원자력 발전은 에너지 위기의 새로운 총애이다. 하지만 핵분열 원자로에 사용된 저가의 우라늄이 계속 많이 사용되기 때문에 금세기 말까지 고갈될 것으로 예상된다. 그 때, 그것은 경제적 가치가 낮은 고가의 우라늄을 사용하고 더 많은 정제소를 건설하도록 강요당할 것이며, 이로 인해 발전 비용이 증가할 것이다.
새로운 에너지가 개발되기 전에, 해결책은 여전히 고속 중성자 증식로에서 인용할 수 있습니까? 원자로), 재가공에서 얻은 239 플루토늄은 고속 중성자 원자로에 사용되어 천연 우라늄에 대한 수요를 완화한다. 또 다른 방법은 토륨으로 번식하는 것이다. 토륨은 우라늄 광산보다 풍부하기 때문에 지구에 매장된 양은 우라늄의 약 3 ~ 5 배, 그리고 더 저렴하기 때문이다. 더 중요한 것은 열 중성자 원자로에서 분리 가능한 233U 를 생산할 수 있다는 것입니다. 또 다른 장점은 경수로 설계를 더 쉽게 바꿀 수 있다는 것이다. 우라늄에 대한 수요를 줄이고, 활용도를 높이고 (50 배 정도 증가), 분리공장 설립을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원자로의 수명을 연장하고 발전 비용을 낮출 수 있다.
토륨 우라늄 핵 반응
233U, 235U, 239Pu 세 가지 균열 연료 중 235U 만이 자연적으로 존재하고 일반 경수로 (light) 에 있습니까? 물? 원자로 (LWR) 는 저농축 우라늄 (2 ~ 5%) 을 사용해야 하며, 233U 와 239Pu 는 각각 232 와 238U 에서 중성자 하나를 흡수하여 변환해야 한다. 그림 1 은 232nd 를 233U 로 변환하는 과정을 보여줍니다.
전환 과정에서 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.
이 전환의 가장 큰 장점은 토륨이 232Th 로 존재하고, 다른 동위원소는 거의 없고, 농축할 필요가 없고, 우라늄보다 추출이 간단하다는 것이다. 또 다른 특징은 토륨이 원자로 연료일 때 금속 상태로 존재하고 가공하기 쉬우며, ThO2 는 동등한 우라늄 화합물보다 더 많은 방사선량을 감당할 수 있다는 점이다. 즉, 더 큰 중성자 플럭스를 허용하여 전력 밀도를 높일 수 있다. 형성된 233U 의 η 값 (중성자 1 개당 방출되는 평균 중성자 수) 은 235U (모든 중성자 에너지 아래) 보다 크고 중성자 에너지가 40KeV 미만이면 239Pu (일정 참조) 보다 크며, 233U 는 열 중성자 더미에서 증식반응을 가장 희망하는 유일한 핵연료가 된다. 그러나 고속 중성자 원자로에서 239Pu 의 일부 성능은 233U 보다 우수합니다.
토륨 연료 사이클
토륨의 연료 사이클 (그림 2 참조) 은 다음과 같이 설명됩니다.
1. 광석 정제: 독거석은 토륨 자원 중 가장 풍부한 광물로, 보통 토륨 함량은 1 ~ 15% 입니다. 먼저 독거석을 황산이나 수산화나트륨에 녹여 침전을 걸러내고 질산에 녹인 다음 마지막으로 유기용제로 추출하여 질산을 형성한다. 그러나 Gd, Sm, Eu, Dy 등과 같이 포획 단면이 큰 희토원소와 공존하는 경우가 많기 때문에 미세 조정이 필요합니다. 그리고 주로 유기용제 추출법으로 이온 교환법으로 순순순을 채취한다. (윌리엄 셰익스피어, 유기용제, 용제, 용제, 용제, 용제, 용제, 용제)
2. 가재: 보통 TH (NO3) 4 4H2O 를 원료로 농축 우라늄, 239Pu 또는 233U 를 1 차 분해가능 원료로 넣어 체인형 반응을 유지한다.
