학문
핵반응에서 발생하는 중성자의 속도를 조절하기 위해 감속재를 사용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 핵반응에서 발생하는 중성자는 속도가 매우 빠르다고 하던데요, 이때 중성자의 속도를 조절하기 위해 흑연이나 베릴륨과 같은 감속재를 사용하는 이유는 무엇인가요?
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안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 핵반응에서 방출되는 중성자는 대체로 수 MeV 단위의 운동에너지를 가지며, 이는 약 10^7 m/s에 달하는 매우 빠른 속도인데요, 이렇게 빠른 고속 중성자는 다른 원자핵과 부딪히더라도 핵반응을 잘 일으키지 못하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 우라늄-235 같은 핵분열성 동위원소는 중성자가 충분히 느린 열중성자, 약 0.025 eV 수준인 경우에 더 잘 포획되어 핵분열을 일으킵니다. 따라서 원자로에서는 중성자의 속도를 줄여주는 감속재가 필요한 것입니다. 이때 흑연이나 베릴륨 같은 물질을 사용하는 이유는 핵과 질량 차이와 에너지 전달 효율 때문인데요, 중성자가 원자핵과 충돌하면 마치 당구공처럼 운동에너지를 전달합니다. 이때 감속 효율은 충돌하는 원자핵의 질량이 중성자와 비슷할수록 큽니다. 수소는 이상적이지만, 물(H₂O)을 감속재로 쓰면 수소가 중성자를 흡수하는 단점이 있으며, 흑연(탄소, 질량수 12)이나 베릴륨(질량수 9)은 흡수 확률이 매우 낮으면서도 여러 번 충돌하면 충분히 중성자의 속도를 낮출 수 있기 때문에 주로 사용됩니다. 감사합니다.