안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
우라늄-235의 핵분열 직후 발생하는 중성자는 고속 중성자입니다. 하지맛 우라늄이 추가로 핵분열을 일으키려면 느린 열중성자 상태여야 흡수가 잘 됩니다. 감속재는 이 고속 중성자의 에너지를 빼앗아 열중성자로 만들어 줌으로써 연속적인 핵분열을 가능하게 하는 핵심 물질입니다.
감속재가 중성자의 속도를 줄이는 원리는 당구공의 탄성 충돌과 같습니다. 속도가 빠른 당구공이 거대하고 무거운 바위에 부딪히면 속도가 거의 줄지 않고 튕겨 나갈 뿐이지만, 자신과 질량이 비슷한 다른 당구공에 부딪히면 운동 에너지를 크게 빼앗겨 급격히 느려집니다. 같은 이유로 감속재는 중성자의 질량과 가장 유사한 가벼운 원자핵을 가진 물질이어야 합니다. 또한 중성자와 충돌했을 때 이를 먹어치우지 않고 잘 튕겨내면서 에너지만 빼앗아 가는 특성을 갖추어야 합니다.
실제 원자로에서 가장 널리 쓰이는 감속재는 일반 물인 경수입니다. 경수는 수소 원자를 다량 포함하고 있어 중성자를 감속시키는 능력이 매우 뛰어나며, 노심의 열을 식혀주는 냉각재 역할을 겸할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 다만 경수는 중성자를 약간 흡수하는 성질이 있어 연료로 농축 우라늄을 사용해야 합니다. 이외에도 고온에서 구조가 매우 안정적인 흑연은 가스를 냉각재로 쓰는 가스로에서 감속재로 활용되며, 감속 능력과 중성자 반사율이 모두 뛰어난 베릴륨은 독성과 고가라는 단점 때문에 주로 특수 연구용 소형 원자로에 사용됩니다.