SRI 합격노트 | 즉발중성자와 지발중성자의 차이와 원자로 출력 제어

1. 문제

핵분열에서 생성되는 즉발중성자와 지발중성자의 발생 과정을 구분하고, 지발중성자가 원자로의 출력 변화와 제어에 중요한 이유를 설명하라. 또한 지발중성자를 열중성자와 같은 뜻으로 사용할 수 없는 이유를 쓰라.

참고 자료
NRC BWR 기초시험 자료 · 중성자의 방출과 분류
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 원자로 동특성

2. 모범답안

① 즉발중성자는 핵분열 직후 들뜬 핵분열 조각이 에너지를 잃는 과정에서 방출된다. NRC 기초시험 자료는 즉발중성자의 방출을 핵분열 후 약 10⁻¹⁴초 이내로 설명한다. 우라늄-235의 열중성자 핵분열에서 즉발중성자는 전체 핵분열중성자의 99% 이상을 차지한다.

② 지발중성자는 일부 방사성 핵분열생성물인 전구핵종이 베타 마이너스(β⁻) 붕괴한 뒤 방출된다. 딸핵의 들뜸 에너지가 중성자 분리에너지를 넘으면 딸핵에서 중성자가 빠르게 방출될 수 있다. 핵분열부터 방출까지의 지연은 주로 전구핵종이 베타붕괴하기까지 걸리는 시간에서 생긴다.

③ 지발초임계 영역(0 < ρ < β_eff)에서 즉발중성자만으로는 연쇄반응을 유지할 수 없으며, 출력이 계속 증가하는 데 지발중성자의 공급이 필요하다. 통상적인 출력 조절에서 전구핵종의 붕괴 지연은 출력이 변하는 시간 척도를 늘려 제어봉 같은 기계적 제어 계통이 대응할 시간을 준다. ρ는 반응도, β_eff는 유효지발중성자분율이다.

④ 즉발·지발은 방출 시점과 발생 과정에 따른 구분이다. 속중성자·열중성자는 운동에너지에 따른 구분이다. 지발중성자도 대체로 속중성자 에너지 영역에서 방출된다. 감속재와 반복해서 산란해 주변 매질과 열적 평형에 가까워지면 열중성자가 된다.

참고 자료
NRC BWR 기초시험 자료 · 즉발·지발중성자
IAEA LEXFOR · 베타붕괴에 따른 지발중성자 방출
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 중성자 특성
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 원자로 동특성

3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용

3.1 방출이 늦어지는 이유

핵분열은 지발중성자의 전구핵종을 만든다. 이 전구핵종이 붕괴해 중성자를 방출할 수 있는 들뜬 딸핵을 만들면 지발중성자가 나온다. 예를 들어 우라늄-235 열중성자 핵분열의 6군 모형에서 군별 유효 반감기는 약 0.23~55.7초다. 반감기는 각 군의 전구핵종 수가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간이다.

즉발중성자와 지발중성자의 방출 과정. 시간, 크기, 입자 수를 단순화한 개념도이며 전자와 반중성미자는 생략했다.

참고 자료
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 우라늄-235의 전구핵종 6군 모형

3.2 방출 시점과 운동에너지

방출 직후 지발중성자의 평균 운동에너지는 즉발중성자보다 낮지만, 열중성자의 에너지보다는 훨씬 높다. 방출 과정에 따라 지발중성자로 분류된 중성자도 감속을 거치면 열중성자 에너지 영역에 들어갈 수 있다.

참고 자료
NRC BWR 기초시험 자료 · 지발중성자의 기원과 에너지
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 열중성자 에너지 영역

3.3 지발중성자분율과 즉발임계

지발중성자분율 β는 전체 핵분열중성자 수에서 지발중성자 수가 차지하는 비율이다. 우라늄-235의 열중성자 핵분열에서는 약 0.65%이며, 핵분열하는 핵종과 입사 중성자 에너지에 따라 달라진다.

유효지발중성자분율 β_eff는 원자로에서 중성자가 다음 세대 핵분열에 기여하는 정도까지 반영한 값이다. 지발중성자는 평균 방출 에너지가 낮아 고속으로 누설되거나 고속 핵분열을 일으킬 확률이 즉발중성자와 다르다. 이 효과의 크기는 노심 조건에 따라 달라진다.

ρ = β_eff인 즉발임계에서는 즉발중성자만으로 중성자 손실을 상쇄할 수 있다. ρ > β_eff인 즉발초임계에서는 즉발중성자만으로도 중성자 수가 증가할 수 있다. 지발초임계에서 반응도가 즉발임계에 가까워질수록 원자로 주기, 즉 출력이 지수적으로 증가할 때 e배가 되는 데 걸리는 시간이 짧아진다.

참고 자료
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 지발중성자분율
미국 에너지부 원자로이론 교재 · 유효지발중성자분율과 즉발임계

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