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감속재

last modified: 2014-03-01 18:52:57 by Contributors

핵분열시 생성되는 고속 중성자의 속도를 줄여서 연쇄 핵분열이 유지 될 수 있도록 하는 물질.

원자력 발전소의 핵연료로 흔히 사용되는 우라늄에는 우라늄 234, 우라늄 235, 우라늄 238의 3가지 동위원소가 있다. 이 중 235가 핵 분열을 일으켜서 에너지를 창출한다. 핵 분열을 위해서는 중성자가 우라늄에 충돌해 줘야 하는데, 고속 중성자, 즉 속도가 빠른 중성자는 주로 238과 잘 반응한다. 중성자와 반응한 우라늄 238은 플루토늄으로 변환될 뿐, 핵 분열을 하지 않으므로, 에너지를 위해서는 235와 반응하는(정확히는 238이 잡아먹지 않는) 느린 중성자가 필요해진다. 중성자 자체는 핵분열을 통해 계속 생성이 되지만, 한 번의 핵분열이 만들어내는 중성자 중에서 바깥으로 빠져나가거나 다른 원자에 흡수되지 않고 다른 우라늄235 원자핵을 분열시키는 데 쓰인 중성자가 최소 1개 이상이어야만 핵분열의 연쇄가 지속된다. 그러므로 핵분열시 발생된 중성자가 우라늄 235를 분열시킬 확률이 높아지도록 감속시킬 필요가 있고, 원자로에서는 적절한 물질을 우라늄 사이에 집어 넣어 중성자의 속도를 늦춘다. 이 물질이 바로 감속재다.

운동량보존의 원리에 따르면, 중성자에 비해 부딪히는 원자핵의 질량이 무거울수록 튕겨나가는 중성자는 원래의 속도를 더 많이 간직하게 된다. 그러므로 가벼운 원자핵이 감속능력이 좋다. 물론 이 원자핵이 중성자를 포획하지 않는다는 조건도 필요하다.

중성자를 흡수하지 않으면서 원자량이 작은 중수흑연이 주로 쓰인다. 경수(일반적인 물)는 수소원자핵의 질량은 작지만 중성자를 어느정도 흡수하기 때문에 비교적 나쁜 감속재이다. 따라서 천연우라늄도 사용할 수 있는 중수 원자로와는 달리 경수 원자로는 반드시 저농축 우라늄을 사용해야 한다.

감속재는 원자핵반응을 촉진시키는 물질이므로 감속재가 소실되면 핵반응은 꺼진다. 그러므로 경수/중수로는 사고 등으로 감속재가 소실되면 원자핵반응이 멈춘다. 반면 흑연은 매우 열에 강한 물질이며 고체이기 때문에 일이 잘못되면 원자로가 폭주할 가능성이 남는다. 대표적인 것이 체르노빌 발전소 사고.[1]

고속증식로에서는 우라늄 238을 플루토늄으로 바꾸고 플로토늄을 핵 분열 시키기 때문에 감속재가 필요하지 않다. 아니 있으면 증식(우라늄 238이 중성자를 흡수해 플루토늄이 되는 작용)이 일어나지 않아 사용할 수 없게 된다. 이로인해 증식로에서는 중성자를 감소시키는 물 대신 다른 냉각재(액체 나트륨 등)를 사용하게 된다.
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  • [1] 물론 경수/중수로는 반대로 감속재가 냉각재를 겸하고 있으므로, 감속재가 소실되면 원자로가 냉각되지 않아, 핵분열 생성물이 내는 막대한 방사능이 초래하는 열을 식힐 수 없게 된다. 이렇게 해서 문제가 된 것이 후쿠시마 원전 사고.
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