핵분열
Nuclear fission |
| 핵물리학 |
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핵분열은 원자의 핵이 두 개 이상의 작은 핵으로 쪼개지는 반응입니다.핵분열 과정은 종종 감마 광자를 생성하고 방사성 붕괴의 에너지 기준에 의해서도 매우 많은 양의 에너지를 방출합니다.
1938년 12월 19일 독일의 화학자 오토 한과 프리츠 스트라스만에 의해 핵분열이 발견되었습니다.물리학자 리세 마이트너와 그녀의 조카 오토 로버트 프리쉬는 1939년 1월에 이론적으로 설명했습니다.프리쉬는 이 과정을 살아있는 세포의 생물학적 핵분열과 비유하여 "핵분열"이라고 이름 지었습니다.1939년 2월 핵분열에 관한 그들의 두 번째 출판물에서, 한과 스트라스만은 핵분열 과정 동안 추가적인 중성자의 존재와 해방을 예측했고, 핵 연쇄 반응의 가능성을 열었습니다.
무거운 핵종의 경우, 그것은 전자기 복사와 조각(핵분열이 일어나는 벌크 물질을 가열하는)의 운동 에너지로 많은 양의 에너지를 방출할 수 있는 발열 반응입니다.핵융합과 마찬가지로 핵분열이 에너지를 생성하기 위해서는 생성된 원소의 총 결합 에너지가 시작 원소의 총 결합 에너지보다 커야 합니다.
핵분열은 원래의 모원자와 같은 원소가 아니기 때문에 핵변환의 한 형태입니다.일반적인 핵분열성 동위원소의 경우, 생성된 두 개(또는 그 이상)의 핵은 대부분 유사하지만 약간 다른 크기이며, 일반적으로 약 3 대 2의 생성물의 질량 비율을 갖습니다.[1][2]대부분의 핵분열은 쌍성 핵분열(2개의 대전된 조각을 생성)이지만, 때때로(1000개의 사건당 2~4회) 3개의 양전하 조각이 3개의 삼원 핵분열로 생성됩니다.가장 작은 내부과정은 크기가 양성자에서 아르곤 핵까지 다양합니다.
중성자에 의해 유도되고, 인간에 의해 이용되고 이용되는 핵분열을 제외하고, 자연적인 형태의 자발적인 방사성 붕괴(중성자 필요 없음)는 핵분열이라고도 불리며, 특히 매우 질량이 큰 동위원소에서 발생합니다.1940년 모스크바의 플라이오로프, 페트르자크, 쿠르차토프에[3] 의해 자발적 핵분열이 발견되었는데, 이는 중성자에 의한 폭격이 없다면 우라늄의 핵분열 속도는 무시할 수 있다는 것을 확인하기 위한 실험이었습니다.[3]
예측할 수 없는 생성물의 구성(확률적이고 다소 혼란스러운 방식으로 변화)은 매번 동일한 생성물을 제공하는 양성자 방출, 알파 붕괴 및 클러스터 붕괴와 같은 순수 양자 터널링 과정과 핵분열을 구별합니다.핵분열은 원자력을 위한 에너지를 생산하고 핵무기의 폭발을 일으킵니다.핵연료라고 불리는 특정 물질이 핵분열 중성자에 의해 부딪힐 때 핵분열을 겪고, 그것들이 분해될 때 중성자를 방출하기 때문에 두 가지 사용이 모두 가능합니다.이것은 원자로에서 통제된 속도로 또는 핵무기에서 매우 빠르고 통제되지 않은 속도로 에너지를 방출함으로써 자생적인 핵 연쇄 반응을 가능하게 합니다.
U의 핵분열에서 방출되는 자유 에너지의 양은 메탄의 연소나 수소 연료 전지에서 방출되는 에너지보다 백만 배나 더 많습니다.[4]
그러나 핵분열의 생성물들은 보통 연료로 분해되는 무거운 원소들보다 평균적으로 훨씬 더 방사능이 강하며 상당한 시간 동안 그렇게 남아있어 핵 폐기물 문제를 야기합니다.하지만, 일곱 개의 오래 지속된 핵분열 생성물은 핵분열 생성물의 극히 일부만을 구성합니다.핵분열을 일으키지 않는 중성자 흡수는 오래 지속된 핵분열 생성물보다 훨씬 높은 방사선 독성을 가진 플루토늄(U에서)과 소량의 악티니드(U와 U에서)를 생성합니다.핵폐기물 축적에 대한 우려와 핵무기의 파괴 가능성은 핵분열을 에너지원으로 사용하려는 평화적인 열망에 대한 균형입니다.토륨 연료 사이클은 플루토늄을 거의 생산하지 않으며, 소량의 악티니드는 훨씬 덜 생산하지만, U 혹은 오히려 붕괴 생성물은 주요 감마선 방출 물질입니다.모든 악티니드는 비옥하거나 핵분열성이며 고속 증식로는 특정 구성에서만 모든 악티니드를 핵분열시킬 수 있습니다.핵 재처리는 사용후 핵연료로부터 사용 가능한 물질을 회수하여 우라늄(및 토륨) 공급을 더 오래 지속시키고 "폐기물"의 양을 줄이는 것을 목표로 합니다.모든 또는 거의 모든 악티니드를 배출하는 공정에 대한 업계 용어는 "폐쇄 연료 사이클"입니다.
