스크랩 3.. 멜트다운....... 3) 멜트다운의 원인 : 붕괴열 ( 핵분열 생성물의 베타붕괴로 생기는 열)

[bach]

3. 멜트다운 원인 : 붕괴열

    원자로 정지, 제어봉 삽입->중성자소멸-> 핵분열 중단으로 대부분의 열은 소멸이 되지만,

   핵분열과 중성자 반응에 의해 생성되는 핵분열생성물은 보다 안정된 원자핵으로 되기 위해 

    α선, β선 또는 γ선 등의 방사선을 방출하면서  붕괴하는데 이 에너지는 주변의 물질에 흡수되어

   최종적으로는 열로 변하고 이열을 붕괴열이라고 합니다.

 원자로 정지 후에 출력의 약 7~8%의 붕괴열을 방출하는데..

   쓰나미로 인한 전원상실-> 냉각기능이 사라져 이 붕괴열로 인해 노심의 온도가

   상승하여 연료가 녹는 사태가 생겼습니다.

   이 붕괴열이 핵연료 멜트다운의 원인입니다..

 1)-1. 우라늄 1개의 핵분열 모형과 발생에너지량.

   원자로는 핵연료(우라늄235)의 핵분열로 에너지를 얻습니다.

   1개의 핵분열이 어떻게 일어나고 얼마나의 에너지을 얻는지 살펴봅니다.

 표-1.  우라늄 1개의 핵분열 모형과 발생에너지

   1개의 우라늄이 핵분열을 하면, 약200Mev 의 에너지가 생기고,

   핵분열 생성물의 운동에너지(168 Mev)가 총 에너지의 약84%로 대부분을 차지하고,

   핵분열 생성물이 붕괴하며 방출하는 β선 또는 γ선 에너지 (13Mev) 약 6.5%가

   붕괴열 입니다.

   붕괴열은 핵분열생성물 β붕괴로 생기는 거라. 원자로가 정지해도 핵종마다 갖고 있는

   반감기에 의해 소멸되기에 (그래프-1)과 같이 서서히 줄어듭니다.

 1)-2. 우라늄 1개 핵분열시 질량결손에 의한 발생에너지량.

   핵분열 전후의 질량을 비교하면 (표-1-2), 차감질량이 0.125amu(원자질량단위)의 질량결손이 일어남.

  아인슈타인 특수상대성이론(질량은 에너지와 등가)으로 질량결손은 에너지로 환산할 수가 있으며

  약200MeV(0.125amu ?931.5MeV = 200.3MeV)로 된다.

표-1-2.  핵분열과 에너지

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핵분열전의 질량  ①	핵분열후의 질량 ②	질량결손 = ① - ②
92U235   235.124	39Y95   94.945
중성자 1개  1.009	53I139  138.955
	중성자 2개   2.018
합계  23.6.13	합계  235.918	0.22

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1)-3. 핵분열과 열출력의 관계.

  후쿠시마 제1발전소 1호기 열출력이 1,380MW을 역으로 계산하면 핵분열수을 알 수 있습니다.

 (핵분열수=열출력 / 200Mev x 단위환산) 대략 시간당 약1.55 x 10²³ 개의 핵분열이 생깁니다.

  핵연료는 (약3%의 U-235)를 (약1.55 x 10²³ 개/hr)의 핵분열을 대략 3~4년 전기을 만들고     (U-235) 농도가 약1% 정도로 낮아지면 연소도가 떨어져 폐연료가 되고 사용후 핵연료  저장조로 보내 2~4년간 붕괴열을 냉각한후 건식보관을 합니다.

표-2.  핵분열과 에너지

핵분열과 에너지
단위 환산	Mev	1kwh	1초당 kw
1Mev	1	4.45E-20	1.24E-23
1핵분열당	200	8.90E-18	2.47E-21
후쿠시마 1호기    열출력    (kwh)			1,380,000
핵연료 중량   (t)			69
열출력  =  핵분열수 x 200Mev x 단위환산
핵분열수 = 열출력 / 200Mev x 단위환산
시간당 총핵분열수 (개)			1.55E+23
1톤당 총핵분열수 (개)			2.25E+21
g당 총핵분열수 (개)			2.25E+15
g당 열출력 (kwh)			2.00E-02
톤당 열출력 (kwh)			2.00E+04
핵연료 총량 69톤 열출력 (kwh)			1.38E+06

  1)-4. 핵분열생성물.

       U-235 원자가 핵분열을 일으키면 그림1-1)와 같이 다양한 핵분열생성 핵종들이 생성된다.

   이러한 핵종들은 UO2소결체 반응내에서의 반응에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

   용해성 핵종과 금속핵종은 냉각수와 섞여 외부로 방출되고.. 휘발성/불활성기체는 대기중으로 

   날아갑니다.

