핵분열 연쇄 반응

중성자는 핵분열 과정에서 핵심적인 역할을 하는 입자이다. 중성자는 전하를 띠지 않아 양성자로 구성된 원자핵의 쿨롱 장벽을 쉽게 통과할 수 있다. 따라서 중성자가 우라늄-235이나 플루토늄-239 같은 무거운 핵분열성 물질의 원자핵에 포획되면, 핵은 불안정해져서 일반적으로 두 개의 작은 핵(분열 생성물)으로 쪼개진다.

이 핵분열 과정에서 중요한 것은, 추가로 2~3개의 중성자가 방출된다는 점이다. 이 새로 생긴 중성자는 주변의 다른 핵분열성 원자핵에 의해 포획되어 새로운 핵분열을 일으킬 수 있다. 하나의 핵분열이 평균 2개 이상의 중성자를 방출하고, 이 중성자들이 다음 세대의 핵분열을 유발할 때, 반응이 기하급수적으로 증가하는 연쇄 반응이 시작된다. 방출되는 중성자의 평균 개수를 중성자 증배율이라고 한다.

방출된 중성자는 매우 높은 에너지(고속 중성자)를 가지고 나오지만, 대부분의 핵분열성 동위원소는 저속의 열중성자에 의해 더 효율적으로 분열한다. 따라서 많은 원자로에서는 감속재를 사용해 중성자의 속도를 늦춘다. 핵분열 시 방출되는 중성자 중 일부는 핵에 포획되지 않고 시스템 밖으로 탈출하거나, 비분열성 핵에 포획되어 소실될 수 있다. 연쇄 반응을 유지하려면, 각 세대에서 핵분열을 유발하는 중성자의 수가 일정 수준 이상 유지되어야 한다.

임계 질량은 특정 조건에서 핵분열 연쇄 반응이 자체적으로 지속되기 위해 필요한 핵분열성 물질의 최소 질량을 의미한다. 이 조건을 임계 조건이라고 부르며, 질량 외에도 물질의 농도, 순도, 기하학적 형태, 주변 환경(반사체 유무 등)에 의해 결정된다. 임계 질량보다 적은 질량을 아임계 질량, 넘는 질량을 초임계 질량이라고 한다.

임계 조건에 도달하려면, 한 번의 핵분열으로 방출된 중성자 중 적어도 하나가 다른 핵을 분열시켜야 한다. 이는 중성자 증배 계수가 1 이상이어야 함을 의미한다. 중성자는 핵분열성 물질을 벗어나 탈출하거나, 불순물에 의해 흡수되거나, 비탄성 산란을 통해 에너지를 잃을 수 있다. 따라서 임계 질량을 계산할 때는 물질의 밀도와 순도를 높이고, 구형과 같은 표면적 대비 부피가 작은 형태로 만들어 중성자 탈출을 최소화하며, 중성자 반사체를 사용해 탈출한 중성자를 다시 물질 속으로 돌려보내는 방법이 활용된다.

다양한 핵분열성 물질의 임계 질량은 실험과 계산을 통해 결정된다. 순수한 금속 상태의 구형 질량을 기준으로, 반사체가 없는 경우의 대략적인 값은 다음과 같다.

이 값들은 이상적인 조건을 가정한 것이며, 실제 응용에서는 물질의 농도(예: 농축도), 물리적 형태, 반사체 사용 여부에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 고성능 반사체를 사용하면 임계 질량을 1/2 이하로 줄일 수 있다[2]. 또한, 물질을 압축하여 밀도를 높이면 핵 사이의 평균 거리가 줄어들어 중성자 탈출 확률이 감소하므로, 필요한 임계 질량이 더욱 줄어든다. 이 원리는 특히 핵무기 설계에서 중요한 요소로 작용한다.

제어된 연쇄 반응은 핵분열 과정에서 방출되는 중성자의 수를 인위적으로 조절하여 핵분열 반응률을 일정하게 유지하는 것을 말한다. 이는 주로 원자력 발전소의 원자로에서 에너지를 안정적으로 생산하기 위해 사용된다. 핵분열로 발생하는 열에너지는 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 제어된 연쇄 반응의 핵심은 반응이 스스로 지속되도록 하면서도 과열되거나 통제를 벗어나지 않게 하는 데 있다.