3. 연료 요소 제조: 공급을 원하는 화합물 (예: ThO2 또는 ThC2) 으로 변환한 다음 ThO2-UO2 또는 ThC2-UC2 의 연료 코어 또는 연료봉을 혼합한 다음 적절한 외장 (예: 지르코늄 합금 -2 또는 알루미늄 합금) 에 넣어 연료 구성요소를 조립합니다.
4. 원자로 내 방사선 조사: 필요한 실험과 검사를 거친 후 부품을 난로 코어에 넣어 조사를 하고, 분열가능한 물질이 연소되는 과정에서 여분의 중성자를 이용하여 토륨을 233U 로 변환하고, 충분한 조사 후 연료를 제거하고 냉각시킵니다.
5. 냉각: 원자로에서 핵연료 요소의 복무기간은 보통 3 ~ 4 년 정도 있다가 제거된다. 핵분열 생성물의 높은 방사성으로 인해 핵분열 생성물의 반감기가 짧은 방사성 핵종의 붕괴를 허용하기 위해 3 ~ 4 개월 동안 수영장에 일시적으로 배치 된 다음 고체 차폐가있는 강철 통에 넣고 연료 매립 공장으로 운반됩니다. 비록 그것들이 냉각되었지만, 사후 처리 과정에서 이러한 조사 연료는 여전히 무거운 원소에 의해 차폐되어야 한다.
6. 방사능 연료 운송: 사용 된 핵연료를 운송하는 강철 통은 잘 설계된 용기로, 반드시 국가 원자력 법규의 각종 테스트를 준수해야 하며, 조사 연료가 운송 과정에서 오염된 환경을 유출하는 것을 방지해야 한다.
재처리: 처리 방법은 우라늄 연료와 유사합니다. 연료봉은 먼저 기계로 절단한 다음 농축 질산으로 용해한다. 금속은 질산에서' 타성' 이기 때문에 소량의 HF 를 넣어 쉽게 용해해야 한다. 그러나 플루토늄이온은 우라늄, 텅스텐과 잘못된 화합물을 형성하기 쉬우며 추출 효과에 영향을 주어 강한 부식 문제를 일으킨다. 용액은 질산 알루미늄이 될 수 있는데, 이는 브롬을 질산 우라늄과 질산 세라미드와 완전히 결합시킬 수 있기 때문이다. 용해한 후 질산염 용액을 증류하여 모든 유리산이 제거되고 약간 과다하게 될 때까지 한다. 질산알루미늄을 넣고 이 용액을 추출 설비로 옮기고, 탄화수소에 용해된 인산 트리 부틸 (TBP) 묽은 용액으로 역류추출해 토륨과 우라늄을 동시에 추출한다.
마지막으로, 토륨과 우라늄 -233 을 분리하고 묽은 질산 용액으로 토륨을 선택적으로 추출하고 수용액은 TBP 로 씻은 다음 소량의 우라늄을 추출합니다. 질산 브롬의 수용액은 초산염 침전과 결정화를 통해 처리한다. 전체 프로세스를 Thorex 메서드라고 합니다 (그림 3 참조).
8. 폐기물 처리: 쉽게 분해되는 연료의 경제적 가치가 높기 때문에 재가공공장을 통해 회수해야 발전 비용을 절감하고 자원 낭비를 피할 수 있다. 하지만 재가공된 폐액에는 핵분열 과정에서 남겨진 핵분열 산물이 함유되어 있으며, 일부 방사능은 수백만 퀴리에 달하며 반감기 수만 년, 심지어 수억 년 동안 신중하게 처리해야 한다. 이 중 B, I, Xe, Kr, Ru 등 휘발성 핵분열 생성물은 활성탄에 의해 무해할 때까지 반복적으로 흡착되어 흡착탑에서 배출될 수 있다. 남은 방사성 폐기물은 일정 기간 동안 저장해 두어 방사능이 자연적으로 감쇠되도록 한 다음 농축하여 통에 저장해야 한다. (윌리엄 셰익스피어, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물, 방사성 폐기물) 그러나 137Cs, 90Sr 등 반감기가 긴 핵종이 여전히 함유되어 있고 폐액의 열과 부식성의 영향을 받아 재질 강도가 떨어지므로 다시 경화처리를 해야 합니다. 경화 폐기물은 다음과 같은 장점이 있습니다.
