19.7:
원자력
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원자력
제어된 핵분열 반응은 전기를 생성하는 데 사용됩니다. 중성자와의 폭격으로 우라늄이나 플루토늄의 핵을 통해 전력을 생산하는 모든 원자로에는 핵분열성 물질로 구성된 핵연료, 핵 중재자, 중성자 소스, 제어 봉, 원자로 냉각수, 방패 및 봉쇄 시스템 등 6가지 구성 요소가 있습니다.
원자력 연료
핵연료는 우라늄-235와 같은 핵분열 동위원소로 구성되어 있으며, 이는 자립연쇄 반응을 제공하기에 충분한 양으로 존재해야 한다. 대부분의 가압 수로에서 각 연료 조립은 많은 골무 크기의 세라믹 으로 둘러싸인 농축 우라늄 (일반적으로 UO2)연료 펠릿을 포함하는 연료 봉으로 구성됩니다. 현대 원자로에는 1,000만 개의 연료 펠릿이 포함될 수 있습니다.
우라늄-235는 평균적으로 핵분열당 중성자 1개 이상을 생산하기 때문에 유용한 연료이지만, 자연풍부도는 무게기준으로 약 0.7%입니다. 대부분의 원자로는 연료를 최소 3~5% 우라늄-235로 농축해야 합니다.
핵 중재자
핵 반응에 의해 생성 된 중성자는 U-235 핵을 안정적으로 유발하기에는 너무 빨리 움직입니다. 그들은 먼저 연료에 흡수되고 추가 핵 반응을 생성하기 위해 느려져야합니다. 핵 중재자는 중성자를 핵분열의 원인이 될 만큼 낮은 속도로 늦추는 물질입니다. 초기 반응기는 고순도 흑연을 중재자로 사용했습니다. 현대 식 원자로는 일반적으로 중수 또는 경수를 중재자로 사용합니다.
중성자는 수소 핵과 비슷한 크기를 가지고 있기 때문에 물 분자의 수소 원자에 부딪쳤을 때 상당한 양의 운동 에너지를 잃게됩니다. 중수소는 이미 중성자를 가지고 있으며 수소-1이 때때로 하는 방식으로 다른 중성자를 흡수할 가능성은 낮기 때문에 중수가 더 나은 중재자입니다. 물과 흑연과 같은 중재자는 또한 중성자 반사판으로 작용하여 중성자를 핵에 균일하게 분배합니다.
중성자 소스
우라늄-238과 우라늄-235 핵분열이 자발적으로 발생하지만, 이 과정은 예측할 수 없으며, 이러한 본질적인 원천은 중성자를 거의 생성하지 않습니다. 따라서, 반응기는 핵분열 연쇄 반응을 개시하기 위하여 중성자 방출기를 요구한다. beryllium-9와 같은 중성자 소스는 아메리슘-249 또는 플루토늄-239와 같은 알파 방출기와 결합되어 연쇄 반응의 개시를 위해 중성자를 생산하기 위해 반응에 설치된다.
제어 막대
반응기의 전력 수준은 중성자 곱셈 인자에 의해 설명되며, k로표시된다. 이는 이전 세대의 핵분열에 의해 생성된 중성자의 수에 한 세대에서 핵분열에 의해 생성된 중성자 수의 비율이다.
k가 1 미만일 때, 반응기는 극치이며 에너지 출력이 감소하고 있습니다. k가 1과 같을 때, 반응기는 중요하며 에너지 출력은 안정적입니다. 그리고 k가 1보다 크면 반응기는 매우 중요하며 에너지 출력이 증가하고 있습니다.
원자로는 제어 봉을 사용하여 체인 반응의 속도를 안전한 수준으로 유지하기 위해 존재하는 느린 중성자 수를 조정하여 핵 연료의 핵분열 속도를 제어합니다. 제어 봉은 붕소, 카드뮴, 하프늄 또는 중성자를 흡수 할 수있는 다른 요소로 만들어집니다.
제어 로드 어셈블리가 반응기 코어의 연료 요소에 삽입될 때, 느린 중성자의 더 큰 부분을 흡수하여 핵분열 반응의 속도를 늦추고 생성된 전력을 감소시합니다. 반대로, 제어 봉이 제거되면 중성자가 적게 흡수되고 핵분열 속도와 에너지 생산이 증가합니다. 비상 사태에서 모든 제어 봉을 연료 봉 사이의 핵 코어에 완전히 삽입하여 연쇄 반응을 종료할 수 있습니다.
반응기 냉각제
가압 된 수로에서, 반응기 냉각제는 외부 보일러 및 터빈에 핵 분열 반응에 의해 생성 된 열을 운반하는 데 사용되며, 여기서 전기로 변환됩니다. 두 개의 열 교환 냉각수 루프는 종종 증기 터빈 및 냉각 탑에 오염 된 냉각수의 전송을 방지하기 위해 사용됩니다. 가장 일반적으로 물은 냉각수로 사용됩니다. 특수 반응기의 다른 냉각제에는 용융 나트륨, 납, 납 비스무트 혼합물 또는 용융 염이 포함됩니다. 대형 하이퍼볼로이드 냉각탑은 이차 냉각 회로에서 증기를 응축시키고 종종 실제 반응기와 는 거리가 멀다.
방패 및 봉쇄 시스템
가압 된 수로에는 일반적으로 3-20 cm 두께의 강철 쉘로 구성된 봉쇄 시스템 (또는 방패)이 장착되어 있습니다. 쉘 내의 중재자는 반응기에서 생성되는 중성자 방사선의 상당 부분을 흡수한다. (ii) 광선과 엑스레이를 γ 흡수하는 고밀도 콘크리트 의 1-3 미터의 메인 쉴드; (iii) (i) 및 (ii)의 차폐 공정으로부터 사고 방사선을 흡수하는 추가 차폐. 또한 가압 된 수로는 종종 원자로 사고로 방출 될 수있는 방사성 물질을 포함하도록 설계된 강철 또는 콘크리트 돔으로 덮여 있습니다.