제어봉

Control rod
연료 요소 위의 가압수형 원자로를 위한 제어봉 어셈블리

제어봉은 핵연료(우라늄 또는 플루토늄)의 핵분열 속도를 제어하기 위해 원자로에서 사용된다.그 구성에는 붕소, 카드뮴, 은, 하프늄 또는 인듐과 같은 화학 원소가 포함되어 있으며, 그 자체가 부패하지 않고 많은 중성자를 흡수할 수 있다.이 원소들은 다양한 에너지의 중성자에 대해 서로 다른 중성자 포획 단면을 가진다.비등수형 원자로(BWR), 가압수형 원자로(PWR), 중수형 원자로(HWR)는 열중성자로, 증식로는 고속 중성자로 작동한다.각 원자로 설계는 중성자의 에너지 스펙트럼에 기초한 다른 제어봉 재료를 사용할 수 있다.

조작 원리

1943년 붕소 제어봉을 이용한 원자로 다이어그램

원자로의 노심에 제어봉을 삽입하여 원자로의 열출력, 증기생성속도 및 발전소의 전력출력을 제어하기 위해 조정한다.

삽입되는 제어봉의 수와 삽입되는 거리는 원자로의 반응성에 강한 영향을 미친다.(유효 중성자 증배 인자로서) 반응성이 1 이상일 경우, 핵 연쇄 반응 속도는 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가한다.반응도가 1 미만일 경우 시간이 지남에 따라 반응 속도가 기하급수적으로 감소합니다.모든 제어봉이 완전히 삽입되면 반응성이 0보다 약간 높게 유지되므로 가동 중인 원자로가 빠르게 정지하고 정지(정지)된 상태로 유지됩니다.모든 제어봉이 완전히 제거되면 반응도는 1을 크게 웃돌며, 다른 요인이 반응 속도를 늦출 때까지 원자로는 점점 더 뜨거워진다.출력을 일정하게 유지하려면 장기 평균 중성자 증배 계수를 1에 가깝게 유지해야 한다.

새로운 원자로는 제어봉이 완전히 삽입된 상태로 조립된다.제어봉은 핵 연쇄 반응이 시작되고 원하는 출력 수준으로 증가할 수 있도록 노심으로부터 부분적으로 제거된다.중성자속은 측정할 수 있으며, 반응 속도와 출력 수준에 대략 비례한다.출력을 높이기 위해 일부 컨트롤 로드를 잠시 동안 당겨야 합니다.출력을 낮추기 위해 일부 제어봉을 짧은 거리에서 잠시 누릅니다.반응성에 영향을 미치는 몇 가지 요인은 자동 제어 시스템이 일부 원자로에서 필요에 따라 소량의 제어봉을 조정한다.각 제어봉은 다른 제어봉보다 원자로 일부에 더 많은 영향을 미친다. 연료 분배에 대한 계산된 조정은 노심의 다른 부분에서 유사한 반응 속도와 온도를 유지하기 위해 이루어질 수 있다.

유럽 가압 원자로 또는 고급 CANDU 원자로와 같은 현대식 원자로의 일반적인 정지 시간은 붕괴 열에 의해 제한되는 90% 감소에 2초이다.

컨트롤 로드는 일반적으로 컨트롤 로드 어셈블리(상용 PWR 어셈블리의 경우 일반적으로 20개 로드)에 사용되며 연료 요소 내의 가이드 튜브에 삽입됩니다.제어봉은 종종 코어 안에 수직으로 서 있습니다.PWR에서는 제어봉 구동 메커니즘이 원자로 압력용기 헤드에 장착된 상태에서 위에서 삽입된다.BWR에서는 코어 위의 증기 건조기가 필요하기 때문에 이 설계에서는 제어봉을 아래에서 삽입해야 합니다.

자재

에너지 함수로서의 B(위) 및 B(아래)에 대한 흡수 단면

중성자 포획 단면이 상당히 높은 화학 원소는 은, 인듐, 카드뮴을 포함한다.다른 후보 원소로는 붕소, 코발트, 하프늄, 사마륨, 유로피움, 가돌리늄, 터비움, 디스프로슘, 홀뮴, 엘비움, 툴륨, 이터비움, 루테튬 [1]등이 있다.또한 고붕소강,[2] 은-인듐-카드뮴 합금, 탄화붕소, 지르코늄 이보라이드, 티타늄 이보라이드 하프늄, 질산가돌리늄,[3] 티타늄산 가돌리늄, 티타늄산 디스프로슘, 탄화붕소-유로늄 헥사비드 [4]복합체 등의 합금 또는 화합물을 사용할 수 있다.

재료 선택은 원자로 내 중성자 에너지, 중성자 유도 팽창에 대한 저항성 및 필요한 기계적 특성과 수명 특성에 의해 영향을 받는다.그 막대들은 중성자 흡수 펠릿이나 분말로 채워진 튜브의 형태를 가질 수 있다.튜브는 스테인리스강 또는 지르코늄, 크롬, 탄화규소 또는 입방15
 BN(질화붕소)[5]과 같은 다른 "중성자" 재료로 만들 수 있습니다.

연소성 독극물 동위원소 연소도 제어봉의 수명을 제한한다.이들은 효과를 잃기 전에 다중 중성자를 포획하는 "비연소성 독"인 하프늄과 같은 원소를 사용하거나 트리밍을 위해 중성자 흡수제를 사용하지 않음으로써 줄일 수 있다.예를 들어, 조약돌 바닥 원자로 또는 연료와 흡수제 조약돌을 사용하는 가능한 새로운 유형의 리튬-7 감속 및 냉각 원자로에서 사용된다.

몇몇 희토류 원소들은 뛰어난 중성자 흡수체이고 은보다 더 흔하다. (약 500,000t의 매장량).예를 들어, 중간 포획값으로 400배 더 많은 이터비움(약 1M톤의 매장량)과 이트륨은 Xenotime(Yb)(YbYLuerDyTmHo0.400.270.120.120.050.040.01)과 같은 광물 내에서 분리 없이 함께 발견하여 사용할 수 있다.PO4 [6]또는 keiviite(Yb)(YbLuErTm1.430.230.170.08)YDyHo0.050.030.02)2 SiO27,[7] 비용 절감.제논은 또한 기체로 강력한 중성자 흡수체이며 헬륨 냉각 원자로를 제어 및 정지시키는 데 사용될 수 있지만 압력 손실의 경우 또는 특히 노심 포집 원자로의 경우 용기 부분 주변의 아르곤과 함께 연소 보호 가스로 기능하지 않는다.핵분열로 생성된 제논은 방사능이 거의 남아 있지 않을 때 세슘이 침전될 때까지 기다렸다가 사용할 수 있다.코발트-59는 X선 생산용 코발트-60의 낙찰 흡수체로도 사용된다.컨트롤 로드는 텅스텐 리플렉터 및 흡수기 측이 1초 이내에 스프링에 의해 정지하도록 회전하는 두꺼운 회전식 로드로 구성될 수도 있습니다.

은-인듐-카드뮴 합금은 일반적으로 80 % Ag, 15 % In, 5% Cd로 [8]가압수형 원자로의 공통 제어봉 재료입니다.재료의 에너지 흡수 영역이 다소 다르기 때문에 합금은 우수한 중성자 흡수체입니다.기계적 강도가 좋고 쉽게 제작할 수 있습니다.뜨거운 [9]물에 부식되지 않도록 스테인리스강으로 포장해야 합니다.인듐은 은보다 덜 희귀하지만 더 비싸다.

붕소는 또 다른 일반적인 중성자 흡수체이다.B와 B의 단면이 다르기 때문에 동위원소 분리에 의해 B에 농축된 붕소를 함유하는 재료가 자주 사용된다.붕소는 흡수 스펙트럼이 넓어 중성자 차폐로도 적합하다.붕소의 기본적인 형태가 기계적 특성이 부적절하기 때문에 합금이나 화합물을 대신 사용해야 합니다.일반적으로 고붕소강과 탄화붕소강 중에서 선택할 수 있습니다.후자는 PWR과 BWR 모두에서 제어봉 재료로 사용됩니다.10B/11B 분리는 상업적으로 BF 위의3 가스 원심 분리기를 사용하여 수행되지만, BH를3 통해 보란 생산에서 수행되거나 에너지 최적화 용융 원심 분리기로 직접 수행될 수 있으며, 예열에 새로 분리된 붕소의 열을 사용합니다.