(1) 방사성 씨앗은 유동성이 없고 기계적 강도가 높은 고체 (씨앗의 침출률이 낮음) 로 굳어 저장 용기의 부식률을 낮추고 방사성 씨앗이 주변 환경에서 빠져나가는 것을 방지합니다. 즉, 방사성 씨앗을 밀봉하여 빠져나가는 것을 막을 수 있습니다.
(2) 저장에 필요한 공간의 볼륨을 줄일 수 있습니다.
(3) 안정성이 좋습니다.
(4) 고온 저장이 가능합니다.
(5) 안전성을 높이고, 조작하기 쉽고, 운송, 취급 및 폐기물을 격리 장소로 운송하기 쉽다.
(6) 액체 저장처럼 엄격하게 저장하고 감시할 필요가 없다.
그중 가장 중요한 방법은 유리 경화다. 유리의 용해도와 성분 침출률이 매우 낮고 볼륨 감소 계수가 상당히 크기 때문에, 정해진 유리 제조 기술을 이용하여 고방사성 폐액을 유리화하고 방사성 씨앗을 유리에 고정시킨다. 반면 설비가 복잡하고 처리 비용이 높으며 고온 (900 ~1200 C) 처리에 필요한 장비 재료와 방사성 종자 휘발 문제는 해결되지 않았다.
따라서 두 가지 완전한 처분 방법이 있다는 지적도 있다. 하나는 매우 높은 방사성 폐기물을 로켓에 실어 우주에 던지는 것이다. 또는 고전력 고밀도 중성자원, 고에너지 양성자 가속기 또는 핵융합 원자로를 사용하여 반감기 핵종 (90Sr, 137Co, 85Kr, 99Tc, 129I 등) 을 개조할 수 있습니다. ) 핵분열 생성물에서 중성자에 의해 짧은 반감기, 매우 긴 반감기 또는 안정된 핵종으로 조사된다. 전자는 지금 종이 담병일 뿐, 기술은 아직 공략해야 하고, 실용적 전망은 없고, 우주 쓰레기도 초래할 수 있고, 무책임한 행위이기도 하다. 후자는 단지 심사 단계일 뿐, 아직도 많은 기술적 경제적 어려움이 해결되어야 하지만, 이 방법은 치료 원칙에 더 부합하고 안전성이 더 높다.
방사성 폐기물의 처리는 자연의 생태적 균형뿐만 아니라 원자력의 평화적 이용에도 영향을 미치기 때문에 실제로 원자력 업계의 핵심 문제이며 원자력 연구에 종사하는 학자와 전문가의 협력이 필요하다.
토륨, 우라늄 및 가돌리늄 연료 사이클
플루토늄, 우라늄, 플루토늄의 연료 순환은 각각 그림 2, 그림 4, 그림 5 를 참조하십시오.
우라늄과 플루토늄 순환에 비해 토륨 순환은 다음과 같은 장점이 있습니다.
첫째, 큰 η 값 (η =? 2.287), 번식을 가능하게 한다. 게다가, 고속 중성자의 번식도 유망하다.
둘째, 높은 전환율 (전환율? 비율) 과 더 긴 연료 수명.
셋째, 연료 가격이 낮아 농축 우라늄이나 플루토늄 회수보다 싸다.
넷째, 충분한 증식연료가 원자로 내 연료의 체인형 반응을 유지하고, 다른 핵분열 연료를 추가하지 않는다.
