핵분열

핵분열(核分裂, nuclear fission, 문화어: 핵분렬)은 보통 우라늄, 플루토늄같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개(핵분열 생성물)로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이다. 1938년 독일 과학자 프리츠 슈트라스만과 오토 한의 실험으로 확인되었다. 이 실험에서 에너지가 낮은 중성자(열중성자)를 우라늄-235( ${\ce {^{235}_{92}U}}$ )에 충돌시키자 우라늄은 바륨과 크립톤으로 분열되며 그 과정에서 2~3개의 중성자와 함께 막대한 양의 에너지가 방출되는 현상이 관측되었다.

일반적으로 핵분열 가능성은 물질의 특성 중 하나인 반응단면적(입자가 물질 속을 진행 시 화학 반응을 수반하는 충돌이 일어나는 확률을 표적의 면적으로 나타낸 양)에 따라 결정되는데, 우라늄-233( ${\ce {^{233}_{92}U}}$ ), 우라늄-235( ${\ce {^{235}_{92}U}}$ ), 플루토늄-239( ${\ce {^{239}_{94}Pu}}$ ) 등이 핵분열 반응단면적 값이 커서 주로 핵분열 물질로 분류된다.

핵분열 물질이 핵분열을 통해 가벼운 원자핵들로 쪼개지는 방법은 40가지 이상으로, 주로 질량수 90~100과 130~140에 속한 원자들에 집중된다. 이때 핵분열 전과 후에 에너지가 보존되지 않아, 막대한 양의 에너지가 방출된다. 즉, 질량이 감소하며, 그 감소한 질량만큼의 에너지가 방출되는 것이다.

예를 들어, 우라늄이 스트론튬과 제논으로 쪼개지는 것을

${\ce {^{235}_{92}U {+}n -> ^{92}_{38}Sr {+}^{142}_{54}Xe {+}2_.5n {+}Q(200MeV)}}$

로 표현하게 되는데, 이때 발생하는 에너지 Q가 바로 핵분열 반응 전후의 질량결손에서 전환된 것으로, 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리의 의한 식 $E=mc^{2}$ 로 계산할 수 있다. 다른 원자핵들로 쪼개지는 경우에도 대부분 200MeV정도의 에너지를 방출하므로 핵분열 시 방출되는 에너지는 일반적으로 200MeV로 표현한다.

한편, 핵분열 시 평균 2MeV의 운동에너지를 가진 고속중성자 2~3개가 방출되는데, 이 고속중성자들은 주변 핵분열물질에 대해 연속적으로 핵분열을 유발할 수 있다. 이러한 현상을 '연쇄반응'이라고 한다.

원자력발전의 원리는 이러한 핵분열의 연쇄반응을 원자로 내부에서 지속되도록 한 것이다. 하지만 우라늄-235를 핵연료로 이용할 경우 우라늄의 핵분열 반응단면적은 충돌하는 중성자의 에너지가 낮을수록 커지므로 핵분열 시 발생되는 고속중성자의 속도를 반드시 감소시켜 주어야 한다.

핵분열 생성물은 주로 질량수 90~100과 130~140일 경우에 집중적으로 생성되는데, 핵분열 생성물의 원자핵은 아직 불안정한 상태이므로, 더 안정한 상태로 가기 위해 계속 방사성 붕괴가 이루어진다. 이러한 연속적인 방사성 붕괴로 핵분열 생성물에서는 끊임없이 에너지가 방출되는데, 이를 '붕괴열'이라고 한다. 원자로에서 사용하고 난 핵연료를 물속에 담가 냉각시키는 이유가 바로 이 붕괴열 때문이다.

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