진행파 원자로

Traveling wave reactor
TWR 수치 시뮬레이션빨간색: 우라늄-238, 연두색: 플루토늄-239, 검은색: 핵분열 생성물.타일 사이의 파란색 강도는 중성자 밀도를 나타낸다.

진행파 원자로(TWR)는 핵분열성 물질의 연소와 함께 핵변환을 통해 비옥한 물질을 사용 가능한 연료로 전환할 수 있는 제안된 유형의 핵분열 원자로이다.TWR은 우라늄 농축이나 재처리 [dubious – discuss]없이 연료를 효율적으로 사용할 수 있다는 점에서 다른 종류의 고속 중성자 및 증식로와는 다르다. 대신 열화 우라늄, 천연 우라늄, 토륨, 경수로에서 제거된 사용후 연료 또는 이러한 물질의 조합을 직접 사용한다.개념은 아직 개발 단계에 있으며 TWR은 구축되지 않았습니다.

핵분열은 시간이 지남에 따라 서서히 진행되는 노심 경계 구역에 국한되어 있다는 것을 의미한다.TWR은 이론적으로 연료를 재급유하거나 사용후 연료를 제거하지 않고도 수십년간 자급자족할 수 있다.

역사

진행파 원자로는 1950년대에 처음 제안되었고 간헐적으로 연구되어 왔다.원자로 노심 내부에서 자체 연료를 생산할 수 있는 원자로의 개념은 1958년 사벨리 모이세비치 파인버그에 의해 처음 제안되고 연구되었으며, 그는 그것을 "증식 및 연소"[1] 원자로라고 불렀다.마이클 드리스콜은 1979년에 [2]이 개념에 대한 추가 연구를 발표했고,[3] 1988년에는 Lev Feoktistov, [4]1995년에는 Edward Teller/Lowell Wood, 2000년에는[5] Hugo van Dam, [6]2001년에는 Hiroshi Sekimoto도 발표했다.

TWR은 2004년, 2006년 및 2010년 일본에서 열린 혁신 원자력 시스템(INES) 심포지엄에서 논의되었으며, 이 심포지엄은 중성자속, 핵종 밀도 및 에너지 수명 [7]동안 동력 형상의 일정한 축 형상을 줄인 "CANDLE" 원자로로 불렸다.2010년 Popa-Simil은 플루토늄 연료 채널과 다중 연료 흐름에 의해[9] 강화된 깊은 연소율을 가진 TWR을 기술한 논문 "마이크로-헤테로 [8]구조에서의 플루토늄 육종 강화"에서 보다 자세한 내용을 논의했다.2012년에는 핵분열파가 쌍안정 반응 확산 [11]현상의 한 형태라는 것이[10] 밝혀졌다.또한 핵분열파는 열 [12]피드백에 따라 안정적이거나 불안정하거나 홉프 분만을 겪을 수 있는 것으로 나타났다.조사 손상은 파도 원자로에서 기존 재료의 사용에 장애가 되는 것으로 나타났으나 2012년에는 연료 농축으로 이 문제를[13] 줄일 수 있다는 것이 확인되었고,[14] 2019년에 다시 확인되었다.

TWR은 아직 건설되지 않았지만 2006년 Intelligent Ventures는 TerraPower라는 이름의 분사를 시작하여 이러한 원자로의 작동 설계를 모델링하고 상용화하였다. 이 원자로는 나중에 "주행파형 원자로"로 불리게 되었다.TerraPower는 중저전력(300 MWe) 및 고출력(1000 MWe) 발전 [15]설비를 위한 TWR 설계를 개발했습니다.빌 게이츠는 2010년 TED [16]강연에서 테라파워를 다루었습니다.

2010년 TerraPower의 한 그룹은 WO2010019199A1 "히트 파이프 핵분열 소멸 파동 원자로 냉각"에 이어 EP 2324480 A1 특허를 출원했다.그 신청은 [17]2014년에 취하된 것으로 간주되었다.

2015년 9월 TerraPower와 중국원자력공사(CNNC)는 TWR 공동 개발을 위한 양해각서를 체결하였다.TerraPower는 2018-2022년까지 600 MWe의 시범 공장인 TWR-P를 건설한 후 2020년대 [18]후반에 1150 MWe의 대규모 상용 공장을 건설할 계획이었다.그러나, 2019년 1월, 트럼프 [19]행정부에 의한 기술 이전 제한으로 프로젝트가 포기되었다고 발표되었습니다.

원자로 물리학

TerraPower의 TWR에[20][21][22] 대한 논문과 프레젠테이션은 액체 나트륨에 의해 냉각되는 풀형 원자로를 묘사하고 있다.원자로는 주로 고갈된 우라늄-238 "가연성 연료"에 의해 연료를 공급받지만, 핵분열을 시작하기 위해서는 소량의 농축 우라늄-235 또는 다른 "분열성 연료"가 필요하다.핵분열에 의해 생성된 고속 스펙트럼 중성자 중 일부는 인접한 비옥한 연료(즉, 핵반응에 의해 플루토늄으로 "증식"되는 중성자 포획에 의해 흡수된다.