다섯 개? 저가의 우라늄 연료는 연료 순환의 가격을 낮추는 것 외에 더 효율적으로 이용할 수 있다.
여섯째, 더 높은 방사선 복용량을 견딜 수 있어 가공하기 쉽다.
그러나 토륨 사이클에는 다음과 같은 불쾌한 단점이 있습니다.
첫째, 주요 단점은 232Th 에서 233U 로 변환하는 과정에서 232U 가 발생한다는 것입니다 (그림 6 참조). 고강도 감마선을 발사하는 2 12Bi 와 208Tl (그림 7 참조) 이 232 u 에서 안정동위원소 208Pb 로 다시 쇠퇴하는 과정에서 232U 와 228Th 가 발생하고 재처리 과정에서 232U 와 228Th 가 생성되기 때문에 재처리 후 만들어진 연료 요소는 여전히 방사능이 높기 때문에
둘째, 플루토늄 연료를 처리할 때 더 강한 용제, 즉 더 진한 질산이 필요하며 불화물을 촉매제로 사용한다. 이 용제를 사용하면 추출, 폐기물 처리, 산 알칼리 조절이 더욱 복잡해진다.
셋째, 토륨 연료 용액은 여분의 산을 제거하기 위해 용액을 첨가해야 한다.
(4) 추출 과정에서 3 상 균형이 형성되어 같은 설비의 우라늄 연료 용액 (유기상과 무기상만) 보다 추출 속도가 느리다.
토륨 연료 증식 원자로
I. 공랭식 급속 증식 원자로
공기, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아, 수증기 등과 같은 가스 냉각수는 열 전달 성능면에서 물과 액체 금속만큼 좋지 않지만 복사와 열 안정성이 좋고 운송이 쉽고 위험성이 낮은 특성도 냉각수로 사용할 수 있다. 압력 용기의 두꺼운 벽 설계를 사용하여 작동 압력을 높이거나 세라믹 핵연료를 사용하고 작동 온도를 높이면 가스 냉각수의 열 전달 성능을 향상시킬 수 있습니다.
그림 8 은 일반적인 고온 공기 냉각 원자로의 컨테이너 구조를 보여줍니다. 그 코어는 보통 고농도의 우라늄 토륨 (235U-232Th-233U) 을 핵연료로 사용하고 233U 를 회수한다. 원자로 초기에는 원자로의 농축 우라늄 -235 가 93% 에 달하고 나머지는 탄화물이나 산화물의 형태로 232Th 가 존재했다. 미래의 핵연료순환에서는 사용한 235U 대신 233U 를 사용할 수 있다. 우라늄과 토륨 연료의 표면은 일반적으로 열분해 탄소 물질로 코팅되어 있으며 연료 표면과 결합하여 연료의 가스 분열 생성물을 보존합니다. 우라늄 -235 의 연료 입자 표면은 탄화 규소 층으로 덮여 금속 핵분열 생성물을 핵분열 가능한 핵연료에 동시에 보관하여 사후 핵연료 후 처리 과정에서 핵분열과 임신 핵연료를 식별하기 쉽도록 한다.
가스를 냉각수로 사용하는 빠른 성장로는 액체금속의 빠른 성장원자로 (LMFBR) 만큼 매력적이다. 전자는 후자에 비해 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
(1) 가스 냉각수의 헬륨은 타성이며 공기와 물과 반응하지 않으므로 추가적인 중간 열 교환기를 설치할 필요가 없습니다.
(2) 헬륨과 중성자의 상호 작용은 액체나트륨보다 작기 때문에 필요한 과잉반응률이 낮고 증식효과가 좋아 증배 시간을 단축시킬 수 있다.
(3) 헬륨의 방사능 오염은 적고 나트륨처럼 높은 유도 방사능이 있어 유지 관리가 쉽고 안전성이 높다.
(4) 액체나트륨은 온도가 너무 높아서 끓고 거품이 생겨 연료 요소가 과열되거나 연소되고 헬륨은 거품이 생기지 않기 때문에 이런 사고는 발생하지 않는다.
