감속재

감속재는 원자로에서 핵분열로 방출되는 고속 중성자를 감속시켜 핵분열 확률을 높이고 연쇄반응을 지속시키기 위해 사용하는 물질로, 원자로 구조의 주요 부분 중 하나이다. 중성자가 핵연료 원자핵에 포획된 후 핵분열이 일어나는 확률은 중성자 에너지가 낮을수록 더 높은 경향을 보인다. 핵분열로 방출되는 중성자는 운동에너지가 대략 1 MeV로 속력이 광속의 5% 정도인 고속 중성자에 해당한다. 이 고속 중성자를 감속시켜 운동에너지가 0.025 eV 정도인 열중성자로 만들면 핵분열 연쇄 반응을 일으키기 쉬워진다.

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중성자를 감속시키는 가장 효율적인 방법은 비슷한 질량의 원자핵과 탄성충돌시키는 것이다. 예를 들어, 질량 @@NAMATH_INLINE@@m@@NAMATH_INLINE@@인 입자가 속력 @@NAMATH_INLINE@@v_i@@NAMATH_INLINE@@로 운동하다 질량 @@NAMATH_INLINE@@m'@@NAMATH_INLINE@@인 정지 상태 입자와 정면으로 탄성충돌하면, 에너지보존법칙과 운동량 보존법칙에 따라 질량 @@NAMATH_INLINE@@m@@NAMATH_INLINE@@인 입자의 나중 속력 @@NAMATH_INLINE@@v_f@@NAMATH_INLINE@@는 @@NAMATH_INLINE@@v_f = (\frac{m+m'}{m-m'})v_i@@NAMATH_INLINE@@가 된다.

중성자는 수소 원자핵인 양성자와 질량이 비슷하므로, 중성자가 정지 상태의 양성자와 정면으로 충돌하면 중성자 운동에너지는 거의 다 양성자에 전해지게 되며, 몇 회의 충돌로 열중성자가 될 수 있다. 만일 부딪치는 원자핵의 질량이 더 커지면 중성자 감속 효과는 더 줄어든다. 하지만 중성자가 양성자와 부딪치는 경우 중수소핵이 만들어질 가능성이 비교적 커서 결과적으로 열중성자 개수가 줄어들 수도 있다. 그러므로 원자핵에 따라 중성자가 부딪쳐 흡수되는 정도를 고려하여 감속재로 사용할 수 있는 물질을 적절히 선택하게 된다.

감속재로 가장 흔히 사용되는 물질은 보통의 물인 경수다. 물 분자 속 수소 원자핵인 양성자가 중성자를 감속하는 데는 최적이나, 중성자와 결합하여 중수소핵을 만들어 중성자 개수를 줄이는 결과를 가져와 연쇄 반응을 일으키는 데는 비효율적이기도 하다. 그러므로 경수를 감속재로 사용하는 경우에는 핵연료로 농축우라늄을 사용하여 연쇄 반응이 쉽게 일어나도록 한다. 경수를 감속재로 사용하는 원자로를 경수형 원자로 혹은 경수로라고 한다.

수소 원자핵 다음으로 중성자 감속 효과가 큰 원자핵은 중수소핵이다. 중수소핵이 들어있는 중수를 감속재로 사용하는 경우, 중수소핵이 중성자를 흡수하지 못하기 때문에 중성자 개수가 줄어드는 단점이 없어서, 천연우라늄을 핵연료로 사용할 수 있다. 중수를 감속재로 사용하는 원자로를 중수형 원자로 혹은 중수로라고 한다.

탄소 원자핵이 중성자를 감속하는 역할을 하도록 흑연을 감속재로 사용하기도 한다, 탄소 원자핵도 중성자를 거의 흡수하지 않으므로 중성자 수가 줄어드는 단점이 없어서, 천연우라늄을 핵연료로 사용할 수 있다. 1942년 미국 시카고 대학에서 제작된 인류 최초의 원자로는 천연우라늄을 연료로 흑연을 감속재로 사용하였다.

탄소 원자핵보다 질량이 작은 헬륨, 리튬, 베릴륨, 보론 원자핵이 들어있는 물질은 감속재로 거의 사용되지 않는다. 헬륨은 감속재 역할을 할 만큼 밀도를 높이기 어렵고, 리튬 6과 보론 10은 중성자를 흡수할 확률이 비교적 높다. 베릴륨과 리튬 7도 그 사용이 아주 제한적이다.

그림 1. 감속재 (출처:한국물리학회)