임계와 연쇄반응

임계(Criticality)란 핵분열 반응이 일정한 비율로 유지되는 현상을 말한다. 핵분열이 일어나면 핵분열 중성자가 생성되며 이들 중성자들이 새로운 핵분열을 일으키는 반복현상을 연쇄반응(Chain Reaction)이라고 한다. 임계와 연쇄반응은 원자로 설계에서 가장 중요한 물리적 변수이며 다음과 같은 주요 물리적 정의와 연계시켜 설명할 수 있다.

임계상태(Critical State)

임계는 핵분열 반응이 일정한 비율로 유지되는 물리적 상태를 일컫는다. 즉, 시간에 따라 핵분열 수가 감소하거나 증가하지 않고 항상 일정하게 핵분열이 일어나는 상태로서, 핵분열을 일으키기 위해 소멸되는 중성자 수와 핵분열로 생성되는 중성자 수의 비율(이를 유효증배계수, Effective Multiplication Factor라고 한다)이 1을 유지하는 상태를 말한다. 원자로가 일정 기간 동안 계속 같은 에너지양을 생산하기 위해서는 그 기간 동안 임계상태를 유지해야 한다.

임계질량(Critical Mass)

임계상태가 지속되는데 필요한 핵분열 용이물질의 양을 임계질량이라 한다. 만일 임계질량 이하이면 임계가 이루어져도 시간이 지나면서 핵분열 연쇄반응은 감소하게 되고 종래는 멈추게 된다. 반대로 임계가 이루어진 계(系)에 임계질량 이상 핵분열 용이물질이 있으면 핵분열은 계속 증가하게 된다.

생성시간에 따른 핵분열 중성자

• 즉발중성자(Prompt Neutron) : 핵분열에 일어나서 핵분열파편과 동시에 생성되는 중성자를 즉발중성자라 하며 에너지는 평균 약 2MeV이다. 에너지가 매우 높아 고속중성자(fast neutron)라고 부르며 경수로 및 중수로에서는 이들 중성자의 에너지를 매우 낮은 에너지(0.1eV 이하)로 감속시켜 핵분열 연쇄반응을 일으키도록 한다.
• 지발중성자(Delayed Neutron) : 핵분열파편 중 일부는 에너지가 높아 불안정하므로 베타붕괴를 통해 에너지를 방출하면서 안정된 상태가 되는데 이때 중성자가 방출되기도 한다. 이러한 중성자를 지발중성자라고 한다. 지발중성자는 생성시간의 지연에 따라(0.1초~1분) 여러 개의 군(群)으로 나눈다. 핵분열 중성자 중 지발중성자 비율은 아주 낮지만 원자로의 안전운전에 매우 중요하다, ${235}^{}U$ 경우 그 비율은 0.65%에 불과하다.

임계의 종류

• 즉발임계(Prompt Criticality) : 지발중성자 기여 없이 즉발중성자만으로 임계에 도달하는 것을 말한다. 즉발중성자의 수명(또는 생성시간)은 매우 짧으므로(10-4~10-7초) 유효증배계수가 1보다 큰 특정조건 이상에서 즉발임계 상태가 되면 핵분열 연쇄반응이 폭발적으로 증가하여 에너지폭주(energy excursion) 현상이 발생하게 된다. 핵폭탄이 이 경우이다.
• 지발임계(Delayed Critical) : 즉발중성자와 지발중성자가 함께 기여하여 임계상태를 이루어 핵분열 연쇄반응이 이루어지는 것을 말하며 통상 임계상태라 한다. 특정조건에 이르기 전까지는 원자로가 임계에 이르고 연쇄반응이 지속되기 위해서는 반드시 지발중성자가 필요하다는 것을 강조하는 의미이다. 원자로는 절대적으로 지발임계상태에서 운전하도록 설계·제작되어 있다.

핵분열 연쇄반응(Fission Chain Reaction)

외부에서 중성자를 공급하지 않아도 핵분열 반응이 지속적으로 유지되는 상태를 말한다. 연쇄반응은 핵분열 용이물질 양과 핵분열반응 전후의 중성자 수 사이의 상관관계에 따라 결정된다. 즉, 핵분열성 물질系(원자로 등)가 임계질량 이상을 유지하고 핵분열에 기여할 수 있는 중성자가 系 내에 항상 존재하여야 한다.