이를 위해 원자로에는 제어봉이라는 장치가 필수적으로 사용된다. 제어봉은 중성자를 잘 흡수하는 카드뮴이나 붕소 같은 물질로 만들어져 있다. 제어봉을 핵연료 심부에 삽입하면 중성자를 흡수하여 연쇄 반응 속도를 늦추고, 반대로 뽑아내면 중성자 흡수가 줄어들어 반응 속도가 증가한다. 이 원리를 이용해 운전자는 정확히 하나의 핵분열이 다음 세대의 하나의 핵분열을 일으키도록(중성자 증배 계수 k=1) 반응을 정밀하게 조절한다.

제어된 연쇄 반응을 유지하기 위한 조건은 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 제어 메커니즘 덕분에 원자로는 수십 년에 걸쳐 안정적으로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 연료 소모나 독성 부산물 축적과 같은 요인으로 인해 반응도가 서서히 변하는 것을 보상하기 위해 제어 시스템은 지속적으로 미세 조정을 가한다. 모든 현대 원자력 발전소는 이러한 제어된 연쇄 반응 원리를 기반으로 설계되어 있다.

비제어 연쇄 반응은 핵분열 과정에서 생성된 중성자가 급격하게 증가하여 반응 속도를 통제할 수 없는 상태에 이르는 현상이다. 이는 각 핵분열 사건이 평균적으로 1개 이상의 후속 핵분열을 유발하는 조건에서 발생하며, 반응 속도가 기하급수적으로 폭발적으로 증가하는 특징을 보인다. 이러한 비제어 상태는 매우 짧은 시간 내에 막대한 양의 에너지를 방출하며, 이는 핵무기의 작동 원리이자 핵심이다.

비제어 연쇄 반응이 일어나기 위한 핵심 조건은 임계 질량 이상의 핵분열성 물질이 충분히 밀집된 상태로 존재하는 것이다. 물질의 질량과 밀도가 임계값을 초과하면, 중성자가 핵분열성 원자핵과 충돌하여 새로운 분열을 일으킬 확률이 매우 높아진다. 이때 중성자를 흡수하거나 감속시키는 감속재나 제어봉과 같은 제어 장치가 없거나 효과를 발휘하지 못하면, 반응은 순식간에 폭주하게 된다.

비제어 연쇄 반응의 가장 잘 알려진 응용은 핵무기이다. 예를 들어, 우라늄-235나 플루토늄-239로 구성된 임계질량 이하의 물질을 순간적으로 합치거나 압축하여 초임계 상태를 만들어낸다. 이렇게 생성된 초임계 상태에서는 중성자 수가 폭발적으로 증가하며, 수 마이크로초 내에 막대한 에너지를 방출하는 핵폭발이 일어난다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 주로 열과 폭풍, 그리고 방사선의 형태로 나타난다.

원자력 발전소에서 발생하는 핵분열 사고는 의도하지 않은 비제어 연쇄 반응이나 그에 준하는 과도한 출력 증가로 인해 발생할 수 있다. 냉각재 상실이나 제어봉 제어 실패와 같은 상황에서 반응로 내부의 중성자 통제가 무너지면, 출력이 급격히 상승하여 멜트다운과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 원자로의 설계와 운전에서는 비제어 상태에 빠지는 것을 방지하기 위해 다중 안전 장치가 마련되어 있다.

우라늄-235(²³⁵U)는 천연 우라늄에서 약 0.7%만 존재하는 동위원소이다. 자연 상태의 우라늄은 대부분 우라늄-238로 구성되어 있으며, ²³⁵U는 열중성자에 의해 효율적으로 핵분열을 일으키는 유일한 천연 핵분열성 물질이다.

이 동위원소는 느린 중성자(열중성자)를 포획하면 불안정해져 두 개의 작은 핵(분열 생성물)과 평균 2.4개의 추가 중성자, 그리고 대량의 에너지로 분열한다. 이때 방출된 추가 중성자가 다른 ²³⁵U 핵에 의해 포획되면 연쇄 반응이 가능해진다. 이러한 특성으로 인해 ²³⁵U는 원자로의 핵연료와 핵무기의 주요 물질로 사용된다.

천연 우라늄에서 ²³⁵U의 농도는 연쇄 반응을 지속하기에 너무 낮다. 따라서 대부분의 원자로나 무기 용도로 사용하기 위해서는 농축 과정이 필요하다. 농축은 ²³⁵U와 ²³⁸U의 질량 차이를 이용한 기체확산법 또는 원심분리법 등을 통해 이루어진다. 사용 목적에 따라 농축도는 다음과 같이 달라진다.

