19.7: 원자력

제어된 핵분열 반응은 전기를 생성하는 데 사용됩니다. 중성자 충격으로 우라늄이나 플루토늄을 핵분열하여 전력을 생산하는 원자로는 핵분열성 물질로 구성된 핵 연료, 핵 감속재, 중성자 공급원, 제어봉, 원자로 냉각제, 차폐 및 격납 시스템 등 6가지 구성 요소로 구성됩니다.

핵연료

핵연료는 우라늄-235와 같은 핵분열성 동위원소로 구성되어 있으며, 이는 자립적인 연쇄반응을 일으키기에 충분한 양이 있어야 합니다. 대부분의 가압경수형 원자로에서 각 연료 집합체는 골무 크기의 세라믹으로 포장된 농축 우라늄(보통 UO_2) 연료 알갱이가 많이 들어 있는 연료봉으로 구성됩니다. 현대 원자로는 최대 1,000만 개의 연료 알갱이를 포함할 수 있습니다.

우라늄-235는 핵분열당 평균 1개 이상의 중성자를 생성하기 때문에 유용한 연료이지만 자연 존재비는 중량 기준 약 0.7%입니다. 대부분의 원자로는 우라늄-235 중량을 기준으로 최소 3~5% 농축된 연료를 요구합니다.

핵 중재자

핵반응으로 생성된 중성자는 U-235 핵분열을 확실하게 일으키기에는 너무 빠르게 움직입니다. 연료에 흡수되어 추가 핵반응을 일으키려면 먼저 속도를 늦춰야 합니다. 핵 감속재는 핵분열을 일으킬 수 있을 만큼 낮은 속도로 중성자를 느리게 만드는 물질입니다. 초기 원자로는 고순도 흑연을 감속재로 사용했습니다. 현대 원자로는 일반적으로 중수나 경수를 감속재로 사용합니다.

중성자는 수소핵과 크기가 비슷하기 때문에 물 분자의 수소 원자와 충돌하면 상당한 양의 운동 에너지를 잃습니다. 중수소는 이미 중성자를 갖고 있고 때로는 수소-1처럼 다른 중성자를 흡수하지 않기 때문에 중수는 더 나은 감속재입니다. 물과 흑연과 같은 감속재는 중성자 반사판 역할을 하여 핵의 중성자를 균일하게 분포시킵니다.

중성자 소스

우라늄-238과 우라늄-235는 자연적으로 핵분열하지만 그 과정은 예측할 수 없으며 이러한 고유 소스에서는 중성자가 거의 생성되지 않습니다. 따라서 원자로는 핵분열 연쇄 반응을 시작하기 위해 중성자 방출기가 필요합니다. 아메리슘-249 또는 플루토늄-239와 같은 알파 방사체와 쌍을 이루는 베릴륨-9와 같은 중성자 소스는 연쇄 반응의 시작을 위한 중성자를 생성하기 위해 원자로에 설치됩니다.

제어봉

원자로의 출력 수준은 k로 표시되는 중성자 증배 계수로 설명됩니다. 이전 세대의 핵분열로 생성된 중성자 수에 대한 한 세대의 핵분열로 생성된 중성자 수의 비율입니다.

k가 1보다 작으면 원자로는 미임계 상태이고 에너지 출력은 감소합니다. k가 1이면 원자로가 임계 상태이고 에너지 출력이 안정적입니다. k가 1보다 크면 원자로는 초임계 상태가 되어 에너지 출력이 증가합니다.

원자로는 제어봉을 사용하여 연쇄반응 속도를 안전한 수준으로 유지하기 위해 존재하는 느린 중성자의 수를 조정함으로써 핵연료의 핵분열 속도를 제어합니다. 제어봉은 붕소, 카드뮴, 하프늄 또는 중성자를 흡수할 수 있는 기타 원소로 만들어집니다.

제어봉 집합이 원자로 노심의 연료 요소에 삽입되면 느린 중성자의 더 큰 부분을 흡수하여 핵분열 반응 속도를 늦추고 생성되는 전력을 감소시킵니다. 반대로 제어봉을 제거하면 흡수되는 중성자 수가 줄어들고 핵분열 속도와 에너지 생산량이 증가합니다. 비상시에는 연료봉 사이 핵노심에 제어봉을 전부 삽입해 연쇄반응을 차단할 수 있다.

