부문
고등학교
팀명
체르노빌
지역
인천광역시 / 부평구
제목
신기술,신소재와 결합한 뉴 원전
제안동기 및 목적
화석연료를 과다하게 사용하여 발생한 생태계 문제가 주목받으면서 신재생 에너지의 활용이 대두되고 있다. 그러나 우리나라의 경우, 70% 이상이 산지로 이루어져 있기 때문에 신재생 에너지를 주 에너지원으로 사용하는 것은 어려워 보인다. 현재 안전이 제대로 보장되지 않아 원전을 폐지해야 한다는 여론과 원전만큼 효율성 높고 깨끗한 발전이 없어 원전을 유지해야 한다는 여론이 부딪히고 있다.
기존 원자력 발전소의 문제 중 하나는 원전사고가 났을 때, 우라늄 235의 방출이 중단이 되지 않아서 우라늄235가 계속 새어나왔던 것이다. 이렇게 될 경우 우라늄이 유출되는 양이 많다는 문제도 있었다. 우리가 조사한 바로는 사이클로트론 기기를 이용하여 가속시킨 입자를 이용하여 토륨232를 베타붕괴시켜 우라늄235로 만드는 방법이 있다고 한다. 이 방법은 원전사고가 났을 때, 소량을 제외하고는 가속기가 중단되어 추가적인 우라늄 생산이 진행되지 않기에 기존 원자로에 비하여 사고 시 안전을 보장할 수 있다. 우리는 안전과 더불어 본질이 발전소이므로 사이클로트론 기기를 더 효율적이게 개선시킬 수 있는 방법이 있을지에 대하여 고민하게 되었다.
두 번째로 원전 사용 후에는 처리가 어려운 고준위 방사성 폐기물을 많이 배출하는데 자연처리를 하려면 시간도 길게 걸릴 뿐만아니라 공간도 많이 차지하여 원자력 발전을 기존의 방식대로 계속 사용한다면 미래세대의 인류에게 큰 부담이 될 것이다. 그래서 핵연료를 기술적으로 처리하는 것은 우리세대에서 중요하다고 생각하였다. 우리는 신기술 중 하나인 재순환처분기술(파이로 프로세싱-고속로) 에 집중하였다. 그러나 재순환처분기술에도 세슘과 스트론튬같은 고방열원소의 보관문제나 고속로의 안전성(사고 가능성)이 지적받는다. 그래서 우리는 신소재나 고속로 관련 기술들을 이용하여 이러한 문제점들을 해결할 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.
따라서 우리는 사이클로트론과 재순환 처분기술을 이용하여 환경을 지키면서도 안전하고 효율좋은 신-원전을 설계하고자 한다.
제안내용
사이클로트론의 효과를 올리기 위하여 원을 더 분할하여 시간과 에너지적으로 이득을 얻을 수 있고, 3중용기를 이용하여 재순환처리기술에서 세슘과 스트론튬이 지하수로 침출되는 것을 막으며 납-비스무트 고속로 기술을 소듐냉각고속로를 대체할 가능성을 제시하였습니다.

길이 제한에 의하여 파일로 자세한 내용을 제출하였습니다.



첨부파일 사이클로트론 아이디어 탐구 최종 파일이 네트워크 문제가 생겨서 PC방가서 하느라 늦었습니다. 죄송합니다.
선행연구 검토
납 비스무트 고속로 관련
https://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwi97arbqcPxAhWGwpQKHZ51DvoQFjAFegQIDxAD&url=https%3A%2F%2Fwww.reseat.or.kr%2Fportal%2Fcmmn%2Ffile%2FfileDown.do%3FmenuNo%3D200019%26atchFileId%3Da46148bf3659425383056d0af46f2f1f%26fileSn%3D1%26bbsId%3D&usg=AOvVaw3OqOkxzl0xrya7pppVDeKs

기존 용기는 스테인리스 스틸 재질이지만 새로운 용기는 납 철 SR-50A등의 재질을 사용하여 기존보다 더 높은 방사능 차폐성과 안전성이 있다

입자가속기는 가속기의 형태, 시간의 성질, 입자의 종류등에 따라 분류된다.
원자력 발전 시 활용되는 사이클로트론은 양성자 가속기이며 원형 가속기로, 전기장을 걸어준 틈 사이에서 전기력에 의해 가속을 받으며 전기장이 걸리지 않은 반원 금속전극에서는 등속 원운동을 하게 된다.
양성자 가속기로는 미국, 중국, 영국, 스위스 등에서 연구가 진행중이며 현재 가속 입자의
포커싱 성능이 향상된 사이클로트론 용 dee 전극 장치가 개발 중에 있다. 이외에도 자기장을 측정할 수 있는 사이클로트론이나 탈부착이 가능한 사이클로트론 전자석이 현재 특허를 받은 상태이다.
우리는 이러한 선행연구를 바탕으로 틈의 개수를 늘리고, 불필요한 에너지 손실을 줄여 더 효율적인 사이클로트론을 제작하기 위한 아이디어를 설계하였다.
용도 및 효과
등속원운동을 하는 영역에서 전자기파 발생에 의하여 에너지의 손실이 생긴다면 가속시키는 구간간의 간격을 줄여서 등속원운동 하는 부분을 줄임으로써 에너지 손실을 줄이는 이득을 얻을 수 있다. 그리고 원을 잘게 나누고 입자가 지나가는 부분에만 전기장을 주게끔 설계함으로써 전압을 거는데 에너지가 덜 소모되고 한 입자를 원하는 속도까지 올리는데에도 시간이 덜 걸리므로 제곱에 비례하는 효율이득을 볼 수 있을 것으로 전망한다. 발전소의 효율 증가에 기여할 수 있을 것이다.

기존 용기 대비 방사능 차폐성과 내식성 그리고 내구도를 개선하였기에 세슘과 스트론튬이 지하수로 침출되는 것을 막을 수 있으며 안전성이 보장된 용기는 방사성 폐기물 처리장 주변지역 주민들의 반대 또한 줄일 수 있다. 그리고 납-비스무트 냉각제를 사용한 고속로는 냉각재-void시의 안정성이나 물반응,산소반응시의 안정성이 기존 소듐냉각고속로에 비해 고준위 폐기물 연소에 유리하다는 장점이 있다.

3중용기로 안정성을 높이고 사이클로트론의 개선으로 효율을 높이고 화재등의 위험이 적은 납-비스무트 고속로를 사용한다면 사회적으로 받아들여짐과 동시에 더욱 활용도가 좋은 원전이 될 것이다.
작성일
2021-06-30 02:09:24