2.4.1 임계도, 증배계수, 잉여반응도, 반응도의 정의 및 단위(1) [원자력기사]

2.4.1 임계도, 증배계수, 반응도의 정의 및 단위, 잉여반응도

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원자로 내의 중성자는 핵분열을 일으키고 그 결과로 새로운 중성자가 생성된다. 

원자로의 출력을 제어할 때는 이러한 중성자의 연쇄반응을 제어해야 한다.

앞서 원자로에서 생성된 중성자를 감속(속중성자 → 열중성자) 시키는 개념인 감속능 감속비 등을 이해하였다.

그렇다면 감속된 중성자가 원자로에 미치는 영향을 표현한 공식을 이해해 보자

■ 임계도

임계도는 원자로가 출력이 오르는지 혹은 내리는지의 상태를 표현하기 위해 사용하는 정의이다.

중성자는 그림과 같이 원자로 내 핵연료인 우라늄과 반응한 이후 새로운 중성사를 생성시킨다.

만약 중성자 수가 증가하고 핵분열이 점점 많이 일어나게 되어 출력이 상승하면 초임계 (Super Critical) 이라고 한다.

반대로 원자로 내 중성자수가 점검 감소하는 것을 미임계 (Subcritical) 이라고 한다.

그리고 한 세대의 중성자 수가 다음 세대의 중성자 수와 같은 상태를 임계(Critical) 상태라고 한다.

■ 증배계수(K)

임계도에서 중성자 수변화에 따라 임계, 초임계, 미임계로 구분하여 정의하는 것을 알았다.

이때 임계도를 쉽게 계산하기 위해 사용하는 정의가 증배계수이다.

증배계수는 아래와 같이 임계도 계산에 사용되는 한세대의 중성자수와 다음세대의 중성자 수의 비를 나타낸다.

K = [(N+1)세대 중성자수] / [N세대 중성자수]

따라서, 임계도와 증배계수를 표현하면 다음과 같다.

K = 1 : 임계 (Critical)

K > 1 : 초임계 (Super Critical)

K < 1 : 미임계 (Subcritical)

■ 무한증배계수(K_∞)

원자로가 무한대의 크기라고 가정하고 증배계수를 계산한 것을 무한증배계수(K_∞)라고 한다.

무한대의 원자로는 중성자의 누설이 없다.

중성자가 아무리 멀리 나가더라도 원자로 내부이기 때문이다.

따라서 무한증배계수는 중성자(속중성자, 열중성자)의 누설을 고려하지 않는다.

이 절에서는 무한증배계수(K_∞)와 유효증배계수(K_eff)의 정의만 살펴볼 것이다.

무한증배계수와 유한증배계수의 상세 내용은 2.6.1절의 4인자 공식, 6인자 공식을 살펴볼 것이다.

간단하게 무한증배계수는 중성자(속중성자, 열중성자)의 누설을 고려하지 않는 4인자 공식을 말한다.

■ 유효증배계수(K_eff)

무한증배계수는 중성자(속중성자, 열중성자)의 누설을 고려하지 않는것을 알게되었다.

그러나 실제 원자로는 무한하지도 않으므로 중성자 누설이 발생한다.

따라서 증배계수는 중성자(속중성자, 열중성자)의 누설을 고려해 주어야 하며, 이를 유한증배계수(K_eff)라 한다.

그리고 유한 증배계수는 4인자 공식에 중성자 누설항을 추가로 고려하여 6인자 공식이 사용된다.

■ 잉여증배계수(K_ex)

잉여증배계수는 유효증배계수가 임계와 얼마나 떨어져 있는지를 나타낸다.

앞에서 임계를 나타내는 증배계수는 1이라고 설명하였다.

따라서 잉여증배계수는 유효증배계수에서 1을 빼주면 된다.

K_ex = K_eff - 1

임계도와 증배계수는 다음에 설명할 반응도를 이해하기 위한 기초 개념이다.

따라서 원자력기사 시험에 증배계수와 관련된 직접적인 문제는 없지만, 다른 문제를 이해할 수 있도록 개념은 꼭 기억해 놓자