물리개요
매커니즘
요네스와 러브랜드는 핵분열을 "...핵을 구성하는 양성자와 중성자의 집단 운동"으로 정의하고, 핵을 구성하는 다른 현상들과 구별할 수 있습니다.핵분열은 모핵을 두 개 이상의 조각핵으로 분열시키는 대규모 집단 운동의 극단적인 예입니다.핵분열 과정은 자발적으로 일어날 수도 있고, 혹은 입사된 입자에 의해 유도될 수도 있습니다."핵분열로 인한 에너지의 대부분인 약 85%는 단편 운동 에너지에서 발견되며, 각각 약 6%는 초기 중성자와 감마선, 그리고 베타 붕괴 중성자와 감마선, 그리고 추가로 약 3%는 β 붕괴 중성미자에서 발견됩니다.[4]: 21–22, 30
방사성 붕괴
핵분열은 방사성 붕괴의 한 종류로서 중성자 폭격 없이 일어날 수 있습니다.이러한 종류의 핵분열은 자발 핵분열이라고 불리며, 1940년에 처음 관측되었습니다.[4]: 22
핵반응
유도 핵분열 동안, 입사 입자가 표적과 융합된 후 화합물 시스템이 형성됩니다.결과적인 여기 에너지는 중성자 또는 감마선, 핵분열을 방출하기에 충분할 수 있습니다.[4]: 23–24
공학적인 핵 장치에서, 본질적으로 모든 핵분열은 "핵 반응"으로 발생합니다. 즉, 두 개의 아원자 입자의 충돌로부터 발생하는 폭격에 의한 과정입니다.핵반응에서 아원자 입자는 원자핵과 충돌하여 변화를 일으킵니다.따라서 핵 반응은 자발적인 방사성 과정의 비교적 일정한 지수 붕괴와 반감기 특성이 아닌 폭격의 역학에 의해 구동됩니다.
현재 많은 종류의 핵반응이 알려져 있습니다.핵분열은 핵 연쇄 반응(일반 연쇄 반응의 한 가지 유형)을 통해 증폭되고 때로는 제어될 수 있다는 점에서 다른 유형의 핵 반응과 중요한 차이가 있습니다.그러한 반응에서, 각각의 핵분열 사건에 의해 방출되는 자유 중성자는 더 많은 사건을 유발할 수 있고, 그것은 더 많은 중성자를 방출하고 더 많은 핵분열을 야기합니다.
핵분열 연쇄반응을 유지할 수 있는 화학원소 동위원소는 핵연료라고 불리며, '분열성'이라고 불립니다.가장 일반적인 핵 연료는 U(질량 235인 우라늄의 동위 원소)와 Pu(질량 239인 플루토늄의 동위 원소)입니다.이러한 연료는 원자 질량이 95u와 135u(핵분열 생성물)에 가까운 바이모달 범위의 화학 원소로 분해됩니다.대부분의 핵연료는 아주 천천히만 자발적인 핵분열을 겪으며, 대신 주로 수천 년에서 몇십 년에 걸쳐 알파 베타 붕괴 사슬을 통해 붕괴됩니다.원자로나 핵무기에서, 핵분열 사건의 압도적인 대부분은 이전의 핵분열 사건에 의해 생성된 다른 입자인 중성자와의 충돌에 의해 유도됩니다.
핵분열성 연료의 핵분열은 핵분열성 핵이 중성자를 포획할 때 발생하는 핵 여기 에너지의 결과입니다.중성자 포획으로 인한 이 에너지는 중성자와 핵 사이에 작용하는 매력적인 핵력의 결과입니다.핵 조각들이 두 개의 대전된 핵자 그룹을 함께 지탱할 수 있는 거리를 초과할 정도로 핵을 두 개의 겹겹이 "방울"로 변형시키기에 충분합니다. 그리고 이렇게 되면 두 조각들은 분리를 완료하고 상호 반발하는 전하에 의해 더 멀리 떨어져 나가게 됩니다.점점 더 먼 거리를 두고 돌이킬 수 없게 되는 과정에서.우라늄-238과 같은 핵분열성 동위원소에서도 유사한 과정이 발생하지만, 핵분열을 하기 위해서는 핵융합을 통해 생성되는 빠른 중성자에 의해 제공되는 추가적인 에너지가 필요합니다.U의 핵분열로부터 방출되는 중성자들 중 일부는 U에서 또 다른 핵분열을 유도할 만큼 빠르지만, 대부분은 그렇지 않으며, 이는 결코 임계를 달성할 수 없다는 것을 의미합니다.U에서 열 중성자가 핵분열을 유도할 가능성은 매우 낮지만(비제로도) 중성자 흡수는 훨씬 더 큰 가능성이 있습니다.
원자핵의 액체 방울 모델은 핵 변형의 결과로 동등한 크기의 핵분열 생성물을 예측합니다.한 핵분열 생성물이 다른 핵분열 생성물보다 약간 작은, 보다 에너지적으로 유리한 결과로 가는 경로를 기계적으로 설명하기 위해서는 보다 정교한 핵탄두 모델이 필요합니다.껍질 모형에 기초한 핵분열 이론은 마리아 괴퍼트 메이어에 의해 공식화되었습니다.
