Mendeleev학습
한국어KO

핵분열

핵분열은 무거운 원자핵이 두 개의 더 가벼운 핵분열 조각으로 나뉘면서 보통 여러 중성자를 방출하는 과정이다. 핵심은 단순히 “둘로 쪼개진다”가 아니라 핵종 보존, 결합에너지, Q값, 중성자 증배를 함께 보는 것이다.

중성자 포획에서 두 핵분열 조각까지

²³⁵U가 중성자를 흡수하면 먼저 들뜬 복합핵이 만들어진다. 이 핵은 변형되다가 두 주된 핵분열 조각과 보통 2~3개의 중성자로 갈라질 수 있다. 조각의 조합은 하나로 고정되지 않고 질량수 분포로 관측된다.

핵반응식에서는 질량수 A와 원자번호 Z가 모두 보존되어야 한다.

무거운 원자핵핵분열 조각자유 중성자
핵분열 모식도. 중성자를 흡수한 무거운 핵이 두 주된 조각과 새로운 중성자로 갈라질 수 있다.

약 200 MeV는 어디서 오는가

매우 무거운 모핵보다 핵분열 생성물의 평균 핵자당 결합에너지가 더 크기 때문에 최종 상태의 총 정지질량이 약간 작다. 그 차이가 Q=Δmc²에 따라 조각과 중성자의 운동에너지, γ선, 후속 붕괴 에너지로 나타난다. 전형적인 한 번의 핵분열은 약 200 MeV를 방출한다.

질량이 사라진 것이 아니라 같은 총에너지 장부에서 다른 형태로 바뀐 것이다.

매우 무거운 핵더 강하게 결합질량수 AB/A
결합에너지 곡선은 에너지 방향을 보여준다. 매우 무거운 핵의 분열은 더 높은 핵자당 결합에너지 쪽으로 갈 수 있다.

중성자가 연쇄반응을 유지하는 이유

방출된 중성자가 다른 핵분열을 일으키면 연쇄반응이 이어진다. 유효 증배계수 k가 1보다 작으면 감소, 1이면 평균적으로 유지, 1보다 크면 증가한다.

임계는 k=1을 뜻할 뿐 폭발과 같은 말이 아니다. 중성자 누설, 흡수, 기하와 에너지 분포도 중요하다.

즉발 성분과 지연 성분

대부분은 핵분열 직후 나오는 즉발중성자지만, 일부 핵분열 생성물이 β붕괴한 뒤 방출하는 지연중성자도 있다. 비율은 작아도 원자로의 제어 가능한 시간척도를 크게 늘린다.

핵분열 조각은 대개 중성자가 많아 이후 β와 γ 붕괴를 거친다.

예제

1. 반응식 확인

풀이

²³⁵U+n→¹⁴¹Ba+⁹²Kr+3n에서 양쪽 모두 A=236, Z=92로 보존된다.

2. k=0.97 해석

풀이

다음 세대 유효 중성자가 평균 97%만 남으므로 연쇄반응은 점차 사라진다.

3. 에너지원 찾기

풀이

생성물의 총 정지질량이 더 작고 더 강하게 결합되어 있으며, 차이가 운동에너지와 γ선 등으로 나타난다.