핵분열

핵분열은 무엇이고 왜 에너지가 나오나요

위키백과는 핵분열을 우라늄, 플루토늄 같은 질량수가 큰 원자의 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개(핵분열 생성물)로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이라고 설명해요. 1938년 독일의 프리츠 슈트라스만과 오토 한의 실험으로 확인됐고, 이 실험에서 에너지가 낮은 중성자(열중성자)를 우라늄-235에 부딪치자 바륨과 크립톤으로 분열되면서 중성자 2~3개와 막대한 에너지가 나왔어요.

에너지가 나오는 이유는 질량 결손이에요. 핵분열 전후에 질량이 보존되지 않고 조금 줄어드는데, 줄어든 질량만큼이 아인슈타인의 E = mc² 식에 따라 에너지로 바뀌어 나와요.

영문 위키백과는 이 에너지가 얼마나 큰지 비교해 줘요. 우라늄-235 원자 하나가 핵분열할 때 나오는 에너지는 탄소 원자 하나가 공기 중에서 타서 이산화탄소가 될 때의 약 1억 배예요. 핵분열이 에너지를 내려면 쪼개져 나온 원소들의 총 결합 에너지가 처음 핵의 결합 에너지보다 커야 해요.

핵분열은 어떤 과정으로 일어나고 연쇄반응은 왜 이어지나요

위키백과는 대표적인 반응식을 이렇게 써요. 우라늄-235가 중성자 하나를 흡수한 뒤 스트론튬-94와 제논-140으로 쪼개지고 중성자 2개와 에너지 Q(약 200 MeV)가 나와요. 다른 핵으로 쪼개지는 경우에도 대부분 200 MeV 정도를 내놓기 때문에 핵분열 한 번의 에너지를 일반적으로 200 MeV라고 불러요.

핵분열 물질이 쪼개지는 방법은 40가지 이상이고 주로 질량수 90~100과 130~140인 원자들에 집중돼요. 핵분열 시 평균 2 MeV의 운동 에너지를 가진 고속 중성자 2~3개가 나오는데, 이 중성자가 주변 핵분열 물질에 연속해서 핵분열을 일으키는 것이 연쇄반응이에요.

연쇄반응이 계속되려면 조건이 있어요. 위키백과에 따르면 한 번의 분열로 생긴 중성자 가운데 일부는 다음 핵분열을 일으키지 않고 다른 원자핵에 흡수돼요. 흡수되지 않고 다시 핵분열을 일으키는 데 쓰이는 중성자가 평균 1개 이상이어야 중성자 수가 점점 늘어 연쇄반응이 이어져요. 우라늄-238은 흡수가 많아 연쇄반응을 일으키지 않아요.

원자력발전은 이 연쇄반응이 원자로 안에서 일정하게 이어지도록 한 장치예요. 다만 우라늄-235의 핵분열 반응단면적은 부딪치는 중성자의 에너지가 낮을수록 커서, 핵분열 때 나온 고속 중성자의 속도를 반드시 줄여 줘야 해요. 영문 위키백과는 페르미와 실라르드가 고속 중성자를 늦추는 흑연 감속재를 제안한 역사를 소개해요.

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핵분열의 에너지는 어디로 가고 어떻게 확인하나요

영문 위키백과는 핵분열에서 나오는 에너지의 분포를 설명해요. 에너지의 대부분인 약 85%가 쪼개진 파편의 운동 에너지로 나오고, 나머지는 처음 방출되는 중성자와 감마선, 베타 붕괴 뒤에 나오는 것들, 그리고 약 3%의 중성미자로 나뉘어요. 한 번의 분열은 10⁻¹⁸~10⁻¹⁵초에 중성자를 내보내고, 약 10⁻¹¹초에 파편이 감마선을 내며, 약 10⁻³초에 베타 붕괴와 지연 중성자, 감마선이 나와요.

지연 중성자는 원자로 제어에 매우 중요해요. 분열 생성물이 방사성 붕괴를 하면서 반감기 수 분까지 늦게 내놓는 중성자 덕분에 반응이 두 배로 커지는 데 걸리는 시간이 길어져서 조절할 수 있어요.

붕괴열도 실험과 운영에서 중요해요. 위키백과는 핵분열 생성물이 아직 불안정해서 연속적으로 방사성 붕괴를 하며 끊임없이 에너지를 내는데 이를 붕괴열이라고 부르고, 원자로에서 쓰고 난 핵연료를 물속에서 식히는 이유가 바로 이 열 때문이라고 설명해요.

핵분열이 일어난 증거는 화학 분석에서 나왔어요. 영문 위키백과에 따르면 한과 슈트라스만은 1938년 12월 19일 핵분열 반응이 일어났음을 증명했고, 마이트너와 프리슈가 1939년 1월 이론으로 설명했어요. 프리슈는 생물의 세포 분열(fission)에 빗대어 이 과정에 이름을 붙였어요. 1939년 2월 두 번째 논문에서 한과 슈트라스만은 추가 중성자가 나와 연쇄반응이 가능하다고 예측했어요.

