원자로

우주선에서 가장 복잡한 부품 중 하나는 원자로이다.

원자로의 체렌코프 효과

핵분열은 화학 반응들보다 약 600000배 이상의 에너지 밀도를 갖고 있다. 우주에서 질량은 곹 돈과 같기 때문에 에너지 밀도는 아주 중요하다. 대부분의 함선들이 원자로를 사용한다.

*이번에 착륙한 화성 탐사선 퍼서비어런스에도 RTG(Radioisotope Thermoeletric Generator, 방사성 동위원소 열전기 발전기) 가 달려있다. rps.nasa.gov/power-and-thermal-systems/thermal-systems/general-purpose-heat-source/

 

방사성 동위원소가 붕괴하면서 생기는 에너지(열)은 화학 연료보다 에너지 밀도가 15000배 높다. 그래서 드론이나 미사일들에 방사성 동위원소 열전기 발전기가 쓰이는 것이다. 더 적은 전력을 필요로 하는 우주선에는 배터리가 들어간다.

 

화학 에너지로 적당히 사용할 정도의 전력을 얻기 위해서는 엄청난 양의 질량이 필요하다. 아까 말했듯이 우주에서 질량은 곧 돈이므로 우주선의 전력 공급원으로는 아주 부적합하다.

ISS의 태양 전지판, 태양과의 거리에 따른 발전량 차이가 크다.

태양 전지는 태양과의 거리에 따라 효율성이 크게 달라진다.(목성에서는 지구 주변에서 받는 태양 에너지의 1/30만 받는다) 태양 전지판은 라디에이터만큼이나 방호하기 힘들고 우주 전투함의 전력 공급원으로는 부족하다.

 

레이저 빔 등으로 외부에서 전력 공급을 받는 것은 송신기의 거리가 멀어질수록 비효율적이므로 우주선의 활동 반경을 천체 주위로 한정시킨다. 여러 개의 거울을 사용해서 반사시키더라도 문제를 피할 수는 없다. 빔 수신기도 외부 충격에 취약하므로 손상되기 쉽다.

핵융합 발전은 여기 있는 모든 다른 방법들을 필요없게 만들 정도로 좋지만, 너무 먼 미래의 이야기이다. 생산하는 에너지의 양이 문제가 아니라 라디에이터와 같은 부속품들이 지나치게 커지기 때문에 현존하는 핵발전기들과 장단점이 비슷할 것이다.(핵발전기의 상위호환은 맞다)

게임에서 핵발전기의 성능은 Six Factor Formula에 의해 결정된다. 이 공식은 effective neutron multiplication factor을 결정한다.(유효 중성자 증식 요인) 원자로 내의 연료부터 감속재, 중성자 흡수재(제어봉), 냉각수, 원자로의 특성까지 이 공식에 반영되어 있다. 그래서 이 공식을 사용하면 원자로를 어떻게 제어하고 끄거나 켤 지 마이크로초 단위로 알 수 있다.

 

원자로에서 중성자 선속은 제어될 수 있다. 중성자 선속은 원자로가 낼 수 있는 온도를 결정한다. 원자로는 중성자 선속을 조절해서 출력을 조절할 수 있다.

 

원자로는 우라늄-235 등의 연료에 제약받지 않는다.(플루토늄-238, 아메리슘-242m 등등) 원자로 내부에서 원자로 연료의 양은 다른 요소들에 비해 작다. 3%으로 농축된 우라늄-235가 원자로의 연료로 적합한 이유이기도 하다. 반대로 핵무기에서는 97%로 농축된 우라늄을 사용한다.

 

원자로의 출력을 제한하는 것은 원자로가 얼마나 많은 열을 버틸 수 있는지이고, 이것은 원자로의 크기와 관련이 있다.(원자로가 클수록 열을 많이 저장할 수 있다) 연료 펠릿의 모양도 차이를 준다. TRISO같은 연료는 Pebble Bed Reactor과 같은 높은 온도를 버틸 수 있는 원자로를 가능하게 한다.

TRISO 펠릿

온도가 문제가 되는 이유는 에너지 밀도가 너무 높아서 원자로가 아주 적은 연료량이라도 그 안의 모든 에너지를 모두 풀게 되면 녹아버리기 때문이다. 원자로의 설계는 녹아내리지 않으면서도 소량의 핵연료에서 얼마나 많은 에너지를 빼낼 수 있는지에 달려있다. 원자로의 설계에서 연료의 양은 출력량과 관계가 없고, 핵연료의 임계 질량과 관련이 있다.(출력은 아주 높으니까 핵반응을 통제하려면 연쇄적으로 핵반응(핵폭탄)이 일어나는 정도인 임계 질량 이하의 질량으로 핵연료를 조절해야 제어가 가능하다.)

