현재 원자력 발전은 우라늄-235를 주원료로 사용하고 있는데, 우라늄 함량이 높은 광물 매장량이 급격히 감소하고 있다. 우라늄-235를 대체할 수 있는 핵연료 중 하나가 우라늄-233이지만 자연계에는 존재하지 않아 토륨-232로 만들어야 한다.
원자력 발전은 에너지 위기의 새로운 유망주이지만, 핵분열로에 사용되는 저가의 우라늄이 대량으로 사용되고 있기 때문에 올해 말에는 고갈이 예상된다. 그 때에는 필연적으로 경제적 가치를 이용할 수밖에 없을 것이다. 고급 우라늄 가격이 낮아지고 정련공장이 늘어나면 발전비용이 늘어날 것이다.
새로운 에너지원이 성공적으로 개발되기 전에는 재처리를 통해 얻은 239Pu를 고속 중성자 증식로(증식로)를 사용하는 것이 해결책이 될 수 있습니다. 천연 우라늄 수요. 또 다른 방법은 토륨을 이용해 번식시키는 방법인데, 토륨 광석은 우라늄 광석보다 풍부하기 때문에 땅에 묻혀 있는 양이 우라늄의 3~5배 정도이고, 더 중요하게는 가공기에서 열중성자와 반응한다는 점이다. , 분할 가능한 233U를 생산할 수 있습니다. 또 다른 장점은 경수보일러의 설계변경이 용이하다는 점이다. 이는 우라늄 수요를 줄이고 더 나은 활용도(약 50배 증가)를 달성하며 분리 플랜트 설치를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원자로의 수명을 연장하고 발전 비용을 절감할 수 있습니다.
토륨-우라늄 핵반응
3가지 핵분열성 연료인 233U, 235U, 239Pu 중 235U만 자연적으로 존재하며 일반 경수로(경수로)에서는 발견되지 않는다. 원자로(LWR)는 저농축 우라늄(2~5%)을 사용해야 하며, 중성자를 흡수한 후 232Th와 238U가 각각 233U와 239Pu로 전환되는 과정을 그림 1에 나타내었다.
전환 과정에서 가장 중요한 사항은 다음과 같습니다.
이 전환의 가장 큰 장점은 토륨 광석에서 토륨이 완전히 232Th로 존재하고 다른 동위원소가 거의 없으며 필요하지 않다는 것입니다. 또 다른 특징은 원자로 연료로 사용될 때 토륨이 금속 상태로 존재하고 처리하기 쉬운 반면, ThO2는 동등한 우라늄 화합물보다 더 큰 방사선량을 견딜 수 있어 더 많은 중성자를 통과할 수 있다는 것입니다. 비율, 전력 밀도를 더 크게 만듭니다. 형성된 233U(흡수된 중성자당 방출되는 평균 중성자 수)의 에타 값은 235U(모든 중성자 에너지에서)보다 크고, 중성자 에너지가 40KeV 미만인 경우에는 239Pu보다 크다( 첨부 표 참조), 233U는 열 중성자 원자로에서 번식 반응을 일으킬 가능성이 가장 높은 유일한 핵 연료가 됩니다. 그러나 239Pu는 고속 중성자로에서 233U보다 더 나은 특성을 가지고 있습니다.
토륨 연료주기
토륨 연료주기의 절차(그림 2 참조)는 다음과 같습니다.
1. 광석 정제: 토륨 자원의 산출. 가장 풍부한 광물은 모나자이트이며, 일반적인 토륨 함량은 1~15%입니다. 먼저 모나자이트를 황산이나 수산화나트륨으로 녹인 후 여과하고 침전시킨 후 질산으로 녹인 후 최종적으로 유기용매로 추출하여 질산토륨을 형성하는데, 포집교차가 매우 큰 특정 희토류 원소와 결합하는 경우가 많다. -광석에는 Gd., Sm, Eu, Dy 등의 단면이 공존하므로 주로 유기용매추출법을 이용하여 정제한 후, 핵순도등급의 토륨을 생산하기 위해서는 이온교환법을 이용하여야 한다.
