임계 상태

3. 임계 상태의 제어

원자핵 분열 반응으로 생성되는 중성자는 우라늄, 플루토늄 등의 핵연료 물질이 핵분열 반응을 일으킬 때 발생하는 즉발 중성자와, 그 때의 핵종이 더 방사성 붕괴를 일으킬 때 핵종의 존재 분포에 따라 일정 비율로 방출되는 지발 중성자로 나뉜다. 임계 상태에 도달하는 데 지발 중성자가 필요하면 지발 임계, 즉발 중성자만으로 임계 상태에 도달하면 즉발 임계라고 부른다.^[4]

연쇄 반응에서 지발 임계가 지배적인 경우에는 임계 상태 제어가 가능하다. 즉발 중성자는 고에너지(고속)로 방출되어 원자핵에 충돌해도 산란을 일으켜 포획되지 않아 연쇄 반응이 발생하지 않지만, 지발 중성자는 에너지가 낮아 감속재를 통해 열중성자로 만들 수 있기 때문이다.

원자로에 사용되는 핵연료 물질은 열중성자가 원자핵에 포획되면서 핵분열을 일으킨다. 또한 지발 중성자는 즉발 중성자에 비해 발생 시간에 여유가 있다. 따라서 제어봉 등 시간이 걸리는 기계적 조작을 통해 지발 중성자, 즉 열중성자의 농도를 제어할 수 있으며, 임계 상태에 이르는 조건을 인공적으로 제어할 수 있다. 원자력 발전소의 노심은 모두 이 상태로 운전할 수 있도록 설계된다.

반면, 연쇄 반응에 즉발 임계가 지배적이 되면, 시스템 내의 중성자 수가 단시간(예: 반응도가 2배가 되는 데 걸리는 시간이 피코초 단위)에 급격하게 상승한다. 이 상태가 원자로에서 발생하면 제어할 수 없는 폭주 상태가 된다. 플루토늄을 포함한 핵연료를 이용하는 플루서멀형 원자로에서는 제어가 더 어려워지고, 발생하는 동위원소²⁴⁰Pu는 자발 핵분열이라는 성질 때문에 제어를 더욱 어렵게 한다.

4. 응용

임계 상태는 핵연료가 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 원자로의 정상 작동 조건이다. 원자로는 각 핵분열이 일련의 핵반응을 지속하기에 충분한 수의 중성자를 방출할 때 임계 상태에 도달한다.^[2]

4. 1. 최초 임계일

5. 한국의 원자력 발전과 임계 상태

한국은 원자력 발전 의존도가 높으며, 임계 상태 관련 기술은 원전 안전 및 운영에 필수적이다. 한국원자력연구원 등 연구 기관에서는 임계 상태 관련 연구 개발을 진행하고 있다. 한국수력원자력과 같은 원전 운영사는 임계 상태를 안전하게 유지하고 관리하는 데 주력하고 있다. 임계 상태는 핵연료가 핵분열 연쇄 반응을 지속하는 원자로의 정상 작동 조건이다.^[2] 국제 원자력 기구는 원자로가 처음으로 임계화되는 날짜를 최초 임계일로 정의하며, 이는 원자력 발전소 건설과 시운전에 있어서 중요한 이정표이다.^[3]

참조

_[1] 웹사이트 Criticality http://www-pub.iaea.[...] International Atomic Energy Agency 2014-02-17
_[2] 웹사이트 Criticality https://www.nrc.gov/[...] US Nuclear Regulatory Commission 2013-12-11
_[3] 웹사이트 First Criticality Date http://www.iaea.org/[...] International Atomic Energy Agency 2014-02-17
_[4] 웹사이트 原子炉物理の基礎（9）中性子束の時間的変化 (03-06-04-09) ATOMICA https://atomica.jaea[...] 2011-04-11