공부하고 정리하고

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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핵분열을 잘 일으키는 중성자가 너무 많아지면 핵분열은 많이 일어날 것이고 그럼 더 많은 에너지가 발생하기 때문에 더 많은 열이 발생합니다. 이때 설계기준 한계치 이상의 온도가 발생하면 원자로가 녹아버릴 수도 있습니다. 이러한 사고는 심각한 사고로 연결이 되죠.

그래서 원자로 안에는 이 중성자의 수를 적절하게 제어하기 위한 수단들이 존재합니다.

그런데 우리는 여기서 한가지 생각해보아야만 하는 것이 있습니다.
중성자를 우리가 잡을 수도 볼 수도 없는 데다가 1개 2개 있는 것도 아닙니다.
만약 1몰의 개수만 모여 있어도 6.02ⅹ1023개의 중성자가 있는 겁니다.

이처럼 하나씩 제어가 힘든 중성자들을 가장 효과적으로 제어하는 방법은 핵분열에 사용되기를 막아버리는 방법입니다.
즉, 중성자가 우라늄과 반응 하는 정도인 흡수단면적보다 더 큰 단면적을 중성자에 대해 가지는 물질을 적절히 안에 배치하는 겁니다.

만약 원자로의 출력이 높아서 낮추어야 한다면 이 물질을 더 많이 넣어주는 것이고 출력이 낮다면 이 물질을 줄여주면 될 것입니다.

그리고 전원종료버튼과 같은 역할도 해줍니다. 정지를 해야 할 일이 있으면 이 물질을 훨씬 많이 넣어주면 되고 이 물질에 의해 우라늄-235의 핵분열 연쇄반응은 진행되지 못합니다.

이러한 역할을 해주는 장치가 제어봉집합체입니다.
Shut down(정지)을 유도하고 출력의 증감을 조절하는 장치로 원자로 안정성 유지 측면에서 매우 중요한 장치 중 하나입니다.
그럼 어떤 식으로 구동하고 어떻게 생겼는지를 알아보겠습니다.

제어봉

Control Rod라 합니다.
사용하는 중성자흡수체는 B-10으로 붕소물질을 사용합니다.
그리고 제어봉 자체의 구조는 연로봉과 크게 다르지 않습니다. 다만, 그 안에 들어가는 물질이 우라늄이 아닌 붕소가 들어가는 겁니다.

이 붕소는 중성자를 흡수하고 헬륨가스를 방출하는 반응을 합니다. 그렇기에 지속적인 반응으로 헬륨가스가 증가하게 된다면 압력에 의해 응력이 증가됩니다. 그래서 설계시에 중성자흡수체의 연소정도와 사용하는 재질인 인코넬 625의 허용기준 정도 등을 고려해 10년의 수명을 가지도록 설계됩니다.

제어봉집합체(CEA)

Control Element Assembly라고 합니다.
이 제어봉집합체는 제어봉의 묶음인데 거미발이라고 불리는 장치에 연결되어 여러 제어봉을 한 번에 움직여 제어하게 됩니다.

제어방식은 제어봉구동장치(CEDM)의 자력식인양장치를 사용해 상하 이동합니다.
이 장치는 원자로의 위에서 삽입되는 제어봉집합체의 연장축에 부착되는데 전류의 공급양에 따라 뱐화하는 자기력에 의해 제어봉을 잡고 있는 장치를 운동시켜 이동시키게 됩니다. 그래서 후쿠시마원전과 같은 완전 정전사고가 발생한다면 이 제어봉장치는 전력을 공급을 못 받아 자동으로 잡고 있던 장치가 이 제어봉을 잡을 힘을 못 받게 되고 떨어뜨리는 방식입니다. 즉, 사고가 발생할 경우 원자로가 안전해지는 방향으로 설계된 전원공급장치를 사용합니다.

이 제어봉집합체는 하나의 종류로만 구성되어 있지는 않습니다. Shutdown용 전강도 제어봉집합체와 출력제어 전강도 제어봉집합체 그리고 세로방향의 출력차이를 줄여주는 부분강도 제어봉집합체가 존재합니다.