2. 공급물: Th(NO3)4.4H2O는 일반적으로 원료로 사용되며, 일부 농축 우라늄인 239Pu 또는 233U는 연쇄 반응을 유지하는 최초의 핵분열성 원료로 사용됩니다.
3. 연료요소 제조: 공급물질을 ThO2, ThC2 등 원하는 화합물로 변환한 후 이를 혼합하여 ThO2-UO2 또는 ThC2-UC2 연료펠렛 또는 연료봉을 만든 후 이를 Zircaloy-2 또는 알루미늄 합금과 같은 적절한 피복으로 조립하여 연료 요소를 형성합니다.
4. 원자로 내 방사선 노출: 필요한 테스트와 검사를 마친 후 구성 요소를 노심에 넣고 방사선을 조사합니다. 핵분열성 물질을 연소하는 과정에서 과잉 중성자가 토륨을 변환하는 데 사용됩니다. 233U에 충분히 조사한 후 연료를 꺼내서 식혀 주십시오.
5. 냉각: 핵연료 요소는 일반적으로 원자로에서 약 3~4년 동안 사용된 후 핵분열 생성물의 높은 방사능으로 인해 일시적으로 냉각수조에 배치됩니다. 핵분열 생성물에서 반감기가 더 짧은 방사성 핵은 붕괴된 후 단단히 차폐된 강철 드럼에 넣어져 냉각되었지만 무거운 원소인 연료 재매립 공장으로 운반됩니다. 조사된 연료를 재처리하는 동안 이를 보호하기 위해 여전히 필요합니다.
6. 조사된 핵연료의 운송: 사용후핵연료를 담은 강철 드럼은 운송 중에 조사된 핵연료가 누출되거나 오염되는 것을 방지하기 위해 국가 원자력 규정의 다양한 테스트를 준수해야 하는 세심하게 설계된 용기입니다. 환경.
7. 재처리: 처리 방법은 우라늄 연료와 유사합니다. 먼저 연료봉을 기계적으로 절단한 다음 농축된 질산에 용해합니다. HF의 양은 용해되기 쉬우나 불화물 이온은 우라늄, 토륨과 쉽게 착화합물을 형성하여 추출 효과에 영향을 미치고 심각한 부식 문제를 일으킬 수 있습니다. 질산알루미늄은 불소와 질산우라늄을 서로 반응시킬 수 있는 질산토륨이 완전히 결합된 것입니다. 용해 후, 모든 유리산이 제거되고 약간의 과량이 존재할 때까지 질산염 용액을 증류합니다. 질산알루미늄을 첨가하고, 그 용액을 추출장치로 옮긴다. 탄화수소에 용해된 42.5% 트리부틸포스페이트(TBP)의 묽은 용액을 역류추출에 사용하며, 토륨과 우라늄을 동시에 추출한다.
마지막으로 토륨과 우라늄-233을 분리한 후 묽은 질산용액을 이용해 토륨을 선택적으로 추출하고, 수용액을 TBP로 세척한 후 소량의 우라늄을 추출한 후 질산토륨 수용액을 만든다. 옥살산염에 의해 침전되고 결정화되는 전체 공정을 Thorex 방법이라고 합니다(그림 3 참조).
8. 폐기물 처리: 쉽게 분해되는 연료는 경제적 가치가 매우 높기 때문에 재처리 공장을 통해 재활용해야 합니다. 이렇게 하면 발전 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 폐기물도 방지할 수 있습니다. 자원. 그러나 재처리 후의 폐기물 용액에는 핵분열 과정에서 남은 핵분열 생성물이 포함되어 있어 방사능은 수백만 퀴리에 달할 수 있고, 반감기는 수만 년, 심지어 수억 년에 달할 수 있으므로 주의해서 다루어야 합니다. . 그 중 B, I, Xe, Kr, Ru 등의 휘발성 핵분열 생성물은 무해해질 때까지 활성탄에 반복적으로 흡수된 후 흡착탑에서 배출될 수 있습니다. 남은 방사성 폐기물은 방사능이 자연적으로 붕괴될 수 있도록 일정 기간 동안 보관한 다음 농축하여 통에 보관해야 합니다. 그러나 여전히 137Cs, 90Sr 및 기타 반감기가 긴 핵종을 포함하고 있기 때문입니다. 폐액의 열 및 부식성에 의해 재료강도가 저하되므로 반드시 경화처리를 실시하여야 합니다. 폐기물을 고형화하면 다음과 같은 장점이 있습니다.
