핵분열과 핵융합

물질과 물질 사이에 일어나는 반응에는 탄성산란, 비탄성산란, 핵분열, 핵융합이 있습니다. 이 중 하나의 핵이 두 개 이상의 핵으로 나누어지는 과정인 핵분열과 핵과 핵이 융합하여 하나의 핵이 되는 과정인 핵융합에 대해 알아보겠습니다.

 

 

핵분열이란?

 

 

핵분열은 원자핵이 2개의 비슷한 질량을 가진 조각으로 분리되는 과정입니다. 원자핵의 분열 과정은 액체 방울 모형으로 설명할 수 있습니다. 액체 방울이 자극받아 들뜨게 되면 진동하게 되고, 자극이 충분히 크면 깨지게 됩니다. 원자핵도 들뜬 상태에 있을 때 물방울같이 진동할 수 있습니다. 원자핵은 물방울과 같이 표면장력을 갖지만, 반면에 양성자들 사이의 전기적 반발력으로 깨지려는 힘을 받기도 합니다. 원자핵이 진동으로 인해 구형에서 벗어나서 타원체로 찌그러져 왜곡이 커지면 표면장력은 떨어진 양성자의 집단을 집합시키지 못해 원자핵은 두 조각으로 갈라집니다. 이와 같은 현상으로 핵이 분열되는 것입니다. 중성자의 핵분열과정은 액체 방울과 비슷합니다.

 

우라늄과 같은 무거운 원소는 그 자체가 아주 불안정한 상태로 있기에 입자가 충격을 받으면 두 조각 혹은 그 이상의 작은 핵으로 쪼개집니다. 분열하는 방식이 여러 가지이므로 쪼개져서 생긴 핵의 질량수는 다양하지만 대체로 70~160 사이의 원소들이 생기며, 특히 질량수가 95와 140 정도의 생성물이 가장 많습니다.

 

이때 분열 후 생긴 생성물을 핵분열 조각이라 합니다. 핵분열에 의한 방출에너지는 핵분열 조각들의 정지에너지의 합보다 큽니다. 따라서, 핵분열이 일어나면 정지에너지가 운동에너지로 전환됩니다. 핵분열 조각은 불안정하기 때문에 붕괴하며 안정한 동위원소로 됩니다. 원자폭탄이 터진 후 생기는 낙진이 위험한 이유는 이 방사선 때문입니다.

 

하지만 어떤 핵의 분열이 에너지 측면에서 가능하다고 해서 반드시 핵분열과정이 일어나는 것은 아닙니다. 먼저 핵이 들뜬 상태가 되어야 분열이 일어납니다. 우라늄을 둘로 분리하는 데는 바닥 상태의 에너지보다 약 5MeV의 에너지의 증가가 필요합니다. 중성자를 포획하면 핵은 들뜬 상태가 되어 핵분열이 일어날 수 있습니다. 예를 들면 우라늄이 운동에너지가 빠른 중성자를 포획하면 들뜸에너지가 생성됩니다.

 

이 들뜸에너지는 핵이 변형되는 데 필요한 에너지보다 크므로 둘로 분리될 수 있습니다. 여기서 빠른 중성자는 우라늄의 핵분열을 일으키는 매개체입니다. 그러나 핵이 변형되는 데 필요한 에너지보다 적은 에너지를 가진 느린 중성자를 포획했을 때는 핵분열이 일어나지 않습니다. 반면에 질량수가 252인 우라늄이나 플루토늄은 느린 중성자를 포획하더라도 핵분열이 일어납니다. 포획된 중성자의 결합에너지만으로도 핵분열을 일으키기 충분한 들뜸에너지를 공급하기 때문입니다.

 

우라늄의 핵 하나가 중성자 한 개에 의하여 핵분열을 일으키면 약 200MeV의 에너지를 가진 2~3개의 중성자가 생깁니다. 분열과 동시에 방출되는 이 중성자를 즉발중성자라 합니다. 이때 생성된 중성자는 다시 다른 우라늄 원자를 분열시킬 수 있으므로 시간에 따라 기하급수적으로 분열이 증가하며, 이러한 방식의 반응을 연쇄반응이라고 합니다.

 

분열 결과 생긴 핵분열 조각은 중성자 수가 많으므로 불안정하여 붕괴하여 중성자를 양성자로 바꾸거나 중성자 자신을 방출하여 안정한 핵이 됩니다. 이때 핵분열 조각에서 만들어지는 중성자를 지체중성자라 합니다. 이 연쇄반응을 조절할 수 있게 되어 있는 것이 원자로이며 순간적인 연쇄반응을 이용한 것이 원자탄입니다.

 

원자로는 에너지 방출을 조절할 수 있도록 설계되어 있습니다. 일정한 연쇄반응을 유지하여 핵분열 하나가 평균적으로 하나의 핵분열을 유발합니다. 우라늄을 이용하는 원자로에는 두 가지 우라늄을 사용하며 우라늄의 질량수는 각각 238과 235입니다. 운동에너지가 1MeV보다 적은 중성자는 질량수가 238인 우라늄에 포획되더라도 핵분열이 일어나지 않습니다. 반면에 질량수가 235인 우라늄에 느린 중성자의 포획은 핵분열을 일으킵니다.