(5) 공랭형에는 종종 완화기가 장착되어 있어 플루토늄의 활용도를 크게 높인다. 그러나 GCFBR 의 단점은 기체의 열전도도가 낮고 열 전달 성능이 떨어지는 것이다. 따라서 열 전달 효율을 높이기 위해서는 고온 고압에서 조작해야 하며 컨테이너에 대한 압력이 비교적 크다. 동시에 원자로가 예기치 않게 원자로를 멈추면 액체 나트륨처럼 자연 대류를 통해 스스로 냉각할 수 없고 기계적 수단을 통해 기체 냉각수를 완전히 냉각해야 한다. -응?
둘째, 용융 염 원자로 (MSR)
용융 염 증식 원자로는 원자력 항공기를 위해 처음 개발된 용융 염 원자로 (MSRE) 실험에서 진화한 것이다. MSRE 가 사용하는 용융 염은 우라늄, 리튬 -7, 베릴륨, 지르코니아의 혼합물 일 뿐이지 토륨은 포함되어 있지 않습니다. 그러나 과학기술의 진보와 실험의 증명으로 232Th 와 233U 를 함유한 녹염을 핵연료로 사용하면 증식연료 233U 를 핵분열 핵연료로 전환시키는 증식 원리를 이용하여 238U 와 239Pu 의 조합보다 가장 큰 경제적 사용 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
용융 핵연료는 액체이기 때문에 원자로에서 직접 사용할 수 있고, 다른 공장에서 연료 부품을 제조하거나, 연료 부품을 교체하고 재처리할 필요가 없기 때문에 핵연료를 제조하고 회수하는 비용을 낮출 수 있다. 용융 염은 중성자 성능이 뛰어나 고온과 저압에서 작동할 수 있어 열효율이 높고 운영 비용이 낮습니다. 용융 염 증식 원자로는 우라늄 -233, 우라늄 -235 또는 플루토늄 -239 를 사용하여 가동할 수 있으므로 가장 저렴한 핵연료 조합을 사용하여 가장 경제적인 전력을 얻을 수 있다.
용융 염 더미에 사용된 용융 염 핵연료는 불소화 리튬, 불소화 플루토늄, 테플론, 테플론 우라늄의 혼합물이다. UF4 와 ThF4 에서 LiF, BeF2 등의 금속불화물을 희석제로 혼합하면 핵용융 염의 화학, 금속 및 물리적 성능을 높이고 향상시키는 동시에 용융 염의 열 전달 성능을 증가시켜 열을 다른 냉각수에 전달하는 데 도움이 된다. 핵 용융 염은 더 이상 물이나 공기에 반응하지 않고 방사능에 의해 파괴되지 않고 안전이 좋기 때문에 좋은 액체 핵연료가 된다.
그림 9 는 전형적인 용융 염 증식 원자로 발전소를 보여준다. 코어의 중심 부분에서 흑연봉 사이에 약13V% (볼륨 백분율) 의 용융 염을 코어 장치 부분으로 공급하고 약 37V%% 의 용융 염이 코어 주위에 껍데기로 모여 흑연의 지연 능력이 해당 부분에서 상대적으로 낮아져 토륨 -232 가 증가합니다
또한 용융 염 증식 원자로가 핵분열 핵연료를 증식시킬 수 있도록 용융 염에서 핵분열 반응으로 인한 중성자 흡수제는 과도한 중성자의 손실을 피하기 위해 끊임없이 제거해야 한다. 핵분열 생성물에서 중성자를 흡수할 수 있는 주요 물질은 크세논 (Xe) 과 희토원소 네오디뮴 (nd), 유로퓸 (Eu), 에르븀 (Zr) 등이다. 토륨 -232 가 중성자 반응과 토륨 -233 을 형성하면 프라세오디뮴 (233Pa) 으로 전환 될 수 있으며 프라세오디뮴은 또한 중성자를 흡수하는 주요 원소이며 3-5 일 사이클에서 용융 염에서 제거되어야한다. 헬륨가스와 분열산물의 일부 금속은 헬륨가스 세탁을 통해 제거할 수 있고, 제거할 수 없는 기체산물은 화학처리장치를 통해 제거되고, 우라늄 -233 은 임신 핵연료를 회수하고 보충한 후 원자로에 들어가 순환시스템을 형성한다.
