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[에너지 지식백과] 원자력편 ㉕ 감속재

[에너지 지식백과] 원자력편 ㉕ 감속재

감속재
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[한줄 정리] 핵분열반응 중 생성되는 고속중성자의 속도를 줄여 열중성자로 바꿔주는 물질

원자력 발전은 U235와 중성자의 상호작용을 통해 이뤄진다. U235가 중성자와 반응하여 에너지와 함께 중성자를 방출하고, 이러한 과정이 연쇄적으로 반복되면서 엄청난 에너지를 얻게 되는 것이다.

그런데 U235이 핵분열을 하면서 방출되는 중성자는 빛에 가까울 정도로 빠른 속도(에너지)를 갖고 있기에 U235와 반응성이 낮다. 즉 핵분열 연쇄반응을 위해서는 고속중성자의 속도를 낮춰 열중성자(운동에너지가 0.025eV 이하인 중성자)로 바꿔야 하는 것이다. 이때 쓰이는 물질을 감속재라 한다.

감속재는 중성자와 원자질량수가 작아 중성자와 탄성충돌을 하기 쉬우면서도, 동시에 열중성자를 흡수할 확률은 적어야 한다. 이 조건에 맞으면서도 경제성을 확보한 물질로는 경수(H2O), 중수(D2O), 흑연 등이 꼽힌다. 이중 흑연의 경우 발화점을 넘으면 화재의 위험이 있기에, 오늘날 대부분 원자로는 물(경수/중수)을 감속재로 활용한다. 그에 따라 경수로/중수로로 원전을 구분짓는다.

경수로의 경우, 중성자 감속에 매우 효과적이지만 U235 농도를 3~5%까지 높여야 제대로 된 활용이 가능하다. 때문에 우라늄 농축 비용이 들어간다. 또 핵연료 교체 시 원자로 작동을 멈춰야 한다는 단점도 있다.

중수로의 경우, 열중성자 흡수 확률이 낮아 천연우라늄을 그대로 연료로 활용할 수 있다. 다만 중수 자체가 인공적으로 생산해야 하기에 비용이 많이 든다. 또한 발전소 규모가 경수로에 비해 크고, 핵연료 교체시기가 짧다는 단점이 있다. 무엇보다 사용후핵연료가 경수로에 비해 많이 발생한다. 현재 국내 원전 중 월성 1~4호기를 제외한 모든 원전은 경수로다.