²³⁵U의 반감기는 약 7억 400만 년으로, ²³⁸U에 비해 짧다. 이는 지구 역사 초기에 천연 우라늄의 ²³⁵U 비율이 더 높았음을 의미하며, 약 20억 년 전 아프리카의 오클로 천연 원자로에서 자연적으로 발생한 핵분열 연쇄 반응이 가능했던 이유이기도 하다[5].

플루토늄-239(²³⁹Pu)는 인공적으로 생성된 주요 핵분열성 물질 중 하나이다. 자연계에 미량 존재하는 플루토늄-238과 달리, ²³⁹Pu는 우라늄-238(²³⁸U) 원자핵이 중성자를 포획한 후 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 생성된다[6].

²³⁹Pu는 ²³⁵U와 더불어 핵무기와 원자로의 핵연료로 널리 사용된다. 그 물리적 특성은 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

²³⁹Pu는 열중성자에 대한 핵분열 단면적이 ²³⁵U보다 커서 원자로에서 효율적인 연료로 사용된다. 또한, 그 임계 질량이 ²³⁵U보다 작기 때문에 핵무기 설계에서 보다 소형화가 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 높은 자발적 핵분열 비율은 불순물인 플루토늄-240(²⁴⁰Pu)의 존재와 결합되어 핵무기의 설계와 제조를 더욱 복잡하게 만드는 요인으로 작용한다.

원자로 설계의 기본 요소는 핵분열 연쇄 반응을 안정적이고 지속적으로 유지하면서 발생하는 열을 효과적으로 제어하고 추출하는 데 있다. 주요 구성 요소로는 핵연료, 감속재, 냉각재, 제어봉, 그리고 반응로 용기와 같은 구조물이 포함된다.

핵연료는 일반적으로 농축된 우라늄-235나 플루토늄-239를 세라믹 펠릿 형태로 제작하여 금속 합금 피복관에 넣은 연료봉의 형태를 취한다. 감속재는 핵분열 과정에서 방출된 고속 중성자의 속도를 늦춰 다음 핵분열을 유도할 확률을 높이는 역할을 한다. 일반적인 감속재로는 경수, 중수, 흑연 등이 사용된다. 냉각재는 핵분열 과정에서 발생하는 막대한 열을 제거하여 연료봉을 냉각하고, 그 열을 발전 등에 이용하기 위해 외부로 운반하는 유체이다. 물, 중수, 이산화탄소, 헬륨, 액체 금속(예: 나트륨) 등이 냉각재로 쓰인다.

제어봉은 연쇄 반응의 속도를 조절하거나 정지시키는 핵심 안전 장치이다. 카드뮴이나 붕소 같이 중성자를 잘 흡수하는 물질로 만들어져, 반응로 심부로 삽입되면 중성자를 포획하여 반응을 늦추거나 멈춘다. 반응로 출력을 조절하거나 비상 정지 시에는 제어봉이 완전히 삽입된다. 이러한 모든 구성 요소는 방사선을 차단하고 냉각재의 압력을 견디도록 설계된 견고한 압력용기 내에 배치되며, 이 용기는 다시 격납용기로 둘러싸여 사고 시 방사성 물질의 외부 유출을 방지하는 이중 안전 장치를 구성한다.

감속재는 핵분열 과정에서 생성된 고속 중성자의 속도를 늦추는 역할을 한다. 우라늄-235와 같은 핵분열성 물질은 열중성자에 의해 분열이 잘 일어나기 때문에, 고속 중성자를 효율적으로 포획하기 위해서는 그 속도를 낮출 필요가 있다. 감속재 물질은 원자핵과의 탄성 충돌을 통해 중성자의 운동 에너지를 흡수하며, 가벼운 원자핵을 가질수록 감속 효율이 높아진다. 일반적으로 사용되는 감속재에는 중수(D₂O), 흑연, 그리고 일반 물(H₂O)이 있다. 각각은 중성자 흡수 단면적과 경제성, 안전성 등에 따라 다양한 원자로 설계에 적용된다.

