열중성자로
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1. 개요
열중성자로는 핵분열 연쇄 반응에 열중성자를 사용하는 원자로를 의미한다. 감속재 종류에 따라 경수 감속로(경수로), 중수 감속로(중수로), 흑연 감속로(흑연로)로 분류된다. 경수로는 물을 감속재와 냉각재로 사용하며, 농축 우라늄을 연료로 사용한다. 중수로는 중수를 감속재로 사용하며, 천연 우라늄을 연료로 사용할 수 있다. 흑연로는 흑연을 감속재로 사용하며, 이산화 탄소나 헬륨을 냉각재로 사용한다. 열중성자로는 변환비가 1을 넘을 수 없어 핵연료 증식이 불가능하지만, 고속 증식로는 빠른 중성자를 사용하며 플루토늄 생산이 가능하다. 한국은 경수로와 중수로를 운영하고 있다.
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| 열중성자로 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 원자로 |
| 핵분열 | 핵분열 |
| 중성자 에너지 | 열중성자 |
| 중성자 속도 | 낮음 |
| 감속재 | 감속재 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 열에너지를 생성하는 원자로 |
2. 감속재의 종류에 따른 노형 분류
원자로 내 핵분열 연쇄 반응에서 방출되는 중성자는 평균 약 2MeV의 운동 에너지를 갖는 고속 중성자이다.[5] 하지만 235U와 같은 핵연료는 에너지가 0.03~0.3eV 정도로 낮은 열중성자 상태에서 100~1,000배 더 핵분열하기 쉬운 특징이 있다.[6] 따라서 원자로의 효율을 높이기 위해 핵분열 중성자를 다른 원자핵에 반복적으로 충돌시켜 에너지를 잃게 하는 과정, 즉 '''감속'''(moderation)이 필요하며, 이때 사용되는 물질을 감속재(moderator)라고 부른다.
열중성자를 주로 이용하여 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 원자로를 '''열중성자로'''(thermal-neutron reactor)라고 하며, 사용하는 감속재의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.[7]
; 경수 감속로(light water moderated reactor)
: 일반적으로 경수로라고 불리며, 보통의 물(경수)을 감속재로 사용한다. 경수는 냉각재 역할도 겸한다.
; 중수 감속로(heavy water moderated reactor)
: 일반적으로 중수로라고 불리며, 중수를 감속재로 사용한다. 냉각재로는 중수 또는 경수 등을 사용한다.
; 흑연 감속로(graphite moderated reactor)
: 일반적으로 흑연로라고 불리며, 흑연을 감속재로 사용한다. 냉각재로는 주로 이산화 탄소, 헬륨 등의 기체를 사용한다.
2. 1. 경수 감속로 (경수로)
일반적으로 경수로(Light Water Reactor, LWR)라고 불린다. 보통의 물, 즉 경수를 감속재로 사용하는 원자로를 말하며, 이때 경수는 냉각재로서의 역할도 함께 수행한다.[7] 경수는 중성자를 비교적 잘 흡수하는 성질이 있어, 핵연료로는 우라늄-235의 비율을 높인 농축 우라늄을 사용해야 한다.경수로는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 원자로 유형이며, 대한민국의 주력 원자로이기도 하다. 주요 유형으로는 가압경수로(PWR)와 비등경수로(BWR)가 있다.
2. 2. 중수 감속로 (중수로)
일반적으로 중수로라고 불린다. 중수를 감속재로 사용하는 노를 말한다. 냉각재로는 중수를 사용하는 경우와, 경수 등의 재료를 사용하는 경우가 있다.2. 3. 흑연 감속로 (흑연로)
일반적으로 흑연로라고 불린다. 흑연을 감속재로 사용하는 노를 말한다. 냉각재로는 이산화 탄소, 헬륨 등의 기체를 사용하는 경우가 많다.3. 열중성자로와 고속 증식로의 비교
원자로 내의 핵분열 연쇄 반응에서 방출되는 핵분열 중성자는 평균 약 2 MeV의 운동 에너지를 가진 빠른 중성자이다[5]. 그러나 235U는 에너지가 높은 중성자로는 핵분열이 잘 일어나지 않는다. 중성자의 에너지가 "열중성자"라고 불리는 0.03~0.3eV 수준까지 낮아지면, 235U은 핵분열 확률이 100~1,000배 높아지는 특징이 있다[6].
따라서 효율적인 원자로를 만들기 위해서는 핵분열 중성자를 그대로 사용하기보다, 다른 원자핵과 충돌시켜 에너지를 낮춘 열중성자를 이용하는 것이 유리하다. 중성자가 에너지를 잃는 과정을 감속(moderation, slow down)이라고 하며, 이때 사용되는 물질을 감속재(moderator)라고 부른다. 열중성자를 이용하여 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 원자로를 열중성자로(thermal-neutron reactor)라고 한다.
열중성자로에 속하는 경수로와 고속 중성자를 이용하는 고속 증식로의 주요 특징을 비교하면 다음과 같다[8].
| 분열에 기여 하는 중성자 | 연료 | 감속재 | 냉각재 | 변환비 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 고속 증식로 | 고속 중성자 | 플루토늄 약 16~21% 열화 우라늄 약 79~84% | 없음 | 나트륨 | 1.2 |
| 경수로 | 열 중성자 | 우라늄 235 약 3~5% 우라늄 238 약 95~97% | 경수 | 경수 | 0.6 |
표에 제시된 변환비는 소모된 핵분열성 물질 대비 새로 생성된 핵분열성 물질의 비율을 의미한다. 이 값이 1을 넘으면 증식률이라고도 부른다[9]. 고속 증식로는 변환비가 1.2로, 사용한 핵연료보다 더 많은 플루토늄을 생산할 수 있어 핵연료 증식이 가능하다. 이 때문에 핵분열로의 완성형으로 불리기도 한다[10]. 반면, 열중성자로(경수로)는 변환비가 1을 넘을 수 없어 증식로로 사용될 수 없다.
고속 증식로는 냉각재로 나트륨을 사용하여 냉각재 온도를 경수로보다 약 200°C 높일 수 있어 열효율이 더 높다는 장점이 있다[11]. 하지만 나트륨은 화학적으로 매우 활성이 높아 취급이 어렵고 기술적인 문제가 많다. 이러한 이유 등으로 현재는 열중성자로가 더 널리 사용되고 있다.
참조
[1]
서적
Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2012-03-29
[2]
웹사이트
Some Physics of Uranium
http://www.uic.com.a[...]
2009-01-18
[3]
문서
用語辞典(1974) p. 247 『熱中性子炉』
[4]
문서
臨界状態（遅発臨界）は遅発中性子によって維持される。用語辞典(1974) p.205『遅発中性子』
[5]
Atomica
ATOMICA 熱中性子炉
https://atomica.jaea[...]
[6]
문서
石川(1996) pp.12-13
[7]
문서
以下の炉型の説明については安(1980) p.43に基づいた。
[8]
Atomica
ATOMICA 原子炉の比較
https://atomica.jaea[...]
2011-01-20
[9]
문서
出典は参考文献P62より
[10]
Atomica
ATOMICA 高速増殖炉
https://atomica.jaea[...]
2011-01-20
[11]
문서
出典は参考文献P64より
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