고속 중성자로

3. 단점

경수로의 단점은 고속로의 연구 개발을 촉진하는 요인이 되었다.^[3]

경수로의 단점은 다음과 같다.

• 경수는 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 정제하기 쉽지만, 중성자를 흡수하여 반응에서 제거할 수 있다. 이 때문에 천연 우라늄에 포함된 농도로는 연쇄 반응을 유지하기 어렵다. 따라서 연료에 양을 농축하여 농축 우라늄을 생산해야 하며, 남은 는 열화 우라늄으로 알려져 있다.
• 열 중성자 설계에서는 중성자 흡수율이 낮은 중수나 흑연을 사용하여 천연 우라늄 연료를 사용할 수 있다. (CANDU, X-10 흑연 원자로 참조)
• 물의 끓는점이 낮아 증기 터빈 효율을 높이기 위해 고압에서 작동해야 한다. 따라서 두꺼운 강철 용기를 사용하고, 복잡한 설계와 안전 조치가 필요하다.
• 현대 가압 경수로의 물 온도는 약 350°C, 압력은 약 85 bar로, 500°C를 초과하는 석탄 화력 증기 회로에 비해 낮아 열효율이 낮다.
• 핵 원자로 정지 후에도 핵연료에서 발생하는 열을 제거해야 한다. 연료봉이 노출되면 연료가 가열되어 지르칼로이 피복재가 녹고 용융이 발생할 수 있다. (후쿠시마 원자력 사고 참조)
• 열 스펙트럼에서 우라늄과 플루토늄의 핵분열은 고속 스펙트럼에서보다 적은 수의 중성자를 생성한다.

• 지연 중성자 역할이 작아 반응도 제어가 어렵다.
• 광학 도구 사용이 불가능하여 연료 재장전이 어렵고, 로봇 도구가 필요하다.
• 원자로 전체를 고온으로 가열해야 한다.
• 건설 및 운영 비용이 비싸다.
• 나트륨은 공기 중에서 연소하고 거품이 발생하며, 누출 시 화재 위험이 있다. (USS 시울프 (SSN-575), 몬주 원자력 발전소 참조)
• 중성자 조사에 의해 생성되는 는 방사능을 띠며, '냉각' 트랩으로 제거해야 한다.
• 액체 납 또는 납-비스무스 공융 합금 설계는 활성화 문제가 있다.
• 결함 있는 고속로 설계는 양의 보이드 계수를 가질 수 있다.
• 임계 질량이 높아 농축 우라늄 농축도가 높아야 한다.

4. 원자로 디자인

4세대 원자로의 로형으로 꼽히는 고속 중성자로는 마이너 악티나이드 연소, 방사성 폐기물의 처분량 감소, 우라늄의 유효 활용 등의 이점이 있어, 2030년대 이후 실용화가 구상되고 있다. 21세기 중반 이후에 현행 경수로형 원자력 발전을 대체할 것으로 기대되며, 대체가 완료된 후에는 약 2000년에 걸쳐 우라늄 자원 걱정이 없어질 것으로 예상된다.^[36] 또한, 고속로에서 발생하는 잉여 중성자를 이용한 핵변환 기술을 개발함으로써 고준위 방사성 폐기물에 포함된 방사성 물질의 반감기를 단축시키는 것도 가능하다.^[36]

고속로는 열 중성자로와 유사하게 우라늄 및 기타 무거운 원자의 핵분열에 의해 작동하지만, 대부분의 상업용 원자로와는 달리 감속재를 사용하지 않는다. 고속 중성자에 의한 핵분열 반응이 에너지의 발생원이 되며, '''고속 중성자 원자로'''(Fast Neutron Reactor: FNR)라고도 불린다.

고속 중성자로 디자인은 냉각재, 핵연료, 제어 방식에 따라 구별된다. 제4세대 원자로의 로형으로는 나트륨 냉각 고속로, 납 냉각 고속로, 가스 냉각 고속로가 있으며, 초임계압 경수 냉각로도 고속로로 구성하는 것이 고려되고 있다.

4. 1. 냉각재

4. 2. 핵연료

4. 3. 제어

• 고속 중성자로 원자로를 가동하는 결과, 감속된 원자로와는 달리 노심의 반응도는 이러한 중성자에 의해 결정된다. 감속된 원자로에서는 지연 중성자로부터 반응도에 대한 상당한 양의 제어가 얻어지며, 이는 작업자나 컴퓨터가 반응도를 조정할 시간을 허용한다. 지연 중성자는 고속로에서는 거의 역할을 하지 않으므로, 고속로에서 매우 짧은 시간(예: 1초 이내) 반응도를 제어하기 위해 열팽창과 도플러 효과와 같은 다른 메커니즘이 필요하다. 더 긴 기간의 반응도는 중성자 흡수 물질로 채워진 제어봉에서 얻어진다.^[1]

5. 종류

고속 중성자에서 (Uranium-235|우라늄-235^영어)와 (Plutonium-239|플루토늄-239^영어)는 고에너지 중성자와의 포획 단면적이 낮지만, 여전히 MeV 범위까지 반응성을 유지한다. 또는 의 밀도가 충분하면, 연료 내에 고속 중성자로 연쇄 반응을 유지하기에 충분한 핵분열성 원자가 존재하게 되는 임계점에 도달한다. 고속 스펙트럼에서 (Uranium-238|우라늄-238^영어)가 고속 중성자를 포획하면, 약 11%의 확률로 핵분열을 일으키며, 나머지는 "방사성"으로 작용하여 로의 붕괴 연쇄를 일으킨다.^[7]

원자로가 고속 중성자로 작동할 때, 동위원소는 열 중성자를 포획할 때의 핵분열 확률 62% 대신 74%의 확률로 핵분열을 일으킬 가능성이 높다. (Plutonium-240|플루토늄-240^영어) 원자가 고속 중성자를 흡수할 때 핵분열할 확률은 70%인 반면, 열 중성자의 경우 20% 미만이다. 고속 중성자는 우라늄과 플루토늄에 포획될 확률이 더 작지만, 포획되면 핵분열을 일으킬 확률이 상당히 높다. 따라서, 사용후 고속 원자로 연료의 재고에는 우라늄과 플루토늄을 제외하고는 사실상 악티늄족이 존재하지 않으며, 이는 효과적으로 재활용될 수 있다. 노심에 20% 질량의 원자로급 플루토늄이 초기 장전되더라도, 고속 스펙트럼 중성자는 이들을 상당한 속도로 핵분열시킬 수 있다. 약 24개월의 연료 사이클이 끝나면, 이러한 비율은 의 증가로 80% 이상으로 바뀌고, 다른 모든 플루토늄 동위원소는 비례적으로 감소한다.^[7]

감속재를 제거함으로써 원자로 노심 부피를 크게 줄일 수 있으며, 어느 정도 복잡성을 줄일 수 있다. 와 특히 는 고속 중성자를 포획할 때 핵분열할 가능성이 훨씬 높으므로, 플루토늄과 천연 우라늄 혼합물 또는 약 20% 를 함유한 농축 물질로 이러한 원자로에 연료를 공급하는 것이 가능하다. 다양한 시설에서 (Uranium-233|우라늄-233^영어)와 (Thorium-232|토륨-232^영어)를 사용한 시험 운전도 수행되었다. 천연 우라늄 (대부분 )은 로 전환될 것이며, 의 경우 가 생성된다. 운전 중에 새로운 연료가 생성되므로, 이 과정을 브리딩(breeding)이라고 한다.^[7]

