일체형 용융염 원자로 및 액체 핵분열 원자로의 이점

Dec 29, 2023

대부분의 사람들에게 '핵분열 원자로'라는 용어는 일반 물(H2O)을 냉각수로 사용하고 느린 열 중성자를 사용하여 작동하는 일반적으로 작동되는 경수로(LWR)와 유사한 것을 떠올리지만, 어지러울 정도로 많은 다른 설계가 있습니다. 가능한. 이들 중 일부는 캐나다의 중수(D2O) 원자로(CANDU)와 같이 수십 년 동안 사용되어 왔지만 다른 일부는 이제 막 상용화를 향한 첫 걸음을 떼기 시작했습니다.

여기에는 중국의 HTR-PM과 같은 헬륨 냉각 고온 원자로뿐만 아니라 IMSR(Integral Molten Salt Reactor)이라고 불리는 Terrestrial Energy에서 개발한 비교적 흔하지 않은 유형도 포함됩니다. 이 캐나다 회사는 최근 캐나다 원자력안전위원회(CNSC)의 사전 라이센스 벤더 검토 2단계를 통과했습니다. IMSR이 흥미로운 이유는 이름에서 알 수 있듯이 냉각수와 저농축 우라늄 연료 모두에 용융염을 사용하는 동시에 LWR을 사용후 연료의 일부로 남기는 비옥한 동위원소로부터 연료를 생산한다는 점입니다.

그렇다면 오늘날 대부분의 원자로에서처럼 고체 펠릿이 아닌 유동 연료를 원하는 이유는 무엇입니까?

2020년대에 새로 허가를 받았거나 곧 허가를 받을 원자로 설계 중 다수가 미래 지향적으로 들리더라도 실제로는 모두 1960년대 이전에 어떤 형태나 형태로 개념화되었으며 많은 경우 프로토타입이 제작되었습니다. 오크리지 국립연구소(ORNL)가 항공기 원자로 실험(ARE)이 첫 번째 임계점에 도달한 1954년부터 시작하여 다수의 프로토타입을 제작한 용융염 원자로(MSR)의 경우에도 마찬가지입니다. ARE는 원자력위원회(AEC)로 이관되기 전 미 공군에 뿌리를 둔 항공기 핵추진(ANP) 프로그램의 파생물이었습니다.

거기에서 프로젝트는 ORNL에서 끝났고, 원래의 고체 연료 설계는 고온에서의 반응 안정성에 대한 우려로 인해 용융염/연료 혼합물로 변경되었으며, 이는 MSR 설계로 해결될 수 있습니다. ANP 프로그램이 취소된 후 ARE의 MSR 기술과 후속 설계는 순수 민간 프로젝트인 MSRE(용해염 원자로 실험)에 사용되었습니다.

ARE와 마찬가지로 MSRE도 구성은 다르지만 용융 연료를 사용했습니다. ARE는 염/연료 혼합물로 NaF 53.09몰%, ZrF4 40.73몰%, UF4 6.18몰%를 사용했으며, 우라늄-235를 핵분열성 물질로 사용했습니다. 중성자 감속재도 ARE의 산화베릴륨(BeO)에서 MSRE의 열분해 흑연으로 변경되었습니다.

MSRE는 ARE 염 혼합물에서 배운 교훈에 따라 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4(65 – 29.1 – 5-0.9 몰%)를 사용했습니다. 처음에는 33%(농축) 우라늄-235가 1차 냉각수/연료 혼합물에 사용되었고, 이후 증식 원자로에서 토륨에서 추출된 우라늄-233을 사용하도록 전환했습니다. 토륨 염을 사용하여 자체 연료를 생산하도록 MSRE를 구성하는 것이 가능했지만 실험에서는 이를 생략하고 대신 중성자 측정을 수행했습니다. 그러나 이는 MSR의 장점 중 하나를 다루고 있습니다. MSR은 물 ​​감속형 LWR과 달리 고속 중성자 원자로가 될 수 있어 원본에서 생성된 초우라늄 및 악티늄화물을 비롯한 비옥한 동위원소에서 자체 연료를 생산할 수 있습니다. 우라늄 연료. MSR의 또 다른 장점은 냉각수의 열 안정성과 열용량이 높아 매우 높은 온도(ARE의 경우 820°C, MSRE의 경우 650°C)에서 작동할 수 있으면서도 가압 경수에서 볼 수 있는 압력이 필요하지 않다는 것입니다. 일반적으로 출구 온도가 약 300°C인 원자로(PWR).

산업 공정에서는 LWR이 제공할 수 있는 온도보다 훨씬 높은 온도가 필요한 경우가 많기 때문에 작동 온도는 궁극적으로 어떤 공정과 터빈과 호환되는지를 결정합니다. 600°C 이상의 일정한 열원을 제공할 수 있는 MSR은 이러한 응용 분야에 매우 실용적일 뿐만 아니라 증기 터빈을 통한 발전의 열 효율을 높일 수 있습니다.

MSRE의 5년 수명 동안 235U 및 233U 연료의 거동뿐만 아니라 크세논 가스(중성자 독)의 생산 및 처리, 흑연 감속재의 안정성 및 내성에 대한 중요한 정보를 제공했습니다. 사용된 소금이 노출된 모든 종류의 방사선에 노출되었습니다. 또한 Hastelloy N이라고 불리는 니켈-크롬-몰리브덴인 뜨거운 염의 부식 효과에 저항하기 위해 ORNL에서 개발된 새로운 금속 합금을 검증했습니다.