임계(Criticality)와 연쇄 반응(Chain Reaction) 알아보기

임계(Criticality)와 연쇄반응(Chain Reaction)은 핵물리학과 핵공학에서 중요한 개념입니다. 원자로 설계에서 고려하는 가장 기본 개념입니다. 너무 빠른 핵분열 반응은 산업계에서는 원치 않습니다. 적절한 수준으로 유지되는 핵분열 반응이 필요합니다. 이에 사용되는 개념인 임계와 연쇄반응에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

임계(Criticality)란?

핵분열 반응도가 늘어나거나 줄어들지 않고 일정한 양으로 유지되는 현상입니다. 

 

임계상태 

임계는 핵분열 반응이 줄어들거나 늘어나지 않는 상태를 말합니다. 원자로나 핵물질이 핵분열 반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 양을 가지면 임계상태에 도달합니다. 이는 중성자의 평균 생성수가 1인 상태로, 원자로의 평균 중성자 생성수가 일정 이상이 되어야 핵분열 반응이 지속될 수 있습니다. 즉, 시간에 따라 핵분열 수가 감소하거나 증가하지 않는 상태이며, 핵분열을 일으키기 위해 소멸되는 중성자 수와 핵분열에 의해 생성되는 중성자 수가 같은 상태를 의미합니다. 원자로가 동일 출력을 유지하기 위해서는 임계상태여야 합니다. 

 

임계질량 

핵물질이나 원자로에 사용되는 연료가 임계질량 이상이 되면 임계상태에 도달하게 됩니다. 임계질량은 핵분열 반응을 유발하기에 충분한 양의 핵연료를 가리킵니다. 임계 질량보다 적은 경우에는, 임계 상태에 일시적으로 도달하더라도 시간이 지나면 핵분열 반응이 감소하게 됩니다. 임계상태가 일시적으로 도달되었어도, 임계질량 보다 많은 양이 있으면 핵분열 반응은 증가하게 됩니다.  

 

임계조절 

원자로에서는 핵분열 반응을 제어하기 위해, 제어물질을 사용합니다. Control Rod를 사용하여, 중성자의 흡수를 조절함으로써, 임계 조절이 가능합니다. 

 

즉발중성자와 지발중성자 

즉발중성자 : 바로 생성되거나 방출되는 중성자를 나타냅니다. 핵분열과 같은 핵반응에서 핵이 분열할 때, 대부분 중성자가 거의 즉시 방출되는데, 이를 즉발 중성자라고 합니다. 높은 에너지를 가지고 있어, 고속중성자(fast neutron)라고 부릅니다. 열중성자로에서는 감속시키기 위해 감속재를 사용합니다. 

지발 중성자 : 분열 반응 이후 몇 초에서 몇 분동 안에 걸쳐서 나오는 중성자를 말합니다. 지발중성자는 즉발중성자보다 에너지가 낮아서 연쇄반응을 지속시키는 데 많은 시간이 걸립니다. 지발 중성자는 핵발전소에서 핵연료를 활용하는 과정에서 중요한 역할을 합니다  즉발중성자만으로는 제어가 어려울 수 있지만, 지발중성자의 추가는 제어를 보다 쉽게 만들 수 있습니다.

 

핵분열 연쇄반응

핵분열 연쇄반응은 원자핵이 분열되면서 발생하는 중성자들이 다시 다른 핵분열을 유발하면서 계속적으로 연쇄적으로 진행되는 과정을 말합니다.  핵분열 반응에서 생성된 중성자가 또 다른 핵분열 반응을 유발할 때 연쇄반응이라고 합니다. 이 중성자의 곱셈 효과로 인해 반응이 계속 증폭되면서 방출되는 에너지가 크게 증가합니다. 다만, 연쇄반응이 급격하게 증폭되면 에너지의 폭발이 일어날 수 있습니다. 원자로에서 일정한 출력을 내기 위해서는 연쇄반응을 제어하기 위해 중성자의 곱셈 효과를 억제 혹은 조절해야 합니다. 이를 위해, 원자력발전소에서는 제어물질과 감속재 등이 사용됩니다. 

 

제어물질 : 원자로에서 핵분열 반응을 제어하기 위해 중성자를 흡수하는 물질로 입니다. 제어봉(Contorl Rod)에 제어 물질이 채워져 있습니다. 제어봉을 삽입하면 제어물질이 중성자를 흡수하여 핵분열 반응의 속도를 감소시키거나 멈출 수 있습니다.

감속재 : 중성자의 속도를 감속시킵니다. 빠른 속도의 중성자를 감속시켜 중성자와 원자핵의 상호작용을 높여 핵분열 반응이 일어날 확률을 증가시킵니다. 일반적으로 감속재를 사용하면 느린 속도로 움직이는 중성자가 더 많이 생성됩니다. 감속재로는 주로 물 또는 중수가 사용됩니다. 

 

유효 증배계수 (effective multiplication factor)

유효증배계수는 원자로에서의 중성자 곱셈 효과에 대한 변수입니다. 어떤 시점에서의 총 중성자 수와 바로 그다음시점에서의 총중성자 수의 비입니다. 원자로의 임계 상태를 나타냅니다. 중성자의 수가 일정하게 유지되는지 여부를 결정하는 데 사용됩니다. 유효증배계수는 원자로에서 발생하는 핵분열 반응에서 나온 중성자의 수의 증가 혹은 감소 여부를 표현합니다. 유효증배계수가 1보다 크면 중성자의 수가 증가하여 연쇄반응이 지속되고, 1보다 작으면 중성자의 수가 감소하여 연쇄반응이 감소하거나 멈춥니다. 자로 운전 중에는 유효증배계수를 일정하게 유지하는 것이 중요하며, Operator는 제어봉의 위치나 반응물질의 농도 등을 조절하여 유효중배계수를 적절한 수준으로 유지하고자 합니다.

• k < 1 (미임계) : 중성자의 수가 시간에 따라 줄어듭니다. 원자로 출력이 감소합니다. 
• k=1 (임계) : 시간에 따른 중성자의 수는 변화가 없습니다. 출력이 일정하게 유지된다. 원자력 발전소에서는 K=1인 상태로 발전소를 운전합니다. 
• k>1 (초임계) : 중성자의 수가 시간에 따라 증가합니다. 출력도 증가합니다. 

 

 

원자로 설계에서 가장 중요한 임계와 연쇄반응에 대해 알아보았습니다. 임계를 잘 조절하면, 안전한 원자력발전소를 건설할 수 있습니다.