중성자 감속재

왜 배우는가: 원자로에서 핵분열을 지속시키려면 고속중성자를 열중성자로 낮춰야 하며, 이때 쓰는 감속재의 종류와 특성은 원자로 형식을 가르는 기준이 된다. 발송배전기술사 시험에서는 원자력 발전의 기본 원리 문항으로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 1교시 3번, 제113회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

감속재는 핵분열로 생성된 고속중성자의 운동에너지를 산란으로 줄여 열중성자로 만드는 물질이다.

• 고속중성자
• 열중성자
• 탄성산란
• 감속능
• 감속비
• 중성자 흡수단면적
• 열중성자로

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 감속재는 중성자의 속도를 늦추는 완충 물질이다. 핵분열 직후의 중성자는 빠르게 날아가므로 우라늄 핵에 흡수되어 핵분열을 일으킬 확률이 낮다. 감속재 안에서 중성자가 원자핵과 부딪히면 운동에너지 일부가 핵으로 넘어가고, 중성자는 그만큼 느려진다.

정식으로는 중성자가 원자핵과 산란 충돌하여 에너지를 잃고 열평형 에너지 영역(약 1eV 이하)에 도달하도록 돕는 물질을 감속재라 한다. 감속재가 없는 영역은 약 100keV 이상의 고속중성자 영역이다. 두 영역의 차이가 열중성자로와 고속로를 나누는 기준이다.

감속능은 중성자가 한 번 충돌할 때 평균적으로 잃는 로그 에너지 감소량으로, 감속재가 중성자를 얼마나 빨리 늦추는지를 나타낸다. 감속비는 감속능에 산란단면적을 곱하고 흡수단면적으로 나눈 값이며, 감속재의 실용성을 판단하는 지표다. 감속비가 클수록 적은 양의 감속재로 중성자를 충분히 감속할 수 있다.

감속재의 조건은 두 가지로 요약된다. 첫째, 충돌 한 번에 에너지를 많이 잃도록 원자량이 작아야 한다. 둘째, 중성자를 흡수하는 중성자 흡수단면적이 작아야 연쇄반응에 쓰일 중성자가 줄지 않는다. 이 두 조건을 함께 만족하는 물질로 수소를 포함한 물, 중수소를 포함한 중수, 탄소를 포함한 흑연이 쓰인다.

물은 수소 원자가 많아 감속능이 가장 크지만 흡수단면적도 상대적으로 커서 농축우라늄 연료가 필요하다. 중수는 중수소 흡수단면적이 작아 천연우라늄으로도 임계를 만들 수 있다. 흑연은 원자량이 작고 흡수가 적어 감속재로 쓰이며, 고온가스냉각로처럼 높은 온도에서도 안정적으로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

원자로 연료로 쓰는 천연우라늄에는 핵분열성 U-235가 0.72% 뿐이고 나머지는 U-238이다. 이 상태에서 고속중성자를 그대로 쓰면 U-238이 중성자를 많이 흡수하여 연쇄반응이 유지되지 않는다. 그래서 중성자를 열에너지 영역으로 낮추면 U-235의 핵분열 단면적이 커져 적은 양의 핵연료로도 임계에 도달할 수 있다.

감속재를 쓰면 농축도를 낮출 수 있어 연료비가 줄고 연료 공급 구조가 단순해진다. 경수로가 저농축 우라늄을 쓸 수 있는 이유가 여기에 있다. 반면 감속재를 쓰지 않는 고속로는 핵분열성 핵종 비율과 양을 높여야 하며 중성자 누설도 크다. 따라서 감속재는 열중성자로의 성립 조건이자 원자로 형식을 결정하는 핵심 설계 요소다.

감속재의 필요성은 안전성과도 연결된다. 감속재의 양과 배치는 노심의 반응도 제어에 영향을 주므로 출력 변화와 정지 특성에 직접 관여한다. 감속재가 지나치면 흡수가 늘어 반응도가 떨어지고, 부족하면 감속이 덜 되어 핵분열 효율이 낮아진다. 그러므로 설계자는 감속재의 양과 형상을 노심 구조에 맞춰 최적화해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

감속재는 원자로 노심 안에서 핵분열로 나온 고속중성자의 운동에너지를 원자핵과의 탄성산란으로 줄여 열중성자 영역까지 낮추는 물질이다. 감속은 중성자가 원자핵과 충돌할 때마다 에너지 일부를 넘겨주는 과정으로 이루어진다. 감속재의 구성 원소는 가벼운 원자핵일수록 유리하다. 중성자 한 번의 충돌로 잃는 에너지 비율이 질량수가 작을수록 커지기 때문이다.

감속재의 구성요소를 원소별로 정리하면 다음과 같다.

경수는 감속과 냉각을 함께 맡는다. 중수는 중성자 흡수가 적어 천연우라늄을 쓸 수 있다. 흑연은 고체라서 노심 구조재를 겸하기도 한다.

감속 원리는 다음 절차로 설명한다.

• 핵분열에서 2~3MeV 부근의 고속중성자가 방출된다.
• 감속재 원자핵과 탄성산란을 반복하며 중성자 에너지가 낮아진다.
• 에너지가 낮아지면 충돌이 탄성산란 위주가 되어 감속이 계속된다.
• 열평형 에너지 근처에 도달한 열중성자가 U-235에 흡수되어 핵분열을 일으킨다.

감속 효율은 감속능(ξ, 충돌당 평균 대수 에너지 감소량)과 감속비(ξΣs/Σa)로 나타낸다. 감속능 식은 다음과 같다.

$\xi = 1 + \frac{\alpha}{1-\alpha}\ln\alpha, \quad \alpha = \left(\frac{A-1}{A+1}\right)^2$

여기서 A는 감속재 원자핵의 질량수, α는 충돌 전후 에너지 비에 관한 계수이다. 수소(A=1)는 α=0이므로 ξ=1로 가장 크다. 감속비는 ξ·Σs/Σa로 쓰며, Σs는 거시 산란단면적, Σa는 거시 흡수단면적이다.

PWR 감속재인 경수는 상온에서 냉각재와 같은 물이므로 감속과 열전달이 한 계통에서 이루어진다. 가압중수로 노심은 수평 압력관 안을 중수가 흐르며 감속재와 냉각재를 겸한다.

5. 관련 법령·기준·표준

원자력 감속재의 기준은 원자로 설계 기준과 원자로 형식별 설계 요건으로 정해진다. 국내 원자로는 원자력안전위원회 고시와 원자력 안전 관련 기술기준을 따른다. 구체적 조항 번호는 여기서 다루지 않는다.

감속재별 기준 특성을 표로 정리한다.

중수의 중성자 흡수단면적은 경수보다 매우 작은 것으로 알려져 있다. 감속능은 수소보다 작은 수준이다. 이 두 특성은 중수 감속로가 천연우라늄을 쓸 수 있는 이유가 된다. 경수로가 저농축 우라늄을 쓰는 까닭은 경수의 흡수가 상대적으로 크기 때문이다.

중수 흡수단면적은 경수보다 매우 작다.

중수 감속능은 수소보다 작다.

개정 연혁으로는 흑연감속로가 과거 주류였으나 안전성 문제로 상용 설계에서 줄어든 경과가 있다. 현행 상용 원자로는 경수로와 중수로가 주류다.

6. 유형과 비교

감속재는 원자로 형식에 따라 물질이 달라진다. 가장 많이 쓰는 기준은 감속재와 냉각재의 조합이다. 아래 표는 열중성자로에서 쓰는 주요 감속재를 비교한 것이다.