가장 일반적인 핵분열 과정은 쌍성 핵분열이며, 95±15 및 135±15u에서 위에 언급된 핵분열 생성물을 생성합니다.그러나 이항 과정은 단지 가장 가능성이 높기 때문에 발생합니다.원자로에서 1000개당 2개에서 4개의 핵분열 과정은 3개의 양전하 조각(+중성자)을 생성하며, 이들 중 가장 작은 것은 양성자의 작은 전하와 질량(Z = 1)에서 아르곤의 큰 조각(Z = 18)에 이르기까지 다양합니다.그러나 가장 일반적인 작은 조각은 알파 붕괴(~16 MeV에서 "장거리 알파"라고 함), 헬륨-6 핵, 삼중수소(트리튬의 핵)에서 나오는 알파 입자보다 더 많은 에너지를 가진 90% 헬륨-4 핵으로 구성되어 있습니다.삼원 공정은 덜 일반적이지만, 여전히 현대 원자로의 연료봉에서 상당한 헬륨-4와 삼중수소 가스 축적을 생성하게 됩니다.[5]
에너제틱스
인풋
무거운 핵의 핵분열은 핵을 구형 또는 거의 구형으로 유지하는 핵력을 초기에 극복하기 위해 약 700만에서 800만 전자볼트(MeV)의 총 입력 에너지를 필요로 합니다. 그리고 그로부터 두 개의 엽(lob)이 서로 밀어지고 계속 분리될 수 있는 두 개의 엽(peanut) 형태로 변형됩니다.쌍성 핵분열의 가장 일반적인 과정(양전하 핵분열 생성물 2개+중성자)에서 그들의 상호 양전하에 의해.일단 핵 로브가 임계 거리까지 밀려나면, 단거리의 강한 힘이 더 이상 핵 로브를 지탱할 수 없게 되고, 핵 로브의 분리 과정은 파편들 사이의 (장거리의) 전자기 반발력의 에너지로부터 진행됩니다.그 결과 두 개의 핵분열 조각이 높은 에너지로 서로 멀어지게 됩니다.
약 6 MeV의 핵분열 입력 에너지는 강한 힘을 통해 무거운 핵에 여분의 중성자를 결합함으로써 공급됩니다. 그러나 많은 핵분열 동위원소에서 이 양의 에너지는 핵분열에 충분하지 않습니다.예를 들어 우라늄-238은 1 MeV 미만의 중성자에 대해 거의 0에 가까운 핵분열 단면을 가지고 있습니다.만약 어떤 다른 메커니즘에 의해 추가적인 에너지가 공급되지 않는다면, 핵은 핵분열을 하지 않을 것이고, U가 느리게 그리고 심지어 빠른 중성자의 일부를 흡수하여 U가 될 때처럼 중성자를 흡수할 것입니다.핵분열을 시작하기 위해 남은 에너지는 두 가지 다른 메커니즘에 의해 공급될 수 있습니다. 그 중 하나는 들어오는 중성자의 더 많은 운동 에너지이며, 1 MeV 이상의 운동 에너지(일명 고속 중성자)를 초과함에 따라 핵분열 가능한 무거운 핵을 핵분열시킬 수 있습니다.이러한 고에너지 중성자는 U를 직접 핵분열시킬 수 있습니다(핵융합에 의해 고속 중성자가 공급되는 열핵무기를 참조).그러나 원자로에서는 핵분열 중성자의 극히 작은 부분이 U를 효율적으로 핵분열시키기에 충분한 에너지를 가지고 있기 때문에 이 과정은 크게 일어날 수 없습니다(핵분열 중성자는 모드 에너지가 2 MeV이지만 중위수는 0.75 MeV에 불과하므로 절반이 부족한 에너지를 가지고 있음을 의미합니다.[6]
그러나 무거운 악티니드 원소 중에서 중성자 수가 홀수인 동위 원소(중성자 수 143개인 U와 같이)는 중성자 수가 짝수인 동일 원소의 동위 원소(중성자 수 146개인 U와 같이)보다 1~2 MeV의 에너지를 더 가진 여분의 중성자를 결합시킵니다.이 여분의 결합 에너지는 중성자 짝짓기 효과의 메커니즘의 결과로 이용할 수 있게 됩니다.이 여분의 에너지는 파울리 배제 원리에서 비롯되며, 여분의 중성자가 핵의 마지막 중성자와 같은 핵 궤도를 차지하여 둘은 짝을 이루게 됩니다.따라서 이러한 동위원소에서는 중성자 운동 에너지가 필요하지 않습니다. 모든 필요한 에너지는 느린 원자로 또는 빠른 원자로에서 사용됩니다(전자는 감속 원자로에서 사용되고 후자는 고속 중성자 원자로와 무기에서 사용됩니다.위에서 언급한 바와 같이, 자체 핵분열 중성자로 효율적으로 핵분열할 수 있는 핵분열성 원소의 하위 그룹(상대적으로 적은 양의 순수 물질에서 핵 연쇄 반응을 일으킬 가능성이 있음)을 "분열성"이라고 합니다.핵분열성 동위원소의 예로는 우라늄-235와 플루토늄-239가 있습니다.
