원자로 물리학(Nuclear Reactor Physics)

[사무국]

한국시니어과학기술인협회 에너지·자원 분과 · 김 평 수

빅카세 제4회 세미나(2020.2.14.)에서 발표한 내용이다. 원자 력발전에 관련된 복잡한 원자로 물리학 이론을 간략하게 설명하였 다. 원자력의 이용은 크게 두 가지로 나누어진다. 하나는 전력생산이고 다른 하나는 군사용 폭탄이다.
한국형 원자로의 기술은 세계 최고 수준이고 후쿠시마의 사고와 같은 위험성은 한국형 원자로에 서는 존재하지 않는 것이라고 구조적 특징을 설명하였다. 원자력 발전에서 연료인 우라늄이 필수적으로 요구되지만 가장 중요한 것은 불쏘시개 역할을 하는 중성자 수명 사이클의 5차원 (공간+시간+에너지) 해석이다. 중성자에는 즉발 중성자, 지발 중성자, 고속중성자, 열외중성자, 열중성자로 분류되어 고찰되고 있다.
핵연료는 고정되어 있으나 중성자는 원자로 내를 사방팔방으로 활보한다. 우라늄 연료의 핵분열을 일으키게 하는 것은 중성자이므로 중성자 수명 관리가 원자력 발전의 핵심이라고 할 수 있다. 중성자 품질을 향상시키기 위하여 감속재를 사용하는데, 천연 우라늄을 사용하는 월성원자력발전소에서는 1리터에 약 $200의 비싼 D 2 O 감속재를 사용하고 있다. 여타 국내 발전소에서는 감속재로서 H 2 O를 사용한다.
그림은 중성자의 평균 수명 약 0.1 초 동안에 일어나는 6단계의 물리적 상태를 보여주고 있다. 1,000개의 중성자가 투입되어 1,000개의 중성자를 얻음으로써 임 계 ( 일 정 하 게 핵 분 열 이 유 지 되 는 상 태 ) 의 핵 분 열연쇄 반응이 유지되고 있음을 보여주고 있다. 중성자가 우라늄과 충돌하여 우라늄이 핵분열되면서 약 200 MeV의 열에너지를 발생시킨다. 원전에서 100만 KWe의 전력을 생산하려면 ~10 21 개의 핵분열이 발생해야 하며 이만큼의 핵분열이 발생하려면 동수의 중성자가 필요하기 때문에 중성자 관리가 아주 중요하다. 중성자의 고유 특성에 추가하여 원자로 내의 중성자 환경조성이 원자력발전소 운전의 관건이다. 원자로의 크기, 감속재 등에 따라

중성자의 손실이 좌우되며 이것을 중성자 경제라 한다.
이러한 일련의 중성자 일생을 해석하는 것이 원자로 물리학이다.

필자소개 :
울산대학교 대학원 기계공학과(석사/박사)

한전 및 한수원 원자력분야 근무

KISTI ReSEAT Program 전문연구위원

한국과학기술정보협동조합 감사

16~19기 민주평화통일자문회의 자문위원