2.3.2 감속재의 요건 [원자력기사]

2.3.2 감속재의 요건

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원자력발전소는 노형에 따라 물(H2O), 중수(D2O), 탄소(C) 등 여러 감속재를 사용한다.

그래서 각 원자력 발전소는 노형의 특성에 따라 감속재를 선택할때는 여러 요인들을 고려하여 선택한다.

이러한 요인들을 이해하기 위하여 2.3.1절에서 감속능과 감속비의 의미를 살펴보았다.

국내 원자력발전소는 경주에 위치하고 있는 중수로를 제외하고는 물을 감속재로 사용하고 있다.

그렇다면 왜 물을 사용하고 있는지,  감속재는 어떤 조건을 가지고 있어야 하는지 살펴보자

■ 감속능 요소

감속능은 중성자가 핵에 충돌하여 얼만큼의 에너지를 잃는지를 나타낸다.

그리고 감속능을 나타낼때 대수적 에너지 감쇄율(ξ)을 사용한다. (2.3.1절 참조)

원자력발전소에서 좋은 감속재는 중성자를 잘 감속시킬 수 있도록 큰 감속능을 가져야 한다.

따라서 대수적 에너지 감쇄율(ξ) 또한 큰 값을 가져야 한다.

대수적 에너지 감쇄율을 고려했을때 물은 감속능이 매우 높은 물질이다.

■ 감속비 요소

감속비는 중성자가 핵에 흡수되지 않고 산란되어 에너지를 얼마나 잃는지 나타낸다.

따라서 좋은 감속재는 흡수에 비해 감속 비율이 높아야 하므로 큰 감속비를 가져야 한다.

감속비는 중수(D2O)가 매우 높다.

■ 비핵적 요소

▷ 물은 액체이므로 탄소(고체)를 성형하는 것처럼 별도 가공이 필요하지 않다.

▷ 물은 방사화가 잘 되지 않는다

▷ 물은 열을 잘 운반한다.

▷ 물은 값이 싸다

▷ 물은 온도에 따라 밀도가 쉽게 변하므로 원자로를 안전하게 제어할 수 있다. (2.7.1절 도플러 표과 및 확장 참조)

예제1 좋은 감속재가 갖추어야할 조건중 틀린 것은? (2010년 원자력기사 13번 기출)

① 거시적 산란단면적(Σs)이 커야한다.

② 거시적 흡수단면적(Σa)이 커야한다.

③ 평균 대수에너지 감쇄계수(ξ)가 커야한다.

④ 열전달 특성이 우수해야 한다.

정답) ②

① 중성자는 감속재 등의 원자핵과 충돌후 산란을 통하여 에너지를 잃고 감속된다. 따라서 거시적 산란단면적이 커야 한다.

② 중성자가 감속재 등의 원자핵과 충돌후 흡수되면 핵반응을 일으킬 수 없으므로 거시적 흡수단면적(Σa)이 작아야한다.

③ 평균 대수에너지 감쇄계수(ξ)는 감속능을 나타내는 기호이다. 좋은 감속재는 감속능이 커야한다.

④ 감속재는 비핵적 요소인 열전달 특성이 우수해야 하며, 물이 열전달 특성이 매우 뛰어나다.

예제2 가압경수로의 감속재가 갖추어야 할 조건으로 거리가 먼 것은? (2013년 원자력기사 11번 기출)

① 원자량이 커야 한다.

② 중성자를 흡수할 확률이 작아야 한다.

③ 충돌당 많은 양의 중성자 에너지를 흡수하여야 한다.

④ 중성자와 산란반응을 일으킬 확률이 커야 한다.

정답) ①

① 원자핵의 원자량이 작야야 중성자는 많은 에너지를 전달하고 적은 충돌에도 감속된다. (2.2.2절 탄성산란단면적 참조) 따라서 원자량이 커야 한다는 보기는 반대로 말하고 있다.

② 중성자를 흡수할 확률이 작아야 중성자를 산란시키며 에너지를 잃게하고 감속시킨다.

③ 충돌당 많은 양의 중성자 에너지를 흡수하는것이 감속능을 말하고 있다. 감속능이 클수록 좋은 감속재 이다.

④ 중성자가 에너지를 잃는 경우는 산란반응이다. 따라서 중성자와 산란반응을 일으킬 확률이 커야 한다.

예제3 감속재가 갖추어야 할 조건으로 맞는 것은? (2016년 원자력기사 16번 기출)

① 중성자에 대한 평균 대수에너지 감쇄가 작아야 한다.

② 중성자 흡수단면적이 커야 한다.

③ 중성자 산란단면적이 커야 한다.

④ 비중이 높아야 한다.

정답) ③

① 평균 대수에너지 감쇄계수(ξ)는 감속능을 나타내는 기호이다. 좋은 감속재는 감속능이 커야하므로 평균 대수에너지 감쇄계수도 커야한다.

② 중성자가 감속재 등의 원자핵과 충돌후 흡수되면 핵반응을 일으킬 수 없으므로 거시적 흡수단면적(Σa)이 작아야한다.

③ 중성자는 감속재 등의 원자핵과 충돌후 산란을 통하여 에너지를 잃고 감속된다. 따라서 거시적 산란단면적이 커야 한다.

④ 비중은 대부분의 경우 밀도와 같다고 간단히 생각하면 된다. 감속재와 비중과는 큰 관련이 없다.