(1) 방사성 핵종을 비유동체이고 기계적으로 강한 고체(핵종의 침출 속도가 작음)로 응고하면 저장 용기의 부식 속도를 줄일 수 있습니다. 방사성 핵이 주변 환경으로 빠져나가는 것을 방지하고 방사성 핵을 밀봉하여 소멸을 억제할 수 있습니다.
(2) 저장에 필요한 공간을 줄일 수 있습니다.
(3) 안정성이 좋습니다.
(4) 고온 보관이 가능해진다.
(5) 안전성이 향상되고 작업이 더 쉬워지며 격리된 장소로의 운송, 처리 및 폐기물 작업이 용이해집니다.
(6) 액체 보관처럼 엄격하게 보관하고 모니터링할 필요는 없습니다.
가장 중요한 방법은 유리화법으로, 유리의 용해도와 그 성분의 침출속도가 극히 낮고 부피감소계수가 상당히 크기 때문에 확립된 유리제조기술을 이용하여 유리화율을 높게 한다. 방사성 폐액 유리화는 유리에 있는 방사성 핵을 고정시키는 반면, 장치가 상대적으로 복잡하고 고온(900~1200°C) 처리에 필요한 장치 재료와 방사성 물질의 휘발 등의 문제가 있다. 핵은 아직 해결되지 않았습니다.
그래서 일부 사람들은 다음과 같은 두 가지 완전한 처리 및 처리 방법을 제안했습니다. 하나는 극도로 높은 방사성 폐기물을 로켓에 적재하여 우주 공간에 폐기하는 것과 고출력, 고밀도 중성자를 사용하는 것입니다. 소스, 고에너지 양성자 가속기 또는 핵융합로는 중성자 조사를 사용하여 핵분열 생성물의 긴 반감기 핵종(90Sr, 137Co, 85Kr, 99Tc, 129I 등)을 짧은 반감기, 극도로 긴 반감기로 변환합니다. -생명 또는 안정된 핵 종류. 전자는 현재로서는 단지 종이에 의한 연습일 뿐이며, 아직 극복되지 않은 기술이며, 우주 쓰레기를 발생시킬 가능성도 없는 무책임한 행위입니다. 후자는 이제 검토 단계에 불과해 기술적으로나 경제적으로 해결해야 할 어려움이 많이 남아 있지만, 이 방법이 치료 원리에 더 부합하고 더 안전합니다.
방사성폐기물의 처리는 자연의 생태적 균형에 영향을 미칠 뿐만 아니라 원자력의 평화적 이용 발전에도 영향을 미칠 것이기 때문에 실제로 원자력산업의 핵심이슈이자 대책이 요구된다. 원자력 연구에 종사하는 학자와 전문가가 협력하여 해결합니다.
토륨, 우라늄, 플루토늄 연료 주기
토륨, 우라늄, 플루토늄의 연료 주기는 각각 그림 2, 4, 5를 참조하세요.
토륨 사이클은 우라늄 및 플루토늄 사이클에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.
1. 열 중성자 원자로의 에타 값(eta=?2.287)이 더 크기 때문에 번식가능 . 고속 중성자의 개발에 대한 끝없는 희망도 있습니다.
2. 전환율이 높고 연료 수명이 길어집니다.
3. 농축 우라늄이나 재활용 플루토늄에 비해 연료 가격이 저렴합니다.
4. 추가로 분해 가능한 연료를 추가하지 않고도 원자로에서 연료 연쇄 반응을 유지하기에 충분한 증식 연료가 있습니다.
5. 연료주기 가격을 낮추는 것 외에도 저가의 우라늄 연료를 보다 효과적으로 활용할 수 있다.
