라디오 다이얼을 돌리다 딱 걸리는 그 순간

라디오 주파수를 맞춰본 적 있으신가요

옛날 라디오 다이얼을 이리저리 돌려본 적 있으신가요? 대부분의 위치에서는 지지직거리는 잡음만 들리다가, 어느 방송국의 정확한 주파수에 딱 맞는 순간 갑자기 또렷한 목소리가 잡힙니다. 주파수가 조금만 어긋나도 다시 잡음으로 돌아가 버리죠.

원자핵도 중성자를 향해 이런 "특정 주파수"를 가지고 있습니다. 오늘 다룰 공명흡수가 바로 그 이야기입니다.

대부분은 완만하지만, 어떤 지점에서는 갑자기 튀어 오릅니다

전에 단면적이 중성자 에너지에 따라 대체로 완만하게(느릴수록 커지는 식으로) 변한다고 말씀드렸었죠. 그런데 이 완만한 경향에서 벗어나는 특별한 지점들이 있습니다. 특정 에너지에서는 단면적이 갑자기 확 튀어 오르는 좁고 뾰족한 봉우리가 나타나는데, 이를 공명이라고 부릅니다.

우라늄-238의 경우, 이런 공명은 주로 중성자가 빠른 속도에서 열중성자로 느려지는 중간 단계(약 1 eV~1 킬로전자볼트 사이)에 몰려 있습니다. 대표적인 공명 하나만 봐도 평소 단면적보다 수백에서 수천 배나 큰 뾰족한 봉우리를 이룹니다. 왜 이런 일이 생기냐면, 중성자를 흡수해 만들어지는 화합핵이 특정한 에너지 준위를 가지고 있어서, 중성자 에너지가 그 준위와 정확히 맞아떨어질 때만 라디오 주파수가 맞은 것처럼 반응이 유독 강해지기 때문입니다.

이게 원자로에서는 왜 문제가 될까요

핵분열 직후 나온 중성자는 빠르게 태어나서, 감속재를 거쳐 열중성자 속도로 느려져야 우라늄-235와 효율적으로 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 그런데 느려지는 길목에는 반드시 이 "공명영역"이 놓여 있습니다. 하필 그 순간 중성자의 에너지가 우라늄-238의 공명 주파수와 딱 맞아떨어지면, 그 중성자는 핵분열을 일으키지 못하고 그냥 흡수되어 사라져 버립니다. 연쇄반응 입장에서는 아까운 "낭비"인 셈이죠. 얼마나 많은 중성자가 이 구간을 무사히 통과해 열중성자까지 살아남는지를 공명이탈확률이라고 부릅니다.

그래서 원자로를 설계할 때는 핵연료와 감속재를 뒤죽박죽 섞지 않고, 핵연료를 막대 모양으로 뭉치고 그 사이사이에 감속재를 채우는 구조를 씁니다. 중성자가 연료 밖으로 나와 감속재 안에서 주로 속도가 느려지게 하면, 공명 주파수를 지나가는 그 순간 우라늄-238 바로 옆에 있을 확률 자체가 줄어들기 때문입니다.

온도가 오르면 저절로 안전해지는 신기한 효과

여기서 아주 흥미로운, 안전과 직결된 효과가 하나 등장합니다. 핵연료 온도가 올라가면 우라늄-238 원자핵의 열운동이 활발해지면서, 좁고 뾰족했던 공명 봉우리가 폭이 더 넓게 퍼진 모양으로 바뀝니다. 봉우리 전체의 "면적"은 비슷하게 유지되지만, 폭이 넓어지다 보니 더 넓은 에너지대의 중성자가 이 공명에 걸려 흡수됩니다.

그 결과 연료 온도가 올라갈수록 공명 흡수가 늘어나 반응도가 저절로 낮아지는 신기한 되먹임이 생깁니다. 이를 도플러 효과(온도 되먹임)라고 부르는데, 사람이나 제어봉이 개입하지 않아도 물리 법칙 자체가 만들어내는 원자로의 대표적인 내재적 안전 특성으로 꼽힙니다. 심지어 제어봉보다 훨씬 빠르게, 거의 즉각적으로 작동한다는 점이 중요합니다.

자주 하는 오해 하나

"공명에 흡수된 중성자도 핵분열을 일으킨 것이다" — 아닙니다. 우라늄-238의 공명 흡수는 대부분 핵분열이 아니라 그냥 붙잡히는(포획) 반응이며, 그 중성자는 연쇄반응에 더 이상 기여하지 못합니다. (다만 이 포획이 훗날 다른 유용한 핵종을 만드는 경로가 되기도 하는데, 이는 다음에 다뤄보겠습니다.)

오늘의 한 줄 정리

• 단면적은 대체로 완만하게 변하지만, 특정 에너지에서는 좁고 뾰족한 공명 봉우리가 나타나 그 근처의 중성자를 유독 강하게 흡수한다
• 중성자가 감속되는 길목의 공명영역에서 우라늄-238에 흡수되면, 그 중성자는 핵분열에 기여하지 못하고 사라진다
• 연료봉과 감속재를 분리한 불균질 격자 구조가 이런 공명 흡수 손실을 줄여준다
• 연료 온도가 오르면 공명 봉우리가 넓어져 흡수가 늘고 반응도가 낮아지는 도플러 효과는, 원자로의 대표적인 내재적 안전 장치다