붕괴열

섬네일|right|150px|열 격리 시험 후 플루토늄-238 산화물의 방사성 붕괴로 발생하는 열 때문에 붉게 빛나는 RTG 펠릿
붕괴열()은 방사성 붕괴의 결과로 방출되는 열이다. 이 열은 물질에 대한 방사선의 영향으로 생성된다. 알파, 베타 또는 감마선 방사선의 에너지는 원자의 열운동으로 전환된다.

붕괴열은 지구 형성 때부터 존재했던 수명이 긴 방사성 동위 원소의 붕괴로 자연적으로 발생한다.

원자로 공학에서 붕괴열은 원자로가 정지되고(SCRAM 및 핵 연쇄 반응 참조) 발전이 중단된 후에도 계속 생성된다. 아이오딘-131과 같이 핵분열로 생성된 수명이 짧은 방사성 동위 원소의 붕괴는 정지 후에도 한동안 높은 전력으로 계속된다. 새로 정지된 원자로에서 열이 발생하는 주요 원인은 핵분열 과정에서 핵분열 조각에서 새로 생성된 새로운 방사성 원소의 베타 붕괴 때문이다.

정량적으로, 원자로 정지 시점에 이러한 방사선원에서 발생하는 붕괴열은 원자로가 길고 안정적인 출력 이력을 가졌다면 이전 노심 출력의 6.5%에 해당한다. 정지 후 약 1시간이 지나면 붕괴열은 이전 노심 출력의 약 1.5%가 된다. 하루가 지나면 붕괴열은 0.4%로 떨어지고, 일주일이 지나면 0.2%에 불과하다. 모든 반감기 길이의 방사성 동위 원소가 방사성 폐기물에 존재하기 때문에, 사용후핵연료봉에서는 계속해서 충분한 붕괴열이 생성되어 추가 처리 전에 최소 1년, 보통 10~20년 동안 사용후핵연료 저장조에 보관해야 한다. 그러나 이 기간 동안 생성되는 열은 정지 후 첫 주에 생성되는 열의 극히 일부(10% 미만)에 불과하다.

손상되어 새로 정지된 원자로에서 붕괴열을 제거하는 냉각 시스템이 작동하지 않으면, 붕괴열로 인해 원자로 노심 온도가 몇 시간 또는 며칠 내에 안전하지 않은 온도에 도달할 수 있으며, 이는 노심 유형에 따라 달라진다. 이러한 극심한 온도는 경미한 연료 손상(예: 흑연 감속 가스 냉각 설계에서 소수의 연료 입자 고장 (0.1~0.5%)) 또는 경수로 또는 액체 금속 고속로에서 심각한 노심 구조 손상(노심 용융)으로 이어질 수 있다. 손상된 노심 물질에서 방출된 화학 물질은 추가적인 폭발 반응(증기 또는 수소)을 유발하여 원자로를 더욱 손상시킬 수 있다.

 자연 발생 
자연적으로 발생하는 붕괴열은 지구 내부 열 수지에 중요한 역할을 한다. 우라늄, 토륨 및 칼륨의 방사성 동위 원소는 이러한 붕괴열의 주요 기여자이며, 이 방사성 붕괴는 지열 에너지의 주요 열원이다.

붕괴열은 천체 물리학 현상에서 중요한 의미를 갖는다. 예를 들어, Ia형 초신성의 광도곡선은 니켈과 코발트의 철로의 붕괴에서 발생하는 방사성 생성물에 의해 공급되는 것으로 널리 알려져 있다(Ia형 광도곡선).

 정지 중인 원자로 
섬네일|두 가지 다른 상관관계를 사용하여 시간 0에서 최대 출력에서 SCRAM된 원자로의 최대 출력 비율로 나타낸 붕괴열
일반적인 핵분열 반응에서 187 MeV의 에너지는 핵분열 생성물에서 발생하는 운동 에너지, 핵분열 중성자에서 발생하는 운동 에너지, 즉각적인 감마선, 또는 중성자 포획에서 발생하는 감마선 형태로 즉시 방출된다. 핵분열 핵분열 생성물의 베타 붕괴로 인해 핵분열 후 일정 시간 동안 추가로 23 MeV의 에너지가 방출된다. 핵분열 생성물의 베타 붕괴로 방출되는 에너지 중 약 10 MeV는 중성미자 형태이며, 중성미자는 매우 약하게 상호 작용하므로 이 10 MeV의 에너지는 원자로 노심에 침적되지 않는다. 이로 인해 주어진 핵분열 반응이 발생한 후 일정 시간 동안 핵분열 생성물의 지연된 베타 붕괴로 인해 13 MeV(총 핵분열 에너지의 6.5%)가 원자로 노심에 침적된다. 정상 상태에서 지연된 핵분열 생성물 베타 붕괴로 인한 이 열은 정상 원자로 열 출력의 6.5%를 차지한다.

