도플러효과

Doppler Effect. 원자력 분야에서 도플러효과란 물질의 열운동으로 인하여 중성자와 원자핵과의 상호작용 에너지가 폭을 가지게 되는데서 기인한 효과로 원자로의 고유안전성을 보장하는 핵심적인 물리적 현상이다.

중성자와 원자핵과의 상호작용은 서로 접근하는 상대운동 에너지에 의하여 영향 받는다. 물질 속의 원자핵은 그 물질이 갖고 있는 온도 즉 열에너지에 의하여 열운동을 하고 있기 때문에 중성자와 물질 속 원자핵과의 상대적인 에너지는 일정하지 않고, 폭을 갖는다. 이 에너지 폭은 물질의 온도가 높을수록 커진다.

원자핵의 열운동에 의한 핵반응의 도플러효과

• 핵연료 속에 포함되어 있는 우라늄-238의 원자핵은 특정 에너지를 갖는 중성자하고만 매우 큰 흡수 핵반응을 갖는다. 우라늄 원자핵이 열운동을 하지 않고 정지해 있다면 입사하는 중성자의 에너지에 의하여만 흡수반응이 일어날지가 판가름난다. 즉 입사 중성자에너지가 특정에너지일 때만 반응하고 다른 에너지에서는 반응하지 않는다.

• 그렇지만 우라늄 원자핵이 열운동을 하게되면 입사 중성자에너지가 특정 에너지에서 조금 벗어나도 원자핵이 쳐다볼 때는 특정에너지인 것처럼 보이기 때문에 큰 흡수반응이 일어나기 쉽다. 핵연료의 온도상승에 따라 상호작용 에너지 폭이 넓게 확장되어 공명흡수확률이 증가하게 되고 따라서 중성자를 보다 많이 흡수하여 노심의 반응도가 저하한다.

U-238은 핵연료 소결체의 대부분을 차지하고 있는 핵종으로 핵연료 온도가 상승하면 지체없이 도플러효과가 작동하여 출력을 낮추는 방향으로 작용한다. 이렇기 때문에 U-238의 도플러효과는 원전에서 출력폭주를 자연적으로 막아주는 핵심적인 고유안전기구이다.

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr