핵분열 생성물

Fission Products (FP). 우라늄이나 플루토늄과 같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌하여 핵분열을 하면 모핵은 2 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는데 이를 핵분열 생성물이라고 한다.

원자 질량수에 따른 핵분열생성물의 수율 분포는 핵분열이 일어난 모핵종과 입사 중성자의 에너지에 따라 약간씩 차이가 있다. 핵분열생성물 수율은 아래 왼쪽 그림과 같이 대체로 원자 질량수 90~100과 130~140에서 높은 수율을 보이는 말밥굽 형태이다.

핵분열 생성물은 일반적으로 핵적으로 불안정하기 때문에 안정적인 상태로 될때까지 일련의 붕괴과정을 거치면서 방사선을 방출한다. 핵연료에서는 이들 방사선 에너지의 대부분이 핵연료 내부에 흡수되며 이것이 붕괴열의 형태로 나타난다. 아래 오른쪽 그림은 U-235가 열중성자와 반응하여 핵분열을 할 때의 수율 분포를 나타낸 것으로 질량수 ~95와 ~137에서 높은 수율을 보이고 있으며 Xe-140과 Sr-94의 연쇄적인 붕괴 과정을 예시적으로 보여주고 있다.

핵분열생성물의 종류는 1초 이상의 반감기를 갖는 핵종과 동위원소들만 해도 1000 종이 넘는다.

• 이들 대부분은 I-131(~8일)와 같이 수년 이내의 짧은 반감기를 가짐
• 수년 이상 100년 미만의 반감기를 갖는 것 중 Sr-90(~29년), Cs-137(~30년)만이 수율도 높고 반감기도 비교적 길어 이들이 수백년간의 사용후핵연료 방사능 준위를 지배
• 100년 이상 10만년 미만의 반감기를 갖는 핵분열생성물은 없음
• 반감기가 10만년 이상되는 장수명 핵종이 7종이 있으나 수율이 매우 낮거나 반감기가 너무 길어 Tc-99(~21만년)을 제외하고는 수백년 이후의 사용후핵연료 방사능 준위를 결정하는데 기여도가 매우 낮음

경수로 원전에서 나온 사용후 핵연료의 핵분열 생성물에 의한 방사능 준위가 우라늄 원광 수준으로 낮아지는데는 대략 300년이 걸린다.

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  원자질량수에 따른 핵종별 핵분열생성물 수율^[1]
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  U-235의 핵분열생성물 수율과 붕괴^[2]

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr