중성자선원집합체

저번 시간에 소개한 제어봉집합체가 전원을 끄는 장치였다면 오늘 소개할 중성자선원 집합체는 전원을 키는 장치라고 생각할 수 있습니다.
원자로 시동에 사용되기 때문이죠.
그렇다면 어떻게 시동을 거는지 알아보겠습니다.

중성자 방출

핵분열에는 왜 중성자가 필요한가? 에서 말씀드렸듯이 핵분열을 일으키는 원인은 중성자를 우라늄-235가 흡수하여 핵분열을 하기 때문입니다. 그리고 이 우라늄-235는 핵분열당 2~3개의 중성자가 나옵니다. 이 때문에 우라늄-235는 연쇄반응이 일어나게 되고 원자력발전소에서 운용이 가능한 것입니다.

어쨌든, 이 연쇄반응을 일으키려면 처음에 중성자를 넣어주는 행위를 해주어야 합니다.
즉, 반대로 말하면 중성자를 안 넣어준다면?
중성자를 넣어주지 않으면 연쇄적인 핵분열을 일으킬 수 없습니다. 그저 지구의 나이와 비슷한 반감기를 가지며 방사성물질이지만 비교적 안정적인 핵종으로 존재할 뿐이죠.

그래서 우리는 중성자를 넣어주는 행위를 원자로 안에서 진행해주어야 합니다.
효과적으로 중성자를 공급해주는 방법은 중성자를 방출하는 물질을 넣어주는 방법이 될 겁니다.
여기에는 자발적으로 중성자를 방출해주는 물질인 1차선원과 2차선원이 있습니다.

1차선원

Cf-252의 자발 핵분열

캘리포늄이라는 원소인데 원자번호 98의 초우라늄원소입니다.

초우라늄원소가 뭘까요?
우라늄보다 원자번호가 높은 원소들을 말합니다.
원자번호가 높다는 것은 양성자수가 그만큼 더 많다는 뜻입니다.
대표적으로 NP(넵튜늄), Pu(플루토늄), Am(아메리슘) 이 있습니다.

그런데 이러한 원소들은 전부 다 인공방사성동위원소들입니다.
자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 무거운 원소가 우라늄이기 때문에 이보다 무거운 원소들은 다 인공동위원소라고 생각하시면 됩니다.

그래서 요점은 초우라늄물질들은 인위적으로 만들어 내는 물질이라는 겁니다.
만들어내려면 가속기를 사용하던지 혹은 원자로 내에서 생산해내어야 합니다.

원자로의 경우 원자로 안에서 생성되는 알파선이나 중성자에 의해 초우라늄들이 생기게 되고 이 과정에서 캘리포늄도 생기게 됩니다.

캘리포늄-252는 반감기가 2.646년이고 97%의 확률로 알파붕괴를 하여 퀴륨이 되고 3%확률로 자발적 핵분열을 일으키며 이때 2개의 핵분열 생성물과 3~4개의 중성자를 방출합니다.
그러니까, 이 캘리포늄이라는 원소는 중성자를 넣어주지 않더라도 3%의 확률로 중성자를 방출시키게 됩니다.

이 3%의 자발 방출 중성자를 활용해 원자로를 처음에 가동하게 되고 이후 연쇄반응이 이루어지면 Cf-252는 연쇄반응으로 발생하는 고속중성자에 의해 빠르게 고갈됩니다. 그래서 운전 초반에 사용하고 이후에 정상운전시에는 이차선원을 사용하게 됩니다.

2차선원

Sb-Be 혼합물로 안티몬-베릴륨 혼합물이라 합니다. 이는 앞서 소개한 Cf-252와는 달리 자발 핵분열을 통한 중성자 방출을 하지 않습니다.
하지만, 정상운전도중 중성자를 흡수한 Sb는 고에너지의 감마선을 방출하고 베릴륨은 이 감마선에 의해 중성자를 방출하는 (γ,n) 반응을 합니다.

구조

봉의 형태로 존재하고 내부에 Cf-252와 Sb-Be이 여러 부분으로 나뉘어 위치해 있습니다.

결론

원자로를 가동할 때 중성자를 통해 핵분열을 유발해야 하므로 중성자를 방출하는 물질을 사용해야 한다. 그러기 위해서는 1차선원인 Cf-252가 필요합니다.
가동중에는 감마선에 의해 중성자를 방출하는 Sb-Be혼합물을 사용합니다.

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