핵분열(Nuclear fission, 核分裂, 문화어: 핵분렬)은 보통 우라늄, 플루토늄같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개(핵분열 생성물)로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이다. 핵분열이 발생하면 핵분열 전후의 원자핵 질량 차이로 에너지가 발생한다.[1][2][3][4]
개요
핵분열은 우라늄과 같이 매우 무거운 원소에서 일어나며 대부분 원자로와 같은 인공적인 핵분열 장치나 도구를 활용하여 핵분열을 발생시키나 아주 희귀하게 스스로 핵분열이 일어나는 경우도 있다. 1938년 독일 과학자 프리츠 슈트라스만(Friedrich Wilhelm)과 오토 한(Otto Hahn)의 실험으로 확인되었다. 이 실험에서 에너지가 낮은 중성자(열중성자)를 우라늄-235(²³⁵₉₂U)에 충돌시키자 우라늄은 바륨과 크립톤으로 분열되며 그 과정에서 2~3개의 중성자와 함께 막대한 양의 에너지가 방출되는 현상이 관측되었다. 일반적으로 핵분열 가능성은 물질의 특성 중 하나인 반응단면적(입자가 물질 속을 진행 시 화학 반응을 수반하는 충돌이 일어나는 확률을 표적의 면적으로 나타낸 양)에 따라 결정되는데 우라늄-233(²³³₉₂U), 우라늄-235(²³⁵₉₂U), 플루토늄-239(²³⁹₉₄Pu) 등이 핵분열 반응단면적 값이 커서 주로 핵분열 물질로 분류된다. 핵분열 물질이 핵분열을 통해 가벼운 원자핵들로 쪼개지는 방법은 40가지 이상으로 주로 질량수 90~100과 130~140에 속한 원자들에 집중된다. 이때 핵분열 전과 후에 에너지가 보존되지 않아 막대한 양의 에너지가 방출된다. 즉 질량이 감소하며 그 감소한 질량만큼의 에너지가 방출되는 것이다.
핵분열은 우라늄과 같은 무거운 원자핵에 느린 중성자를 충돌시켰을 때 중성자가 우라늄 원자핵 속으로 들어가 우라늄에 속한 전체 양성자와 중성자가 분열하여 핵분열이 일어난다. 따라서 핵분열을 위해서는 외부에서 원자핵으로 들어간 중성자와 같은 입자가 필요하다. 캘리포늄-252의 경우 외부 중성자가 필요 없는 자발적 핵분열을 해 좋은 중성자 공급원으로 사용된다. 무거운 원자핵에서는 핵분열이 일어나면서 에너지가 방출되는데 이것은 원자핵의 결합에너지 차이에서 발생한다. 원자핵의 결합에너지는 철(Fe)에서 가장 크고 질량이 커질수록 감소하는 특성을 가지고 있기 때문에 질량이 큰 원자핵이 작은 원자핵 두 개로 핵분열하면서 두 결합에너지의 차이가 핵분열과 함께 방출된다. 철보다 무거운 원자핵은 항성의 핵융합으로는 생성되지 않고 초신성 폭발로만 생성되기 때문에 핵분열 발전은 초신성 폭발 시 흡수된 에너지를 다시 꺼내 쓰는 것이라 볼 수 있다. 핵분열 생성물의 원자핵은 아직 불안정한 상태이므로 더 안정한 상태로 가기 위해 계속 방사성 붕괴가 이루어진다. 이러한 연속적인 방사성 붕괴로 핵분열 생성물에서는 끊임없이 에너지가 방출되는데 이를 '붕괴열'이라고 한다. 원자로에서 사용하고 난 핵연료를 물속에 담가 냉각시키는 이유가 바로 이 붕괴열 때문이다. 핵무기는 핵분열 원리를 이용해서 강력한 에너지를 발생시키지만 최악의 경우 전체 질량의 1% 정도 아무리 효율이 높아도 2~30% 정도만 에너지로 변환시키는 게 한계이고 나머지는 핵분열로 발생하는 에너지의 방출에 못 이겨 흩어지게 되며 이 때문에 폭발 후 상당히 넓은 범위에 분열 물질이 흩뿌려진다. 흔히 말하는 낙진은 화구에 말려들어간 토양 및 구조물의 파편, 그리고 화재로 발생한 재들이 버섯구름과 함께 고공으로 올라갔다가 바람을 타고 광범위하게 흩어지는 것인데 바로 이 낙진 속에 이 흩어진 분열 물질들이 포함된다. 원자력발전은 핵분열 에너지를 즉각 전기 에너지로 바꾸는 것이 아니라 핵분열에서 나오는 열에너지로 물을 끓여서 증기 터빈을 돌리는 역할만 한다는 것이다.[5]
핵분열 반응
핵분열의 연쇄반응
역사
각주
참고자료
같이 보기
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