산출량
일반적인 핵분열 사건은 각각의 핵분열 사건마다 약 2조 켈빈 이상의 에너지를 방출합니다.정확한 동위원소는 핵분열성이든 핵분열성이든 아니든, 방출되는 에너지의 양에 작은 영향을 미칠 뿐입니다.이는 결합에너지의 곡선(아래 그림)을 조사하여 우라늄으로 시작하는 악티니드 핵종의 평균 결합에너지가 핵자당 약 7.6 MeV임을 주목하면 쉽게 알 수 있습니다.핵분열 생성물이 군집하는 결합 에너지 곡선에서 더 왼쪽을 보면 핵분열 생성물의 결합 에너지가 핵자당 8.5 MeV 정도 중심을 이루는 경향이 쉽게 관찰됩니다.따라서, 악티니드 질량 범위에서 동위 원소의 핵분열 시, 출발 원소의 핵자당 약 0.9 MeV가 방출됩니다.느린 중성자에 의한 U의 핵분열은 빠른 중성자에 의한 U의 핵분열과 거의 동일한 에너지를 만듭니다.이 에너지 방출 프로파일은 토륨과 다양한 미세한 악티니드에도 적용됩니다.[7]
이와는 대조적으로, 대부분의 화학적 산화 반응(예: 석탄 연소 또는 TNT)은 사건당 최대 몇 eV를 방출합니다.따라서 핵연료는 화학연료보다 단위 질량당 최소 천만 배 이상의 사용 가능한 에너지를 포함하고 있습니다.핵분열의 에너지는 핵분열 생성물과 조각들의 운동에너지로 방출되고, 전자기 방사선은 감마선의 형태로 방출되고; 원자로에서는 입자와 감마선이 원자로와 그 작동유체를 구성하는 원자들과 충돌하면서 에너지가 열로 변환되고,보통 물 또는 때때로 무거운 물 또는 녹은 소금.
우라늄 핵이 두 개의 딸핵 조각으로 분열할 때, 우라늄 핵의[8] 질량의 약 0.1%는 ~200 MeV의 핵분열 에너지로 나타납니다.우라늄-235(총 평균 핵분열 에너지 202.79 MeV[9])의 경우, 쿨롱 반발력으로 인해 빛의 속도의 약 3%로 떨어져 나가는 딸핵의 운동 에너지로 일반적으로 ~169 MeV가 나타납니다.또한 평균 2.5개의 중성자가 방출되며 중성자당 평균 운동 에너지는 ~2 MeV(총 4.8 MeV)입니다.[10]핵분열 반응은 또한 신속한 감마선 광자에서 ~7 MeV를 방출합니다.후자의 수치는 핵분열 폭발이나 임계 사고가 에너지의 약 3.5%를 감마선으로 방출하고, 에너지의 약 2.5% 미만을 고속 중성자로 방출하고, 나머지는 핵분열 파편의 운동 에너지로 방출한다는 것을 의미합니다(이는 파편이 주변 물질에 충돌할 때 거의 즉시 나타납니다).단순 열(단순 열)[11][12]로원자폭탄에서 이 열은 폭탄핵의 온도를 1억 켈빈까지 상승시키고 이 에너지의 일부를 이온화 방사선으로 변환시키는 부드러운 엑스선의 2차 방출을 유발하는 역할을 할 수 있습니다.그러나 원자로에서는 핵분열 조각 운동 에너지가 저온 열로 남아 있어 그 자체로 이온화가 거의 또는 전혀 일어나지 않습니다.
소위 중성자 폭탄(향상된 방사선 무기)은 에너지의 더 큰 부분을 이온화 방사선(특히 중성자)으로 방출하는 것으로 만들어졌지만, 이것들은 모두 여분의 방사선을 생성하기 위해 핵융합 단계에 의존하는 열핵 장치입니다.순수한 핵분열 폭탄의 에너지 역학은 핵분열의 즉각적인 결과로서 방사선에서 항상 전체의 약 6%의 수율로 유지됩니다.
총 신속 핵분열 에너지는 약 181 MeV, 즉 시간이 지남에 따라 핵분열로 방출되는 총 에너지의 ~89%에 해당합니다.나머지 ~11%는 다양한 반감기를 가지고 있지만 즉시 핵분열 생성물에서의 과정으로 시작되는 베타 붕괴에서 방출됩니다. 그리고 이러한 베타 붕괴와 관련된 지연 감마 방출에서도 방출됩니다.예를 들어, 우라늄-235에서 이 지연 에너지는 베타에서 약 6.5 MeV, 안티뉴트리노스에서 약 8.8 MeV(베타와 동시에 방출됨), 마지막으로 여기된 베타 붕괴 생성물에서 추가로 6.3 MeV의 지연 감마 방출로 나뉩니다(핵분열당 평균 ~10개의 감마선 방출).따라서 핵분열의 총 에너지 중 약 6.5%는 사건이 일어난 후 시간이 지나면 비즉각 또는 지연 이온화 방사선으로 방출되고 지연 이온화 에너지는 감마선과 베타선 에너지 사이에서 거의 균등하게 분배됩니다.
방사성 핵분열 생성물들은 붕괴 속도가 그들의 생성 속도와 같도록 일정한 상태의 농도까지 만들어질 것입니다.원자로 열에 대한 그들의 부분적인 총 기여는 (베타 붕괴를 통해) 핵분열 에너지에 대한 이러한 방사성 동위원소 부분 기여와 동일하도록 합니다.이러한 조건에서 지연된 전리방사선(방사성 핵분열 생성물에서 나오는 지연된 감마와 베타)으로 나타나는 핵분열의 6.5%는 정상 상태의 원자로 열 생산에 전력을 공급합니다.원자로가 갑자기 정지될 때(스크램이 발생할 때) 남아 있는 것은 이 출력 분율입니다.이러한 이유로 원자로가 정지되면 원자로 붕괴열 출력은 전체 원자로 정상 상태 핵분열 출력의 6.5%에서 시작됩니다.그러나 이러한 동위원소의 붕괴로 인해 몇 시간 내에 붕괴 출력이 훨씬 적습니다.자세한 내용은 붕괴열을 참조하십시오.
지연 에너지의 나머지(8.8 MeV/202.5 MeV = 총 핵분열 에너지의 4.3%)는 안티뉴트리노로 방출되며, 이는 실질적인 문제로서 "이온화 방사선"으로 간주되지 않습니다.그 이유는 안티뉴트리노로 방출된 에너지가 원자로 물질에 열로 포획되지 않고 거의 빛의 속도로 모든 물질(지구를 포함한)을 직접 통과해 행성간 공간(흡수된 양은 극소)으로 빠져나가기 때문입니다.중성미자 복사는 거의 완전히 흡수되지 않기 때문에 효과를 발생시키지 않기 때문에 일반적으로 이온화 복사로 분류되지 않습니다(매우 드문 중성미자 이벤트는 이온화되지만).방사선의 거의 대부분(지연된 베타 및 감마 방사선 6.5%)은 결국 원자로 노심의 열로 변환되거나 차폐됩니다.
중성자를 포함하는 일부 공정은 에너지를 흡수하거나 최종적으로 산출하는 것으로 유명합니다. 예를 들어 중성자 운동 에너지는 중성자가 우라늄-238 원자에 포획되어 플루토늄-239를 생산할 경우 열을 즉시 산출하지 않지만, 플루토늄-239가 나중에 발효되면 이 에너지가 방출됩니다.반면에 핵분열 딸로부터 나오는 반감기가 몇 분에 이르는 방사성 붕괴 생성물로 방출되는 소위 지연 중성자는 원자로 제어에 매우 중요한데, 이는 전체 핵반응이 두 배로 커질 수 있는 특징적인 "반응" 시간을 주기 때문입니다.반응이 초임계 연쇄 reaction(각 핵분열 주기가 흡수하는 것보다 더 많은 중성자를 산출하는 것)을 위해 의도적으로 이러한 중성자에 의존하는 "delayed 임계" 영역에서 실행되는 경우.그들이 존재하지 않는다면, 핵 연쇄 반응은 즉각적으로 임계적일 것이고 인간의 개입에 의해 통제될 수 있는 것보다 더 빨리 규모가 증가할 것입니다.이 경우, 최초의 실험용 원자로는 운영자가 수동으로 정지하기 전에 위험하고 지저분한 "즉각 임계 반응"으로 도망쳤을 것입니다. (이러한 이유로, 설계자 엔리코 페르미는 전자석에 의해 매달린 방사선 카운터 트리거 제어봉을 포함했습니다.)자동으로 시카고 파일-1)의 중앙으로 떨어질 수 있습니다.이러한 지연 중성자들이 핵분열을 일으키지 않고 포획된다면, 그들은 또한 열을 생산합니다.[13]
생성물 핵과 결합 에너지
핵분열에서는 짝수 개의 양성자 번호를 가진 조각을 생성하는 것을 선호하며, 이를 조각의 전하 분포에 대한 홀짝 효과라고 합니다.그러나 단편 질량수 분포에서 홀짝 효과는 관찰되지 않습니다.이 결과는 핵자쌍 파괴에 기인합니다.
핵분열 사건에서 핵들은 가벼운 핵들의 조합으로 쪼개질 수 있습니다.가장 일반적인 사건은 질량 120의 핵분열이 아닙니다. 가장 일반적인 사건(동위원소와 과정에 대한 depending)은 한 딸핵이 90에서 100 u 정도의 질량을 가지고 있고 다른 딸핵은 130에서 140 u 정도의 질량을 가지고 있는 약간 불균등한 핵분열입니다.불평등한 핵분열은 에너지적으로 더 유리한데, 이는 한 생성물이 질량 60 u에 가까운 에너지 최소량에 근접하도록 해주는 반면, 질량 135 u의 다른 핵들은 여전히 가장 단단히 묶여 있는 핵들의 범위에서 크게 벗어나지 않기 때문입니다(이에 대한 또 다른 설명).원자 결합 에너지 곡선이 질량 120 u의 왼쪽에서 오른쪽보다 약간 더 가파르다는 것입니다).