원자로 냉각제

가압경수로에서는 원자로 냉각재가 핵분열 반응으로 생성된 열을 외부 보일러와 터빈으로 운반하여 전기로 변환하는 데 사용됩니다. 오염된 냉각수가 증기 터빈과 냉각탑으로 전달되는 것을 방지하기 위해 두 개의 열교환 냉각수 루프가 종종 사용됩니다. 가장 일반적으로 물은 냉각수로 사용됩니다. 특수 원자로의 다른 냉각수에는 용융 나트륨, 납, 납-비스무트 혼합물 또는 용융 염이 포함됩니다. 대형 쌍곡선 냉각탑은 2차 냉각 회로에서 증기를 응축하며 실제 원자로에서 어느 정도 떨어진 곳에 위치하는 경우가 많습니다.

쉴드 및 격리 시스템

가압수형 원자로는 일반적으로 세 부분으로 구성된 격납 시스템(또는 차폐)을 갖추고 있습니다. (i) 두께가 3~20cm인 강철 쉘; 껍질 내의 감속재는 원자로에서 생성된 중성자 방사선의 대부분을 흡수합니다. (ii) γ선과 X선을 흡수하는 1~3미터의 고밀도 콘크리트로 된 주 차폐물; (iii) (i)와 (ii)의 차폐 과정에서 입사 방사선을 흡수하기 위한 추가 차폐. 또한 가압경수형 원자로는 원자로 사고로 인해 방출될 수 있는 방사성 물질을 담도록 설계된 강철 또는 콘크리트 돔으로 덮여 있는 경우가 많습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

핵분열은 많은 양의 열에너지를 방출하며 따라서 이 분열을 통해 증기터빈에서 전기를 생산할 수 있습니다. 핵연료는 일반적으로 핵분열당 중성자가 한 개 이상 생성되는 우라늄-235와 같은 핵분열성 핵종입니다. 열 중성자가 핵분열성 연료에서 가장 효율적으로 연쇄 반응을 시작하기 때문에 핵분열에 의해 방출되는 중성자 감속제에 의해 빠른 중성자의 속도를 늦춰야 합니다.

물은 좋은 감속재입니다. 수소 원자핵과 중성자의 크기가 유사하기 때문에 중성자가 충돌 과정에 상당한 운동 에너지를 잃게 하기 때문입니다. 중수소는 이미 중성자를 가지고 있고 다른 중성자를 흡수할 능성이 없기 때문에 중수가 훨씬 더 좋습니다.

감속재는 또한 중성자 반사체의 역할을 하여 중성자를 중심핵에 균등한 분포로 유지시킵니다. 우라늄-235 또는 238의 자발적 핵분열은 예측할 수 없기 때문에 원자로에 중성자원이 설치되어 연쇄반응의 시작을 제어합니다. 연쇄 반응의 상태는 중성자증식곁수 k에 의해 설명됩니다.

K는 한 세대에서 핵분열에 의해 생성된 중성자 수와 이전 세대의 핵분열에 의해 생성된 중성자 수의 비율입니다. k가 1보다 작으면 원자로는 임계값 이하에 놓이며 에너지 출력은 감소합니다. k가 1일 때, 원자로는 기준 상태이며 에너지 출력은 일정합니다.

k가 1보다 크면 원자로는 초임계 상태이고 에너지 출력은 증가합니다. 연쇄 반응은 붕소나 카드뮴과 같은 중성자 흡수 물질로 만들어진 제어봉으로 조절됩니다. 제어봉을 완전히 삽입하면 많은 수의 중성자를 흡수하여 원자로를 임계 이하로 유지합니다.

제어봉을 뽑으면 행분렬이 더 많이 발생할 수 있습니다. 물과 같은 냉각수는 원자로 노심에 있는 열을 흡수하여 터빈을 돌리는 증기를 생성합니다. 반응로가 가열됨에 따라 중성자는 더 빨리 이동하며 핵분열을 일으킬 가능성이 적기 때문에 과열을 피할 수 있습니다.

노심은 물과 같은 물질과 두꺼운 콘크리트 층으로 덮여 있습니다. 전체적인 노심 설계와 격납 구조는 모두 원자로의 특정 유형에 따라 달라집니다.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.