1. 개요
원자로에서 핵분열 시 발생하는 고속 중성자를 열중성자(느린 중성자)로 감속시켜, 우라늄-235의 핵분열 반응 확률(단면적)을 높여 연쇄 반응을 지속시키는 물질을 말함. 경수로, 중수로 등 대부분의 열중성자 원자로에 필수적임.
2. 감속재의 역할
- 중성자 감속: 핵분열에서 방출된 고속 중성자(약 2MeV)와 충돌하여 에너지를 빼앗아 열중성자(약 0.025eV)로 속도를 낮춤.
- 핵분열 연쇄 반응 지속: 열중성자는 $U_{235}$에 흡수될 확률이 높아 안정적인 핵분열 연쇄 반응을 유도함.
- 반응도 제어 (일부 원자로): 감속재의 온도 변화에 따른 밀도 변화를 이용해 원자로의 출력을 스스로 제어하는 음의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient) 특성을 제공함.
3. 감속재의 구비 조건
- 우수한 감속 능력 (큰 산란 단면적): 중성자와 충돌하여 에너지를 효과적으로 감소시켜야 함.
- 작은 중성자 흡수 단면적: 중성자를 흡수하여 소멸시키지 않아야 함.
- 원자량이 작을 것: 중성자 질량과 가까운 원자핵과 충돌할 때 에너지를 가장 많이 잃음.
- 열적·화학적 안정성: 높은 온도와 방사선 조사 환경에서도 물리적, 화학적으로 안정해야 함.
- 경제성 및 기술적 취급 용이성: 저렴하고 다루기 쉬워야 함.
4. 감속재의 종류 및 특징
| 구분 | 종류 | 특징 | 주요 적용 |
| 물 | 경수(Light Water) | 가격이 저렴하고 취급이 용이함. 중성자 흡수율이 다소 높음. | 경수로 (PWR, BWR) |
| 물 | 중수(Heavy Water) | 중성자 흡수 단면적이 매우 작음. 가격이 비쌈. | 중수로 (CANDU) |
| 탄소 | 흑연(Graphite) | 고온에서 안정적임. 감속 효율이 높음. | 흑연로 (AGR), RBMK |
| 기체 | 헬륨(Helium) | 흡수 단면적이 거의 없음. 감속 효율이 매우 낮아 많은 양이 필요함. | 고온 가스로 (HTGR) |
5. 감속재 성능 평가지표: 감속비(Moderating Ratio)
감속재의 우수성을 나타내는 지표로, **감속능($\xi \Sigma_s$)**과 **거시적 흡수 단면적($\Sigma_a$)**의 비율로 정의됨.
$$\text{감속비} = \frac{\text{감속능}}{\text{흡수 단면적}} = \frac{\xi \Sigma_s}{\Sigma_a}$$
- $\xi$: 평균 대수 에너지 감소폭
- $\Sigma_s$: 거시적 산란 단면적
- $\Sigma_a$: 거시적 흡수 단면적
감속비가 클수록 우수한 감속재임. (중수가 경수보다 흡수 단면적이 작아 감속비가 훨씬 큼)