신속한 중요도

Prompt criticality

핵공학에서 신속임계(premitity)는 (핵분열반응으로 즉시 방출되는 중성자)만으로 임계성( 기하급수적으로 성장하는 핵분열 연쇄반응의 문턱)이 달성되고 지연 중성자(후열에서 방출되는 중성자)에 의존하지 않는 핵분열 사건을 기술한다.t 핵분열 파편의 붕괴). 결과적으로, 즉각적인 초임계성은 다른 형태의 임계보다 에너지 방출 속도에 훨씬 더 빠른 성장을 야기한다. 핵무기는 신속한 임계도에 기초하는 반면, 대부분의 원자로는 임계도를 달성하기 위해 지연된 중성자에 의존한다.

임계도

각 핵분열 사건이 평균적으로 연속 사슬에서 정확히 하나의 추가 사건을 야기할 경우 어셈블리는 중요하다. 그런 사슬은 자생하는 핵분열 연쇄반응이다. 우라늄-235(U-235) 원자가 핵분열을 겪을 때, 일반적으로 1개에서 7개 사이의 중성자(평균 2.4)를 방출한다. 이러한 상황에서 방출된 모든 중성자가 비분해 포획 사건에 흡수되거나 핵분열 핵분열 핵에서 탈출하는 것과 반대로 다른 핵분열 사건을 일으킬 확률이 1/2.4 = 0.42 = 42%인 경우 어셈블리가 중요하다.

새로운 핵분열 사건을 일으키는 평균 중성자 수를 유효 중성자 곱셈계수라고 하며, 일반적으로 k-효용, k-eff 또는 k 기호로 나타낸다. k-효율이 1과 같을 때 어셈블리를 임계치라고 하고, k-효율이 1보다 작을 경우 임계치 이하라고 하며, k-효율이 1보다 크면 초임계치라고 한다.

중요도 대 즉각적인 중요도

초임계 조립체에서 단위 시간당 출력의 수는 전력 생산과 함께 시간에 따라 기하급수적으로 증가한다. 그것이 얼마나 빨리 자라는가는 핵분열 사건에서 방출된 중성자가 또 다른 핵분열을 일으키는데 걸리는 평균 시간인 T에 달려 있다. 반응의 성장률은 다음과 같다.

핵분열 이벤트에 의해 방출되는 중성자의 대부분은 핵분열 자체에서 방출되는 중성자들이다. 이를 즉석 중성자라고 하며, 다른 핵들을 타격하여 나노초 이내에 추가 유출을 유발한다(맨하탄 프로젝트의 과학자들이 사용한 평균 시간 간격은 1 셰이크, 즉 10나노초였다). 중성자의 작은 추가 공급원은 핵분열 생성물이다. 핵분열로 인한 핵 중 일부는 짧은 반감기를 가진 방사성 동위원소인데, 그 중 핵반응은 초기 핵분열 발생 후 최대 몇 분까지 오랜 지연 후 추가 중성자를 방출한다. 평균적으로 핵분열로 방출되는 총 중성자의 1% 미만을 차지하는 이러한 중성자를 지연 중성자라고 부른다. 지연된 중성자가 나타나는 비교적 느린 시간 척도는 제어봉의 점진적이고 기계적 이동을 통해 원자로 출력 수준을 제어할 수 있기 때문에 원자로 설계에 중요한 측면이다. 일반적으로 제어봉에는 k-효능 변경 수단으로 중성자 독(예: 붕소나 하프늄)이 들어 있다. 실험용 펄스형 원자로를 제외하고 원자로는 지연 임계 모드에서 작동하도록 설계되었으며, 신속한 임계값을 달성하는 것을 방지하기 위한 안전 시스템을 갖추고 있다.

지연 임계 조립체에서는 k-효율을 1보다 크게 만들기 위해 지연 중성자가 필요하다. 따라서 반응의 연속 세대간 시간인 T는 지연된 중성자가 방출되는 데 걸리는 시간(초 또는 분)에 의해 지배된다. 따라서 긴 시간 상수로 반응이 서서히 증가할 것이다. 이는 제어봉과 같은 전자기계 제어 시스템으로 반응을 제어할 수 있을 만큼 충분히 느리며, 따라서 모든 원자로는 지연 임계 시스템에서 작동하도록 설계된다.

이와는 대조적으로 임계집합은 지연 중성자의 기여가 없는 경우(k=1) 즉, 지연 중성자의 기여가 없는 경우(k=1) 즉, 초임계(초임계 핵분열 속도가 기하급수적으로 증가하는 경우, k>1) 즉, 임계집합은 순간임계라고 한다. 이 경우 반응의 연속 세대간 시간인 T는 즉석 중성자의 핵분열률에 의해서만 제한되며, 반응의 증가가 극히 빨라 몇 밀리초 이내에 에너지가 급속하게 방출될 것이다. 즉각적으로 중요한 어셈블리는 핵무기 설계와 일부 특수 설계된 연구 실험에 의해 만들어진다.

즉석 중성자와 지연 중성자의 차이는 중성자가 원자로로 방출된 선원과 관련이 있다. 중성자는 일단 방출되면 그들에게 전해진 에너지나 속도 외에는 아무런 차이가 없다. 핵무기는 즉각적이고 초임계(초 분량으로 높은 피크 전력을 생산하기 위해)에 크게 의존하는 반면, 원자로는 지연임계도를 사용하여 수개월 또는 수 년 동안 제어 가능한 전력 수준을 생산한다.

원자로

제어 가능한 핵분열 반응을 시작하려면 어셈블리가 지연 임계값이 되어야 한다. 즉, k는 즉시 임계 임계값을 넘지 않고 1(초임계) 이상이어야 한다. 원자로에서는 중성자 지연으로 인해 이것이 가능하다. 이러한 중성자가 핵분열 사건에 이어 방출되기까지는 시간이 걸리기 때문에 제어봉을 이용해 핵반응을 조절할 수 있다.

중성자 지연으로 인해 중요하도록 정상상태(정수출력) 원자로를 운영하지만, 그러한 원자로의 기여가 없다면 그렇지 않을 것이다. 원자로 출력 수준의 점진적이고 의도적인 증가 동안 원자로는 매우 위험하다. 원자로 활성의 기하급수적인 증가는 중성자 흡수 물질의 봉을 삽입하거나 인출함으로써 임계 계수 k를 제어할 수 있을 정도로 충분히 느리다. 따라서 신중한 제어봉 이동을 사용하면 안전하지 않은 즉각적인 임계 상태에 도달하지 않고도 초임계 원자로 노심을 달성할 수 있다.

일단 원자로 발전소가 목표치 또는 설계 출력 수준으로 운전되고 나면, 원자로의 심각한 상태를 장기간 유지하기 위해 운전될 수 있다.

신속한 중대 사고

주요기사 : 중대사고

원자로는 제어장치와 안전시스템의 고장 등에 따라 반응성(또는 k-효과적)이 크게 증가하면 즉각적인 임계사고에 취약할 수 있다. 즉각적인 임계 조건에서 제어 불가능한 원자로 출력의 급속한 증가는 원자로를 회복할 수 없을 정도로 손상시킬 가능성이 있으며 극단적인 경우 원자로의 격납을 뚫을 수 있다. 원자로의 안전시스템은 신속한 임계성을 방지하도록 설계되어 있으며, 심층 방어를 위해 원자로 구조물은 방사성 핵분열 생성물의 우발적인 방출에 대한 예방책으로 여러 층의 원자로 격납장치를 제공한다.

연구용 원자로와 실험용 원자로를 제외하면 체르노빌 #4, 미군 SL-1, 소련 잠수함 K-431 등 소수의 원자로 사고만이 신속한 임계치를 달성한 것으로 생각된다. 이 모든 사례에서 제어되지 않는 힘의 급증은 각 원자로를 파괴하고 대기 중으로 방사성 핵분열 생성물을 방출하는 폭발을 일으키기에 충분했다.

1986년 체르노빌에서는 잘 이해되지 않은 양의 스크램 효과가 원자로 노심 과열을 초래했다. 이것은 연료 원소와 수도관의 파열, 물의 기화, 증기 폭발, 그리고 용융으로 이어졌다. 사고 이전의 예상 전력 수준은 최대 열 출력의 10배인 30GW를 초과하여 작동한 것으로 추정된다. 원자로실의 2000t짜리 뚜껑이 증기 폭발로 열렸다. 원자로는 이 재앙적인 폭발을 억제할 수 있는 격납건물로서 설계되지 않았기 때문에, 그 사고는 많은 양의 방사성 물질을 환경으로 방출했다.