원자로가 정지되고 대규모 핵분열이 발생하지 않을 때, 열 발생의 주요 원인은 이러한 핵분열 생성물(핵분열 파편에서 기원)의 지연된 베타 붕괴 때문이다. 이러한 이유로, 원자로 정지 시점에 붕괴열은 원자로가 길고 안정적인 출력 이력을 가졌다면 이전 노심 출력의 약 6.5%가 될 것이다. 정지 후 약 1시간이 지나면 붕괴열은 이전 노심 출력의 약 1.5%가 된다. 하루가 지나면 붕괴열은 0.4%로 떨어지고, 일주일이 지나면 0.2%에 불과하다. 붕괴열 생성률은 시간이 지남에 따라 서서히 감소할 것이다. 붕괴 곡선은 노심 내 다양한 핵분열 생성물의 비율과 해당 반감기에 따라 달라진다. 

정지 후 10초에서 100일 사이의 붕괴열 곡선에 대한 근사치는 다음과 같다.

여기서 는 원자로 가동 이후 시간, 는 시간 에서의 출력, 는 정지 전 원자로 출력, 는 가동 이후 원자로 정지 시간(초 단위)이며, 따라서 는 정지 이후 경과 시간이다.

보다 직접적인 물리적 기반을 가진 접근 방식을 위해, 일부 모델은 방사성 붕괴의 기본 개념을 사용한다. 사용후핵연료는 붕괴열에 기여하는 많은 수의 다른 동위 원소를 포함하고 있으며, 이들 모두는 방사성 붕괴 법칙을 따른다. 따라서 일부 모델은 붕괴열을 다양한 붕괴 상수와 열 발생률에 대한 초기 기여도를 가진 지수 함수의 합으로 간주한다. 보다 정확한 모델은 전구체의 효과를 고려할 것이다. 왜냐하면 많은 동위 원소가 붕괴 사슬에서 여러 단계를 따르며, 딸핵의 붕괴는 정지 후 더 오래 지속될수록 더 큰 영향을 미칠 것이기 때문이다.

붕괴열 제거는 특히 정상 정지 직후 또는 냉각재 상실사고 발생 시 중요한 원자로 안전 문제이다. 붕괴열을 제거하지 못하면 원자로 노심 온도가 위험한 수준으로 상승할 수 있으며, 스리마일섬 원자력 발전소 사고 및 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고를 포함한 원자력 사고를 유발했다. 열 제거는 일반적으로 여러 개의 중복되고 다양한 시스템을 통해 이루어지며, 열은 열 교환기를 통해 제거된다. 물은 필수 급수 시스템을 통해 열 교환기의 2차측으로 통과되어 '최종 열 흡수원', 즉 종종 바다, 강 또는 큰 호수로 열을 방출한다. 적절한 수역이 없는 곳에서는 냉각탑을 통해 물을 재순환시켜 열을 공중으로 방출한다. ESWS 순환 펌프의 고장은 1999년 블레아이스 원자력 발전소 홍수 시 안전을 위협한 요인 중 하나였다.

 사용후핵연료 
1년 후, 일반적인 사용후핵연료는 미터톤당 약 10 kW의 붕괴열을 생성하며, 10년 후에는 약 1 kW/t로 감소한다. 따라서 사용후핵연료에 대한 효과적인 능동 또는 수동 냉각은 수년간 필요하다.

 같이 보기 
 붕괴 에너지
 사용후핵연료 저장조
 건식 저장
 방사성동위원소 열전기 발전기

 각주 

 외부 링크 
 DOE fundamentals handbook - Decay heat, Nuclear physics and reactor theory - volume 2 of 2, module 4, page 61
 Decay Heat Estimates for MNR, page 2.
 Spent Nuclear Fuel Explorer Java applet showing activity and decay heat as a function of time

분류:핵기술
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