CANDU 원자로용 연료봉

이러한 이유로 낮은 에너지 밀도의 핵에너지를 사용해도 큰 문제가 없다. 다들 너무 많은 열을 만들어낸다. 연료의 종류가 주는 차이는 중성자 증배 계수(neutron multiplication factor)에 달려 있다. Am-242m같은 연료는 더 쉽게 임계 질량에 도달하지만, 더 적은 양의 연료로도 작동할 수 있다. 연료를 잘 선택하면 같은 출력으로도 더 작은 원자로를 만들 수 있다.

 

실제로는, 라디에이터의 크기가 원자로의 크기를 제한한다.

 

단순히 핵물질 덩어리로 중성자와 방사성 폐기물을 내뿜는 기계를 만드는 것은 전력 생산을 하지 못한다. 핵물질들로부터 열을 뽑아내야 전력을 생산할 수 있다. 이것을 위해 여러 가지 방법들이 고안되었다.

터빈 발전기

Turboelectric Fission Reactors(원자로 증기터빈 발전)는 중성자가 냉각수를 가열하게 하고, 증발한 냉각수의 증기로 발전기를 돌린다. 이 방법이 가장 보편적이고, 거의 모든 원자로가 이 방법을 사용한다. 에너지를 효과적으로 뽑아낼 수 있게 하는 커다란 터빈과, 냉각수, 냉매(바닷물이나 강물같은 것들), 여러 가지 기계 장치들이 필요하다. 크기가 아주 크고 복잡하기 때문에, 어느 정도 준비 시간이 필요하고 우주선에 쓰이지 않는다.

증기터빈 발전 방식은 열기관이기 때문에 카르노 기관 이상의 효율성을 얻을 수 없다.

카르노 기관의 효율성: $\eta = 1 - T_c/T_h$ (T_c는 차가운 부분의 온도, T_h는 따뜻한 부분의 온도)

 

그러나 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 낮은 온도의 폐열이 배출된다면, 라디에이터의 크기는 커져야 한다. 차가운 라디에이터와 원자로는 많은 질량을 차지한다. 뜨거운 라디에이터와 원자로는 열 응력을 견디기 위해 낮은 온도로 유지되게 하거나, 튼튼하게 설계되야 한다.

위에 예시로 만든 원자로는 1688K -> 1200K이다. 위의 공식에 따르면, 원자로의 최대 효율은 29%이지만, 실제 원자로는 22%의 효율로 작동한다.

 

지구에서는 바닷물이나 강물 등의 거의 무한한 냉각재를 써서 원자로들이 60%의 효율성으로 작동한다. 그러나 우주에서는 라디에이터의 크기를 늘릴수록 우주선에 부담이 되기 때문에 보통 1000K 이상의 온도로 열을 배출한다.

SNAP-10A 열전기 발전 원자로, 인공위성용 발전 원자로로 1960년대에 개발되었다.

en.wikipedia.org/wiki/SNAP-10A: SNAP-10A

Thermoelectric Fission Reactors(핵 열전기 발전기) 도 열기관의 한 종류이다. 냉각재를 터빈에 보내는 대신, 열전대로 보낸다. 그래서 더 적은 기계들이 필요하고, 더 가볍고 작게 만들 수 있다. 그러나 증기터빈 방식보다 효율성이 많이 떨어진다. 우주에서는 가볍고 간단한 구조로 이 방식이 더 많이 쓰인다.

TOPAZ 핵발전기, 소련이 1980년대에 만들었다.

en.wikipedia.org/wiki/TOPAZ_nuclear_reactor: TOPAZ 발전기

Thermionic Fission Reactors(열전자 발전기)는 열을 이용하여 전하 운반자(전자같은 것들)를 에너지 장벽 너머로 이동시켜서 발전하는 방식이다.(잘 모르겠다.) 대략 위의 열전기 발전기랑 비슷하게 작동한다고 보면 된다. 그리고 용도 또한 비슷하다.

 

Fission Fragment Reactors(핵물질 발전기)는 냉각재를 쓰지 않는다. 대신 자기유체역학발전을 사용하여 중성자와 핵물질들로부터 전기를 얻는다. 카르노 기관이 아니기 때문에 90%이상의 효율을 낼 수 있다. 그러나 거의 발전하지 않은 분야이며 실제로 제작된 적이 없다.

이 게임에서는 실제로 작동하는 기술만읃 구현할 것이기 때문에 핵발전기는 열기관의 형태로 제한된다. 카르노 기관이기 때문에 열효율은 찬 부분의 온도(라디에이터의 온도)로 제한된다.

 

그러므로 원자로에서 가장 큰 부분은 라디에이터일 것이다. 그 다음으로 큰 것은 발전기일 것이다. 그러나 원자로의 아주 작은 부분인 핵물질은 전체 원자로에서 가장 높은 비용을 차지할 것이다.

 

출처: childrenofadeadearth.wordpress.com/2016/07/27/supercriticality/