2.4.3 임계원자로 조건 및 인자 설정

2.4.3 임계원자로 조건 및 인자 설정

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■ 임계방정식

원자로가 외부의 중성자 공급없이 일정한 수의 중성자를 유지하기 위해서는 지속적으로 중성자를 생성하는 반응이 일어나야 한다.

중성자를 생성하는 연쇄반응으로 유효증배계수 K_eff = 1일 경우의 원자로를 임계상태라고 한다.

임계 원자로의 임계상태는 다음과 같은 복잡한 공식(임계방정식)을 이용하여 나타낸다.

이 공식을 이용하여 임계 상태의 핵연료 질량, 노심의 크기/형태를 계산할 수 있다.

k_eff = 유효중성자 증배계수

η = 중성자 재생계수

ε = 속중성자 분열인자

p = 공명이탈확률

f = 열중성자 이용률

B² = 버클링

L²_th = 열중성자 확산면적

τ = 페르미 연령

위 식에서 η, ε, p, f는 원자로 크기/형태와 무관하고 연료의 종류, 감속재 및 연료봉 등에 의해 결정되는 값이다.

따라서 이 절에서는 η, ε, p, f는 관련 없다고 이해하고, η, ε, p, f의 의미는 2.6.1절(4인자 공식)에서 다루기로 한다.

그리고 버클링, 열중성자 확산면적, 페르미 연령의 의미와 계산의 활용은 2.5.1절(확산계수와 버클링)에서 다루기로 한다.

후에 버클링, 열중성자 확산면적, 페르미 연령을 이용하여 원자로가 임계를 유지할 수 있는 임계크기를 계산해볼 것이다.

■ 임계질량

원자로 내에서 스스로 연쇄반응을 발생시키기 위해서는 최소량 이상의 핵분열성 물질이 필요하다.

이때 크기와 형태가 주어지고 연료와 감속재의 배열이 정해진 원자로에서 지속적인 연쇄반응을 일으키는데 필요한 최소한의 핵분열성 물질의 양을 임계질량이라고 한다.

원자로에 장전된 핵연료는 연쇄반응을 일으키는데 필요한 임계질량보다 더 많은 양의 핵분열성 물질을 장전하며, 반응도 또한 초과하여 발생하게 된다.

따라서 초과된 반응도를 제어할 수 있는 수단이 필요하다.

초과된 반응도를 제어하는 수단이 제어봉이다.

제어봉은  2.6.1절(6인자 공식)에서도 영향을 미친다.

원자력기사에서 임계원자로 조건 및 인자와 관련하여 직접적인 문제는 출제되지 않았다.

그러나 2.5.1절에서 소개할 확산계수와 버클링의 기초가 되는 개념이므로 이해하고 있어야 한다.