활성 에너지의 기원과 결합 에너지의 곡선
무거운 원소의 핵분열은 원자 번호와 Ni, Fe에 가까운 원자 질량을 가진 중간 질량 핵의 비결합 에너지(질량당 결합 에너지)가 매우 무거운 핵의 핵자별 결합 에너지보다 커서 무거운 핵이 분해될 때 에너지가 방출되기 때문에 이용 가능한 에너지를 생산합니다.단일 반응에 의한 핵분열 생성물의 총 질량 {\ M은 원래 연료 핵의 질량( M보다 작습니다.초과 질량 δ = M - m = 은 질량 에너지 등가 공식 E = mc에 따라 광자(gamma선)로 방출되는 에너지의 불변 질량과 핵분열 조각의 운동 에너지입니다.
원자 번호와 결합 에너지의 변화는 핵을 구성하는 구성 요소 핵자(양성자와 중성자)에 작용하는 두 기본 힘의 상호 작용 때문입니다.핵들은 핵자들 사이의 매력적인 핵력에 의해 묶여 있는데, 이것은 양성자들 사이의 정전기적 반발력을 극복합니다.그러나 핵력은 지수적으로 쇠퇴하는 유카와 퍼텐셜을 따르므로 더 긴 거리에서 미미하기 때문에 상대적으로 짧은 범위(몇 개의 핵자 지름)에서만 작용합니다.정전기 반발력은 역제곱 법칙에 의해 붕괴되기 때문에 더 긴 범위에 있으며, 지름이 약 12개의 핵자보다 큰 핵자가 핵력을 극복하고 자발적으로 불안정하게 만드는 지점에 도달합니다.같은 이유로, 큰 핵들(지름이 약 8개 이상인 핵자)은 작은 핵들보다 단위 질량당 덜 단단하게 묶여 있습니다. 큰 핵을 두 개 이상의 중간 크기의 핵들로 쪼개는 것은 에너지를 방출되는 것입니다.
또한 강한 결합력의 짧은 범위 때문에, 큰 안정한 핵은 양성자와 중성자의 1 대 1 비율로 가장 안정한 가장 가벼운 원소보다 더 많은 중성자를 포함해야 합니다.20개 이상의 양성자를 가진 핵들은 동일한 수의 중성자를 가지지 않는 한 안정적일 수 없습니다.여분의 중성자는 양성자-양성자 반발력을 증가시키지 않으면서 강한 힘의 결합(모든 핵자 사이에서 작용)을 증가시키기 때문에 무거운 원소를 안정화시킵니다.핵분열 생성물은 평균적으로 모핵과 거의 같은 중성자와 양성자의 비율을 가지고 있으며, 따라서 비슷한 질량의 안정 동위 원소에 비해 중성자가 비례적으로 너무 많기 때문에 보통 베타 붕괴(중성자를 양성자로 바꿈)에 불안정합니다.
핵분열 생성물 핵이 베타 붕괴를 겪는 이러한 경향은 원자로에서 나오는 방사성 고준위 폐기물 문제의 근본적인 원인입니다.핵분열 생성물은 베타 방출체인 경향이 있으며, 전하를 보존하기 위해 빠르게 움직이는 전자를 방출하는데, 이는 과도한 중성자가 핵분열 생성물 원자에서 양성자로 전환되기 때문입니다.원소별로 분류된 핵분열 생성물에 대한 설명은 핵분열 생성물(원소별)을 참조하십시오.
연쇄반응
우라늄, 토륨, 플루토늄과 같은 몇몇 무거운 원소들은 방사성 붕괴의 한 형태인 자발 핵분열과 핵반응의 한 형태인 유도 핵분열을 겪습니다.자유 중성자에 의해 부딪혔을 때 유도 핵분열을 겪는 원소 동위원소는 핵분열성이라고 불리고, 느리게 움직이는 열 중성자에 의해 부딪혔을 때 핵분열을 겪는 동위원소는 또한 핵분열성이라고 불립니다.몇몇 특정한 핵분열성이고 쉽게 얻을 수 있는 동위원소(특히 U, U, Pu)는 연쇄반응을 지속할 수 있고 유용할 만큼 충분히 많은 양을 얻을 수 있기 때문에 핵연료라고 불립니다.
모든 핵분열성과 핵분열성 동위원소들은 핵연료의 어떤 표본에도 몇 개의 자유 중성자를 방출하는 소량의 자발적 핵분열을 겪습니다.이러한 중성자는 연료로부터 빠르게 탈출하여 자유 중성자가 되며, 양성자와 베타 입자로 붕괴되기 전의 평균 수명은 약 15분입니다.그러나 중성자는 거의 항상 충격을 받아 이 현상이 일어나기 훨씬 전에 주변의 다른 핵들에 의해 흡수됩니다(새로 생성된 핵분열 중성자는 광속의 약 7%의 속도로 움직이고, 심지어 감속 중성자도 음속의 약 8배의 속도로 움직입니다).일부 중성자는 연료핵에 충격을 주고 더 많은 핵분열을 유도하여 더 많은 중성자를 방출합니다.한 곳에서 충분한 핵연료가 조립되거나, 탈출하는 중성자가 충분히 포함되어 있다면, 이렇게 새로 방출된 중성자는 조립에서 탈출하는 중성자보다 더 많고, 지속적인 핵 연쇄 반응이 일어날 것입니다.