냉각재는 핵분열 반응으로 발생한 막대한 열에너지를 핵연료에서 제거하여 발전에 이용하고, 동시에 원자로 내부의 온도를 안전한 수준으로 유지하는 역할을 한다. 냉각재는 원자로 노심을 순환하며 열을 흡수한 후, 열교환기를 통해 2차 계통의 물을 끓여 터빈을 돌리는 증기를 생성하거나 직접 터빈을 구동하기도 한다. 냉각재의 선택은 원자로의 운전 온도와 압력, 출력에 큰 영향을 미친다.

감속재와 냉각재는 때로 동일한 물질이 겸용되기도 하고, 별개의 물질로 분리되기도 한다. 예를 들어, 대부분의 경수로에서는 일반 물이 감속재와 냉각재의 역할을 동시에 수행한다. 반면, 중수로에서는 중수가 감속재로, 중수나 일반 물 등이 냉각재로 사용된다. 증식로와 같은 고속로에서는 중성자 감속을 목적으로 하지 않으므로 냉각재만 사용하며, 액체 나트륨이나 헬륨 가스 등이 주로 쓰인다. 이들의 물리적, 화학적 특성은 원자로의 안전성과 경제성을 결정하는 핵심 요소이다.

제어봉은 핵반응로 내에서 핵분열 연쇄 반응의 속도를 조절하거나 정지시키기 위해 사용되는 핵심 안전 장치이다. 주로 붕소, 카드뮴, 하프늄, 은-인듐-카드뮴 합금과 같이 중성자를 잘 흡수하는 물질(흡수체)로 만들어지며, 반응로 노심에 삽입하거나 뽑아내는 방식으로 작동한다.

제어봉의 구체적인 역할은 다음과 같다. 연쇄 반응을 시작하거나 출력을 높일 때는 제어봉을 서서히 뽑아 노심 내의 중성자 흡수를 줄인다. 이렇게 하면 다음 세대의 핵분열을 일으킬 수 있는 중성자 수가 증가하여 반응 속도가 빨라진다. 원하는 출력 수준에 도달하면 제어봉을 적절한 위치에 고정하여 중성자 흡수량과 생성량이 균형을 이루도록 하여 반응을 정상 상태로 유지한다. 반응로를 정지시키거나 출력을 낮출 필요가 있을 때는 제어봉을 완전히 또는 부분적으로 노심 깊숙이 삽입한다. 이는 과잉 중성자를 대량으로 포획하여 연쇄 반응을 빠르게 억제한다.

제어 시스템은 여러 개의 제어봉으로 구성되어 있으며, 이들은 보통 군을 이루어 작동한다. 일부는 출력을 미세하게 조절하는 데 사용되고, 다른 일부는 긴급 정지를 위한 비상 정지 시스템에 배치된다. 긴급 정지 시 모든 제어봉이 즉시 노심으로 낙하하여 반응을 순간적으로 중단시키는 것을 '스크램'이라고 한다. 제어봉의 설계와 배치는 반응로의 출력 분포를 균일하게 하고, 국부적인 출력 급증을 방지하는 데에도 중요한 역할을 한다.

제어봉 고장, 냉각재 상실, 또는 운영자 오류와 같은 여러 원인으로 인해 원자로 내에서 비정상적인 상황이 발생할 수 있다. 이러한 사고는 연쇄 반응이 통제를 벗어나거나 방사능 물질이 외부로 유출되는 결과를 초래할 수 있다.

대표적인 사고 시나리오로는 냉각재 상실 사고가 있다. 원자로의 냉각 기능이 정지되면 연료봉의 잔열로 인해 연료봉이 녹아내리는 노심 용융이 발생할 수 있다. 녹은 핵연료는 격납용기를 손상시켜 대량의 방사성 물질을 환경으로 방출할 위험을 초래한다. 1979년의 스리마일섬 원자력 발전소 사고는 부분적인 노심 용융이 발생한 사례이며, 1986년의 체르노빌 원자력 발전소 사고는 제어 불가능한 연쇄 반응과 폭발로 인해 대규모 방사능 누출이 일어난 대표적인 사례이다[8].

원자로의 안전 시스템은 이러한 사고 시나리오를 방지하고 사고 발생 시 그 영향을 최소화하기 위해 다층적으로 설계된다. 여기에는 자동 정지 시스템, 비상 냉각 시스템, 그리고 방사성 물질을 차단하는 격납용기 등이 포함된다. 사고 시나리오 분석과 확률론적 안전성 평가는 잠재적 위험을 식별하고 안전 조치의 효과를 평가하는 데 핵심적인 도구로 사용된다.