에 따라 Moltex Energy는 2040년까지 1,300 GWe 이상의 시장에 접근할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.

발전

2014년 [6]미펌프 용융염 연료의 사용에 관한 기본 특허가 부여되었으며, 이후 추가 구현 관련 특허가 출원되어 부여되었다.

SSR-W는 현재 캐나다 원자력안전위원회와 함께 벤더 설계 검토 단계[7] 1을 진행 중이다.미국과[8][9] 캐나다[10] 정부 모두 SSR 기술 요소 개발을 지원하고 있습니다.

몰텍스에너지는 2030년까지 뉴브런즈윅 에너지 솔루션 코퍼레이션 및 NB파워와 [11]체결한 합의에 따라 캐나다 포인트 레프리우 원자력발전소 현장에 안정염 원자로(폐기물 버너)를 건설할 예정이다.

인식

앞서 언급한 미국과 캐나다 정부의 개발 지원 선정과 더불어 SSR은 2020년 Tracketebel [12]분석에 의해 선도적인 SMR 기술로 확인되었으며, SSR은 90개 후보 [13]중 New Brunswick Power에 의해 추가 발전을 위한 2개의 SMR 후보 중 하나로 선정되었습니다.또한 영국 정부의 1단계 고급 모듈형 원자로 경쟁의 일부로 선정되었지만 2단계 자금 [14]지원에는 선정되지 않았다.

외부 링크

레퍼런스

  1. ^ "Moltex Energy Safer Cheaper Cleaner Nuclear Stable Salt Reactors SSR". Moltex Energy LLP. Retrieved 2017-01-25.
  2. ^ "An Introduction to the Moltex Energy Technology Portfolio" (PDF). Moltex Energy. Retrieved 15 October 2019.
  3. ^ "Gaseous Fission Products in the Stable Salt Reactor" (PDF). Moltex Energy Ltd. Archived from the original (PDF) on 2016-06-19. Retrieved 2017-01-25.
  4. ^ Brooking, Jon (2015-01-01). "Design review and hazop studies for stable salt reactor". {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  5. ^ "Moltex Energy sees UK, Canada SMR licensing as springboard to Asia". Nuclear Energy Insider. June 28, 2016. Retrieved 2017-01-25.
  6. ^ "Patent GB2508537A" (PDF). patentimages.storage.googleapis.com.
  7. ^ "Pre-Licensing Vendor Design Review". 3 February 2014.
  8. ^ "COST SSR (COMPOSITE STRUCTURAL TECHNOLOGIES FOR SSR)".
  9. ^ "Argonne to explore how digital twins may transform nuclear energy with $8 million from ARPA-E's GEMINA program".
  10. ^ "CNL & Moltex Energy partner on SMR fuel research".
  11. ^ Brian Wang (19 July 2018). "Moltex molten salt reactor being built in New Brunswick Canada". NextBigFuture.com.
  12. ^ "Comparative assessment of SMR technologies" (PDF). 2020-01-28.
  13. ^ "IDOM invests in Moltex Energy".
  14. ^ "Advanced Modular Reactor (AMR) Feasibility and Development Project".