임계 질량

3. 임계 질량

핵분열성 물질 덩어리에서 핵 연쇄 반응이 자체적으로 유지될 때, 그 덩어리는 임계 상태에 있다고 한다. 임계 질량은 이러한 핵분열 연쇄 반응을 자체적으로 유지하는 핵분열성 물질의 최소 질량이다.^[1]

임계 질량은 유효 중성자 증배 계수(k)에 따라 달라지는데, 이는 분열 사건당 방출되어 다른 분열 사건을 일으키는 중성자의 평균 개수를 의미한다. k < 1 이면 미임계, k = 1 이면 임계, k > 1 이면 초임계 상태라고 한다.

자발 핵분열로 인해 초임계 질량은 연쇄 반응을 겪게 된다. 예를 들어, 약 52kg의 질량을 가진 순수한 우라늄-235 구형 임계 질량은 초당 약 15회의 자발 핵분열 사건을 경험한다.

임계 질량은 핵분열성 물질의 종류, 주변 환경, 형태, 밀도 등에 따라 달라진다. 최소 임계 질량과 가장 작은 물리적 치수를 갖는 형상은 구체이다.

일부 악티늄의 일반 밀도에서 베어 구체 임계 질량은 아래 표에 나와 있다.

• '''중간:''' 구체의 질량을 임계 질량으로 증가시켜 반응이 자체적으로 유지되는 임계 상태.
• '''하단:''' 원래 구체를 중성자 반사체로 둘러싸 반응 효율을 증가시켜 반응이 자체적으로 유지되는 초임계 상태.]]

3. 1. 임계 질량에 영향을 미치는 요소

• 핵분열성 물질의 종류: 핵종에 따라 핵분열 반응의 성질이 다르므로 임계 질량도 달라진다.^[4] 예를 들어, 우라늄-235의 임계 질량은 약 52kg이지만, 플루토늄-239의 임계 질량은 약 10kg이다.^[4]
• 모양: 구형일 때 표면적이 가장 작아 중성자 손실이 적으므로 임계 질량이 가장 작다. 가늘고 길거나 얇은 판 모양일 경우 중성자가 외부로 흩어져 임계에 도달하기 어렵다.
• 밀도: 밀도가 높을수록 임계 질량은 감소한다.^[5] 압력을 높이거나 결정 구조를 변경하여 밀도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 플루토늄은 다양한 결정 구조를 가질 수 있어 밀도에 따라 임계 질량이 달라진다.
• 온도: 온도가 증가하면 핵분열 및 흡수 단면적이 변화하고, 열팽창으로 인해 밀도가 낮아져 임계 질량에 영향을 미친다. 일반적으로 뜨거운 연료는 차가운 연료보다 반응성이 낮다.
• 중성자 반사체: 핵분열성 물질 주변에 중성자 반사체(예: 베릴륨)를 설치하면 중성자 손실을 줄여 임계 질량을 감소시킬 수 있다.^[2]
• 감속재: 감속재(예: 물)는 중성자의 속도를 줄여 핵분열 반응 확률을 높여 임계 질량을 감소시킬 수 있다. JCO 임계 사고에서는 냉각수가 반사체 역할을 하여 임계 질량을 낮추는 데 영향을 미쳤다.

4. 핵무기 설계와 임계

핵무기는 폭발이 필요할 때까지 핵분열 물질을 아임계 상태로 유지한다. 우라늄 건 타입 폭탄의 경우, 연료를 여러 개의 분리된 조각으로 유지하여 임계 질량보다 작게 만든다. 폭발을 일으키기 위해 우라늄 조각을 빠르게 결합시킨다. 리틀 보이에서는 우라늄 조각(‘도넛’)을 총열을 통해 다른 조각(‘스파이크’) 위로 발사하여 이를 달성했다. 이 설계는 ''건 타입 핵분열 무기''라고 불린다. 플루토늄의 경우, 중공일 수도 있는 아임계 구(또는 다른 모양)로 존재한다. 폭발은 구를 둘러싼 성형 작약을 폭발시켜 밀도를 증가시키고 즉발 임계 구성을 생성함으로써 발생한다. 이것은 내폭형 무기로 알려져 있다.

