2.1.3 분열수율 및 분열단편(생성물) [원자력기사]

2.1.3    분열수율 및 분열단편(생성물)

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분열수율과 분열단면은 우리가 일상에서 사용하는 단어가 아닌 생소한 단어이므로, 분열수율과 분열단면(생성물)을 이해가기 위해서는 각 단어의 정의를 이해해야 한다.

 

분열수율을 이해하기 전에 “수율”의 사전적 의미에 대한 이해가 필요하다. 

수율의 사전적 의미는 찾아보면, 「핵분열 반응이 일어난 후 생성된 딸핵의 비율」이라고 정의되어 있다. 

즉, “분열” 이라는 단어를 사용하지 않았지만, 수율이라는 단어를 통해 핵분열이 발생한 후에 생성된 핵종의 비율을 의미한다는 것을 알 수 있다. 

분열수율 혹은 핵분열 수율(Fission yield)의 정의는 다음과 같다.

 

「핵분열로부터 생성된 각 원소들의 백분율」

 

우라늄이나 플루토늄과 같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌하여 핵분열을 하면 모핵은 2개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는데 이를 핵분열 생성물이라고 한다. 

핵분열생성물의 수율분포는 핵분열이 일어난 모핵종과 입사 중성자의 에너지에 따라 약간씩 차이가 있을 수 있다.

그러나 대체로 핵분열 후에 생성되는 핵종은 그림 2.1.3-1과 같이 말발굽 형태로 분포하고 있다.

그림 2.1.3-1 핵분열 생성물의 분열수율 곡선

그림 2.1.3-1의 특징을 살펴보면, 질량수가 90~100 사이인 핵분열 단편과 질량수 130~140 사이인 핵분열 단편이 각각 7% 정도를 차지함을 알 수 있다. 

예를 들어, 우라늄-235가 중성자와 반응하여 분열하면 질량수가 96, 140 또는 97, 139 등과 같이 (질량수 합이 236)으로 쪼개질 확률이 매우 높다는 뜻이다.

 

그리고 앞서 핵분열을 하면 모핵은 2개의 가벼운 원자핵으로 쪼개진다고 설명했으므로, 그림 2.1.3-1의 분열수율의 합은 200%가 된다. 

이렇게 생겨난 핵분열 생성물은 원자핵이 깨져 생긴 파편이다. 

따라서 이를 핵분열 단편(Fission Fragments)라고도 한다. 

핵분열 직후에는 핵분열 단편 이외에도 자유전자, 즉발 감마선(γ-ray)과 기타 여러 종류의 방사선들이 방출된다.

 

핵분열에 의해 방출되는 에너지 중 약 80%는 핵분열 단편에 의한 운동에너지이다. 

베타선은 약 10%, 감마선을 약 7% 그리고 중성자는 약 3%의 비중을 이룬다. 

이러한 수치는 핵종에 따라 다르고 대략적인 값을 나타내므로, 발생되는 에너지 비율을 암기할 필요는 없다. 

다만 핵분열에 의해 발생되는 에너지는 대부분 핵분열 단편에 의한 운동에너지 임을 기억하고 있어야 한다.

본 절에서는 분열수율과 분열단편에 대한 내용이 주가 되므로 자유전자, 즉발 감마선 등의 방사선 등은 방사선이용 및 보건 물리 과목에서 다루기로 한다.

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예제 1 (2013년 원자력기사 기출)

원자로 내에서 핵분열 시 방출되는 다음 에너지원 중에서 회수가 가능하지 않은 것은?

① 핵분열단편

② 즉발감마선

③ 중성미자

④ 베타선

 

정답) ③

여기서 회수가 가능한지 여부는 방출되는 에너지들이 원자로 주위 물질들과 반응하여 열에너지로 변환되는지 여부이다.

원자로의 U-235가 핵분열하여 발생되는 에너지는 대부분 핵분열 단편에 의한 에너지이며, 핵분열단편의 운동에너지는 냉각재에 흡수되어 열에너지로 회수 가능하다. 이와 유사하게 감마선, 베타선도 주위의 물질과 반응하고 열에너지로 회수된다.

그러나 중성미자는 전하를 가지지 않아 냉각재 등 주위 물질과 반응하지 않고 통과하므로 열에너지로 회수되지 않는다.

예제 2 (2015년 원자력기사 기출)

핵분열에 의해 방출되는 에너지 종류 중에서 가장 큰 것은?

① 감마선 에너지

② 베타선에너지

③ 핵분열 중성자의 운동에너지

④ 핵분열 파편의 운동에너지

 

정답) ④

핵분열에 의해 방출되는 에너지 중 약 80%는 핵분열 단편에 의한 운동에너지이다.

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