냉각재

냉각재[Coolant]

원자로에서 열을 발생시키는 노심 및 블랭킷 등의 열을 제거하기위해 이용되는 물질로, 일반적으로 냉각재는 원자로와 열교환기(증기발생기) 사이를 순환하며 원자로의 열을 열교환기 또는 별도의 냉각재에 전달한다. 이때 전자를 1차 냉각재, 후자를 2차 냉각재라 한다.

보통 냉각재라고 하면 1차 냉각재를 의미한다. 동력을 얻는 것을 목적으로 하는 원자로에서는 보통 열교환기가 증기발생기가 되고 2차 냉각재로 경수를 이용하여 이것을 증기로 만든다. 1차 냉각재와 2차 냉각재를 구분하여 사용하는 것은 방사능의 이동을 피하기 위해서이며 따라서 두 냉각재가 직접 접촉하지 않도록 되어있다.

1차 냉각재에 요구되는 성질

 ㆍ열중성자 흡수 단면적이 작은 것 
 ㆍ열용량이 큰 것
 ㆍ열전달율이 큰 것 
 ㆍ열이나 방사능에 대하여 안정한 것 
 ㆍ부패성이 약한 것 
 ㆍ유발 방사능이 약한 것 
 ㆍ액체의 냉각재라면 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 흡수 단면적이 1.5barn으로 비교적 크지만, 값이 싸고 폐회로로 할 필요가 없기 때문에 흑연 감속 냉각형 연구로에 이용되지만, 
고온에서는 구조 재료와 반응하는 결점이 있기 때문에 동력로에는 이용되지 않는다.

• 이산화탄소

열중성자 흡수 단면적이 0.003barn으로 매우 작고 고온에서도 구조 재료와 반응하기 어려우며 또한 순환용 펌프의 동력 소비도 작기 때문에 
공기에 비교하면 비싸기는 하지만 흑연 감속ㆍ기체 냉각형 동력로의 냉각재로서 널리 이용되고 있다.

• 헬륨

비활성이고 열중성자 흡수 단면적이 0.008barn으로 매우 작은 것 등에서 기체의 냉각재로서 매우 뛰어나지만, 
가격이 매우 비싸다.

• 중수

중성자 흡수 단면적이 0.0025barn으로 매우 작지만 열적 성질은 경수와 거의 같다. 중수는 고가이며, 캐나다 중수로(CANDU)에서만 사용된다. 

• 경수

열중성자 흡수 단면적이 0.6barn으로 비교적 크지만 값이 싸고, 비열이 큰 것 등 때문에 대부분의 원자로 냉각재로서 널리 이용되고 있다. 
단지 동력로의 냉각재에 경수를 이용하는 것, 액체상을 유지하는데 고압을 필요로 하는 것, 또한 임계 온도 374℃ 이상에서는 액상을 유지하지 않는 것, 
고온에서는 부식성을 갖는 것 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 액상을 유지하기 위해 가압할 필요는 없으나, 응고점이 98℃이기 때문에 상온에서는 응고하는 결점을 갖는다. 

나트륨 순환에서는 동력 소비가 많이 필요하며, 더욱이 물과 접촉하면 격렬하게 반응하여 폭팔하는 등의 결점이 있으나 
고속 중성자형의 동력로와 같이 노심의 출력 밀도가 큰 원자로의 냉각재로서 이용되고 있다.

비스무트는 열중성자 흡수 단면적이 0.03barn으로 비교적 작지만 딸 핵종은 독성이 크다.