핵분열

요약 우라늄 235의 원자핵이 중성자를 흡수하면 2개의 다른 원자핵으로 분열하는 것을 핵분열이라고 한다. 이때 분열하는 원자핵은 전혀 다른 물질로 변화하면서 엄청난 열을 발생하게 된다.

핵분열

1938년 12월, 독일의 오토 한(Otto Hahn, 1879~1968)과 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann, 1902~1980)이 최초로 핵분열을 발표하였다. 그들은 우라늄 235(²³⁵U, 원자번호 92)에 열중성자를 충돌시키면 질량이 비슷한 두 개의 바륨(Ba, 원자번호 56), 크립톤(Kr, 원자번호 36) 동위원소로 갈라지고 중성자가 2~3개 방출되면서 기존의 핵반응과는 비교되지 않을 정도의 큰 에너지가 발생하는 것을 발견하였다. 그리고 1939년 1월에는 그들과 함께 연구했던 리제 마이트너(Lise Meitner 1878~1968)와 프리쉬(Otto Frisch)가 열중성자를 충돌시킨 우라늄 핵이 에너지를 방출하면서 비슷한 질량을 가진 두 개의 원소로 깨진다는 것을 실험하였다. 오토 한은 1944년에 이 공로로 노벨 화학상을 받았다.

무거운 원자핵은 핵분열을 일으키면 가벼운 원자핵으로 쪼개지면서 에너지를 방출한다. 이것은 원자핵의 핵자당 결합에너지 차이에서 발생한다. 핵자당 결합에너지는 철(Fe)에서 가장 크고 질량이 커질수록 감소하는 특성을 가지고 있기 때문에 질량이 큰 원자핵은 작은 원자핵 두 개로 핵분열하면서 두 결합에너지의 차이만큼의 에너지를 방출한다.

방출되는 에너지는 핵분열 전후의 질량결손과 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리(E= mc²)로 설명할 수 있다. 질량결손에 의해 생성된 에너지는 생성된 입자의 운동 에너지와 전자기파(γ선)의 에너지 등의 형태로 방출된다. 이 에너지를 원자핵 에너지 또는 원자력 에너지라고 한다.

예를 들어, 질량수가 A=230인 큰 원자핵이 질량수가 A=115인 작은 원자핵 두 개로 분열되는 경우 분열 전후의 결합에너지는 각각 다음과 같다.

결합에너지(B)=(핵자 당 결합에너지)×(질량수A)×(입자수)

분열 전 ( A=230인 원자핵 1개 ) : 결합에너지 B₁ = 8.2×230 MeV = 1886 MeV

분열 후 ( A=115인 원자핵 2개 ) : 결합에너지 B₂ = 8.4×115 MeV X 2 = 1932 MeV

핵분열 때 발생하는 에너지 : 1932 - 1886 = 46 MeV

핵분열은 알파붕괴, 베타붕괴, 감마붕괴와 같은 자연 방사성 붕괴처럼 무거운 원자핵에서 저절로 일어나지 않는다. 우라늄과 같은 무거운 원자핵에 느린 중성자(열중성자)를 충돌시켰을 때 중성자가 우라늄 원자핵 속으로 들어가 우라늄에 속한 전체 양성자와 중성자가 분열하여 핵분열이 일어난다. 따라서 핵분열을 위해서는 외부에서 원자핵으로 들어간 중성자 같은 입자가 필요하다.

우라늄 235의 원자핵이 중성자를 흡수하면 2개의 다른 원자핵으로 분열하는 것이 핵분열이라고 한다. 이때 분열하는 원자핵은 전혀 다른 물질로 변화하면서 엄청난 열을 발생하게 되고 동시에 중성자가 2~3개가 발생하여 튀어나간다. 이때 튀어나가는 중성자의 속도가 엄청나게 빠르다. 핵분열을 이용해 에너지를 지속적으로 얻기 위해서는 분열 과정을 연쇄적으로 만들어야 한다. 핵분열이 일어나면서 발생한 중성자는 에너지가 큰 고속 중성자 이므로 핵분열 단면적(fission cross-section)이 작다. 따라서 원자력발전소 등에서는 물이나 중수 등의 감속재를 이용하여 튀어나가는 고속의 중성자의 속도를 줄여 열중성자로 바꾸어 우라늄 235에 흡수되기 쉽게만들어 핵분열 연쇄반응을 일으킨다. 이때 발생하는 엄청난 열로 물을 끓여서 증기 터빈을 가동하는 수증기를 만들게 된다.