우선 shutdown용 전강도 제어봉집합체는 정상운전시에는 원자로내부에 삽입을 안하고 대기상태로 유지되는 집합체 입니다.
하나의 제어봉집합체에 12개의 제어봉이 묶음으로 한번에 작동하도록 설계가 되어있습니다.

출력제어용 전강도 제어봉집합체는 원자로의 운전 정상출력에 맞추어 유지되도록 인출과 삽입이 지속적으로 일어나는 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 12개봉 묶음으로 된 제어봉집합체와 4개봉 묶음의 제어봉집합체가 함께 존재하는데 4개봉 묶음이 훨씬 많습니다.
4개봉 묶음은 12개봉 묶음보다 삽입 및 인출 시 변동이 그만큼 작은만큼 세부출력 조절을 위해 사용한다고 생각하시면 되겠습니다.

마지막으로는 부분강도 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 앞서 설명한 제어봉과는 조금 차이가 있습니다.
두가지의 차이가 있는데 사용 중성자흡수체와 생김새의 차이입니다.
중성자흡수체는 B-10보다는 약 흡수체인 인코넬 625 스러그라는 물질을 사용하고 구조는 다 동일한데 제어봉 중간에 구멍이 있어 냉각재가 통과되도록 만들었습니다.
왜 이렇게 만들었을까요?
우선, 전체적으로 제어봉을 흡수하는 정도는 작아졌지만 중간에 구멍이 있는 부분에 냉각재가 지나가면서 중성자흡수율(흡수 단면적)이 더 커지게 되는 구조입니다.

이렇게 하는 이유는 원자로의 출력분포가 세로방향으로 코사인함수를 그리는 분포를 나타내기 때문입니다. 즉, 가운데 부분이 출력이 가장 강합니다. 이 출력 차이를 줄이기 위해 중간에 중성자 흡수율을 높이는 제어봉을 사용한 것입니다.

여기까지가 제어봉집합체에 대한 전체적인 설명입니다.
정리해보자면 중성자를 흡수해 우라늄과 핵반응 하는 중성자의 수를 제어하는 장치다.
상황별로 출력증가, 감소 그리고 정지를 위해 여러 방식으로 구성되어 있다.
정도로 정리가 되겠습니다.

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반응 단면적

반응 단면적이라 함은 단면적이라는 말에서 느껴지는 기하학적이라는 의미로 생각하기 보다는 그 대상과의 상호작용의 정도를 확률로 나타냅니다. 그러니 확률이라고 생각하시는게 좋습니다. 

그래서 반응할 확률입니다.
표시는 다음과 같이 σ를 사용하고 단위는 cm2를 사용합니다.

보통 핵자 크기에서 반응 단면적을 이야기할때는 barn이라는 단위를 사용하는데 cm2 의 단위로 표현하기에는 그 값이 매우 작기 때문입니다. 

 1barn = 10-24cm2

이 반응 단면적은 산란으로 작용할 수도 흡수를 할 수도 있습니다.

우리는 흡수단면적을 볼것이고 이중에 핵분열을 유도하는 핵분열단면적을 살펴보아야 합니다.

핵분열단면적

핵분열을 일으킴에 있어 그 원인이 되는 입자를 고려할때 핵분열단면적이 큰 물질 즉, 핵분열을 일으킬 확률이 높은 물질을 찾아야 합니다. 핵분열을 일으킬 확률이 낮다면 그만큼 더 많은 입자를 필요로 할 것이고 이것은 경제성을 낮추는 주 원인이기 때문입니다. 
우리가 사용할 수 있는 입자는 원자를 기준으로 중성자, 양성자, 전자가 있겠습니다.
우선, 전자를 보면 전자가 원자핵을 향해 가서 충돌한다고 하였을 때 핵은 분열을 할까요?
원자를 기준으로 원자핵이 원자 안에서 차지하는 질량 비율은 거의 100%입니다. 양성자의 질량은 전자의 질량의 1800배이고 중성자는 양성자와 전자의 질량을 합친것보다 큽니다. 