모든 고속 원자로는 브리딩에 사용될 수 있거나, 노심의 재료를 신중하게 선택하고 블랭킷을 제거함으로써 초과 재료를 생성하지 않고 동일한 수준의 핵분열성 물질을 유지하도록 작동할 수 있다. 이것은 비옥성 물질을 핵분열성 연료로 1:1 비율로 변환하기 때문에 변환(Conversion)이라고 불리는 과정이다. 여분의 중성자를 포획하는 또는 블랭킷으로 원자로 노심을 둘러쌈으로써, 여분의 중성자는 각각 더 많은 또는 를 브리딩한다.^[7]

블랭킷 재료를 처리하여 새로운 핵분열성 물질을 추출할 수 있으며, 이는 고갈 우라늄과 혼합하여 MOX 연료를 생산하거나, 가볍게 농축된 우라늄 연료와 혼합하여 REMIX 연료를 생산할 수 있으며, 두 가지 모두 기존의 저속 중성자 원자로에 사용된다. 또는 고속 원자로 노심의 경우 17%-19.75%의 핵분열성 연료로 더 큰 비율로 혼합될 수 있다. 단일 고속 원자로는 자체 연료를 무기한으로 공급할 수 있으며 여러 열 원자로에 공급하여 천연 우라늄에서 추출되는 에너지 양을 크게 증가시킬 수 있다. 가장 효과적인 브리더 구성은 이론적으로 소비된 악티늄족 핵 10개당 14개의 핵 (14:10)을 생성할 수 있지만, 실제 고속 원자로는 지금까지 사이클 시작 시점보다 20% 더 많은 핵분열성 물질을 가지고 연료 사이클을 종료하며 12:10의 비율을 달성했다.^[4] 채굴된 총 우라늄의 1% 미만이 열 관통형 핵연료 주기에서 소비되는 반면, 기존의 최고 고속 원자로 사이클에서는 최대 60%의 천연 우라늄이 핵분열된다.

현재의 사용후 핵연료 재고 (원자로급 플루토늄 포함)를 고려할 때, 이 사용후 연료 물질을 처리하고 악티늄족 동위원소를 다수의 고속 원자로에서 연료로 재사용하는 것이 가능하다. 이는 효과적으로 (Neptunium-237|넵투늄-237^영어), 원자로급 플루토늄, (Americium-241|아메리슘-241^영어), 그리고 (Curium-244|퀴륨-244^영어)을 소비한다. 사용후 원자로 연료 재고에는 막대한 양의 에너지가 여전히 존재하며, 고속 원자로 유형을 사용하여 이 물질을 사용한다면 해당 에너지를 유용한 목적으로 추출할 수 있다.

6. 역사

국제 원자력 파트너십(GNEP)에 의한 개발이 2006년에 시작되었으나, 2009년에 중단되었다.^[38]

2020년대, 미국의 테라파워사와 미국 에너지부가 2028년을 목표로 와이오밍주에 고속로를 건설하고 운전을 시작할 계획을 추진하고 있다. 2022년, 일본원자력연구개발기구와 미쓰비시중공업이 고속로 건설을 위한 기술 협력 합의서를 체결했으며, 몬주 등 과거의 경험이 반영될 전망이다.

7. 한국의 고속로 개발

2020년대, 미국의 테라파워사와 미국 에너지부는 2028년을 목표로 와이오밍주에 고속로를 건설하고 운전을 시작할 계획을 추진하고 있다. 2022년, 일본원자력연구개발기구와 미쓰비시중공업은 고속로 건설을 위한 기술 협력 합의서를 체결했으며, 몬주 등 과거의 경험이 반영될 전망이다.