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2 ―용해성 산화물 형성 핵종 :  Sr, Zr, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd

결―금속 핵종 :               Ru, Rh, Pd, Mo

체―휘발성 핵종 :             Br, I, Rb, Cs, Se, Te

    ―불활성 기체 :             Kr, Xe

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   핵분율생성물 수율은 그림1-1와 같이 낙타등 모양으로.. 

  (질량수 90~100, 질량수 130~145) 핵분열생성물 원소가 많이 생깁니다..

그림1-1.  핵분열생성물 수율  

  1)-5. 핵분열생성물 핵종의 반감기와 붕괴 형식

   U-235에 중성자가 조사되면, 수백종의 핵분열 생성물이 생깁니다.

  이 핵분열 생성물 핵종은 대부분 β붕괴로 β선과 γ선을 방출하고 짧은 반감기을 갖고 있습니다.

  대부분 핵종이 짧은 반감기로 인해 방사선 에너지가 2~4일 사이에 소멸하게 되고 점점 붕괴열이

  낮아지게 됩니다. (그림1-2. 반감기와 붕괴형식과 그림1-3 핵분열생성물의 감쇠을 참조..)

그림1-2.     핵분열생성물 핵종의 반감기와 붕괴형식 도표.

 

그림1-3     핵분열생성물의 감쇠

 2) 붕괴열량 : 

  후쿠시마 1~3호기 붕괴열 추정을 추정해 봅니다.

표-3.   후쿠시마 제1발전소 1~3호기 붕괴열량 추정치

	1호기	2호기	3호기
열출력 (MW)	1,380	2,381	2,381
발열량 (Mcal)	1,186,800	2,047,660	2,047,660
6% 붕괴열 (MW)	82.8	142.8	142.8
6% 붕괴열 (Mcal)	71,208	122,859	122,859
핵연료 중량(t)	69	94	94
1(t)당 붕괴열(Mcalt / t)	1,032	1,307	1,307
우랴늄 비열: (cal/g℃)	0.0275	0.0275	0.0275
열량 공식	Q＝ m×c×△t  = 94(t) x106 x 0.0275 (cal/g℃)  x  △t ℃
우라늄 10C 오르는데 필요한 열량 (Mcal)	1.9	2.6	2.6
400℃->2800℃ 필요열량  (Mcal)	4,554	6,204	6,204
400℃->2800℃ 도달시간(분)	3.84	3.03	3.03
원자로 정지후 냉각수 공급이 중단되면, 핵연료는 급격하게 온도가 상승합니다.

☺ 1kwh = 860Kcal, 1MWh = 860Mcal

☺  핵연료 붕괴열 = 발열량,

발열량 - 증발열(뺏기는 열) = 축적열(쌓이는열)

증발열을 추정하려면, 냉각수 공급량과 온도 그리고 냉각수 경로등 운전데이터가

있어야 하는데 이 데이터가 없어 측적열량을 추론할 수 없음.

   핵연료 멜트다운의 인과관계인 붕괴열을 추정해 용융시점, 용융과정의 형태와 시간,

 등을 알아보려고.. 몇주째 원자로 구성물질, 크기, 무게, 형태, 재질, 금속의 용융점,

 냉각수 상실시간, 냉각수 공급시기와 유량, 원자로 압력과 수위, 상변화 잠열, 열전도율, 비열,등..

 자료을 모으고 대략적인 윤곽을 잡으려 계산을 했는데..

참조-1.     노심 구성재료의 용융점

참조-2.   원자로 주요 구성재료.

   각상수와 변수의 변화가 너무 크고.. 붕괴열에 대한 전산코드가 개발되어 있는데 개인이 접할 수 없고,

   각 구성물질의 용융만 계산해도.. 너무 많은 시간이 소요되고.. 어렵게 계산한 값이

   너무 편차가 커.. 제자신이 신뢰할 수 없는 추정치이라.. 결국 포기했습니다..

 다만, 미국쪽 언론자료와 도쿄전력이 발표한 멜트다운 자료를 근거로 분석을 하겠습니다

  3) 도쿄전력이 발표한 자료 분석.

   도쿄전력이 발표한 노내연료의 붕괴열 변화 그래프을 발표했습니다..

   그래프 세로측 붕괴열 최고점의 수치가 10MW이고.. 가로측 시간이 한칸당 10일로 만들었습니다..   

   솔직히 이 그래프 뭐하려 만들었는지 모르겠습니다..

그래프-1.    도쿄전력이 발표한 노내연료의 붕괴열 변화 그래프.

     제가 계산한 초기 붕괴열은 표-3)에 나오듯 대략 80~140MW 단위입니다..

  10MW을 최고점으로 만들었으니.. 초기의 붕괴열로 인한 핵연료 용융을 추측할 수도 없습니다..

  그리고 가로측 시간단위을 10일 단위로 했으니.. 역시 초기의 변화을 짐작할 수 없습니다.

후쿠시마 원전 사고후 냉각수 상실시점부터. 대략 하루 이틀 사이에 완전 멜트다운이 일어나는데,

시간측도.. 붕괴열 단위도 잘못된 그래프로로는 어떤 추정도 불가능합니다.