전자에 비해 핵은 전자의 질량을 무시할만한 큰 질량을 가졌고 크기도 전자가 먼지라면 핵은 축구공만하다고 할 수 있으니깐 핵분열을 일으키기 쉬울 것 같지는 않습니다. 

아인슈타인의 질량 에너지 등가식을 보면 정지질량에 의한 에너지가 상당한 것을 알 수 있습니다. 그럼 적어도 전자는 이 정지질량에 해당하는 에너지만큼은 넘어서야 합니다. 그렇게 하기에는 현실적으로 어려울 겁니다.

양성자는 어떨까요?

핵이 양성자와 중성자의 결합으로 이루어져있으니까 충격이 꽤나 클 겁니다.
지구로 치면 달 같은 게 가속해서 온다고 생각하면 되려나요?
그런데 양성자는 문제가 하나 존재합니다. 반응 단면적이 굉장히 작다고 할 수 있는데요.
그 이유는 전하량을 가졌기 때문입니다.
핵에 존재하는 양성자들은 +전하를 가졌고 이들이 포텐셜 장벽을 형성합니다.
쉽게 말하면 N극이 N극을 밀어내는 것처럼 양성자는 이 핵안으로 들어가는 데에 큰 방해를 받게 됩니다.
제가 저번 시간에 소개해드린

이 반응에서는 양성자가 핵반응을 일으켰다고 했었죠?
해당 입자가 리튬이 아니라 무거운 핵자였다면 이당시 사용한 고전압으로는 어림도 없었을 겁니다. 클롱힘은 무거운 핵자일수록 커지니까요.! (더 많은 양성자에 의해서)

그래서 양성자는 이 클롱장벽에 의해 상당한 에너지를 주어야 장벽을 뛰어넘을 수 있습니다.

물론 터널링현상으로 반응이 가능하기에 반응이 완전 안 일어난다고는 할 수 없습니다.

마지막으로 중성자는 어떨까요?
과연 어떠한 장점을 가졌을까요?
이 중성자는 말 그대로 중성입니다. 전하를 가지고 있지 않습니다.
그런데 양성자와 거의 비슷한 질량을 가집니다.
그리고 이 중성자는 핵에서 생성시킨 클롱 장벽의 방해를 받지 않습니다.
그렇기에 핵분열을 유도해내는데 양성자만큼 큰 힘을 들일 필요가 없게 됩니다.

핵분열을 유발하는데 사용가능한 입자는 양성자와 중성자입니다. 그런데 양성자는 핵분열을 유발하기 위해서는 고에너지를 주어야 하기 때문에 가속기의 사용이 필수적입니다. 하지만 중성자는 전하를 안 띤다는 특성으로 가속기에서 가속은 못 하지만 반응단면적이 큰 특징을 가져서 원자로에서 핵분열을 유발하는 source로 사용이 가능합니다.
또한, 핵분열시에 중성자가 발생하고 이것을 또 핵분열에 사용할 수 있기 때문에 임계구동이 가능한것이 또 그 이유가 되겠습니다. 

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후쿠시마 사고 이후 전 세계에서 탈원전의 움직임이 불고 있다. 물론, 중국과 몇몇 개발도상국들은 활발하게 원전을 늘리고 있고 사고가 일어난 일본에서도 에너지 비용에 대한 부담으로 원자력을 다시 가동하고 있다. 

이러한 상황에서 우리나라는 이번 정부에 들어서 탈원전을 선언하였고 여기에 대해 많은 찬반 의견이 오고 갔다. 

