물리학 고3 양자와 미시세계 심화

핵분열

Q: 핵분열 에너지는 정확히 어디서 나온 것인가요?

반응 전후의 질량 차이입니다. 쪼개진 조각들의 질량 합이 원래 핵보다 작고, 그 차이가 E = m c2에 따라 조각들의 운동에너지와 방사선 에너지로 나타납니다.

무거운 핵(우라늄 등)이 중성자 충돌로 쪼개져 큰 에너지를 방출하는 핵분열 연쇄 반응과 원자력 발전 원리를 탐구한다.

우라늄처럼 무거운 원자핵이 중성자를 흡수해 두 개의 중간 크기 핵으로 쪼개지면서 큰 에너지와 여러 개의 중성자를 내놓는 반응입니다.

쪼개질 때 중성자가 여러 개 나오고, 그 중성자가 또 다른 핵을 쪼갭니다. 도미노처럼 스스로 이어지기 때문에 원자로가 가능하고, 동시에 제어하지 않으면 걷잡을 수 없어지는 것도 이 때문입니다.

쉽게 말하면

질량 결손과 핵결합 에너지의 곡선에서 우라늄은 봉우리(철)의 오른쪽 내리막에 있습니다. 즉 핵자당 결합 에너지가 철보다 낮습니다. 그래서 두 조각으로 쪼개져 봉우리 쪽에 가까운 핵이 되면 핵자당 결합 에너지가 올라가고, 그 차이만큼이 에너지로 방출됩니다. 반응 전후의 질량 차이가 곧 방출 에너지입니다.

핵심은 쪼개질 때 중성자가 2~3개 함께 나온다는 점입니다. 그 중성자가 다른 우라늄 핵에 흡수되면 또 분열이 일어납니다. 분열 → 중성자 → 다시 분열로 스스로 이어지는 것이 연쇄 반응입니다.

원자력 발전은 이 연쇄 반응을 '평균적으로 정확히 1개의 중성자만 다음 분열을 일으키도록' 붙잡아 두는 기술입니다. 1보다 크면 분열이 기하급수로 늘고, 1보다 작으면 반응이 꺼집니다. 이 균형을 잡는 장치가 두 가지입니다.

하나는 감속재입니다. 분열에서 나오는 중성자는 너무 빨라서 우라늄에 잘 흡수되지 않습니다. 물이나 흑연에 부딪혀 속도를 늦춰야 흡수 확률이 올라갑니다. 다른 하나는 제어봉입니다. 중성자를 잘 흡수하는 물질로 만든 막대를 노심에 넣었다 뺐다 하면서 남는 중성자를 잡아 반응 속도를 조절합니다.

발전 자체는 평범합니다. 분열 에너지로 물을 끓여 증기로 터빈을 돌립니다. 화력 발전과 다른 것은 '무엇으로 물을 데우는가'뿐입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

분열 조각은 하나로 정해져 있지 않다

우라늄 핵이 늘 같은 두 조각으로 갈라지는 것이 아닙니다. 매번 다른 조합으로 쪼개지며, 크기가 서로 다른 두 조각이 나오는 경우가 많습니다. 다만 어느 조합이든 질량수와 전하량의 합은 보존되고, 나오는 에너지의 규모는 비슷합니다.
예시 2

분열 조각이 방사성인 이유

무거운 핵은 중성자 비율이 높습니다. 그것이 그대로 쪼개지면 조각들은 그 크기의 핵치고 중성자가 너무 많은 상태가 됩니다. 그래서 조각들은 대부분 불안정하고, 방사성 붕괴로 안정한 쪽을 향해 붕괴합니다. 사용후 핵연료가 오랫동안 방사선을 내는 이유가 이것입니다.
예시 3

임계 질량

우라늄이 너무 적거나 얇게 퍼져 있으면 분열에서 나온 중성자가 다른 핵을 만나기 전에 밖으로 새어 나갑니다. 연쇄 반응이 유지되려면 최소한의 양과 밀도가 필요하고, 이 경계를 임계 질량이라 합니다.

원자로와 핵무기가 갈리는 지점

구분	원자력 발전소	핵무기
연쇄 반응	다음 세대의 분열 수가 1로 유지됨	1보다 크게 만들어 기하급수로 증폭
농축도	연료 속 분열성 우라늄 비율이 낮음	훨씬 높게 농축해야 함
제어	제어봉·감속재로 반응 속도를 조절	제어하지 않음

자주 하는 오해

원자력 발전소가 핵폭탄처럼 폭발할 수 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움제어에 실패하면 원자로가 핵폭발을 일으킨다

실제로는발전용 연료는 분열성 우라늄의 농축도가 낮아 핵폭발이 일어날 수 있는 조건 자체가 되지 않습니다.

핵폭발은 연쇄 반응이 극히 짧은 시간에 폭발적으로 증폭되어야 가능하고, 그러려면 훨씬 높은 농축도가 필요합니다. 원자로 사고에서 실제로 문제가 되는 것은 핵폭발이 아니라, 반응을 멈춘 뒤에도 계속 나오는 붕괴열로 노심이 과열되고 그로 인해 수소 폭발이나 방사성 물질 누출이 일어나는 것입니다.

빠른 중성자일수록 분열을 잘 일으킨다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움중성자가 세게 부딪혀야 핵이 잘 쪼개진다

실제로는오히려 느린 중성자가 흡수될 확률이 훨씬 높습니다. 그래서 감속재로 일부러 속도를 늦춥니다.

분열은 중성자가 핵을 '때려 부수는' 것이 아니라 핵에 '흡수되어' 핵을 불안정하게 만드는 것입니다. 너무 빠른 중성자는 핵을 그냥 지나쳐 버립니다. 느릴수록 핵 근처에 머무는 시간이 길어 붙잡힐 확률이 커집니다. 감속재가 왜 필요한지가 여기서 나옵니다.