원자로용 연료 생성의 복잡성

모든 핵분열 발전로는 우라늄과 기타 동위원소를 함유한 연료로 작동하지만, 원자로에 연료를 공급하는 것은 우라늄 광석을 가득 채운 덤프트럭을 운전해서 운전하는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 예를 들어 Oklo 천연 핵분열 원자로에서 발생한 것처럼 핵분열은 사람의 개입 없이 발생할 수 있을 만큼 충분히 간단하지만 상업용 원자로 내에서 목표는 높은 연소율(분열 속도)을 목표로 하는 핵 연쇄 반응을 생성하는 것입니다. 가능한 한 지속적으로 에너지를 방출합니다.

각기 다른 핵분열로 설계는 삽입되는 연료봉에 대해 여러 가지 가정을 합니다. 이러한 가정은 U-235와 같은 핵분열성 동위원소의 농축 비율, 개별 연료 펠렛의 밀도, 이러한 펠렛을 포함하는 연료봉 사이의 간격, 제어, 감속재 및 기타 요소와 함께 상기 연료봉의 구성에 관한 것일 수 있습니다. 등등.

결과적으로 오늘날의 경수로, 중수로, 고속 중성자로, 고온 원자로 등은 모두 고유한 연료 선호도를 갖고 있으며, 고분석 저농축(HALEU) 연료는 새로운 원자로 설계의 새로운 인기 요소입니다. 이러한 연료 레시피에 무엇이 들어가는지 살펴보겠습니다.

원료는 일반적으로 땅에서 채굴되며, 바닷물에서 우라늄을 채굴하는 것은 비교적 새로운 발전입니다. 추출 가능한 우라늄 광석이 가장 많은 국가는 호주(28%), 카자흐스탄(15%), 캐나다(9%)이며, 캐나다는 최고 등급의 우라늄 광석을 보유하고 있습니다. 일반적으로 우라늄 광산에서 나오는 생성물은 약 85%의 우라늄을 함유한 U3O8입니다. 다음 단계는 천연 우라늄을 농축해야 하는지 여부에 따라 달라지며, 이는 핵분열성 물질(U-235)의 양이 자연 발생 수준보다 증가한다는 의미입니다.

일단 연료 제조 공장에서 원래의 천연 우라늄은 육불화우라늄(UF6)이나 삼산화우라늄(UO3)의 두 가지 형태 중 하나로 존재하며, 농축이 이루어진 경우에는 전자가 됩니다. 이것이 연료 알갱이로 바뀌기 전에 이 형태를 이산화우라늄(UO2)으로 변환해야 합니다. 이러한 펠렛은 일반적으로 세라믹 연료 펠렛으로 불리는 것으로, 1980년대까지 일부 원자로에서 사용되었던 좀 더 드물게 사용된 금속 연료 유형(예: ZrU)과 대조됩니다. UO2 세라믹 펠릿의 주요 장점은 2,865°C의 높은 녹는점으로 핵분열로의 고온 환경에 적합한 특성입니다.

세라믹 연료 펠릿은 수백 MPa의 압력 하에서 생산된 후 무산소 분위기(보통 아르곤-수소) 하에서 1,750°C에서 소결됩니다. 소결된 펠릿은 최종 단계로 가공됩니다. 이를 통해 연료봉에 꼭 맞는 정확한 치수를 얻을 수 있으며, 제거된 재료는 펠릿 제조 공정의 초기 부분으로 반환됩니다. 대부분의 반응기 유형에서 이러한 펠릿은 직경과 길이 모두 약 1cm입니다.

일부 펠렛에 흥미로운 첨가물은 가돌리늄(산화물 형태)과 같은 가연성 중성자 흡수제일 수 있는데, 이는 연료 주기 초기에 중성자를 제거하기 위해 첨가되어 반응성을 감소시키고 연료 수명을 연장시킵니다. 보다 일반적으로는 이붕화지르코늄이 펠릿에 얇은 코팅 형태로 가연성 흡수제로 첨가됩니다. 이는 중국에서도 사용되는 AP1000 유형(및 파생품)을 포함하여 대부분의 미국 원자로에 사용됩니다.

연료봉 자체는 일반적으로 지르코늄 합금으로 만들어지며, 이는 높은 녹는점, 화학적 부식, 진동 및 충격에 대한 높은 저항성을 갖는 유익한 특성을 가지고 있습니다. 이 합금은 또한 본질적으로 중성자에게 투명합니다. 즉 원자로의 핵분열 연쇄 반응을 눈에 띄게 방해하지 않는다는 의미입니다. 이러한 연료봉에는 다수의 개별 세라믹 연료 알갱이가 들어 있으며, 충전 후 세척되어 최종적으로 몇 MPa의 가압된 헬륨 가스로 채워집니다. 일반적으로 펠렛 스택에 압축을 제공하는 스프링으로 채워지는 엔드 캡과 연료 펠릿 사이에 약간의 공간이 남아 있습니다.