탈원전을 선호하는 여론이 많지만 현실적인 에너지 수급 상황과 우리나라가 원자력 설계기술이 우수하다는 점 그리고 안전을 위해서는 지속적인 연구 및 개발, 기업의 참여로 건전성이 유지되어야 하는데 탈원전으로 인해 기업의 사업 포기가 늘어날 전망이며 연구 및 개발에 대한 예산이 삭감되고 있음에 우려를 표하고 있다. 거기다, 그리고 탈원전을 위해 핵연료인 고준위 방사성폐기물을 처분하고 원자력 시설을 해체, 제염하는 분야에 많은 연구 및 투자가 일어나고 있는 상황이다. 

이런 현시점에서 핵연료 처분 문제에 대해서 한번 고민해보고 원자력 발전에 대해서 고민을 해보고자 한다. 

탈원전을 하는 가장 큰 이유 두 가지는 사고가 발생하였을 때 그 규모가 상당하다는 것과 지금도 생산되고 있는 고준위 폐기물을 과연 어떻게 처분할 것이며 또한 그 비용을 고려하였을 때 진정 저렴한 에너지원이라고 말할 수 있는가로 설명한다. 

고준위 폐기물을 처분하는 방법으로 주로 언급되는 것이 영구처분하는 방법으로 깊은 땅속에 처분시설을 건설하고 이 시설에 폐기물을 처분하여 우리가 사는 환경으로부터 멀리 떨어뜨리는 방법인 심지층 처분을 언급한다. 

이 방법은 실제로 핀란드와 같은 북유럽 국가에서 국민들과 소통을 통해 해당 시설에 대해 공감대를 얻고 시설을 건설하여 앞으로 운영할 계획을 가지고 있다.

하지만, 이 방법은 어디에 건설한 것인지 또 건설한다고 했을 때 국민들과 소통을 통해 해당 시설에 대한 공감대를 얻을 수 있을지의 문제가 있다. 실질적으로 우리나라에서 이 방법의 공감대를 얻고 또 적절한 부지를 선정하는데 까지만 해도 아주 많은 시간이 걸릴것 이라고 생각이 된다. 

다른 방법으로 또 자주 언급되는 것이 파이로프로세싱이다. 파이로프로세싱을 통해 재처리하여 우라늄과 플루토늄을 분리해내어 다시 핵연료로 사용한다. 발생하는 폐기물의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 방법이다. 하지만, 이 기술도 말이 많다. 

재처리 후에 발생하는 고농도의 세슘과 스트론튬(핵연료에 원래 포함되어 있는)은 처분의 대상인데 아직 적절한 처분방법을 찾지는 못한 것으로 보인다. 또한, 재처리한 핵연료를 사용하기 위해서는 고속로를 사용해야 하는데 감속재로 사용하는 소듐이 폭발의 위험성이 커 실제로 만드는데 많은 난항이 있을 것으로 보인다. 

따라서 이 두 방법다 문제점을 가지고 있고 정부와 국민은 적절한 해결책을 찾아야만 한다. 

그렇기에 가속기를 사용한 핵 폐기물 처리 방법에 대해 생각해볼 필요가 있다. 

국내에는 방사광가속기, 양성자가속기가 운영 중에 있고 중이온가속기인 라온은 건설중에 있다. 방사광가속기는 전자를 가속하고 저장링에 보관하며 회전할때 발생하는 X선을 이용해 표적에 조사하여 연구를 진행하는 시설이다. 그리고 양성자가속기는 양성자를 가속시켜 이 양성자 빔을 표적에 조사하여 발생하는 입자 및 에너지를 이용하는데 전자와 달리 핵자를 때어낼 수 있기 때문에 핵자를 파쇄시킬 수도 있고 이 보다 낮은 에너지에서는 양성자를 핵자 내부로 조사시킬 수 도 있다. 

이것은 중요한 의미를 지닌다. 

