2.1.2 핵분열 [원자력기사]

2.1.2    핵분열(Nuclear Fission)

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핵분열은 원자핵이 두 개의 원자핵으로 분열되는 현상을 말한다. 

자발핵분열은 외부에서 자극이 없어도 핵종 스스로 분열하는 현상이지만, 유도핵분열을 일으키려면 최소의 에너지 이상의 자극을 주여야 한다. 

이를 임계에너지(Critical Energy) 또는 문턱에너지(Threshold Energy)라고 부른다. 

임계에너지는 핵종에 따라 각각 다르므로 실험에 의한 결과값이다.

 

원자는 원자핵 주변에 전자들이 있으므로 전기적으로 중성인 중성자만이 원자핵에 도달할 수 있다. 

중성자가 핵분열 물질의 원자핵에 흡수되면 짧은 시간동안(10-14~10-17초) 에너지 상태가 매우 불안정한 상태가 된다. 

이 불안정한 상태의 핵을 복합핵이라고 부른다.

 

불안정한 복합핵은 원자핵 내의 양성자(+)들의 척력으로 인해 점점 멀어지고 결국 작은 2개의 원자핵으로 분리된다. 

이렇게 생겨난 두 개의 원자핵을 핵분열 단편이고 부르며, 핵분열시 핵분열 단편과 약 200MeV 에너지가 생성된다.

 

핵분열 단편이 생성될 때는 대부분 중성자 과잉 상태로 존재한다. 

따라서 핵분열 직후 중성자를 방출하여 원자핵이 안정화 된다. 

이때 핵분열 직후 발생하는 중성자를 즉발중성자(Prompt Neutron)라고 부른다. 

즉발중성자의 평균 에너지는 약 2MeV로 고속중성자(fast neutron)이다.

 

또한, 핵분열 단편들은 핵분열 직후에 여기상태(Excited state)이므로 곧바로 γ-ray(감마선)을 방출한다. 

이 감마선은 핵분열 직후에 발생하므로 즉발감마선이라 부른다. 

이외에도 핵분열시 그림 2.1.2-1과 같이 알파입자, 감마선, 중성자, 광자 및 베타선 등 다양한 방사선이 발생한다.

그림 2.1.2-1 핵분열 생성물

핵분열 이후 즉시 발생되는 분열 생성물질도 있지만 일정 시간이후에 발생되는 중요한 원소인 지발중성자(Delayed neutron)도 있다. 

지발중성자는 생성된 핵분열 단편이 또다시 다른 핵종으로 붕괴하며 중성자를 방출하는 과정에서 생성된다.

지발중성자는 평균 0.5MeV의 에너지를 갖고 있다.

 

한번의 핵분열 결과 생성되는 중성자는 2~3개 정도 이며, 이중 99%는 즉발 중성자이고 지발 중성자는 총 발생되는 중성자 중 1% 정도를 차지한다. 

그러나 지발중성자는 원자로제어에 매우 중요한 역할을 하므로 기억하고 있어야 한다.

 

핵분열에 의해 생성되는 중성자도 중요한 요소이지만, 알파입자, 감마선, 중성자, 광자 및 베타선 등 다양한 방사선 또한 발전소 운영에 영향을 미치는 중요한 요소이고 계측기등 사용되는 곳이 다양하다. 

따라서 추후 방사선이용 및 보건물리 과목에서 자세히 다루기로 한다.

예제 1 (2011년 원자력기사 기출)

핵분열로 방출되는 즉발중성자와 지발중성자에 대한 설명 중 맞는 것은?

① 지발중성자의 생성원리는 즉발중성자와 다르다.

② 지발중성자의 평균에너지는 즉발중성자와 같다.

③ 감속과정에서 누설될 확률은 지발중성자가 즉발중성자 보다 크다.

④ 지발중성자 분율이 작을수록 원자로제어에 유리하다.

 

정답) ①

① 즉발중성자는 핵분열에 의해 핵분열생성물과 동시에 발생되지만, 지발중성자는 핵분열생성물이 다른 핵종으로 붕괴되며 중성자를 방출할 때 생성된다. 즉, 지발중성자와 즉발중성자는 같은 중성자이지만 생성되는 원리는 다르다.

② 즉발중성자는 약 2MeV, 지발중성자는 0.5MeV의 평균에너지를 갖는다.

③ 중성자의 에너지가 커서 속도가 빠른 중성자의 누설 확률이 더 크다. 따라서 에너지가 더 큰 즉발중성자의 누설확률이 크다.

④ 지발중성자 분율과 즉발중성자 분율이 원자로제어에 미치는 영향은 2.7절 동특성 부분에서 다룰 예정이다. 간단히 설명해서 즉발중성자가 갑자기 많이 생성되면 우라늄과 핵반응이 급격하게 이루어지므로 출력제어가 어렵다. 그러나 지발중성자가 일정하게 증가할수록 우라늄과의 반응이 서서히 발생하므로 원자로제어에 유리해 진다는 의미이다.

예제 2 (2013년 원자력기사 기출)

원자로제어에서 중요한 역할을 하는 지발중성자는 핵분열 즉시 방출되는 즉발중성자와 달리 핵분열시 지연 방출된다. 다음중 그 이유로 맞는 것은?

① 핵분열시 감속재에 따른 지연 감속으로 인해 방출되기 때문이다.

② 핵분열 즉시 방출되는 중성자로써 중성자의 방출에너지가 낮기 때문이다.

③ 핵분열시 생성되는 중성자의 평균수명이 약 10~5초 정도로 길기 때문이다.

④ 핵분열후 분열생성물이 방사성 붕괴 과정에서 방출되기 때문이다.

 

정답) ④

지발중성자는 생성된 핵분열 단편이 다른 핵종으로 붕괴하며 중성자를 방출하는 과정에서 생성된다.

 

예제 3 (2016년 원자력기사 기출)

지발중성자에 대한 설명 중 틀린 것은?

① 원자로가 정지되면 생성도 중지된다.

② 핵분열 생성물에서 방출된다.

③ 대략 KeV영역의 에너지를 가진다.

④ 원자로 제어에 중요한 역할을 한다.

 

정답) ①

① 지발중성자는 핵분열단편이 다시 붕괴하면서 생성된다. 따라서 원자로가 정지되어 핵분열이 완전히 중단된다고 가정하더라도, 이미 생성된 핵분열 단편에서 지발 중성자들은 계속 생성될 수 있다.

② 핵분열 생성물인 핵분열 단편에서 생성됩므로 맞는 보기이다.

③ 즉발중성자는 MeV 영역(약 2Mev)의 에너지를 가지며, 지발중성자는 약 500KeV(0.5MeV) 에너지를 가지므로 맞는 보기이다.

④ 즉발중성자가 갑자기 많이 생성되면 우라늄과 핵반응이 급격하게 이루어지므로 출력제어가 어렵다. 그러나 지발중성자가 일정하게 증가할수록 우라늄과의 반응이 서서히 발생하므로 원자로제어에 유리해 지므로 원자로 제어에 중요한 역할을 한다.