하프늄은 물을 중간과 냉각에 모두 사용하는 원자로의 뛰어난 성질을 가지고 있다.기계적 강도가 좋고 제작이 용이하며 뜨거운 물에 [10]부식되지 않습니다.하프늄은 인장 및 크리프 강도를 높이기 위해 주석 및 산소와, 내식성을 위해 철, 크롬 및 니오브와, 내마모성, 경도 및 기계성을 위해 몰리브덴과 합금될 수 있습니다.이러한 합금은 하팔로이, 하팔로이-M, 하팔로이-N,[11] 하팔로이-NM으로 불린다.하프늄은 높은 비용과 낮은 가용성으로 인해 민간 원자로에서 사용이 제한되지만 일부 미 해군 원자로에서는 사용이 제한된다.탄화 하프늄은 3890°C의 높은 녹는점과 이산화 우라늄보다 높은 밀도를 가진 불용성 물질로도 사용될 수 있다.

티탄산 디스프로슘은 가압수 제어봉에 대한 평가를 받고 있었다.티탄산 디스프로슘은 녹는점이 훨씬 높고, 피복재와 반응하지 않으며, 생산하기 쉬우며, 방사성 폐기물을 생성하지 않으며, 팽창하지 않으며, 가스가 배출되지 않기 때문에 Ag-In-Cd 합금의 유망한 대체물이다.러시아에서 개발되었으며 일부에서는 VVER [12]및 RBMK 원자로에 권장하고 있다.단점은 티타늄과 산화물 흡수가 적고, 다른 중성자 흡수 원소가 이미 높은 녹는점 피복재와 반응하지 않으며, 크롬, SiC 또는 c11B15N 튜브 내의 Keiviit Yb와 같은 광물 내부의 디스프로슘과 분리되지 않은 함량을 사용하는 것만으로도 팽창 없이 우수한 가격과 흡수를 제공한다는 것이다.nd 배기량 초과.

이붕화 하프늄도 그러한 물질이다.단독으로 사용하거나 하프늄과 탄화붕소 [13]분말의 소결 혼합물에 사용할 수 있습니다.

희토류 원소의 많은 다른 화합물들, 예를 들어 붕소와 유사한 유로피움을 가진 사마륨과 색채 [14]산업에서 이미 사용되고 있는 붕화 사마륨이 사용될 수 있습니다.티타늄과 비슷하지만 저렴한25 붕소의 흡수성 화합물(MoB와 같은 몰리브덴).붕소와 함께 부풀어 오르기 때문에 실제로는 탄화물 등 다른 화합물이나 두 개 이상의 중성자 흡수 원소가 함께 있는 화합물이 더 좋다.텅스텐, 그리고 [15]탄탈과 같은 다른 원소들도 [16]하프늄과 거의 같은 높은 포획 품질을 가지고 있지만, 그 반대의 효과를 갖는 것이 중요합니다.이것은 중성자 반사만으로는 설명할 수 없다.분명한 설명은 반감기가 약 26분인 동위원소 U와 같은 준안정 조건에서 우라늄 등의 포획을 더 많이 유발하는 것에 비해 공명 감마선이 핵분열과 번식 비율을 증가시킨다는 것이다.

반응도 조절의 추가 수단

반응도를 제어하는 다른 수단으로는 원자로 냉각수에 첨가된 수용성 중성자 흡수체(PWR)가 있으며, 정지전력 운전 중 제어봉을 완전히 추출하여 노심 전체에 균일한 출력과 플럭스 분포를 보장한다.이 화학 심은 연료 펠릿 내에서 연소 가능한 중성자 독의 사용과 함께 노심의 장기적 반응성 [17]조절을 보조하는 데 사용되며 제어봉은 신속한 원자로 출력 변화(예: 정지 및 시동)에 사용된다.BWR 운전자는 노심을 통과하는 냉각수 흐름을 이용하여 원자로 재순환 펌프의 속도를 변화시켜 반응도를 제어한다(노심을 통과하는 냉각수 흐름이 증가하면 증기 기포 제거가 개선되어 냉각수/조절기의 밀도가 증가하여 출력이 증가한다).

안전.

대부분의 원자로 설계에서 안전 대책으로서 제어봉은 직접 기계적 연계가 아닌 전자석에 의해 리프팅 기계에 부착된다.즉, 정전이 발생하거나 리프팅 기계의 고장으로 인해 수동으로 호출될 경우 제어봉이 자동으로 중력에 의해 말뚝 안으로 낙하하여 반응을 멈춘다.이 페일 세이프 작동 모드의 주목할 만한 예외는 BWR로, 비상 정지 시 고압 상태에서 특수 탱크의 물을 사용하여 유압을 삽입해야 한다.이런 식으로 원자로를 신속하게 정지시키는 것을 스크램밍이라고 합니다.