원자력 발전을 통해 발생하는 핵 폐기물들은 우라늄의 딸핵종들로써 핵분열을 통해 발생한다. 이 핵종들은 중성자과잉핵종들인데 중성자과잉이라는 말은 말 그대로 중성자가 많은 핵종이라는 뜻이다. 원래, 핵자가 무거워 질수록 양성자보다 중성자 수가 많아야 안정적이지만 여기서 말하는 중성자과잉핵종들은 중성자가 너무 많아 불안정한 핵종들이다. 따라서 중성자는 음전자를 방출하면서 양성자로 바뀌게 되는데 이것이 베타 마이너스 붕괴이다. 이런 중성자과잉핵종에 양성자를 조사시켜 내부에 주입하면 비교적 안정적인 핵종을 만들 수 있다. 뿐만 아니라 더 고에너지의 양성자 빔을 사용해 조사를 하면 핵 파쇄를 통해 더 가볍고 안정적인 핵종을 생산해내면서 이때 발생하는 고에너지를 사용해 발전을 할 수도 있다. 

(실제로 양성자가속기를 통해 생산하는 의료용 동위원소는 양성자과잉핵종으로 베타 플러스 붕괴를 하는데 대표적으로 진단장치인 PET에 쓰인다.)

이런 원리를 착안한 것이 가속기 구동 미임계로 원자로이다. 

우선, 미임계라는 것은 우라늄이 핵분열을 할 때 핵분열로 중성자가 발생하고 또 여기서 몇몇 중성자는 누설이 되고 다른 곳에 흡수되기도 하고 몇몇 중성자는 다시 핵분열에 쓰이게 된다. 따라서, 임계라는 것은 중성자 세대가 거듭할때 발생하는 중성자 수가 이전 세대와 같음을 말한다. 그렇기에 미임계라는 말은 중성자수가 전세대 보다 적다는 것으로 중성자로 인해 연속적인 핵분열을 유도할 수 없다는 것이다. 

따라서, 우리가 흔히 보고 알고 있는 원자력 발전소는 이 미임계 원자로가 아니다. 임계를 이루어야 지속적인 발전을 할 수 있기 때문이다. 

따라서, 우리가 아는 원자력발전소는 임계 원자로로써 중성자 수를 제어하는 방법으로 임계를 유지한다. 

그런데, 미임계 원자로는 중성자를 따로 넣지 않는 한 발전을 할 수가 없다. 

이런 방식의 원자로에 우리의 골칫거리인 사용후 핵연료를 넣는다면 어떻게 될까? 

사용후 핵연료는 경수로 기준으로 U-235가 3~5% 정도 농축된 핵연료를 원자로에 넣고 운전 후에 더이상 효율적인 중성자 경제를 나타내지 않을 때 원자로에서 인출하게 되는데 그렇다고 해서 핵분열을 안하는 것도 아닐 뿐더라 아주 높은 고에너지의 방사선을 뿜어낸다. 

이런 사용후 핵연료를 미임계 원자로에 넣고 여기에 양성자가속기를 표적에 부딪혀 발생하는 파쇄 중성자를 주입한다고 하면 이 사용후 핵연료에 있는 고준위의 방사성핵종을 붕괴시킬 뿐만 아니라 붕괴에서 발생하는 열을 통해 발전을 하여 전기도 생산해낼 수 있다. 

이때 가속기를 돌리기 위해서는 많은 전기가 소모되는데 미임계 원자로의 가동으로 발생하는 전기의 약 15% 정도를 투자하면 가속기를 구동할 수 있다고 한다. 따라서 약 85%는 상업용 전기로 전환하여 전기를 생산해내는 발전소가 될 수 있다는 것이며 동시에 고준위 방사성 폐기물을 처분함에 따라 반감기를 촉진하고 부피를 줄여 효율적이며 현실적인 처분방법이 될 것이다. 

우리나라는 양성자가속기 1단계 사업을 통해 100MeV 첨두전류 20mA의 대용량 선형가속기를 운영 중이다. 대용량인 만큼 이 미임계 원자로와 연동하기에 적합하다. 하지만, 100MeV의 에너지는 아직 부족하다. 앞으로 2단계 사업을 통해 1GeV에 20mA의 첨두전류를 가진 대용량 선형가속기로 거듭난다면 핵 폐기물을 처분하는 가속기 구동 미임계 원자로에 대한 연구를 활발히 진행할 수 있을 것이다.