미국 입자 가속기, 핵폐기물을 전기로 전환해 방사성 수명을 99.7% 감소

Source: Slashdot

가속기 구동 시스템(ADS)으로 핵폐기물 전환

Thomas Jefferson National Accelerator Facility의 연구원들은 고에너지 양성자 빔을 이용해 장수명 핵폐기물을 단수명 동위 원소로 전환하는 Accelerator‑Driven Systems (ADS) 를 발전시키고 있습니다. 이 과정에서 발생하는 큰 열을 활용해 전력을 추가로 생산해 전력망에 공급할 수 있다고 Interesting Engineering에서 보도했습니다.

이 프로젝트는 에너지부 NEWTON(Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now) 프로그램으로부터 8.17 백만 달러의 지원을 받고 있습니다.

ADS 작동 원리

• 입자 가속기가 고에너지 양성자를 표적(예: 액체 수은)에 쏩니다.
• 양성자 충돌로 스팔레이션이 일어나 다량의 중성자가 방출됩니다.
• 이 중성자들이 핵폐기물에 포함된 장수명 동위 원소와 반응하여 가장 위험한 성분을 단수명 동위 원소로 전환, 즉 “소각”합니다.
• 가공되지 않은 연료는 약 100,000 년 동안 위험하지만, ADS를 이용한 분리·재활용을 통해 그 위험 기간을 약 300 년으로 줄일 수 있습니다.

ADS에 대한 추가 배경은 World Nuclear Association 개요를 참고하세요.

기술적 과제: 효율성 및 전력

초전도 공동 냉각

전통적인 가속기는 초전도 공동을 매우 낮은 온도로 유지하기 위해 거대하고 비용이 많이 드는 저온 시스템에 의존합니다. Jefferson Lab은 순수 니오븀 공동 내부를 주석으로 코팅하는 비용 효율적인 대안을 모색하고 있습니다.

• 니오븀‑주석(Nb₃Sn) 공동은 더 높은 온도에서도 작동할 수 있어 맞춤형 대규모 저온 플랜트 대신 일반 상업용 냉각 장치를 사용할 수 있습니다.
• 팀은 또한 중성자 스팔레이션 효율을 높이기 위해 **스포크 공동(spoke cavities)**이라는 복잡한 설계를 개발하고 있습니다.

마그네트론 기반 전원

두 번째 주요 과제는 가속기 빔에 필요한 10 MW 전력을 공급하는 것입니다. 연구원들은 전자레인지에 사용되는 마그네트론을 이 요구에 맞게 개조하고 있습니다.

• 마그네트론의 출력 주파수는 가속기 공동과 정확히 일치해야 하며 805 MHz이어야 합니다.
• Stellant Systems와 협력해 팀은 고출력 임계값에 도달하면서도 최대 효율을 유지할 수 있는 고급 마그네트론을 병렬로 결합하는 프로토타입을 제작하고 있습니다.

전망

NEWTON 프로그램은 향후 30년 이내에 미국 상업용 핵연료 전체를 재활용할 수 있도록 하는 것을 목표로 하며, 이는 핵폐기물 관리 방식을 혁신하고 전력망에 추가적인 청정 전기를 공급할 가능성을 열어줍니다.