연료 혁신을 통한 첨단 원자로 기술 촉진

나는 인테리어 디자이너가 타일을 구매하는 것과 비슷한 방식으로 원자로 설계자가 연료를 구매할 수 있는 핵 연료 시장을 상상하고 싶습니다.

원자로 설계자는 입구 및 출구 냉각제 온도, 중성자 플루언스, 설계 기준 사고 시나리오, 1차 및 2차 냉각재 등을 의미하는 작동 범위를 가져올 수 있습니다. 그런 다음 연료 공급업체는 원자로 성능을 극대화할 수 있는 옵션을 제공할 수 있습니다. 그러나 오늘날 미국에서는 유일하게 허가를 받고 자격을 갖춘 상업용 연료 형태가 1960년대 이후 거의 변하지 않았습니다. 따라서 상업용 전력 생산 원자로는 거의 독점적으로 이산화우라늄(UO2) 기반 연료 형태로 작동됩니다. 지르코늄 기반 클래딩에 싸인 이 UO2 연료를 공급하는 전 세계적으로 소수의 연료 공급업체가 있습니다. 연구용 원자로와 시험용 원자로1에는 다른 연료 형태가 사용된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 상업용 코어의 경우 UO2는 '황금 표준'일 뿐만 아니라 적어도 여기 미국에서는 연료에 대한 유일한 옵션입니다.

2011년 후쿠시마 다이치 사고 이후, 소위 '사고 방지 연료'(ATF)2를 시장에 출시하기 위한 세계적인 노력이 증가했습니다. 이는 처음에는 오랫동안 유지되어 온 산업 표준에서 크게 벗어날 수 있는 기회를 제공하는 것으로 나타났습니다. 사고 방지 연료 프로그램의 목표는 경수로(LWR) 연료 형태의 대처 시간을 연장하는 것입니다.3 본질적으로 과학자, 엔지니어, 유틸리티 회사 및 연료 공급업체로 구성된 글로벌 커뮤니티는 옵션을 평가하고 발전하는 데 10년을 보냈습니다. 경제적으로 실행 가능하고 방사성 동위원소 방출이 발생하기 전에 더 오랜 기간 동안 냉각재 손실 사고를 견딜 수 있는 전통적인 연료 형태의 대체품을 결정하기 위한 핵연료 기술에 대한 지식 상태입니다. 이를 위해서는 핵연료 형태의 열전도율과 내산화성을 높여야 하며, 다른 여러 원하는 연료 성능 측정 기준도 필요합니다.4 결국 미국 ATF 커뮤니티는 두 가지 종류의 ATF 후보를 결정했습니다. - 장기 및 장기. 단기적인 해결책은 산화 저항을 높이기 위해 클래딩에 코팅을 적용하고 열 전도성과 핵분열 생성물 유지를 향상시키기 위해 UO2에 도펀트를 적용하여 지르코늄 클래딩의 전통적인 UO2를 점진적으로 발전시키는 것입니다.

2011년 봄, 원자력 생산 역사상 세 번째 큰 사고가 일어났을 당시, 저는 텍사스 A&M 대학교에서 물리학 박사 과정을 밟고 있었습니다. 나의 논문 프로젝트는 제안된 가속기 구동 시스템5(핵분열 연쇄 반응의 '켜기/끄기 스위치'로 입자 가속기를 사용하는 원자로 노심)에 대한 우라늄 기반 용융염에 대한 지식 상태를 발전시키는 데 중점을 두었습니다. 2022년에는 이제 용융염이 냉각수나 연료로 사용되는 원자력 공동체의 주요 초점이 됩니다. 그러나 2011년에 제가 논문 연구를 완료하기 위해 추가 자금을 찾고 있었을 때 소금은 미국 에너지부 원자력국의 우선 순위 목록에 전혀 없었습니다. 목록의 최상위에 있었고 제가 박사후 연구원과 초기 재직 트랙에 참여하게 될 연료 연구 분야가 된 것은 사고 방지 연료였습니다.

내가 이미 회피한 것처럼, 대규모 R&D 사업으로 인해 전통적인 산화물 연료에 대한 점진적인 발전이 이루어졌지만 경수로 구현을 위해 아직 상당한 조사가 이루어지지 않은 재료도 평가되었습니다. 제가 로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안 우리는 클래딩 후보를 위한 몰리브덴부터 강철, 탄화규소까지 모든 것을 테스트했으며 우라늄 규화물, 우라늄 질화물, 우라늄 붕화물 화합물을 포함한 여러 가지 새로운 연료 화합물에 대한 제조성과 열화학적 이해를 모두 발전시켰습니다. 따라서 상업용 연료 옵션이 부족한 것은 핵 연료 커뮤니티의 혁신과 창의성이 부족하기 때문도 아니며, 현재 원자로의 성능을 개선하고 혁신적인 설계를 가능하게 할 수 있는 재료 후보가 부족하기 때문도 아닙니다. 원자력의 미래를 위해.