연구용 원자로

연구용 원자로(연구로)는 핵분열로 생성된 열에너지를 이용하는 발전용 원자로와는 달리 핵분열 때 나오는 중성자를 이용하는 원자로로서. 더 넓은 의미에서는 원자로에서 생산된 중성자를 이용하는 장치나 시설까지 포함하는 총체적 원자력시설이다. 핵분열성 물질의 핵분열은 열에너지와 중성자를 동시에 생산하지만 연구로는 열에너지가 아니라 중성자 수가 중요하다. 연구로는 기초과학 연구부터 산업기술 개발까지 매우 광범위하게 이용되고 있다.

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  연구로 「하나로」노심

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  「하나로」 핵연료

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  우리나라 최초 연구로 TRIGA Mark II

연구용 원자로의 분류

연구용 원자로라는 용어는 통칭으로서 표준적인 분류 방법은 없어서 법령 등에서 규정적으로 엄밀하게 분류할 경우 그 기준과 명칭이 나라마다 다르다. 흔히 통용되는 구분은 열출력(MWt)을 기준으로 하는 분류와 활용목적에 따라 분류하는 것이다. 열출력을 기준으로 연구로를 분류하는 이유는 중성자 생성량과 방사성물질의 생성량이 열출력에 대체적으로 비례하기 때문이다. 중성자 생성량은 연구로 성능의 척도이며, 방사성 물질 생성량은 잠재적 방사선 위험의 척도이다.

• 열출력으로 분류 : 일반적으로 영(零)출력 연구로, 저출력 연구로, 고출력 연구로로 분류한다. 고출력 연구로와 저출력 연구로의 구분은 핵분열로 발생한 노심의 열을 냉각시키는 방식이 강제냉각 또는 자연대류를 이용하는 자연냉각으로 구분하며 그 경계는 1~2 MWt 정도로 본다. 영출력 연구로는 열출력이 아주 미미하여 운전 중에도 핵연료 등의 온도가 정지 중 온도와 차이가 없는 연구로이다. 영출력 연구로 중 특별한 형태로 임계시설(critical assembly) 및 미임계 시설(subcritical assembly)이 있다. 이들은 원자로 이론에 필요한 물리량들을 측정하는 데 쓰이는데, 핵연료 배열을 포함하여 노심 구조를 필요에 따라 쉽게 바꿀 수 있다는 특징이 있다. 경희대학교가 운영 중인 AGN-201K는 출력 10 W인 임계시설이다.
• 활용용도로 분류 : 다양한 분야에 활용하는 다목적 연구로와 특정 목적에 맞추어 특화된 설계를 갖는 특정목적 연구로로 분류할 수 있다. 방사성 동위원소 생산을 목적으로 하는 동위원소 생산로, 중성자 조사를 통해 재료의 특성분석 등의 연구를 목적으로 하는 재료시험로 등이 특정목적 연구로이다. 한국원자력연구원이 운영 중인 「하나로」는 출력 30 MWt로서 세계적인 고출력 다목적 연구로이다.

핵연료(Nuclear Fuel)

연구로 성능의 핵심은 중성자이므로 핵분열 중성자를 많이 생산하는 것이 매우 중요하다. 따라서 원자로의 열출력은 같아도 출력밀도가 높으면 단위면적당 단위시간당 생성되는 중성자속(neutron flux, #/cm²·sec)이 커지는데 안전성에 문제가 없는 한 출력밀도를 높인다. 근래까지 연구로는 $^{235}U$ 함유량을 90w/o 이상 농축하여 사용했으나 핵확산 우려로 인해 핵비확산 측면의 농축도 상한선인 20w/o 미만으로 사용하는 것으로 국제적인 동의가 이루어지고 있다. 핵연료의 형태는 판형핵연료(재료시험로 등에서 사용), 「하나로」 연구로와 같이 소형 핵연료봉 여러 개를 묶은 핵연료집합체, TRIGA 연구로 같이 대형 핵연료봉 형태 등 다양하고 핵연료 조성도 우라늄 실리사이드(U₃Si 또는 U₃Si₂), 우라늄-몰리브덴(U-Mo), 우라늄 지르코늄 하이드라이드(U-Zr-H) 등으로 다양하다.

연구용 원자로 이용분야

연구로에서 중성자를 이용하는 방식은 크게 두 가지인데, 하나는 중성자를 원자로 바깥으로 빔 형태로 인출하여 이용하는 것(neutron beam application)이고, 다른 하나는 원자로 노심 또는 그 주변에 표적을 설치하여 중성자를 조사(照射)하는 것(neutron irradiation)이다. 또한 교육 및 훈련에 활용되는 것도 연구로 운영의 큰 목적 중의 하나이다.

• 빔 이용 : 중성자가 물질에 부딪쳐 산란하는 현상을 통해 물질의 원자나 분자 배열을 규명하는 것과 같은 기초과학 연구뿐만 아니라, 자동차 엔진 같은 비교적 큰 물체에 중성자를 투과하여 내부 구조를 비파괴적으로 알아내는 중성자 사진(neutron radiography), 암 치료 방법으로서 중성자 포획 치료(neutron capture therapy) 등 실용적 분야에 이용된다.
• 중성자 조사 : 암 진단용 $^{99}Mo$, 비파괴 검사용 $^{192}Ir$ 같은 의료용 및 산업용 방사성 동위원소 생산, 미량 함유 핵종 분석을 위한 중성자 방사화 분석(neutron activation analysis), 실리콘(Si) 반도체를 생산하는 중성자 핵변환 도핑(neutron transmutation doping), 원자로 압력용기 재료 같은 원자력 구조재나 핵연료 등의 성능 평가를 위한 재료 조사(照射)시험(material test) 등에 쓰인다.
• 교육 및 훈련 : 원자력 인력양성과 교육 목적으로 원자력 전공 학생, 원자력발전소 운전원, 특정 활용 분야의 비원자력 전공 전문가 등을 대상으로 원자로의 원리, 방사선 측정 및 방호, 원자로의 운전 등에 대한 전문적 교육 및 훈련뿐만 아니라 일반인을 대상으로 하여 원자력에 대한 이해를 높이는 데 활용된다.