다른 두 사건에서는 최소한 하나의 제어봉이 신속하고 제어되지 않은 상태에서 제거되어 발생한 유지보수 정지 중의 오류로 원자로 발전소가 고장 났다. SL-1은 미 육군이 극지 외딴 곳에서 사용할 수 있도록 설계된 원형 원자로였다. 1961년 SL-1 발전소에서 원자로는 수동으로 중앙제어봉을 너무 멀리 추출함으로써 정지상태에서 신속한 임계상태로 전환되었다. 코어의 물이 증기로 빠르게 변환되어 팽창하면서(1만2000kg) 2만6000파운드의 원자로 용기는 9피트 1인치(2.77m)나 뛰어올라 위의 천장에 인상을 남겼다.[1][2] 유지보수를 하던 세 사람이 모두 부상으로 사망했고, 핵분열 생성물 1100 큐리가 노심 일부가 퇴장되면서 방출됐다. 사고 조사와 현장 수습에 2년이 걸렸다. SL-1 코어의 과도한 즉각적인 반응성은 1962년 보고서에서 계산되었다.[3]

SL-1의 지연 중성자 분율은 0.70%… SL-1 이탈이 중앙제어봉 부분탈퇴로 발생했다는 결정적 증거가 나왔다. 이 한 봉의 20인치 인출과 관련된 반응도는 2.4% Δk/k로 추정되었으며, 이는 신속한 임계치를 유도하고 원자로를 4밀리초의 기간에 놓기에 충분했다.

K-431 원자로 사고에서는 연료교체 작업 중 10명이 숨졌다. K-431 폭발로 인접한 기계실이 파괴되고 잠수함 선체가 파열됐다. 이 두 가지 재난에서 원자로 발전소는 단 몇 초 만에 완전 정지 상태에서 극히 높은 전력 수준으로 발전하여 원자로 발전소를 수리할 수 없을 정도로 손상시켰다.

우발적 즉각적인 중요 여행 목록

다수의 연구용 원자로와 시험에서 의도적으로 신속한 임계 원자로 발전소의 운영을 검사하였다. CRAC, KEWB, SPERT-I, 고디바 장치, BORAX 실험이 이 연구에 기여했다. 그러나, 많은 사고들도 주로 핵연료의 연구와 처리 중에 일어났다. SL-1은 주목할 만한 예외다.

다음의 신속한 임계 전력 소진 목록은 중대 사고를 연구한 미국과 러시아의 핵 과학자 팀이 2000년에 제출한 보고서를 채택한 것으로, 소풍의 많은 장소인 로스 알라모스 과학 연구소에 의해 발표되었다.[4] 일반적인 전력 소진은 약 1 x 10회다17.

핵무기

주요 기사: 핵무기 설계

반면 핵무기 설계에서는 신속한 임계 달성이 필수적이다. 실제로 폭탄 건설에서 극복해야 할 설계상의 문제점 중 하나는 연쇄반응이 노심 확장을 너무 많이 유발할 수 있는 충분한 에너지를 생산할 기회를 갖기 전에 신속한 임계도를 달성할 수 있을 정도로 핵분열 물질을 압축하는 것이다. 그러므로 좋은 폭탄 설계는 덜 강력한 연쇄 반응으로 핵분열로 상당한 양의 연료를 허용하지 않고 코어를 분해하기 전에 밀도가 높고 신속한 임계 코어에 대한 경쟁에서 이겨야 한다. 이는 일반적으로 핵폭탄이 리차드 C가 발명한 붕괴 방식과 같이 핵폭탄의 핵심이 조립되는 방식에 각별한 주의가 필요하다는 것을 의미한다. 톨만, 로버트 세르버, 그리고 1942년 버클리 캘리포니아 대학의 다른 과학자들.

참고 항목

참조 및 링크

  1. ^ Tucker, Todd (2009). Atomic America: How a Deadly Explosion and a Feared Admiral Changed the Course of Nuclear History. New York: Free Press. ISBN 978-1-4165-4433-3. 요약 참조: [1]
  2. ^ Stacy, Susan M. (2000). "Chapter 15: The SL-1 Incident" (PDF). Proving the Principle: A History of The Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, 1949–1999. U.S. Department of Energy, Idaho Operations Office. pp. 138–149. ISBN 978-0-16-059185-3.
  3. ^ IDO-19313 1962년 7월부터 10월까지의 최종 진행 보고서인 SL-1 출장의 웨이백 머신 추가 분석에서 2011년 9월 27일 보관.
  4. ^ LA-13638, 2000년 5월 로스 알라모스 국립 연구소의 중대 사고 검토. 토머스 P. 맥러플린, 션 P. 모나한, 노먼 L. 프루보스트, 블라디미르 5세 프롤로프, 보리스 G. 랴자노프, 빅터 1세. 스비리도프.
  • "핵에너지: 원칙", 물리학부, 이집트 만수라 과학부, 만수라 대학, 만수라 대학, 워싱턴 기계공학과에서 발췌한 것으로 보이는 "핵에너지: 원칙"은 AIP, 보단스키, D. (1996), 핵에너지: 원칙, 관행 및 전망에서 발췌한 것으로 보인다.
  • 실험계획법 기본 지침서