2.3.1 감속능과 감속비 [원자력기사]

2.3.1 감속능과 감속비

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이 장에서는 중성자를 왜 감속하는지 알아보고, 감속능과 감속비를 어떻게 계산하는지 알아볼 것이다.

■ 중성자의 감속

원자력발전소는 원자로에 존재하는 중성자를 조절하여 원자로 출력을 제어한다.

원자로에 존재하는 중성자는 속도 또는 에너지에 따라 열중성자, 열외중성자, 속중성자 등이 있다.

원자로 내에서 속중성자(빠른 중성자)는 많은 핵반응을 일으키지 못하고 빠르게 핵연료를 벗어난다.

그러나 열중성자(느린중성자)는 원자로 내에서 오랫동안 머무르며 핵반응을 일으킬 수 있다.

따라서 원자로내의 중성자를 속중성자에서 열중성자로 속도를 감속 시켜야 한다.

2.2.2장에서 이야기한 탄성산란 예를 들면, 작은 중성자가 매우 큰 원자핵에 정면충돌하면 원자핵은 꿈적도 하지 않고 중성자가 반대로 다시 튕겨져 나온다. 

이 말은 중성자가 원자핵으로 에너지를 거의 전달하지 못하고, 대부분의 에너지를 중성자가 그대로 가지고 되돌아 온다는 뜻이다.

반대로 작은 중성자가 비슷한 크기의 작은 원자핵에 정면충돌하면 원자핵은 튕겨져 나가고 중성자는 그자리에 멈출수 있다. 

이말은 중성자가 원자핵에 모든 에너지를 전달하였다는 뜻이다.

실제로는 속중성자가 원자로 내 존재하는 핵들과 정면 충돌 할수도 있지만 대부분 빗겨 맞으며 에너지를 조금씩 잃고, 여러번 충돌하면서 에너지를 잃고 열중성자가 된다.

중성자는 보통 물에서 핵과 한번의 충돌에 약 절반의 에너지를 잃는다.

원자로에서 필요한 열중성자를 얻기위해 감속재는 핵과 한번만 충돌해도 에너지를 많이 잃고, 짧은 거리를 가더라도 핵과 자주 반응하면 에너지를 많이 잃어 열중성자가 될 수 있다.

이때 사용되는 개념이 감속능과 감속비 이다.

■ 감속능 (Slowing Down Power)

감속능이 좋다는 뜻은 중성자가 한번 충돌할때 에너지를 많이 잃고, 중성자가 짧은 거리를 이동해도 핵과 자주 반응한다는 의미이다.

이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

감속능(SDP) = ξ / λs

감속능 계산에 사용되는 각 구성요소를 살펴보자

▷ ξ ('크사이'라고 읽는다)

ξ 는 '대수적 에너지 감쇠율'이라고 부르며, 중성자가 한번충돌할때 에너지를 얼마나 잃는지 나타낸다.

위 식에서 알 수 있듯이 좋은 감속능값(큰값)을 갖기 위해서는 큰값의 ξ를 가져야 한다.

즉 한번 충돌로 많은 에너지를 잃는것이 좋다.

▷ λs

λs는 산란평균자유행정을 의미하며, 중성자가 한번 충돌후 다음충돌까지 얼마의 거리를 이동하는지 나타낸다.

그리고 2.2.3절에서 설명한 평균자유행정 중 '산란'과 관련된 평균자유행정이다.

위 식에서 알 수 있듯이 좋은 감속능값(큰값)을 갖기 위해서는 작은값의 λs를 가져야 한다.

즉 한번 충돌후 다음 충돌때까지 이동은 작은 거리를 이동해야 한다. 

■ 감속비 (Moderating Ratio)

감속능은 중성자 흡수는 고려되지 않고 얼마나 잘 튕겨 에너지를 잃는지 살펴보았다.

만약 중성자가 감속하기도 전에 핵에 흡수되어 버린다면 원자로 출력제어에는 부정적일 것이다.

따라서 감속능을 고려할때는 중성자 흡수를 고려해 주어야 한다.

이를 반영하여, 감속비는 감속능에 거시적 흡수단면적을 나누어 준다.

MR = SDP / Σa

즉, 감속비는 거시적 흡수단면적당 감속능을 말한다.

예제1 (2003년 원자력기사 15번 기출)

다음 핵중 탄성산란에 있어 레사지(Lethargy)의 평균 변화, ξ가 1인 핵종은?

① U-235

② O-16

③ H-1

④ C-12

정답 ③

문제에서 레사지를 써놨지만 레사지는 크사이를 설명해줄 뿐 정답에 미치는 영향이 없는 설명이며, 크사이가 1인 핵종을 묻고 있다.

탄성산란에 의햐여 크사이가 1이 된다는 것은 모든 에너지를 잃었다는 뜻이다. 따라서 작은 중성자와 크기가 비슷한 작은 핵종이어야 한다. 이는 원자번호가 1번인 수소(H-1)가 정답이 된다.

예제2 (2006년 원자력기사 7번 기출)

1 MeV의 에너지를 갖는 고속 중성자가 감속재 영역으로 진입하여 0.025eV의열중성자로 감속되기 까지 가장 적은 충돌이 필요한 감속재는?

① D₂O

② He

③ Be

④ Graphite

정답 ①

문제에서 설명하는 적은 충돌이 필요한 감속재는 한번 충돌로 많은 에너지를 잃는다는 뜻이다. 

중성자가 한번 충돌로 많은 많은 에너지를 잃기 위해서는 중성자의 크기와 비슷한 원자핵이어야 한다.

각 보기의 원자번호를 살펴본면

① D₂O - 중수소 : 중수소는 수소의 동위원소중 하나이므로 원자번호 1번

② He - 원자번호 2번

③ Be - 원자번호 4번

④ Graphite - 흑연은 탄소로 구성되어 있으므로, 6번

따라서 정답은 원자번호가 가장 작은 D₂O 이다.

나중에 원자로형의 특성에서 살펴보겠지만 중수(D₂O)는 감속능이 매우 좋다는것을 기억하고 있어야 한다.