핵분열성 물질의 밀도가 높은 껍질은 관성을 통해 팽창하는 핵분열성 물질을 억제하여 효율을 높이는데, 이를 탬퍼라고 한다. 탬퍼는 중성자 반사체의 역할도 한다. 탬퍼에 의해 반사된 중성자는 탬퍼 핵과의 충돌로 인해 속도가 느려지고, 핵분열성 물질로 돌아오는 데 시간이 걸리기 때문에 핵분열성 핵에 흡수되는 데 시간이 더 오래 걸린다. 하지만 그들은 반응에 기여하며, 임계 질량을 4배까지 감소시킬 수 있다.^[2]

원자폭탄은 핵분열의 연쇄 반응을 제어하지 않고 폭주시켜 발생하는 에너지를 한꺼번에 해방한다. 실용화된 원자폭탄은 임계량 이하의 핵분열 물질을 화약의 폭발력을 이용하여 임계량을 초과시킴으로써 기폭된다. 히로시마형 원자폭탄(Mk.1)은 건 배럴형(포신형), 나가사키형 원자폭탄(Mk.3)은 인플로전형(폭축형) 기폭 방식을 사용한다.

4. 1. 핵무기 기폭 방식

• '''건 타입 (Gun-type) 핵분열 무기''': 우라늄-235와 같은 핵분열성 물질의 한 덩어리를 다른 덩어리에 발사하여 결합시켜 임계 질량을 초과시키는 방식이다. 리틀 보이에서는 우라늄 조각(‘도넛’)을 총열을 통해 다른 조각(‘스파이크’) 위로 발사하여 결합시켰다.
• '''내폭형 (Implosion-type) 무기''': 플루토늄-239와 같은 핵분열성 물질을 구형으로 배치하고, 주변에 성형 작약을 설치하여 폭발시켜 압축함으로써 임계 밀도를 초과시키는 방식이다. 팻 맨에서는 속이 빈 구형 또는 스펀지 모양의 플루토늄 239 덩어리 주위에 구형 폭약을 배치하여 폭발로 인한 압력으로 플루토늄 덩어리를 압축시켜 기폭시켰다.

5. 즉발 임계

핵분열 사건은 연쇄 반응을 유지하기 위해 평균적으로 원하는 에너지 수준의 자유 중성자를 하나 이상 방출해야 하며, 각 중성자는 다른 핵을 찾아 핵분열을 일으켜야 한다. 핵분열 사건에서 방출되는 대부분의 중성자는 그 사건에서 즉시 발생하지만, 핵분열 생성물이 붕괴될 때 일부는 나중에 발생하며, 평균적으로 수 마이크로초에서 수 분 후에 발생할 수 있다. 이것은 원자력 발전에 다행인데, 이러한 지연이 없다면 "임계 상태"가 되는 것은 즉시 재앙적인 사건이 될 것이기 때문이다. 핵폭탄에서는 1마이크로초 미만 만에 80세대 이상의 연쇄 반응이 일어나 인간이나 기계가 반응하기에는 너무 빠르다.^[15] 물리학자들은 중성자 플럭스의 점진적인 증가에서 두 가지 중요한 지점을 인식한다. 임계 지점은 두 종류의 중성자 생성 기여 덕분에 연쇄 반응이 자체적으로 유지되는 지점이며, 즉발 임계 지점은 즉각적인 "즉발" 중성자만으로도 붕괴 중성자의 필요 없이 반응을 유지할 수 있는 지점이다. 원자력 발전소는 이 두 지점의 반응도 사이에서 작동하며, 즉발 임계 지점 이상은 핵무기, TRIGA 연구용 원자로와 펄스 핵 열 로켓과 같은 펄스 원자로 설계, 그리고 1961년 미국 SL-1 사고 및 1986년 소련 체르노빌 참사와 같은 일부 원자력 사고의 영역이다.

6. 임계 관리

핵연료 시설에서는 임계 사고를 방지하기 위해 핵분열성 물질의 양, 형태, 농도 등을 관리하는 임계 관리가 중요하다. 임계 관리는 다음과 같이 두 가지 주요 방법으로 이루어진다.

