안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
제어봉은 우라늄 등의 핵연료가 분열할 때 방출되는 중성자를 흡수하여 핵분열 연쇄반응의 속도를 조절하거나 반응을 정지시키는 장치입니다. 제어봉의 과학적 작동 원리를 설명해 드릴게요.
우라늄-235 원자핵이 중성자 1개를 흡수해 분열할 때, 평균 2~3개의 새로운 중성자가 튀어나오는데, 이 중성자들이 주위의 다른 우라늄을 계속 충돌하면서 연쇄반응이 일어킵니다. 제어봉은 중성자 포획 단면적이 매우 큰 물질로 만들어지며, 중성자가 제어봉 물질의 원자핵과 부딪히면 핵분열을 일으키지 않고 그대로 사로잡혀 소멸합니다.
주요 구성 물질로는 고온과 강력한 방사선 속에서도 변형되지 않고 중성자를 잘 흡수하는 특수 소재가 사용되는데, 붕소는 탄화붕소 형태로 가장 흔히 쓰이는 재료이며, 은-인듐-카드뮴 합금은 가압경수로 등에서 널리 활용되는 조합입니다. 하프늄은 중성자 흡수율이 매우 높고 내식성이 뛰어나 원자력 잠수함 등의 원자로에 주로 쓰입니다.
원자로 내 제어봉의 핵심 역할로 제어봉의 삽입 깊이를 센티미터 단위로 미세 조작하여 전력 수요에 맞춰 원자로 열출력을 낮추거나 높이며, 원자로를 처음 켤 때는 가득 차 있던 제어봉을 천천히 빼내어 연쇄반응을 유도하고, 운전을 정지할 때는 제어봉을 끝까지 밀어 넣어 반응을 차단합니다. 또한, 지진, 냉각재 누출, 이상 고온 등 위험 신호가 감지되면 제어봉의 구동 장치가 해제되면서 중력이나 스프링의 힘으로 수 초 이내에 노심 전체로 급속 강하하여 연쇄반응을 즉시 멈춥니다.