Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 핵분열

곰뚱 2021. 2. 27.

1938년 독일의 Otto Hahn과 Fritz Strassman은 우라늄에다 느린 중성자를 충돌시킨 결과 원자들은 핵분열 반응에서 방사되는 α와 β입자보다도 더 무거운 조각들로 쪼개어진다는 사실을 발견하였다.

우라늄 또는 다른 무거운 원자핵이 중성자의 충격을 받은 뒤 작은 조각으로 갈라지는 과정을 핵분열(nuclei fission)이라고 한다. 전형적인 핵분열 과정의 예를 들면 다음과 같다.

백금, 금, 수은, 납 등의 무거운 몇몇 동위원소들은 충분히 큰 에너지를 띤 중성자의 충격을 받으면 핵분열을 할 수 있다. 그러나 실제적으로는 낮은 에너지를 가진 중성자 충격에도 핵분열을 할 수 있는 ²³⁵₉₂U과 ²³⁹₉₄Pu 동위원소에 관심이 집중되었으며 이 두 가지 원소는 원자폭탄을 만드는데 사용되었다.

²³⁵₉₂U이 핵분열을 일으킬 때 2개의 다른 조각과 몇 개의 중성자 및 β입자로 분열된다. 핵분열 과정은 ²³⁵₉₂U원자들이 각각 여러 방법으로 갈라지게 되므로 복잡하다. 예를 들면 ²³⁵₉₂U 한 원자는 갈라져서 ₃₇Rb과 ₅₅Cs이 되고, 또 다른 은 ₃₅Br과 ₅₇La이 되며, 또 다른 원자는 ₃₀Zn와 ₆₂Sm으로 변한다. ²³⁵₉₂U 수십억 개의 원자는 핵분열을 일으켜 적어도 25종의 원소로 된 200개 이상의 다른 동위원소로 되는 것을 발견하였다. 핵분열 초기에 생기는 ⁹⁰₃₇Rb 또는 ¹⁴⁴₅₅Cs의 동위원소는 안정성을 갖기에는 너무나 많은 중성자가 존재하여 불안정하므로 전자발사를 하며 붕괴한다. ⁹⁰₃₇Rb의 경우는 안정한 원자핵이 되기까지 세 과정을 거친다.

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핵실험으로 인한 위험성은 이런 방사성 동위원소가 생기는 데 있으며, 가장 위험한 동위원소 중 하나인 ⁹⁰₃₈Sr은 SrCO₃의 형태로 동물이나 인간의 뼈 속에 침입한다. 우라늄-235 분열의 평균 에너지는 한 원자당 200MeV이고, 평균 2.5개의 중성자가 각 분열에서 생성되며 생성된 대부분의 동위원소는 방사성이다. [그림 6]의 곡선은 질량수가 236/2인 곳보다는 233.5/2인 곳을 극소점으로 하여 대칭을 이루는데 이것은 평균적으로 매 분열마다 2.5개의 중성자가 방출됨을 의미한다.

그림 6 우라늄-235의 느린 중성자에 의한 분열에서 생성하는 동위 원소의 분포

핵에너지를 사용하는 데 있어서 가장 중요한 사실은 매 분열마다 하나 이상의 중성자가 생산되는 것이다. 그래서 분열이 계속 진행될 수 있는 충분한 중성자를 이용할 수 있다. 그리고 몇 개의 반응이 연속적으로 일어나서 생성과 소멸을 되풀이하는 전체의 반응이 진행될 때 그 반응을 연쇄반응(chain reaction)이라고 한다(그림 7 참조). 최초의 원자탄은 순수한 플루토늄-239를 사용하였고 이것은 빠른 연쇄반응으로 엄청난 파괴력을 나타내었다. 그 후 연쇄반응의 속도를 조절하여 파괴적인 목적보다는 오히려 건설적인 용도로 사용할 수 있도록 에너지를 천천히 생산하는 장치를 만들었다. 이 장치가 핵분열의 속도를 조절할 수 있는 원자로(nuclear reactor)이다(그림 8 참조).