대만성의 토륨 잠재력
대만성 자체는 천연자원이 부족하다. 소량의 석탄과 천연가스를 제외하고는 거의 모두 수입에너지에 의존하고 있으며, 발전비용이 가장 낮은 원자력도 예외는 아니다. 원자력 연구소에 따르면 대만성은 자이 타이난 근해에서 약 55 만 톤의 중사가 있는데, 그중에는 토륨 독거석 약 3 만 톤, 우라늄 독거석 4000 톤이 포함되어 있다. 따라서 양식로의 발전을 고려해 자신의 에너지 수요를 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 집중할 필요도 없고, 또한 자산자원이기 때문에 생산량은 스스로 통제할 수 있으며, 국제정치와 시장 공급에 의해 제한을 덜 받을 수 있다.
최근 몇 년 동안 대만성은 원자력 산업 방면에서 많은 경험과 기술을 축적하여 많은 인재를 양성하였으며, 원자력 발전도 상당히 우수하였다. 따라서 우리는 광석 정제, 추출, 핵연료 제조와 같은 자체 원자력 산업의 건립을 가속화하고, 학계와 공업계를 결합해야 한다. 한편으로는 외국의 최신 발전 동향을 주목해야 하며, 미래에는 기술협력이나 전체 공장 투자를 채택하든, 더 유리한 협상 지위에 서서 우리를 위해 더 큰 이익을 쟁취할 수 있다.
라벨
이 에너지 부족 시대에 유가는 높지만 에너지에 대한 수요는 증가하고 있으며 더 크고, 깨끗하고, 안전한 경향이 있다. 따라서 미래를 내다보면 태양열과 융합로는 반드시 2 1 세기의 총아가 될 것이다. 현재 태양에너지의 응용에는 공략해야 할 공학기술도 있다. 주로 태양광의 에너지 밀도가 너무 작아 모으기가 쉽지 않다. 태양전지의 효율은 아직 높지 않고 가격도 너무 비싸다. 하지만 이 설비를 지구 궤도 대기권 밖에 두면 흡수 효과가 좋고 대기 기류의 영향을 받지 않지만, 어떻게 이 설비를 궤도에 운반하고 어떻게 조합할 수 있는지 우주 과학 기술의 발전도 필요하다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 그러나, 온도, 시간, 재료, 에너지 수출과 같은 융합 반응의 통제는 여전히 발전할 필요가 있다. 이론은 이미 실현 가능한 것으로 입증되었기 때문에 미국 소련 일본 서유럽도 연구에 박차를 가하고 있다. 미국과 소련처럼 비슷한 미동력 원자로도 테스트 중이다.
이 과도기에는 핵분열 원자로가 인간의 에너지 문제를 일시적으로 해결하는 데 중요한 역할을 했지만, 저가의 우라늄 광석은 끊임없이 대량 소모되고, 비경제 운행과 조작 방식은 더 성가신 핵분열 산물을 만들어 사회에 반핵 조류를 초래하는 압력을 가해 건설 프로젝트 신청의 난이도를 높였다. (윌리엄 셰익스피어, 핵분열, 핵분열, 핵분열, 핵분열, 핵분열, 핵분열, 핵분열, 핵분열) 따라서 20 세기 말에 사람들은 에너지 수요의 증가를 충족시키고 융합로의 발전 기술을 확장하기 위해 육종로를 개발해야 했습니다. 따라서 용광로의 발전을 가속화하고 핵무기의 비확산을 제한하는 방법은 실제로 현재의 인간 핵 위기를 해결하는 임무이다.