  멜트다운 관련 운전 데이터 자료는 도쿄전력이..

원자로 각종 구성물질의 무게, 비열, 원소량, 열적특성, 용융잠열, 이종금속 접촉부위, 등

설계자료와 각종 데이터등 노하우는 후쿠시마 벤더사인 미국의 GE사가 갖고 있습니다..

 도쿄전력과 GE가 함께 협력해야 붕괴열에 대한 멜트다운을 예측, 그에 따른 정확한 대책이 나오고 적절한 사고수습으로 멜트다운을 막을 수 있었습니다..

사고초기, 미국은 전원상실 사고가 나면, 멜트다운이 급속하게 진행됨을 알고 원자로 냉각에대한 제안을 하지만, 일본측이 거부을 했습니다. 자신들이 해결할 수 있다고 오만을 떨었지요.

해수주입 역시 미국이 제안했지만, 일본이 미적 미적 미루다. 때를 놓쳐 멜트다운이  일어났습니다.

   많은 원전전문가들이 전원상실로 인한 멜트다운을 경고하고

  막대한 양의 위험물질의 방사능 유출을 경고하고  최악의 상황을 상정해 사고수습과

  방사능 방호대책을 제대로 하라고 경고했습니다..

   결과는 결국 멜트다운은 일어났고.. 그동안 원전사고에 대한 잘못된 인식으로 잘못된 대응을 해 사고을 더 키웠습니다.

  4) 후쿠시마 원전 사고 시간별 진행상황.

도쿄전력이 발표한 후쿠시마 원전사고 주요상황을 보면,

지진발생 - > 원전정지 -> ECCS(비상노심냉각계통)가동 -> 쓰나미 -> 외부+비상전원상실 -> ECCS정지 -> 핵분열생성물 붕괴열 축적-> 원자로 수위감소 -> 피복재/핵연료손상 -> 멜트다운

 ->수소폭발

이런 순서로 사고가 일어난걸 알 수 있습니다.

 표-3.        도교전력 발표정리                                                        

시    간	1 호기	2 호기	3 호기	4 호기
3월11일 15:01	쓰나미 사고.. 외부전원 + 비상전원상실
3월12일 6시경	완전멜트다운	15시간후
3월12일 15:36	수소폭발
20:30	원자로 해수주입
3월14일 11:01			수소폭발
3시경			완전멜트다운	60시간후
16:54		원자로 해수주입
3월15일 08:02		수소폭발
11:10				수소폭발
20시경		완전멜트다운	101시간후
3월17일 11:31	미국 정부 “일본정부 24~48시간내 사고 원전 통제 불능시                                  사상 최악의 원전 사고 될 것”  경고

완전 멜트다운 시점 15시간~101시간내에 모두 끝났습니다.

-1호기 15시간후,

-2호기 101시간후 ( 4일 5시간후)

-3호기 60시간후 ( 2일 12시간후)

  미국측 대략 2일내.. 유럽쪽 역시 대략 4일정도 시간 소요을 예측했었는데..

   유독,, 원자력 강국이라는 일본만.. 인정을 안했습니다.. 강국은 개뿔…

   일본은 후쿠원전 1~3호기 멜트다운이 이미 끝난 후

 5일이 지난, 3월 16일 14:31에 새로운 송전선 복구 작업을 착수 합니다.

 송전선로 복구는 원전 외부작업으로 사고초기에 해수주입과 함께 가장 먼저 서둘려 작업해야할

 사안인데 늦어도 너무 늦은 대응이고 우선순위를 잘못 판단한 겁니다.

   결국, 일본은 사고초기 사태파악을 잘못 인식해서 해수주입 시기를 놓쳤고, 

 가장 긴박하게 처리할 전원복구를 늦게 해서 멜트다운으로 인한 피해을 더 키웠습니다.

  대표적으로 1호기 수관냉각 방식을 진행해 오염수만 더욱 늘렸습니다.

잘못된 사태파악이 잘못된 보수작업으로 시간, 인력(피폭) 낭비에 오염수 증가까지 제대로 삽질을  한겁니다.

 5월 23일 도쿄전력은 멜트다운을 공식발표하고..

연이어 2,3호기 멜트다운도 발표함으로 그동안 잘못된 원전사고 수습을 스스로 인정하는 꼴이 됩니다.

 1호기는 원자로 용기에 7cm 구멍이 났고 용융된 핵연료가 일부 이 구멍으로 격납용기로 흘려갔다고 추정하고 있습니다..

 아마도, 2,3호기 역시 비슷한 상황일 겁니다.

    과학은 원인과 결과가 분명하기에 거짓말을 안 한다고 합니다.

 후쿠시마 원전사고 역시,(쓰나미-전원상실-노심냉각상실-붕괴열축적-멜트다운-수소폭발-방사능유출)이 원인과 결과로 증명하고 있습니다.

====계속 4. 멜트다운과 재임계 위험성 5. 후쿠시마 멜트다운의 전망과 결론=======