6. 더 높은 방사선량을 견딜 수 있고 가공이 쉽습니다.
그러나 토륨 사이클에는 다음과 같은 불쾌한 단점도 있습니다.
1. 가장 큰 단점은 232Th를 233U로 변환하는 과정에서 232U가 생성된다는 것입니다(그림 6 참조). . 왜냐하면 232U가 안정동위원소인 208Pb로 재붕괴되는 과정에서 고강도 감마선을 방출하는 212Bi와 208Tl이 생성되고(그림 7 참조), 재처리 과정에서 232U와 228Th는 233U와 232Th를 동반하게 되기 때문이다. 결과적으로 재처리 후 만들어진 연료 요소는 여전히 높은 방사성을 가지므로 제조 과정에서 차폐되거나 격리된 장비를 사용해야 하므로 제조 비용이 증가합니다.
2. 토륨 연료를 처리할 때는 더 강력한 플럭스, 즉 더 농축된 질산이 필요하며, 이러한 플럭스를 사용하려면 추출, 폐기물 처리 및 산이 필요합니다. -베이스 조정이 더 복잡합니다.
3. 과잉 산을 제거하려면 토륨 연료 용액에 일부 추가 용액을 추가해야 합니다.
4. 추출 중에 세 번째 상의 상 균형이 형성되어 동일한 장비에서 우라늄 연료 용액(유기상과 무기상 두 개만)의 추출 속도보다 추출 속도가 느려집니다.
토륨 연료 증식로
1. 가스냉각식 고속 증식로(GCFBR)
공기, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 메탄 등의 가스 냉각재 , 암모니아 및 수증기 등 열 전달 성능은 물 및 액체 금속만큼 좋지 않지만 방사선 및 열 안정성이 있고 운송이 쉽고 위험이 적습니다. 압력용기의 벽을 두껍게 설계하여 작동압력을 높이거나, 세라믹 핵연료를 사용하여 작동온도를 높이는 방법으로 가스냉각재의 열전달 성능을 높일 수 있습니다.
그림 8은 일반적인 고온가스냉각로의 용기 구조를 보여준다. 노심은 보통 고농축 우라늄-토륨(235U-232Th-233U)을 핵연료로 사용하고 233U를 재활용한다. 원자로가 처음 가동될 때 노심에는 최대 93%의 농축 우라늄-235가 포함되어 있고 나머지는 탄화물이나 산화물 형태의 232Th입니다. 미래의 핵연료주기에서 233U는 사용된 235U를 대체하는 데 사용될 수 있습니다. 우라늄 및 토륨 연료의 표면층은 일반적으로 열분해된 탄소질 물질로 코팅되고 연료 내 가스 분해 생성물을 보존하기 위해 연료 표면에 결합됩니다. 탄화규소 층은 우라늄-235 연료 입자의 표면에 코팅되어 금속 핵분열 생성물이 핵분열성 핵연료 내에 유지될 수 있고 후속 핵연료 재처리 과정에서 핵분열성 핵연료와 핵연료를 식별하는 데 쉽게 사용될 수 있습니다.
가스를 냉각수로 사용하는 고속 증식로는 액체 금속 고속 증식로(LMFBR)만큼 매력적이며, 전자는 후자에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.
( 1) 가스냉각수에 포함된 헬륨은 불활성기체로 공기, 물과 상호작용하지 않으므로 별도의 중간열교환기를 설치할 필요가 없습니다.
(2) 헬륨과 중성자 사이의 상호작용 반응은 액체나트륨에 비해 작으므로 필요한 과잉반응속도가 낮고, 번식효과가 좋으며, 배가시간을 단축할 수 있다.
(3) 헬륨은 방사성 오염이 거의 없고 나트륨과 같이 유도 방사능이 높지 않아 유지 관리가 쉽고 안전성이 높습니다.
(4) 액체 나트륨은 과도한 온도로 인해 끓고 거품이 발생하여 과열을 일으키며 심지어 연료 요소가 연소될 경우에도 거품이 발생하지 않으므로 이러한 우발적인 재해가 발생하지 않습니다.