핵분열에는 어떤 종류가 있고 연료는 무엇이 다른가요

영문 위키백과는 핵분열이 일어나는 경로를 둘로 나눠요. 유도 핵분열은 입사 입자가 표적과 합쳐져 들뜬 상태가 되며 일어나고, 자발 핵분열은 중성자를 쏘지 않아도 방사성 붕괴의 한 형태로 일어나며 1940년에 처음 관측됐어요. 핵이 두 조각으로 쪼개지는 이분열이 가장 흔해요.

연료도 구분돼요. 위키백과에 따르면 핵분열 가능성은 반응단면적에 따라 정해지고, 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239가 반응단면적이 커서 주로 핵분열 물질로 분류돼요. 플루토늄은 우라늄-235나 우라늄-238로 만든 인공 원소이고, 한 번의 분열로 생기는 중성자는 평균 2.5개예요.

핵분열과 핵융합은 에너지를 얻는 방향이 반대예요.

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위키백과는 같은 핵분열 물질도 원자로 안에서의 중성자 에너지에 따라 반응단면적이 달라진다고 설명해요. 그래서 원전은 감속재를 쓰는 열중성자 원자로가 많고, 감속재의 종류에 따라 경수로와 중수로로 나뉘어요. 한국은 고리·영광·울진에 가압경수로를, 월성에 캐나다에서 들여온 중수로를 지었어요.

한국의 핵분열 발전은 어떤 상황인가요

위키백과에 따르면 한국은 2024년 기준 6곳의 원자력 발전소에서 24기의 원자로를 가동 중이고, 발전량 기준으로 세계 6위예요. 회사 단위로는 세계 2위의 원자력발전회사인 한국수력원자력이 있어요. 원전은 한국 전체 전기 생산의 30%를 차지해요.

운영과 감독은 나뉘어 있어요. 한국의 원전은 2001년 4월 2일 설립된 한국수력원자력이 운영하고, 국무총리 직속 원자력안전위원회가 한국원자력안전기술원과 한국원자력통제기술원을 통해 감시·감독해요.

역사는 이래요. 1956년 이승만 대통령이 원자력 도입을 처음 결정했고, 1958년 원자력법이 제정되고 원자력원과 원자력연구소가 설립됐어요. 1978년 고리 1호기가 첫 상업운전을 시작했어요. 1995년에는 다목적 연구로 하나로를 자력으로 건설했고, 1,000MW급 한국표준형원전 OPR1000이 1998년·1999년 한울 3·4호기로 처음 건설됐어요. 2012년에는 원전 설계부터 운영까지 핵심 기술의 자립을 완료했어요. 전기출력 1,400MW의 APR-1400은 신고리 3·4호기에 쓰였고 2009년 아랍에미리트에 4기의 수출 계약을 맺었어요.

한국원자력연구원의 월간 소식지는 탄소중립 달성, 전력 수요 증가, 에너지 안보의 중요성 때문에 국내외에서 원자력의 역할이 다시 조명되고 있다고 전해요. EU 집행위원회가 원전을 녹색분류체계에 포함하고 미국이 청정전력생산원(CFE)에 포함하는 등 원전을 신재생에너지와 함께 핵심 수단으로 보는 흐름이 있다고 정리해요.

핵분열과 관련해 알아 두면 좋은 개념은 무엇인가요

• 핵분열 물질(핵분열성 물질): 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239처럼 반응단면적이 커서 핵분열이 잘 일어나는 물질이에요.
• 반응단면적: 입자가 물질 속에서 충돌 반응을 일으킬 확률을 표적의 면적으로 나타낸 값이에요.
• 질량 결손: 반응 전후 질량이 줄어든 만큼 에너지가 나오는 현상이에요.
• 연쇄반응: 핵분열로 나온 중성자가 다음 분열을 일으키는 반응이에요.
• 임계 질량: 연쇄반응을 이어 갈 수 있을 만큼 핵분열 물질을 모은 양이에요. 영문 위키백과는 한과 슈트라스만이 추가 중성자 방출로 임계 질량을 모으는 연쇄반응 가능성을 예측했다고 설명해요.
• 감속재: 고속 중성자의 속도를 줄여 핵분열이 잘 일어나게 하는 물질이에요.
• 붕괴열: 핵분열 생성물이 계속 방사성 붕괴를 하며 내는 열이에요.
• 지연 중성자: 분열 생성물이 붕괴하며 늦게 내놓는 중성자로, 원자로 제어에 쓰여요.

핵분열과 관련된 주요 수치를 한눈에 보면

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핵분열에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 핵분열은 폭발이다: 원자로는 연쇄반응이 일정하게 이어지도록 중성자를 조절하는 장치예요. 조절 가능한 것은 지연 중성자 덕분이에요.
• 우라늄은 모두 핵분열을 일으킨다: 우라늄-238은 중성자를 흡수하는 일이 많아 연쇄반응을 일으키지 않아요.
• 발전소의 열은 핵분열 때만 나온다: 반응이 멈춘 뒤에도 분열 생성물의 붕괴열이 계속 나와서 쓴 핵연료를 물속에서 식혀요.
• 핵분열과 핵융합은 같다: 핵분열은 무거운 핵을 쪼개고 핵융합은 가벼운 핵을 합쳐요.