처음에는 노심에는 비옥한 물질이 적재되어 있으며, 핵분열성 연료는 중앙 지역에 집중되어 있습니다.원자로 가동 후 노심 내에는 핵분열 생성물과 남은 연료가 대부분 포함된 고갈대, 번식한 연료의 핵분열이 발생하는 핵분열대, 중성자 포획에 의해 핵분열 물질이 생성되는 번식대, 반응하지 않은 비옥한 물질을 포함하는 신선대 등 4개 구역이 형성된다.에너지를 생성하는 핵분열 구역은 노심을 통해 꾸준히 진행되어 앞에 있는 비옥한 물질을 효과적으로 소비하고 사용후 연료를 남긴다.한편 핵분열에 의해 방출된 열은 용융나트륨에 의해 흡수된 후 닫힌 사이클의 수성 루프로 전달되어 증기 [21]터빈에 의해 전력이 발생한다.

연료

TWR은 소량의 농축 우라늄-235 또는 기타 핵분열성 연료만 사용하여 핵반응을 "시작"한다.나머지 연료는 천연 또는 열화 우라늄-238로 구성되며, 이 우라늄-238은 40년 이상 지속적으로 전력을 생산할 수 있으며,[22] 그 동안 원자로 용기에 밀봉된 상태로 유지된다.TWR의 높은 연료 연소율, 에너지 밀도 및 열 효율 때문에 TWR은 경수로(LWR)보다 킬로와트시당 연료를 상당히 적게 필요로 한다.TWR은 또한 대부분의 재처리를 원자로 노심 내에서 수행한다.사용후 연료는 다른 종류의 증식로에 요구되는 플루토늄의 화학적 분리 없이 단순한 "용융 정제" 후에 재활용될 수 있다.이러한 기능은 증식 [21]저항성을 향상시키면서 연료와 폐기물의 양을 크게 줄여줍니다.

열화우라늄은 원료로서 널리 이용되고 있다.현재 미국의 비축량은 약 700,000톤으로 농축 [23]과정의 부산물이다.TerraPower는 Paducah 농축 시설 비축량만 100조 달러 상당의 [22]전력에 해당하는 에너지 자원이라고 추정했다.TerraPower는 또한 TWR의 광범위한 보급으로 전세계 열화우라늄의 예상 비축량이 1천년 [24]이상 미국의 1인당 에너지 사용량에서 80%를 유지할 수 있을 것으로 추정했다.

원칙적으로 TWR은 현재 방사성 폐기물로 폐기된 LWR의 사용후 연료를 연소할 수 있다.사용후 LWR 연료는 대부분 저농축 우라늄(LEU)이며, TWR 고속 중성자 스펙트럼에서 핵분열 생성물의 중성자 흡수 단면은 LWR 열-중성자 스펙트럼에서보다 몇 배 작은 크기이다.이러한 접근방식은 실제로 핵폐기물 비축량을 전반적으로 감소시킬 수 있지만, 이 능력을 실현하기 위해서는 추가적인 기술 개발이 필요하다.

또한 TWR은 원칙적으로 자체 연료를 재사용할 수 있습니다.주어진 작동 사이클에서 연료의 20-35%만 사용할 수 없는 형태로 전환됩니다. 나머지 금속은 사용 가능한 핵분열성 물질을 구성합니다.화학적 분리 없이 새로운 드라이버 펠릿에 다시 주입하고 다시 주입하면 이 재생연료는 후속 운전 사이클에서 핵분열을 시작하는데 사용될 수 있으며, 따라서 우라늄을 모두 농축해야 할 필요성을 대체할 수 있다.

TWR 개념은 239U-Pu 사이클의 "이니시에이터"로서 플루토늄-239를 사용하여 우라늄을 연소하는 것에 한정되지 않지만,233 Th-U [25]사이클의 "이니시에이터"로서 우라늄-233을 사용하여 토륨을 연소시킬 수도 있다.

진행파 vs 정파

TerraPower의 TWR 설계에서 품종 연소 파동은 원자로의 한쪽 끝에서[26] 다른 쪽 끝으로 이동하는 것이 아니라 중앙에서 점차적으로 바깥쪽으로 이동한다.또한 핵변환을 통해 연료의 구성이 변화함에 따라 연료봉은 노심 내에서 중성자속과 시간 경과에 따른 연료 사용을 최적화하기 위해 지속적으로 재편성된다.따라서, 파동이 연료를 통해 전파되도록 하는 대신 연료 자체는 대부분 정지된 연소 파동을 통해 이동됩니다.이는 연료봉이 아래로 내려가는 연소 지역이 있는 촛불과 같은 원자로라는 개념을 대중화한 많은 언론 [27]보도와는 상반되는 것이다.그러나 TerraPower의 설계에서는 정적 코어 구성을 능동적으로 관리되는 "스탠딩 웨이브" 또는 "솔리톤"으로 대체함으로써 이동 화상 영역을 냉각하는 문제를 피할 수 있습니다.이 시나리오에서 연료봉의 재구성은 로봇 장치에 의해 원격으로 수행된다. 격납용기는 절차 중에 관련 다운타임 없이 닫힌 상태로 유지된다.

레퍼런스

  1. ^ S. M. Feinberg, "Discription Comment", 재판관.세션 B-10, ICPUAE, 유엔, 스위스 제네바(1958년)
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  3. ^ L. P. Feoktistov, "물리적으로 안전한 원자로의 개념 분석", 러시아어로 Pretprint IAE-4605/4. (1988)
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  5. ^ H. van dam, "자기안정 임계파 원자로", Proc. 제10회 신흥 원자력 시스템 국제회의(ICENS 2000)의 페이지 188, NRG, 페튼, 네덜란드(2000).
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추가 정보

외부 링크