(5) 공냉식에는 항상 리타더가 장착되어 있어 토륨 이용률이 크게 향상됩니다. 그러나 GCFBR의 단점은 가스의 열전도도가 매우 낮고 열전달 성능이 좋지 않기 때문에 열전달 효율을 높이기 위해서는 고온, 고압에서 작동해야 한다. 컨테이너의 용량이 더 크고 원자로 사고가 발생합니다. 정지 시 액체 나트륨과 같은 자연 대류에 의해 자체적으로 냉각될 수 없으며 냉각을 위해 가스 냉각제를 순환시키는 기계적 수단에 전적으로 의존해야 합니다. ?
2. 용융염 원자로(MSR)
원래 원자력 항공기용으로 개발된 용융염 원자로 실험(MSRE)에서 발전한 용융염 증식 원자로입니다. MSRE가 사용하는 용융염은 우라늄, 리튬-7, 베릴륨, 산화지르코늄의 혼합물일 뿐이며 토륨을 포함하지 않는다. 핵연료로 233U를 사용하는데, 핵연료인 232Th를 핵분열성 핵연료로 변환하는 번식원리를 이용하면 233U는 238U와 239Pu를 조합하여 사용하는 것보다 경제적 효과가 가장 크다.
용융염핵연료는 액체이기 때문에 원자로에서 직접 사용할 수 있어 일반 고체고체핵연료처럼 연료요소를 제조하기 위해 별도의 공장을 세울 필요도 없고, 복잡한 시설도 필요하지 않다. 따라서 핵연료의 제조 및 재활용 비용을 절감할 수 있습니다. 용융염은 중성자 이용 성능도 좋고, 낮은 압력, 높은 온도에서 작동할 수 있어 열효율이 높고 운영 비용도 낮다. 용융염 증식로는 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239를 이용해 시동할 수 있어 가장 저렴한 핵연료 조합을 사용해 가장 경제적인 전력을 얻을 수 있다.
용융염 증식로에 사용되는 용융염 핵연료는 불화리튬, 불화베릴륨, 사불화토륨, 사불화우라늄의 혼합물이다. UF4, ThF4 등의 희석제에 LiF, BeF2 등의 금속불화물을 혼합하면 핵용해염의 화학적, 금속성, 물리적 특성을 증가 및 향상시키는 동시에 용융염의 열전달 성능을 높여 핵융합염의 열전달 성능을 높일 수 있습니다. 열에너지를 다른 장치로 전달합니다. 핵용융염은 더 이상 물이나 공기와 상호작용하지 않고, 방사선에 의해 손상되지 않으며, 안전성 등도 좋아 좋은 액체핵연료가 됩니다.
그림 9는 전형적인 용융염 증식로 발전소를 도시한 것으로 노심의 중앙부인 흑연봉 사이에 노심장치부분인 약 13V%(부피%)의 용융염이 공급된다. 약 37V%의 용융염이 노심 주변을 둘러싸고 설치되어 있어 이 부분에서는 흑연의 지연능력이 상대적으로 감소하여 토륨-232가 중성자를 흡수하거나 포획하여 핵연료를 생산할 가능성이 높아진다.
또한, 용융염 증식로가 핵분열성 핵연료를 육성할 수 있도록 하기 위해서는 용융염에서 핵분열 반응으로 생성된 중성자 흡수체를 지속적으로 제거하여 과도한 중성자 손실을 방지해야 합니다. 중성자를 흡수할 수 있는 핵분열 생성물의 주요 물질은 크세논(Xe)과 네오디뮴(Nd), 유로뮴(Eu), 에르븀(Zr) 등의 희토류 원소입니다. 토륨-232가 중성자와 반응하여 토륨-233을 형성하면 프로트악티늄(233Pa)으로 변환될 수 있는데, 이는 중성자를 흡수하는 주요 원소이기도 하며 3~5일 주기로 용융염에서 제거되어야 합니다. 핵분열 생성물 중 삼중수소와 일부 금속은 헬륨 분사를 통해 제거할 수 있으며, 제거할 수 없는 가스 생성물은 화학처리장을 통해 제거하고, 우라늄-233을 회수해 원자로에 들어가기 전에 핵연료를 보충하는 순환계를 형성한다. .
