포장 완충재 고르듯, 감속재도 이렇게 고릅니다

택배 상자를 포장할 때를 떠올려 보세요

깨지기 쉬운 물건을 택배로 보낼 때, 상자 안에 뽁뽁이(에어캡)나 발포 스티로폼 같은 완충재를 채워 넣습니다. 그런데 완충재라고 다 같은 완충재가 아니죠. 뽁뽁이는 가볍고 저렴하지만 완충력이 보통이고, 발포 스티로폼은 완충력이 뛰어나지만 부피가 크고 다루기 번거롭습니다. 그래서 무엇을 보내느냐에 따라 적절한 완충재를 골라야 합니다.

전에 중성자가 가벼운 원자핵에 부딪힐수록 속도가 잘 줄어드는 충돌의 물리를 다뤘는데요, 이번엔 그 원리를 실제로 담당하는 재료, 즉 감속재를 원자로에서 실제로 무엇으로 쓰고 어떻게 고르는지 살펴보겠습니다.

감속재가 실제로 하는 일

감속재는 연료봉과 연료봉 사이를 채우고 있는 물질로, 핵분열로 튀어나온 빠른 중성자를 연료가 잘 흡수할 수 있는 속도로 늦추는 역할을 합니다. 상업 원자로에서 가장 흔하게 쓰이는 감속재는 우리에게 익숙한 보통의 물(경수)입니다. 이 밖에도 중수소를 포함한 물(중수)이나 흑연을 감속재로 쓰는 원자로형도 있습니다.

감속재를 고를 때 무엇을 따질까요

좋은 감속재가 되려면 두 가지를 동시에 만족해야 합니다. 중성자 속도를 효과적으로 늦출 수 있어야 하고(감속 능력), 동시에 중성자를 쓸데없이 흡수해 버리지 않아야 합니다(낮은 흡수율). 이 두 조건이 완충재를 고를 때의 "완충력"과 "무게·비용"처럼, 서로 주고받는 관계에 있습니다.

보통의 물(경수)은 감속 능력이 매우 뛰어나지만, 중성자를 어느 정도 흡수하는 특성도 함께 가지고 있습니다. 그래서 경수를 감속재로 쓰는 원자로는 이 흡수분을 보충하기 위해, 우라늄-235 비율을 자연 상태보다 높인 저농축 우라늄을 연료로 씁니다.

반면 중수는 중성자를 거의 흡수하지 않아 감속재로서 매우 효율적입니다. 다만 만드는 데 비용이 많이 든다는 단점이 있죠. 그 대신 중수를 쓰는 원자로는 천연 우라늄(농축하지 않은 우라늄)을 그대로 연료로 쓸 수 있다는 장점을 얻습니다.

흑연은 중성자를 거의 흡수하지 않으면서도 고체 형태로 다루기 편해서, 초기 원자로나 일부 노형에서 감속재로 사용되어 왔습니다.

세 가지 감속재, 한눈에 비교하면

정리하면 경수는 감속력이 우수하지만 흡수가 다소 있고, 중수는 감속력이 우수하면서 흡수가 매우 적고, 흑연은 감속력이 보통이지만 흡수가 적습니다. 완충재마다 완충력과 무게·비용의 균형점이 다르듯, 감속재도 저마다 다른 균형점을 가지고 있는 셈입니다.

이 선택이 원자로 설계 전체를 좌우합니다

어떤 감속재를 선택하느냐(물/중수/흑연)에 따라 노심 설계, 필요한 우라늄 농축도, 노심 크기 등이 크게 달라집니다. 즉 감속재 선택은 원자로 전체 설계의 출발점이 되는 결정 중 하나입니다. 그리고 여기서 한 가지 짚고 넘어갈 점이 있는데요, 경수로처럼 감속재와 냉각재가 같은 물질(물)인 경우가 많다 보니 둘을 같은 것으로 여기기 쉽습니다. 하지만 이 둘은 개념적으로 구분되는 서로 다른 역할이며, 냉각재로서의 역할은 다음 편에서 따로 다루겠습니다.

자주 하는 오해 두 가지

오해 1. "감속재는 아무 물질이나 상관없다" — 아닙니다. 감속 능력과 중성자 흡수율이라는 서로 주고받는 두 조건을 함께 고려해 재료를 선택해야 합니다.

오해 2. "감속재와 냉각재는 항상 서로 다른 물질이다" — 아닙니다. 경수로처럼 물 하나가 감속재와 냉각재 역할을 동시에 겸하는 경우가 많습니다. 다만 두 역할은 개념적으로 별개입니다.

오늘의 한 줄 정리

• 감속재는 핵분열로 튀어나온 빠른 중성자를 연료가 잘 흡수할 수 있는 속도로 늦추는 물질이다
• 좋은 감속재는 감속 능력이 뛰어나면서도 중성자를 적게 흡수해야 하며, 경수·중수·흑연은 이 두 조건 사이에서 서로 다른 균형점을 갖는다
• 포장 완충재를 고를 때 완충력과 무게·비용을 따지듯, 감속재도 감속 능력과 흡수율을 함께 고려해 선택한다
• 어떤 감속재를 쓰느냐는 노심 설계와 우라늄 농축도까지 좌우하는, 원자로 설계의 출발점이 되는 결정이다