참조

_[1] 웹사이트 Fast-neutron reactors, Fast nuclear reactors https://www.iaea.org[...] IAEA 2016-04-13
_[2] 웹사이트 What is Neutron - Neutron Definition http://www.nuclear-p[...] 2017-09-19
_[3] 웹사이트 Difference Between Thermal Reactor and Fast Reactor http://www.differenc[...] Difference.minaprem.com 2019-10-14
_[4] 웹사이트 Conversion Factor - Breeding Ratio https://www.nuclear-[...]
_[5] 문서 Smarter use of Nuclear Waste http://www.nationalc[...] Scientific American 2005-12
_[6] 웹사이트 Fast Neutron Reactors | FBR - World Nuclear Association https://www.world-nu[...]
_[7] 웹사이트 How do fast breeder reactors differ from regular nuclear power plants? https://www.scientif[...] 2023-12-05
_[8] 웹사이트 Fast Neutron Reactors {{!}} FBR - World Nuclear Association https://world-nuclea[...] 2023-12-05
_[9] 웹사이트 Moltex Energy {{!}} Safer Cheaper Cleaner Nuclear {{!}} Stable Salt Reactors {{!}} SSR http://www.moltexene[...] 2016-10-20
_[10] 간행물 Gas-Cooled Fast Reactor: A Historical Overview and Future Outlook
_[11] 웹사이트 Will heavy nitrogen become a widely used fission reactor coolant? - Atomic Insights https://atomicinsigh[...] 2020-11-17
_[12] 웹사이트 Beloyarsk BN-800 fast reactor running on MOX : Uranium & Fuel - World Nuclear News https://www.world-nu[...]
_[13] URL https://www.nuclear-[...] 2024-08
_[14] 웹사이트 What is a fast reactor? https://whatisnuclea[...]
_[15] 간행물 Analysis of the Molten Salt Fast Reactor using reduced-order models 2021
_[16] Youtube The Integral Fast Reactor https://www.youtube.[...] 2014-06-17
_[17] 간행물 Design and assessment of a molten chloride fast reactor 2021
_[18] 웹사이트 Fukushima Daiichi Accident - World Nuclear Association https://world-nuclea[...]
_[19] PDF https://factsheets.i[...] 2022-03
_[20] 웹사이트 Process Banned by President Carter Could Solve U.S. Nuclear Waste Problem https://oilprice.com[...]
_[21] 간행물 Fast Breeder Reactors in France https://doi.org/10.1[...] 2009-06-26
_[22] 웹사이트 Fast Reactor Knowledge Preservation System: Taxonomy and Basic Requirements http://www-pub.iaea.[...]
_[23] 웹사이트 Home - Generation IV Systems https://www.gen-4.or[...]
_[24] 웹사이트 Parameters https://www.niiar.ru[...] 2024-09-14
_[25] 웹사이트 China 's first Experimental Fast Reactor (CEFR) Put into Operation in 2009 – Zoom China Energy Intelligence-New site https://web.archive.[...] 2008-06-01
_[26] 문서 Endeavor to improve in-pile testing techniques in the experimental fast reactor Joyo http://www.iaea.org/[...] 2013
_[27] 웹사이트 Pilot fuel elements produced for MBIR fast neutron research reactor https://www.world-nu[...]
_[28] 웹사이트 Russia starts building lead-cooled fast reactor : New Nuclear - World Nuclear News https://world-nuclea[...]
_[29] 웹사이트 Russia progresses with BN-1200M sodium-cooled fast reactor development https://www.neimagaz[...] 2024-05-21
_[30] 웹사이트 "***지속가능원자력시스템***" http://ehome.kaeri.r[...]
_[31] 웹사이트 Southern Company partnering with Bill Gates backed Terrapower on molten chloride fast reactor https://www.nextbigf[...] 2018-08-24
_[32] 웹사이트 Technology https://web.archive.[...] 2019-07-30
_[33] 웹사이트 Generation IV & SMR https://www.ansaldoe[...]
_[34] 웹사이트 Overview of Indian Fast Breeder Nuclear Reactor Programme - Nuclear Power - Nuclear Reactor https://www.scribd.c[...]
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_[36] 웹사이트 長寿命核分裂生成物の半減時間を9年以下に短縮 https://www.titech.a[...] 東京工業大学 2020-01-14
_[37] 뉴스 高速炉：実証炉の研究開発で日米仏合意 http://mainichi.jp/s[...] 毎日新聞 2008-02-01
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