 

중성자포획 확률은 질량수가 238인 우라늄이 질량수가 상대적으로 더 큽니다. 따라서 핵분열 때 나오는 중성자를 서둘러 느리게 만들어 질량수 235인 우라늄이 포획할 확률을 높입니다. 해결 방법은 원자로 내부에 경수, 중수나 베릴륨, 흑연 등의 감속재 내부에서 중성자는 가벼운 원자와 충돌하여 에너지를 잃게 되어 속도가 느려집니다.

 

원자로 내부의 핵분열 확률, 즉 원자로출력의 조절은 느린 중성자를 포획하는 물질로 만들어진 제어봉 길이를 조절함으로써 가능해집니다. 이 물질을 중성자 흡수재라 하며, 붕소, 카드뮴, 크세논 등이 사용됩니다.

 

감속재의 종류에 따라서 경수로, 중수로, 흑연로라고 부릅니다. 물은 제일 가벼운 수소가 주성분이므로 탄성산란이 일어날 때 중성자의 에너지가 많이 손실되므로 경수는 다른 감속재보다 적은 부피로 감속재 역할을 하며 감속능력이 우수하여 경수로는 다른 감속재를 사용한 열중성자로보다 같은 출력으로 노심을 작게 할 수 있는 이점이 있습니다.

 

경수로에서는 감속재와 연료의 부피 비가 2:1이고, 중수로와 흑연로에서의 부피의 비는 10:1로서 노심 부피의 대부분을 감속재가 점유합니다. 그러나 물은 흡수 단면적이 다른 감속재보다 크므로 경수로에서는 천연우라늄을 연료로 사용할 수 없어서 농축 우라늄을 사용해야 합니다.

 

원자로에서는 우라늄, 플루토늄 등의 핵분열반응에서 발생한 에너지 대부분은 원자로 내에서 열이 됩니다. 이 열을 노심에서 밖으로 방출시키며 안정한 핵분열반응을 위해 냉각재를 사용합니다.

 

냉각재는 경수로에서는 경수, 중수로에서 중수, 가스로에서는 탄산가스, 고속로에서는 나트륨 금속을 이용하고 있습니다. 또한 물질 투과 능력이 매우 큰 중성자를 차폐하기 위해서는 중성자와 물질 간의 상호작용을 이용해서 중성자를 없앱니다.

 

고속 중성자는 경수, 중수, 베릴륨, 흑연, 파라핀 등의 원자량이 작은 원소를 포함하는 물질과 산란 현상으로 에너지를 감소시켜 열중성자로 만듭니다. 그리고 열중성자에 대한 흡수 단면 적이 큰 물질인 붕소, 카드뮴, 경수 등을 이용하여 열중성자를 흡수시킨다. 이 중성자포획으로 감마선이 방출되기도 하므로, 이 2차로 발생하는 감마선을 콘크리트 등으로 차폐해야 합니다. 따라서 중성자의 차폐체는 위의 물질들을 조합해 사용합니다.

 

 

핵융합

 

핵융합

 

큰 핵은 분열을 일으키기 쉽지만 아주 작은 핵은 서로 합쳐져 하나의 핵을 만드는 핵융합을 일으켜서 많은 양의 에너지를 방출합니다. 방출되는 반응에너지는 정지에너지가 운동에너지로 전환된 것입니다. 핵융합 반응에서 양전하의 핵들 사이의 반발력으로 인해 핵들이 충분히 가까이 가서 반응하는 것을 막기 때문에 보통 온도에서는 일어나지 않습니다. 따라서 이들 핵융합 반응은 극히 높은 온도에서만 일어날 수 있습니다.

 

핵융합 반응이 스스로 지속되도록 고안된 방법은 물질의 온도를 매우 높게 올리는 것입니다. 이 온도에서는 가벼운 원소는 핵만이 남게 되어, 그 결과 전하를 띠고 있는 입자들로 구성된 기체인 plasma 상태가 됩니다. 이 입자들은 평균 운동에너지를 가진 채 높은 속도로 움직입니다. 이 중에서 가장 에너지가 높은 핵은 핵융합이 일어날 정도가 됩니다. 이 반응을 열 핵반응이라고도 하고 이 원리를 이용해 수소폭탄을 만듭니다.

 

천연수소는 대부분 수소와 극소량의 중수소이며 삼중수소는 인공적으로 만들어집니다. 핵융합을 만들기 쉬운 순위는 삼중수소, 중수소, 수소의 순입니다. 그러나 삼중수소는 핵융합하기 가장 쉬운 수소지만 자연적으로 존재하지 않기 때문에 가장 적당한 중수소 핵의 융합반응을 이용합니다. 그 대표적인 예가 태양이며 태양의 주성분은 수소이고 태양의 내부는 온도도 높고 수소의 밀도가 높아 핵융합 반응이 쉽게 일어납니다.

 

이같이 태양의 내부에서는 수소가 헬륨으로 변하는 핵융합 반응이 계속해서 일어나고 있습니다. 즉 태양에서 수소의 핵융합 반응이 일어나 에너지가 계속 공급되고 있기에 태양이 밝게 빛날 수 있는 것입니다.