2.1.1 핵분열과 핵융합 개요 [원자력기사]

우리는 앞서 원자핵의 결합에너지와 핵자당 결합에너지 그리고 결합에너지에 의해 핵분열과 핵융합시 에너지가 발생됨을 공부했다. 

그렇다면 이러한 핵분열과 핵융합이 원자로에 어떻게 활용되는지 이해할 수 있어야한다. 

이러한 내용은 원자력발전소 혹은 원자력 관련 업무를 수행할 때 기본 지식이 되므로 반드시 기억해야 한다.

 

국내의 상업용 원자로는 핵분열을 이용하는 발전소들 이다. 

아직 핵융합이 상업적으로 사용되지 않는다. 따라서 원자력기사 시험에서도 핵융합 보다는 핵분열과 관련된 문제들이 주를 이루어 출제된다.

2.1.1    개요

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분열은 갈라져 나뉜다는 의미를 가지고 있다. 따라서 핵분열(Fission)도 그림 1-1에서 보는 것과 같이 무거운 원자핵(우라늄-235 등)이 중성자를 흡수하고 가벼운 2개의 다른 원자핵으로 갈라져 나뉘는 것을 핵분열이라고 한다. 

이때 우라늄과 같은 무거운 원자핵은 핵분열 후에 전혀 다른 물질로 변화하면서 열을 발생하게 된다. 

이 열은 앞서 설명한 결합에너지에 의한 것이다(1.4절 참고).

 

핵분열은 반드시 중성자를 흡수하여 발생하는 것은 아니며, 자발핵분열(Spontaneous Fission)과 유도핵분열(Induced nuclear fission) 두 종류로 나눌 수 있다. 

자발핵분열은 원자핵에 입자 또는 에너지를 주지 않아도 스스로 발생하는 핵분열이다. 

즉, 중성자의 충격 등에 의하지 않고 불안정한 원자핵이 스스로 일으키는 핵분열을 말한다. 

이론적으로 토륨 이상의 무거운 원소에서는 자발핵분열이 발생할 수 있으나, 실제 자발핵분열이 발생하는 경우는 무시할 수 있을 정도이다.

 

유도핵분열은 중성자 등의 흡수에 의해서 일어나는 핵분열이다. 

원자력발전소에서는 유도핵분열을 이용하여 에너지를 얻으므로, 원자력기사에서는 유도 핵분열의 개념이 중요하다.

그림 1-1 핵분열 과정

이번 장에서 함께 다루어질 핵융합은 핵분열과 반대의 개념으로, 가벼운 원자의 핵이 융합되는 과정을 이용한다. 

핵융합 에너지는 핵융합로를 이용하여 전기에너지로 사용된다. 

핵융합로의 구조는 간단히 비유해서 설명하면, 가정에서 쓰는 전자렌지와 같다. 

전자렌지 안에 중수소라는 요리를 넣고, 300초 이상 마이크로파를 쏘여서 가열한다. 

그러면 전자렌지 안이 3억 도의 온도까지 올라가고, 그 온도에 이르면 중수소라는 요리가 스스로 무게가 줄어들면서 그 손실된 무게에 상응하는 방대한 빛과 열 에너지를 방출하기 시작한다. 

그 열 에너지를 밖으로 뽑아내어 물을 끓여서 그 수증기로 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산해 낸다.