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.
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.
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.