지속적인 핵 연쇄 반응을 지원하는 어셈블리를 임계 어셈블리 또는 어셈블리가 거의 전부 핵 연료로 구성된 경우 임계 질량이라고 합니다."임계"는 연료에 존재하는 자유 중성자의 수를 지배하는 미분 방정식의 작용의 정점을 말합니다. 임계 질량 미만이면 중성자의 양은 방사성 붕괴에 의해 결정되지만 임계 질량 이상이면,중성자의 양은 대신 연쇄반응의 물리학에 의해 조절됩니다.임계 핵연료 질량의 실제 질량은 기하학적 구조와 주변 물질에 따라 크게 달라집니다.
모든 핵분열성 동위원소가 연쇄반응을 지속할 수 있는 것은 아닙니다.예를 들어 우라늄의 가장 풍부한 형태인 U는 핵분열은 가능하지만 핵분열은 불가능합니다. U는 1 MeV 이상의 운동 에너지를 가진 에너지가 있는 중성자에 의해 충격을 받으면 유도 핵분열을 합니다.그러나 U 핵분열에 의해 생성된 중성자 중 너무 적은 것은 U에 더 많은 핵분열을 유도할 수 있을 만큼 충분히 에너지가 넘치기 때문에 이 동위원소로는 연쇄반응이 불가능합니다.대신, U에 느린 중성자를 폭격하면 이 중성자를 흡수하여 Np로 베타 방출되어 다시 Pu로 같은 과정으로 붕괴됩니다. 이 과정은 번식기 원자로에서 Pu를 제조하는 데 사용됩니다.플루토늄-239 또한 연료 역할을 하는 핵분열성 원소이기 때문에 플루토늄-239가 충분히 생산된 후 다른 유형의 원자로에서 중성자 연쇄 반응을 일으키는 원인이 되기도 합니다.표준 비육종 원자로에서 생산되는 전력의 최대 절반은 연료 부하의 전체 수명 주기 동안 제 자리에서 생산된 플루토늄-239의 핵분열로 생산되는 것으로 추정됩니다.
핵분열이 가능한 비화석 동위원소는 연쇄반응 없이도 핵분열 에너지원으로 사용될 수 있습니다.U에 빠른 중성자를 폭격하면 핵분열을 유도하여 외부 중성자 공급원이 존재하는 한 에너지를 방출합니다.이것은 핵분열 동위원소에서 나오는 빠른 중성자가 근처의 U핵의 핵분열을 일으킬 수 있는 모든 원자로에서 중요한 효과입니다. 이는 U의 일부 작은 부분이 모든 핵연료, 특히 고에너지 중성자로 작동하는 고속 증식 원자로에서 "소멸"된다는 것을 의미합니다.이와 같은 빠른 핵분열 효과는 핵융합에 의해 방출되는 중성자를 장치의 중심에서 반응시키기 위해 U로 무기를 고정시킴으로써 현대의 열핵무기가 방출하는 에너지를 증가시키는 데 사용됩니다.그러나 핵분열 연쇄반응의 폭발적인 효과는 2차 중성자의 속도를 늦추는 조절제와 같은 물질을 사용함으로써 감소될 수 있습니다.
핵분열 원자로
임계 핵분열 원자로는 가장 일반적인 원자로 유형입니다.임계 핵분열 원자로에서 연료 원자의 핵분열로 생성된 중성자는 더 많은 핵분열을 유도하여 제어 가능한 양의 에너지 방출을 유지하는 데 사용됩니다.공학적이지만 자생적이지 않은 핵분열 반응을 일으키는 장치는 아임계 핵분열 원자로입니다.그러한 장치는 핵분열을 유발하기 위해 방사성 붕괴나 입자 가속기를 사용합니다.
임계 핵분열 원자로는 일반적으로 핵분열 연쇄 반응에 의해 생성되는 열 또는 중성자를 이용하기 위해 서로 다른 공학적 절충을 수반하는 세 가지 주요 목적을 위해 건설됩니다.
- 발전용 원자로는 발전소 또는 원자력 잠수함과 같은 지역 전력 시스템의 부분으로서 원자력 발전을 위한 열을 생산하도록 의도됩니다.
- 연구용 원자로는 과학, 의료, 공학 또는 기타 연구 목적을 위해 중성자를 생산하거나 방사성 선원을 활성화하기 위한 것입니다.
- 브리더 원자로는 더 풍부한 동위원소로부터 핵연료를 대량으로 생산하도록 의도됩니다.더 잘 알려진 고속 증식로는 자연적으로 매우 풍부한 U(핵연료가 아닌)로부터 Pu(핵연료)를 만듭니다.이전에 핵분열성 동위원소 U(토륨 연료 사이클)를 번식시키기 위해 Th를 사용하여 실험된 열 증식로가 계속 연구 개발되고 있습니다.
