핵 용해의 메커니즘 설명

제니 마더 제니 마더

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화요일에 발생한 강력한 폭발 이후, 일본 근로자들은 완전한 용해에 대한 우려가 심화되는 가운데 지진과 쓰나미로 피해를 입은 원자력 발전소의 통제권을 되찾기 위해 여전히 고군분투하고 있습니다.

질문이 제기됩니다. 핵 용해란 정확히 무엇입니까? 그리고 부분 붕괴란 무엇입니까?

물리학자이자 미국과학자연맹 회장인 찰스 퍼거슨(Charles Ferguson)은 “'멜트다운'이라는 용어가 횡설수설되고 있는데, 사람들은 연료가 뜨거워지면 물질이 녹아 액체가 된다고 생각하는 것 같다”고 말했다. "그러나 그 과정에는 다른 단계가 있습니다."

일본 후쿠시마 다이이치 시설의 비등경수형 원자로 노심 내부에는 수천 개의 지르코늄 금속 연료봉이 있으며 각 연료봉에는 연필 지우개 크기의 세라믹 펠렛이 쌓여 있습니다. 이 펠릿에는 이산화우라늄이 포함되어 있습니다.

정상적인 상황에서는 핵분열이라는 원자 분열 과정을 통해 생성된 열을 활용하여 에너지가 생성됩니다. 우라늄 원자가 분열하면서 열을 생산하면서 핵분열 생성물이라고 알려진 물질이 생성됩니다. 이들은 바륨, 요오드, 세슘-137과 같은 방사성 파편입니다. 작동 중인 원자로에서 물은 원자로의 가열된 노심으로 펌핑되어 끓고, 증기로 바뀌고, 터빈에 동력을 공급하여 전기를 생성합니다.

“기본적으로 각 우라늄 원자는 두 부분으로 쪼개지고 주기율표 중앙에 원소의 전체 수프를 얻게 됩니다.”라고 원자력 엔지니어이자 에너지 및 환경 연구소 소장인 아르준 마히자니(Arjun Makhijani)는 말했습니다.

원자로는 압력솥과 같습니다. 여기에는 끓는 물과 증기가 포함되어 있으며 온도가 상승함에 따라 증기가 빠져나올 수 없기 때문에 압력도 높아집니다. 냉각이 실패할 경우 연료봉을 냉각시키기 위해 물이 주입되고 압력이 형성됩니다.

이 과열된 코어는 과열과 폭발을 일으킬 수 있는 과도한 증기 축적을 방지하기 위해 물로 냉각되어야 합니다. 일본에서는 압력 밸브를 통해 증기를 방출하여 압력을 완화해 왔습니다. 그러나 일부 방사성 물질을 방출하지 않고서는 이를 수행할 수 없기 때문에 절충점이 있습니다.

원자로 용해는 원자로 노심의 극심한 가열과 충분한 냉각 부족으로 인해 발생하는 사고이며 여러 단계에서 발생합니다.

코어가 가열됨에 따라 지르코늄 금속은 증기와 반응하여 산화지르코늄이 됩니다. 이 산화 과정에서 추가 열이 방출되어 코어 내부 온도가 더욱 높아집니다. 고온으로 인해 연료봉 표면을 덮고 있는 지르코늄 코팅에 물집이 생기고 풍선이 부풀어오르게 됩니다. 시간이 지나면 그 초고온 지르코늄 금속이 녹기 시작합니다. 연료봉의 노출된 부분은 결국 액체가 되어 냉각수 속으로 가라앉아 굳어집니다. 그리고 이는 잠재적으로 재앙이 될 수 있는 사건의 시작일 뿐입니다.

퍼거슨은 “이로 인해 더 많은 냉각수의 흐름이 막히고 방해받을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그리고 그것은 악순환이 될 수 있습니다. 부분적인 용융은 냉각 채널을 응고시키고 차단할 수 있으며, 적절한 냉각이 이루어지지 않으면 더 많은 용융과 더 높은 온도로 이어질 수 있습니다.”

완전 용해는 해당 노심의 모든 연료와 용융된 물질 덩어리가 떨어져 원자로 용기 바닥에 침전되는 것을 포함합니다. 용기가 파열되면 물질이 주변의 더 큰 격리 건물로 흘러 들어갈 수 있습니다. 그 격리실은 강철과 콘크리트로 된 보호층으로 보호되어 있습니다.

퍼거슨은 "그러나 만약 그 격리 장치가 파열되면 잠재적으로 많은 물질이 환경으로 유출될 수 있다"고 말했다.

사용후 연료봉이 들어 있는 수조에서도 용해가 발생할 수 있습니다. 사용된 연료봉은 원자로에서 제거되어 방사성 물질을 냉각하고 차폐하는 사용후 연료 저장고에 담깁니다.

사용후연료 저장조가 과열되면 연료봉을 담고 냉각하는 물이 증발할 수 있습니다. 냉각수가 없으면 연료봉은 발화 및 자연 연소에 매우 취약해지며 대기 중으로 위험한 수준의 방사선을 방출합니다.