• 단일 유닛 제한: 각 기기(단일 유닛)에 대해 형상 치수, 질량, 용적, 용액 농도 등 핵 제한치를 설정하고 관리한다. 핵 제한치를 설정할 때는 우라늄의 화학적 조성, 농축도, 밀도, 용액 농도, 기하학적 형상, 감속 조건, 평가 기법의 오차 등을 고려하여 여유를 두고, 기술적으로 발생이 예상되지 않는 사건이 두 개 동시에 일어나지 않는 한 임계에 도달하지 않도록(이중 우발성) 설정해야 한다. 또한, 필요에 따라 중성자 흡수재(붕규산 유리, 하프늄제 다공판 등)를 사용한다.

• 복수 유닛 제한: 유닛 간 간격을 유지하고 중성자 차폐재를 사용하여 유닛 간 상호 작용으로 인한 임계 사고를 방지한다. 유닛 간의 핵연료 물질 이동 시에는 이동 대상의 핵 제한치를 확인하고, 운반에 사용하는 용기의 건전성을 유지하며, 가능한 한 치수·형상 관리가 이루어진 용기를 사용해야 한다.

6. 1. 임계 사고 사례

7. 핵분열성 물질 운반

핵분열을 일으키는 물질을 육상, 해상에서 수송하는 경우에는, 수송 중에 교통사고 등에 휘말린 경우에도 임계에 이르지 않도록 다음과 같은 시험을 실시하여, 손상된 상태에서도 임계에 이르지 않음을 평가한다.

• 물 분사 시험
• 낙하 시험 (법률로 정해진 높이에서 수송 용기를 낙하시킨다)
• 하중 시험 (수송 용기에 하중을 가한다)
• 관통 시험 (쇠막대기를 수송 용기 위에 떨어뜨린다)
• 내화 시험 (800°C 환경에 30분 둔다)
• 침수 시험 (상기 시험으로 손상된 수송 용기를 법률로 정해진 깊이에 일정 시간 둔다)

참조

_[1] 서적 Conceptual Physics Pearson PLC
_[2] 서적 The Los Alamos Primer: The First Lectures on How to Build an Atomic Bomb University of California Press
_[3] 웹사이트 Reevaluated Critical Specifications of Some Los Alamos Fast-Neutron Systems https://www.osti.gov[...]
_[4] 웹사이트 Nuclear Weapons Design & Materials http://www.nti.org/e[...]
_[5] 간행물 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport https://web.archive.[...] Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents
_[6] 웹사이트 Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium http://www.isis-onli[...]
_[7] 학술지 Neptunium Nukes? Little-studied metal goes critical http://www.sciencene[...] 2013-11-07
_[8] 웹사이트 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 http://sti.srs.gov/f[...] U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
_[9] 학술지 Nuclear weapons and power-reactor plutonium http://www.nature.co[...] 1980-02-28
_[10] 학술대회 Critical Mass Calculations for {{sup|241}}Am, {{sup|242m}}Am and {{sup|243}}Am https://inis.iaea.or[...] Japan Atomic Energy Research Institute 2003
_[11] 학술지 Critical and Subcritical Mass Calculations of Curium-243 to -247 Based on JENDL-3.2 for Revision of ANSI/ANS-8.15 2002
_[12] 간행물 Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport http://ec.europa.eu/[...] Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
_[13] 웹사이트 Nuclear Weapons Frequently Asked Questions: Section 6.0 Nuclear Materials http://nuclearweapon[...] 1999-02-20
_[14] 학술지 On the Proliferation Potential of Uranium Fuel for Research Reactors at Various Enrichment Levels
_[15] 웹사이트 Q105755363
_[16] 웹사이트 臨界量 {{!}} 科学技術用語情報 {{!}} J-GLOBAL 科学技術総合リンクセンター https://jglobal.jst.[...] 2023-07-21
_[17] 웹사이트 원자폭탄 http://cont112.edune[...]
_[18] 서적 현대물리학 교보문고
_[19] 문서
_[20] 웹사이트 Nuclear Weapons Design & Materials http://www.nti.org/e[...]
_[21] 간행물 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport http://ec.europa.eu/[...] Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents
_[22] 웹사이트 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 http://sti.srs.gov/f[...] U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
_[23] 학술지 Nuclear weapons and power-reactor plutonium http://www.nature.co[...] 1980-02-28
_[24] 웹사이트 Nuclear Weapons Frequently Asked Questions http://nuclearweapon[...]