안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
제어봉은 핵분열 과정에서 나오는 중성자를 흡수하여 연쇄반응의 속도를 조절하거나 원자로를 안전하게 정지시키는 장치입니다.
우라늄 원자핵이 중성자를 흡수하면 핵분열을 일으키며 에너지와 함께 평균 2~3개의 새로운 중성자를 방출하는데, 이 중성자들이 주변의 다른 우라늄을 연속적으로 분열시키는 것이 연쇄반응입니다.
원자로가 일정한 출력을 유지하려면 방출된 중성자 중 정확히 1개만 다음 핵분열을 일으켜야 하는데, 제어봉은 높이를 조절하며 이 비율을 정확히 맞춥니다. 제어봉을 노심 밖으로 빼내면 중성자 흡수량이 줄어들어 연쇄반응이 활성화되고 출력이 올라가고, 제어봉을 노심 안으로 넣으면 중성자를 많이 흡수하여 연쇄반응이 줄어들고 출력이 떨어집니다. 사고나 이상 감지 시 중력이나 가압 장치를 이용해 모든 제어봉을 노심에 수 초 내로 완전 삽입함으로써 핵분열 반응을 즉시 정지시킵니다.
제어봉에 사용되는 주요 물질은 중성자 포획 단면적이 크면서, 원자로 내부의 고온·고방사선·고압 환경을 견딜 수 있는 물질을 사용합니다.
붕소는 중성자 흡수 능력이 매우 뛰어난 대표적인 물질입니다. 세라믹 형태인 탄화붕소 분말을 금속 튜브에 채워 넣는 방식으로 제작되며, 가압경수로와 비등경수로 등 다양한 원자로에 널리 사용됩니다. 이외에도 은-인듐-카드뮴 합금은 일반적으로 은 80%, 인듐 15%, 카드뮴 5% 비율로 구성된 금속 합금입니다. 다양한 에너지 영역대의 중성자를 폭넓게 흡수할 수 있으며 기계적 성질이 우수하여 상업용 가압경수로의 제어봉으로 가장 흔하게 쓰입니다.