원칙적으로 모든 핵분열 원자로는 세 가지 용량 모두에서 작동할 수 있지만, 실제로 이러한 작업은 상반된 공학적 목표를 초래하며, 대부분의 원자로는 위의 작업 중 하나만 염두에 두고 제작되었습니다(예를 들어, Hanford N 원자로는 현재 해체된 상태입니다).일반적으로 원자로는 핵분열 생성물의 운동에너지를 열로 변환시키며, 이는 작동하는 유체를 가열하고 기계적 또는 전기적 동력을 발생시키는 열기관을 구동하는데 사용됩니다.작동 유체는 일반적으로 증기 터빈이 있는 물이지만 일부 설계에서는 기체 헬륨과 같은 다른 물질을 사용합니다.연구용 원자로는 다양한 방식으로 사용되는 중성자를 생산하며, 핵분열의 열은 피할 수 없는 폐기물로 취급됩니다.브리더 원자로는 전문화된 형태의 연구용 원자로이며, 조사되는 시료는 대개 연료 자체이며, U와 U가 혼합되어 있습니다. 임계 핵분열 원자로의 물리학과 작동 원리에 대한 더 자세한 설명은 원자로 물리학을 참조하십시오.그들의 사회적, 정치적, 환경적 측면에 대한 설명은 원자력을 참고하세요.
핵분열 폭탄
핵무기의 한 종류인 핵분열 폭탄(핵융합 폭탄과 혼동하지 말 것)은 방출된 에너지가 원자로를 폭발시키고 연쇄 반응이 멈추기 전에 가능한 한 많은 에너지를 빠르게 방출하도록 설계된 핵분열 원자로입니다.핵무기의 개발은 제2차 세계 대전 동안 맨해튼 계획이 핵분열 연쇄 반응에 대한 초기 과학적 연구의 대부분을 수행한 핵분열에 대한 초기 연구의 동기였으며, 전쟁 중에 발생한 핵분열 폭탄과 관련된 세 가지 사건으로 끝이 났습니다."가젯" 이라는 암호명을 가진 첫 번째 핵분열 폭탄은 1945년 7월 16일 뉴 멕시코 사막에서 열린 트리니티 실험 동안 폭발했습니다.1945년 8월 6일과 9일에 각각 일본 히로시마와 나가사키에 대항한 두 개의 다른 핵분열 폭탄인 "리틀 보이"와 "팻 맨"이 사용되었습니다.
심지어 첫번째 핵분열 폭탄도 비슷한 화학 폭발물 질량보다 수천배나 더 폭발적이었습니다.예를 들어, Little Boy의 무게는 총 4톤(그 중 60 kg이 핵 연료)이고 길이는 11피트(3.4 m)였습니다. 또한 TNT의 약 15킬로톤에 해당하는 폭발을 일으켜 히로시마 시의 상당 부분을 파괴했습니다.현대 핵무기(열핵융합과 하나 이상의 핵분열 단계 포함)는 최초의 순수 핵분열 원자폭탄(핵무기 수율 참조)보다 수백 배나 더 에너지가 넘으므로 리틀 보이(예: W88)의 1/8 미만인 현대 단일 미사일 탄두 폭탄은 수율 o를 갖습니다.475 킬로톤의 TNT가 도시 면적의 약 10배에 달하는 파괴를 가져올 수 있습니다.
핵무기의 핵분열 연쇄 반응의 기본 물리학은 통제된 원자로의 물리학과 비슷하지만, 두 종류의 장치는 매우 다르게 설계되어야 합니다(원자로 물리학 참조).핵폭탄은 모든 에너지를 한 번에 방출하도록 설계된 반면, 원자로는 지속적으로 유용한 전력을 생산하도록 설계되었습니다.원자로의 과열은 용융과 증기 폭발을 야기할 수 있고, 야기할 수도 있지만, 우라늄 농축도가 훨씬 낮아서 원자로가 핵무기와 같은 파괴력으로 폭발하는 것은 불가능합니다.비록 적어도 하나의 로켓 추진 시스템인 Project Orion이 엄청나게 포장되고 차폐된 우주선 뒤에서 핵분열 폭탄을 폭발시킴으로써 작동하도록 의도되었지만, 핵폭탄으로부터 유용한 전력을 추출하는 것은 어렵습니다.
핵무기의 전략적 중요성은 핵분열 기술이 정치적으로 민감한 주요 이유입니다.실행 가능한 핵분열 폭탄 설계는 공학적인 관점에서 비교적 간단하며, 거의 틀림없이 많은 사람들이 사용할 수 있는 능력 내에 있습니다.그러나 설계를 실현하기 위해 핵분열성 핵물질을 얻는 것의 어려움은 핵분열성 물질을 생산하기 위한 특별한 프로그램을 가진 현대 산업화된 정부를 제외한 모든 정부가 핵무기를 상대적으로 사용할 수 없는 핵심입니다(우라늄 농축 및 핵연료 주기 참조).
역사
핵분열 발견
핵분열의 발견은 오늘날 베를린 자유대학의 일부인 카이저 빌헬름 화학회의 건물에서 1938년에 발생했으며, 이는 방사능의 과학과 원자의 성분을 설명하는 새로운 핵물리학의 정교화에 대한 40년 이상의 연구에 이어 이루어진 것입니다.1911년 어니스트 러더퍼드는 매우 작고 밀도가 높고 양전하를 띤 양성자 핵이 궤도를 도는 음전하를 띤 전자로 둘러싸인 원자 모형을 제안했습니다.[19]닐스 보어(Niels Bohr)는 1913년에 전자의 양자 행동을 조화시킴으로써 이를 개선했습니다.1928년 조지 가모프는 액체 방울 모델을 제안했는데, 이 모델은 핵분열의 물리학을 이해하는 데 필수적인 것이 되었습니다.[20]: 49–51, 70–77, 228 [4]: 6–7
1896년, 앙리