중요사고 예방

SL-1 폭발과 체르노빌 참사를 포함한 원자력 사고에는 종종 잘못된 관리나 제어봉 고장이 원인으로 지목되어 왔다.균질 중성자 흡수제는 핵분열성 금속 수용액과 관련된 임계 사고를 관리하기 위해 종종 사용되어 왔다.이러한 사고에서 붕소(붕산나트륨) 또는 카드뮴 화합물이 시스템에 첨가되었습니다.카드뮴은 핵분열성 물질의 질산 용액에 금속으로 첨가될 수 있습니다. 그러면 산 속의 카드뮴 부식으로 인해 제자리에 질산 카드뮴이 생성됩니다.

AGR과 같은 이산화탄소 냉각형 원자로에서는 고체 제어봉이 핵반응을 저지하지 못하면 1차 냉각수 사이클에 질소가스를 주입할 수 있다.이는 질소가 탄소나 산소보다 중성자의 흡수 단면이 크기 때문에 노심이 덜 반응하기 때문이다.

중성자 에너지가 증가함에 따라 대부분의 동위원소의 중성자 단면은 감소한다.붕소 동위원소 B는 중성자 흡수의 대부분을 담당한다.붕소가 함유된 물질은 원자로 노심에 가까운 물질의 활성화를 감소시키기 위해 중성자 차폐로도 사용될 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 일본어 또는 러시아어 데이터베이스를 사용하는 ytterbium(n.gamma) 데이터
  2. ^ (n, alpha) 반응에서 붕소의 중성자 흡수로 헬륨과 리튬의 팽창이 증가하여 연구용 원자로에서만 사용하도록 제한되었다.
  3. ^ 고급2 CANDU 원자로의 DO 감속재로 주입
  4. ^ Sairam K, Vishwanadh B, Sonber JK 등B4C – Eu2O3의 스파크 플라즈마 소결 시 밀도화와 미세구조 개발 간의 경쟁.J Am Seam Soc. 2017; 00:1 ~ 11. https://doi.org/10.1111/jace.15376
  5. ^ Anthony Monterrosa; Anagha Iyengar; Alan Huynh; Chanddeep Madaan (2012). "Boron Use and Control in PWRs and FHRs" (PDF).
  6. ^ 하비 M.벅, 마크 A쿠퍼, 페트르 서니, 조엘 D그리이스, 프랭크 C.호손:Xenotime-(Yb), YbPO4.캐나다 매니토바 남동부 샤트포드 호수 페그마타이트 그룹의 새로운 광물종.입력: 캐나다 광물학자.1999, 37, S. 1303–1306 (American Mineralogist, S. 1324, PDF)
  7. ^ A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovsky, F. N. Tyusheva: Keiviite YbSiO227, 콜라 반도의 아마조나이트 페그마타이트에서 나온 새로운 이터비움 규산염.입력: Mineralog. 일주일이요.1983년, 5-5, S. 94-99(미국 광물학자 요약, S. 1191; PDF; 853kB).
  8. ^ Bowsher, B. R.; Jenkins, R. A.; Nichols, A. L.; Rowe, N. A.; Simpson, J. a. H. (1986-01-01). "Silver-indium-cadmium control rod behaviour during a severe reactor accident". UKAEA Atomic Energy Establishment. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  9. ^ "CONTROL MATERIALS". web.mit.edu. Retrieved 2015-06-02.
  10. ^ "Control Materials". Web.mit.edu. Retrieved 2010-08-14.
  11. ^ "Hafnium alloys as neutron absorbers". Free Patents Online. Archived from the original on October 12, 2008. Retrieved September 25, 2008.
  12. ^ "Dysprosium (Z=66)". Everything-Science.com web forum. Retrieved September 25, 2008.
  13. ^ "Method for making neutron absorber material". Free Patents Online. Retrieved September 25, 2008.
  14. ^ "Infrarotabsorbierende Druckfarben - Dokument DE102008049595A1". Patent-de.com. 2008-09-30. Retrieved 2014-04-22.
  15. ^ "Sigma Plots". Nndc.bnl.gov. Retrieved 2014-04-22.
  16. ^ "Sigma Periodic Table Browse". Nndc.bnl.gov. 2007-01-25. Retrieved 2014-04-22.
  17. ^ "Enriched boric acid for pressurized water reactors" (PDF). EaglePicher Corporation. Archived from the original (PDF) on November 29, 2007. Retrieved September 25, 2008.

외부 링크

추가 정보