대만의 토륨 잠재력
대만 자체의 천연자원은 극히 열악하며, 소량의 석탄과 천연가스를 제외하고는 거의 모든 에너지를 수입하고 있는데, 이는 원자력도 마찬가지이다. 발전 비용이 가장 저렴하므로 예외일 수 없습니다. 원자력연구소 조사에 따르면 대만은 자이(蘇井)와 타이난(台南) 앞바다에 약 55만톤의 무거운 모래를 갖고 있다. 이 가운데 토륨을 추출하는 데 사용할 수 있는 흑색 모나자이트 약 3만톤, 황사 4000톤 이상이 포함돼 있다. 우라늄 톤을 추출하는 데 사용할 수 있는 모나자이트. 따라서 우리는 자체 에너지 수요를 충족시키기 위해 사육로에 대한 연구 개발을 고려할 수 있습니다. 또한, 이는 집중할 필요가 없고 자체 생산되는 자원이기 때문에 생산량을 스스로 제어할 수 있고 국제 정치 및 정치적 영향을 덜 받습니다. 시장 공급 제약.
대만은 최근 원자력 산업 분야에서 많은 경험과 기술을 축적해왔고, 많은 인재를 양성해왔으며, 원자력 발전의 성과도 꽤 좋기 때문에 설립에 박차를 가해야 한다. 광산 정제, 추출, 핵연료 제조 등 자체 원자력 산업의 기술과 기타 기술이 학계와 산업을 결합하여 뿌리내리고 개선됩니다. 한편으로 우리는 해외의 최신 개발 동향에 주의를 기울여야 합니다. 앞으로 기술 협력이든 공장 전체 투입이든 우리는 보다 유리한 협상 위치에 있게 될 것이며 우리에게 더 큰 이익을 위해 노력할 것입니다.
결론
에너지 부족 시대에 유가는 여전히 높은 반면, 에너지 수요는 증가하고 있으며, 더 크고, 더 깨끗하고, 더 안전한 요구 사항이 있는 추세입니다. 전망 미래에는 태양에너지와 핵융합로가 21세기의 화두가 될 것입니다. 그러나 현재의 태양에너지 응용에는 아직 극복해야 할 몇 가지 공학적 기술이 있는데, 이는 주로 태양광의 에너지 밀도가 너무 작아서 태양전지의 효율이 충분히 높지 않기 때문입니다. 가격이 너무 비싸요. 이 장비를 지구 궤도 대기 밖에 배치하면 흡수 효과가 더 좋고 대기 기류의 영향을 받지 않지만 이러한 장비를 어떻게 궤도로 운반하고 결합할지는 여전히 우주 기술의 발전을 기다리고 있습니다. 온도, 시간, 재료, 에너지 출력 및 기타 기술과 같은 핵융합 반응의 제어는 여전히 개발되어야 합니다. 이 이론은 오랫동안 타당성이 입증되었기 때문에 미국, 소련, 일본, 서유럽에서도 연구에 박차를 가하고 있습니다. 예를 들어 미국과 소련에서는 이미 동일한 유형의 마이크로전력 원자로를 테스트하고 있습니다.
이 과도기에 핵분열로는 인류의 에너지 문제를 일시적으로 해결하는 데 중요한 역할을 하고 있지만, 저가의 우라늄 광석의 지속적인 소비와 덜 경제적인 운영으로 인해 핵분열로의 작동 모드와 성가신 핵분열 생성물은 사회의 반핵 경향에 대한 압력을 가져왔고 건설 프로젝트 신청의 어려움을 증가시켰습니다. 따라서 20세기 말에는 에너지 수요 증가에 대응하고 융합로 개발 기술을 확장하기 위해 사육로를 개발해야 했다. 그러므로 어떻게 사육로 개발을 가속화하고 핵무기 비확산을 제한할 것인가는 사실상 현 인류의 핵 위기를 해결하기 위한 문제이다.