핵분열

핵분열(核分裂, , )은 우라늄, 플루토늄 등과 같이 질량수가 큰 원자의 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개(핵분열 생성물)로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이다. 1938년 독일 과학자 프리츠 슈트라스만과 오토 한의 실험으로 확인되었다. 이 실험에서 에너지가 낮은 중성자(열중성자)를 우라늄-235(^{235}_{92}U)에 충돌시키자 우라늄은 바륨과 크립톤으로 분열되며 그 과정에서 2~3개의 중성자와 함께 막대한 양의 에너지가 방출되는 현상이 관측되었다.

일반적으로 핵분열 가능성은 물질의 특성 중 하나인 반응단면적(입자가 물질 속을 진행 시 화학 반응을 수반하는 충돌이 일어나는 확률을 표적의 면적으로 나타낸 양)에 따라 결정되는데, 우라늄-233(^{233}_{92}U), 우라늄-235(^{235}_{92}U), 플루토늄-239(^{239}_{94}Pu) 등이 핵분열 반응단면적 값이 커서 주로 핵분열 물질로 분류된다.

핵분열 물질이 핵분열을 통해 가벼운 원자핵들로 쪼개지는 방법은 40가지 이상으로, 주로 질량수 90~100과 130~140에 속한 원자들에 집중된다. 이때 핵분열 전과 후의 질량이 보존되지 않아(질량 결손), 막대한 양의 에너지가 방출된다. 즉, 반응 전후의 질량이 감소하며 그 감소한 질량만큼의 에너지가 방출되는 것이다.

예를 들어, 우라늄이 스트론튬과 제논으로 쪼개지는 것을

^{235}_{92}U {+} n -> ^{94}_{38}Sr {+} ^{140}_{54}Xe {+} 2n {+} Q(200MeV)

로 표현하게 되는데, 이때 발생하는 에너지 Q가 바로 핵분열 반응 전후의 질량결손에서 전환된 것으로, 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리의 의한 식 로 계산할 수 있다. 다른 원자핵들로 쪼개지는 경우에도 대부분 200 MeV정도의 에너지를 방출하므로 핵분열 시 방출되는 에너지는 일반적으로 200 MeV로 표현한다.

한편, 핵분열 시 평균 2 MeV의 운동에너지를 가진 고속중성자 2~3개가 방출되는데, 이 고속중성자들은 주변 핵분열물질에 대해 연속적으로 핵분열을 유발할 수 있다. 이러한 현상을 '연쇄반응'이라고 한다.

원자력발전의 원리는 이러한 핵분열의 연쇄반응을 원자로 내부에서 지속되도록 한 것이다. 하지만 우라늄-235를 핵연료로 이용할 경우 우라늄의 핵분열 반응단면적은 충돌하는 중성자의 에너지가 낮을수록 커지므로 핵분열 시 발생되는 고속중성자의 속도를 반드시 감소시켜 주어야 한다.

핵분열 생성물은 주로 질량수 90~100과 130~140일 경우에 집중적으로 생성되는데, 핵분열 생성물의 원자핵은 아직 불안정한 상태이므로, 더 안정한 상태로 가기 위해 계속 방사성 붕괴가 이루어진다. 이러한 연속적인 방사성 붕괴로 핵분열 생성물에서는 끊임없이 에너지가 방출되는데, 이를 '붕괴열'이라고 한다. 원자로에서 사용하고 난 핵연료를 물속에 담가 냉각시키는 이유가 바로 이 붕괴열 때문이다.

섬네일|핵분열 (빨강:원자핵, 파랑:중성자)

 역사 
독일의 화학자 오토 한(O. Hahn, 1879∼1968)과 프리츠 슈트라스만(F. Strassmann 1902∼ 1980)은 우라늄의 원자핵에, 양자와 함께 원자핵을 구성하며 원자핵과 질량이 거의 같은 소립자인 중성자를 충격시켰을 때 원자량이 거의 반인 바륨(Ba)이 되는 것을 발견하였다(그 전 생각으로는 원자번호 93 이상인 초우라늄 원소가 되리라고 생각하고 있었다).

그들과 함께 실험을 하다가 이 발표 직전에 나치스 독일에서 망명한 오스트리아의 물리학자 마이트너(L. Meitner, 1878∼1968)와 그 조카 프리슈(O. R. Frisch, 1904∼ ? )는 이것을 우라늄 원자핵이 반쪽으로 분열되었기 때문이라고 설명했다.

 핵분열의 연쇄반응 
분열 직후의 원자핵 파편은 대단히 불안정하여, 안정된 보다 다른 원자핵으로 변하는데, 이 때 대개 2∼3개의 중성자를 방출한다. 이것이 핵분열의 또 하나의 특징이다. 이 중성자가 분열성 물질의 원자핵에 충돌하여 재차 핵분열을 일으키면 또 중성자가 나온다. 이와 같이 계속적인 핵분열이 가능하도록 연구하면 단시간 내에 차례차례 핵분열이 진행된다. 이것이 연쇄반응이다.

우라늄-235나 우라늄-238로 만든 인공원소 플루토늄(Pu)의 원자핵 1개의 분열로 생기는 중성자의 수는 평균 2.5개이다. 그 중에는 다음 핵분열을 일으키지 않고 다른 원자핵 안에 흡수되어 버리는 것도 있다. 우라늄-238은 핵분열을 일으키는 일도 있으나, 이러한 흡수가 많기 때문에 연쇄반응을 일으키지는 않는다. 흡수되지 않고 재차 핵분열을 일으키는 데에 쓰이는 중성자가 평균 1개 이상이면 중성자의 수는 점점 늘어나서 연쇄반응을 일으키게 된다.

 같이 보기 
 핵분열 물질
 핵융합
 원자력 추진



분류:핵화학
분류:방사능
분류:물리학 개념
분류:1938년 과학