냉각재

냉각재[Coolant]

원자로에서 핵분열을 통해 열이 발생되는 노심 및 핵융합 원자로의 블랭킷 등으로부터 열을 제거하기위해 이용되는 물질로 원자로 주요 구조재의 하나이다. 일반적으로 냉각재는 원자로 노심과 열교환기(증기발생기) 사이를 순환하며 노심의 핵분열 열을 열교환기 내부를 흐르는 별도의 냉각재에 전달한다. 이때 전자를 1차 냉각재, 후자를 2차 냉각재라 한다.

보통 냉각재라고 하면 1차 냉각재를 의미한다. 전력을 생산하는 것을 목적으로 하는 원자로(동력로, power reactor)에서는 보통 열교환기가 증기발생기가 되고 2차 냉각재로 경수를 이용하여 1차 냉각재로부터 전달받은 열로 증기로 변환시킨다. 1차 냉각재와 2차 냉각재를 구분하여 사용하는 것은 핵연료에서 누설될 수 있는 방사성물질이 이차계통(발전계통)으로 이동하여 오염되는 것을 방지하기 위한 것으로 두 냉각재가 직접 접촉하지 않도록 되어 있다.

1차 냉각재에 요구되는 성질

 ㆍ열중성자 흡수 단면적이 작은 것 
 ㆍ열용량이 큰 것
 ㆍ열전달율이 큰 것 
 ㆍ열이나 방사능에 대하여 안정한 것 
 ㆍ부패성이 약한 것
 ㆍ원자로 구조재 부식성이 약한 것  
 ㆍ유발 방사능이 약한 것 
 ㆍ액체의 냉각재 경우 비등점이 높은 것 
 ㆍ가격이 저렴한 것 등이다

냉각재의 종류

 ㆍ기체 - 공기, 이산화탄소, 헬륨 등 
 ㆍ액체 - 중수, 경수 등 
 ㆍ액체 금속 - 수은, 나트륨, 나트륨-칼륨 합금(나크), 비스무트 등

• 공기

열중성자 흡수단면적이 1.5barn으로 비교적 크지만 값이 싸고, 노심의 핵분열 열을 2차 냉각재로 전달하는 순환회로를 폐회로(닫힌 회로)로 할 필요가 없기 때문에 흑연 감속 냉각형 연구로에 이용되지만, 고온에서는 원자로 구조재와 반응하는 결점이 있기 때문에 동력로에는 이용되지 않는다.

• 이산화탄소

열중성자 흡수단면적이 0.003barn으로 매우 작고 고온에서도 구조재와 반응하기 어려우며 또한 냉각재 순환에 필요한 동력을 제공하는 순환펌프의 동력 소비도 작기 때문에 공기와 비교하여 비싸기는 하지만 흑연 감속ㆍ기체 냉각형 동력로의 냉각재로서 널리 이용되고 있다.

• 헬륨

비활성이고 열중성자 흡수단면적이 0.008barn으로 매우 작은 특성 등에서 냉각재로서 매우 뛰어나지만 가격이 매우 비싸다. 가스냉각 원자로의 냉각재로 널리 이용될 전망이다.

• 중수

열중성자 흡수단면적이 0.0025barn으로 매우 작지만 열적 성질은 경수와 거의 같다. 중수는 자연에서 얻을 수 없고 인위적으로 생산하여야 하므로 가격이 매우 비싸다. 천연우라늄을 핵연로 이용하는 중수로(캐나다 중수로 - CANDU 등)에서 냉각재로 사용된다. 

• 경수

열중성자 흡수 단면적이 0.6barn으로 비교적 크지만 값이 싸고, 비열이 큰 특성 등 때문에 현재 대부분의 발전용 원자로(동력로) 냉각재로서 널리 이용되고 있다. 동력로의 냉각재로만 제한적 이용 범위, 액체상태를을 유지하는데 고압이 필요한 점, 임계 온도 374℃ 이상에서는 액체상태가 유지되지 않는 점, 고온에서 부식성을 갖는 점 등의 단점이 있다.

• 액체 금속

일반적으로 열전달율이 물보다 크지만 열용량은 물보다 작기 때문에 같은 양의 열을 제거하는 데는 물보다 큰 유량을 필요로 한다.
Na은 800℃ 이상에서 끓으므로 액체상태를 유지하기 위해 가압할 필요는 없으나, 응고점이 98℃이기 때문에 상온에서는 응고하는 결점이 있다. 

물과 비교하여 매우 무거운 Na 순환에는 소요되는 동력(pumping power라 한다)이 크며, 특히 물과 접촉하면 격렬하게 반응하여 폭팔하는 등의 결점이 있으나 고속중성자를 핵분열에 이용하는 동력로(고속로)와 같이 노심의 출력 밀도가 큰 원자로의 냉각재로서 이용되고 있다.

비스무스는 열중성자 흡수 단면적이 0.03barn으로 비교적 작지만, 중성자를 흡수한 후 방사붕괴하여 생성되는 딸 핵종은 방사능(독성)이 크다.