핵분열 반응

핵분열(Fission)은 핵분열 용이물질의 원자핵이 서로 다른 두 개의 원자핵으로 분열되는 현상을 말한다. 핵분열이 발생하면 핵분열 전후의 원자핵 질량차이로 에너지가 발생한다. 핵분열은 우라늄과 같이 매우 무거운 원소에서 일어나며, 대부분 원자로와 같은 인공적인 핵분열 장치나 도구를 활용하여 핵분열을 발생시키나 아주 희귀하게 스스로 핵분열이 일어나는 경우도 있다.

• 핵분열 반응(Fission Reaction)

핵분열을 일으키기 위해서는 외부에서 에너지를 공급하여 원자핵을 불안정한 에너지 상태로 만들어야 한다. 원자는 원자핵 주변에 전자구름이 있으므로 전기적으로 중성인 중성자만이 원자핵에 도달할 수 있다. 중성자가 핵분열 용이물질의 원자핵에 흡수되면 아주 짧은 시간동안(10^-14~10^-17초) 에너지 상태가 매우 불안정한 복합핵(Compound Nucleus)이 형성되었다가 즉시 두 개의 다른 원자로 분열된다. 다음은 ₉₂U²³⁵의 핵분열 예시이다.

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → (₉₂U²³⁶)* → _Z1X^A1 + _Z2Y^A2 + ₀n¹ (2~3개) + 기타 입자

핵분열로 생성된 _Z1X^A1 와 _Z2Y^A2를 핵분열파편(fission fragments)으로 새로운 원자이다

• 핵분열 에너지(Fission Energy)

핵분열이 일어나면 핵분열파편, 즉발중성자(prompt neutron), 방사선 입자 등의 핵분열생성물(fission products)이 생성된다. 분열전 원자핵과 분열후 생성된 원자핵들의 질량차이(질량결손)로 인해 에너지가(E=△mC²) 발생한다. 이를 핵분열 에너지라고 한다. 핵분열 에너지의 약 81.2%는 핵분열파편의 운동에너지로, 5.8%는 즉발중성자와 즉발감마선(prompt gamma-ray) 에너지로, 나머지 13%는 핵분열파편이 방사붕괴(radioactive decay) 되면서 발생하는 방사선에너지로 나타난다. 전체 발생에너지의 약 97% 정도가 물질 내에서 열에너지로 변환된다. 원자력발전은 이 열에너지를 사용하는 것이다. ₉₂U²³⁵ 원자핵 1개가 분열하면 약 200MeV(3.2x 10^-11 joule)의 열에너지가 발생한다. 참고로 ₉₂U²³⁵ 1gm 에는 원자핵이 약 2.5 x 10²¹ 개 있다.

• 핵분열 장치

핵분열을 발생시키는 가장 대표적인 장치가 원자로이며, 또 다른 경우는 핵폭탄이다. 두 경우 모두 인위적 방법으로 핵분열을 발생시킨다. 원자로는 핵분열 에너지를 평화적인 목적으로 사용하고자 하는 장치이므로 핵분열 물질인 92U235 농도를 5 w/o 이하로 제한하여 무제한의 핵분열 발생이 원천적으로 불가능하게 되어 있으며 또한 핵분열 양을 조절하는 조절도구가 있다. 반면에 핵폭탄은 핵분열 용이물질(92U235, 94Pu239)의 순도를 적어도 90w/o 이상 되도록 농축시켜 순간적으로 엄청난 양의 핵분열을 발생시키는 장치로서 핵분열 양을 최대한 발생시키고자 핵분열 조절도구가 없다.

(참고) 이곳에 “원자력에너지 이용”과 link 삽입

• 자발 핵분열(Spontaneous Fission)

자발 핵분열은 외부에서 중성자를 공급하지 않아도 원자핵이 스스로 분열되는 현상으로 확률은 매우 낮다. 핵분열 원료물질 중 짝수 원자질량을 가지는 94Pu238, 94Pu240, 94Pu242 등이 주요한 자발 핵분열을 일으키는 물질이다.