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연쇄반응
연쇄반응이 일어나기 위해서는, 각각의 핵분열 과정에서 또다른 분열을 일으킬 수 있는 중성자가 적어도 1개 이상 방출되어야 한다.
이러한 조건이 형성되기 위해서 많은 수의 중성자가 방출되어야 하는데 그 이유는 중성자 중 많은 수가 연쇄 반응계를 이탈하고, 또 원자와 충돌한 중성자 가운데 일부는 분열을 유발하지 않고 원자에 그대로 흡수되어 버리기 때문이다.
자연에서 발견되는 원자 중에서 핵연쇄반응을 유지할 능력을 갖춘 유일한 원자는 우라늄의 희소 동위원소인 235U이다(우라늄 235). 일반적으로 자연산 우라늄의 대부분은 그들의 핵내에 중성자와 양성자를 합해서 238개의 입자를 담고 있으며, 235개의 입자를 가진 원자는 약 1/140의 확률로 존재한다.
235U는 중성자와 충돌할 때 일반적으로 쉽게 분열된다. 고속의 중성자는 원자에 아무런 영향도 주지 않고 통과하는 경향이 있기 때문에, 중성자가 상대적으로 느린 속도로 움직일 때 분열이 보다 더 잘 일어난다. 핵분열로 생성된 중성자는 높은 속도를 가지므로 연쇄반응을 촉진시키는 한 가지 길은 그들을 감속시키는 방법을 찾는 것이다. 연쇄반응이 발생할 확률을 증가시키는 또다른 방법은 '농축'(enrichment)이라는 과정을 통하여 핵연료 중의 235U의 비율을 높이는 것이다.
충분히 농축을 하면 중성자의 감속 없이도 연쇄반응이 일어날 수 있다. 또다른 연쇄반응 촉진방법으로는 원자로의 노심(爐心)을 크게 만들어 노심 경계 밖으로 빠져나가는 중성자의 수를 최소화하는 것이다. 특정한 형태의 원자로에서 연쇄반응이 일어날 수 없는 한계치인 '임계크기'(critical size)가 존재하는데, 이 임계크기는, 235U의 농축도를 증가시킴으로써 감소되며 또한 원자로 주위에 반사체를 설치함으로써 감소될 수도 있다.
반사체란 중성자들을 다시 노심 안으로 반사시키는 물질이다. 끝으로, 비핵분열성(nonfissionable) 원자에 의해 포획되는 중성자의 수가 최소화될 경우에 연쇄반응은 보다 쉽게 유지된다. 어떤 종류의 원자들은 중성자, 특히 느린 중성자를 쉽게 포획한다. 이런 종류의 원자들로 이루어진 물질은 가능한 한 피해야 한다.
우라늄 중 비핵분열성인 238U은 중성자, 특히 중간 속도의 중성자들을 핵분열 없이 흡수한다. 238U이 고속 중성자를 흡수할 때는 분열이 일어나지만, 그 가능성은 매우 낮아서 그러한 방식으로 보충된 중성자의 수는 연쇄반응의 발생에 아주 작은 기여를 할 뿐이다(우라늄 238).
감속
중성자의 속도를 늦추는 과정을 감속이라 한다.
이 과정에서, 중성자 흡수 단면적(cross section)이 작고 가벼운 원자로 이루어진 감속재가 사용된다. 단면적이란 중성자가 원자핵과 반응하기 위해서는 반드시 통과해야 하는 원자핵 주위의 면적이라고 할 수 있다. 중성자가 감속재 안으로 방출되면, 그들은 한 원자로부터 다른 원자로 튀어나가는데, 이때 당구공의 충돌에서와 같이 충돌 과정중에 중성자는 자신의 속도를 잃게 된다. 이러한 작용은 중성자와 충돌하는 원자로의 크기가 작고 중성자를 흡수하지 않을 때만 일어난다.
예를 들어 중수소의 경우, 원자량이 작아 단지 중성자의 2배이며 흡수 단면적 역시 작기 때문에 매우 뛰어난 감속재이다. 수소는 질량의 측면에서는 중수소보다 좋지만, 흡수 또는 포획 단면적이 중수소보다 더 크다.
중성자의 감속
만약 238U이 원자로 노심에 포함되어 있다면, 238U이 중속 중성자에 대해 상대적으로 높은 흡수 단면적을 가지고 있으므로, 원자로 노심은 때때로 우라늄을 긴 봉의 형태로 만들어 감속재 안에 일정한 간격으로 배치하여 격자 형태를 갖추어야 한다.
이러한 방식은, 핵연료가 불연속적인 여러 개의 봉이나 판의 형태로 배치되는 비균질 원자로형(heterogeneous reactor)으로 귀결되는데, 이렇게 함으로써 방출된 고속 중성자는 빠르게 우라늄 영역을 탈출하고, 다시 연료봉으로 들어가기까지 감속재 안에서 충돌을 거치게 된다. 그리하여 중성자 속도는 238U 원자에 의해 포획될 기회가 낮은 수준까지 줄어들고, 반면에 235U 원자에 포획되는 기회는 늘어나게 된다.
원자로 제어
만일 연쇄 반응이 너무 빠른 속도로 진행된다면, 열이 과다하게 방출될 수 있다.
반응을 제어하기 위해 중성자 흡수 단면적이 큰 카드뮴이나 붕소와 같은 물질을 봉의 형태로 노심에 삽입하는데 이것을 제어봉이라 한다. 이들 봉을 제거하면 노심의 반응도는 증가하며 제어봉을 가능한 한 깊이 삽입했을 때, 반응은 완전히 정지되고 더 이상의 연쇄반응이 방지된다. 제어의 또다른 방법은 연료의 양을 변화시키는 것으로, 이 경우 연료봉을 제거하면 반응도가 저하된다. 반응의 제어는 반사체나 감속재의 양을 조절함으로써 얻어질 수도 있다.
열 제거
원자핵분열은 열의 형태로 에너지를 방출한다.
만약 원자로 내의 핵분열이 일어나는 속도가 낮게 유지된다면, 노심은 매우 천천히 데워질 것이고, 열을 제거하기 위한 어떤 특별 설비도 필요치 않을 것이다. 반면에 높은 출력하에서는 노심 안쪽에 열제거 계통의 설치가 필요하다. 이러한 냉각계통을 위해서는 물이나 기체 또는 액체 금속과 같은 냉각유체가 노심을 관통해 흐르게 된다. 이 유체는 중성자가 너무 많이 흡수되지 않도록 하기 위해서 알맞은 핵 특성을 지녀야 하며, 또한 적절한 유동 특성과 열전달 특성을 지녀야 한다(냉각장치).
차폐
원자로 근처의 사람을 방사선으로부터 보호하기 위해 노심 주위에 차폐물이 설치된다.
이 차폐물은 원자로 주변에 두꺼운 콘크리트 구조로 되어 있으며, 핵분열과 분열 파편으로부터 방출되어 누출되는 중성자와 감마선을 효과적으로 흡수하기 위하여 납이나 강철 같은 중금속을 포함하기도 한다. 요구되는 차폐의 양은 원자로가 운전되는 출력 수준과 방사선 분열 파편이 축적되는 시간에 따라 달라진다. 차폐는 방사선에 의해 물리적 성질이 변화하는 여러 가지 물질을 보호하기 위해 사용되기도 한다.
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