검수요청.png검수요청.png

핵분열에너지

위키원
이동: 둘러보기, 검색

핵분열에너지(fission energy)는 핵분열이 일어날 때 방출되는 에너지이다. 한 번의 핵분열당 200MeV 정도가 방출된다. 즉 2개의 핵분열 파편 운동에너지를 합한 것 약 160MeV, 즉발 γ선 에너지가 7MeV, 중성자 에너지가 약 5MeV이며 핵분열생성물의 붕괴에 의해 방출되는 β선γ선 에너지가 각각 약 8MeV, 7MeV 그리고 중성미자(中性微子) 에너지가 12MeV 정도이다.

개요[편집]

핵분열에너지는 핵에너지의 종류 중 하나로 우라늄, 플루토늄 등의 무거운 중원소의 원자핵에 하나의 중성자를 충돌시켜 질량이 같은 두 원자핵으로 분열하며 에너지와 2~3개의 중성자를 생성하는 과정인 핵분열을 통해 발생하는 핵에너지를 의미한다. 원자핵은 모두 입자 내부에서 일정한 위치에너지를 가지고 결합되어 있는데 핵분열이 발생하면 결합이 깨지면서 위치에너지가 변하고 다시 결합하면서 결합에너지 간 차이가 발생한다. 따라서 에너지 보존법칙에 의해 외부로 핵분열 에너지가 방출된다. 보통 한 번의 핵분열을 통해 약 200MeV의 핵분열에너지가 방출된다.

1938년 베를린의 '카이저 빌헬름 연구소(Kaiser-Wilhelm-Institut)'에서 한(Otto Hahn)과 쉬트라스만(Fritz Strassmann)이 최초로 원자핵을 분열시켰다(라틴어로 fissio=분열, 영어로 Nuclear fission). 당시 그들은 중성자를 이용해 우라늄보다 질량이 큰 원소인 초우라늄(Trans Uranium)을 만들려고 시도했다. 그 과정에서 우라늄 절반 정도의 질량을 갖는 바리움(139Ba)과 크립톤(95Kr)을 확인했다(그림 1). 질량수 235(혹은 238)의 우라늄이 그 절반 남짓한 크기의 두 개의 파쇄핵과 2~3개의 중성자로 분열된 것이다. 이 과정에서 분열 전과 후에 약간의 질량 결손(△m)이 생기는데 이것이 에너지(E=△mc2)로 전환된다.

핵분열(Nuclear Fission)이란 중성자에 의해 우라늄 원자핵(235U)이 분열되면서 에너지가 만들어지는 것을 말한다. 이미 지난 번에 설명했듯이(울산저널 4월 30일자 참조) 상암 월드컵 구장을 포함하는 크기(직경 약 300m)의 구를 원자라고 했을 때 그(원자) 한가운데에 위치한 직경 1.6cm의 구가 원자핵이다. 원자력이라는 용어는 처음부터 잘못된 표현이다. 원자가 작고 원자핵도 작으니 그냥 그대로 쓰자는 건 과학을 하는 입장이 아닌, 흔히 정치판에서 잘 사용하는 물타기 수법이다. 과학은 자연의 현상을 이해하는 한 분야로서 인간이 원하는 방향으로 적절히 바꿔서 표현해서는 안 된다. 의도적으로 핵과 원자를 적절히 섞어서 국민들로 하여금 모호한 관념을 갖도록 하는 것은 조작과 같다. 한 예로 ‘물리학 및 실험’을 수강하는 대학 1학년 학생들에게 적절한 시료와 측정 장치(버니어캘리퍼 혹은 마이크로미터)를 주고 통상 20회 길이를 측정하도록 하는데 개중에 영악한 친구가 4~5회 측정하고서 그 중 적당한 값들을 몇 번 더 사용해 20회 측정한 것처럼 측정값을 조작한다면 어떻게 될까. 조작행위는 자연의 본질에 대한 범죄행위다.(아마, 과거 학생시절에 그런 조작을 했던 사람들이 한수원 관련 시험서와 검증서 위조 등 비리 범죄에 연루된 것이 아닌지…)

핵분열에서 에너지 생성[편집]

양성자들과 중성자들이 결합돼 핵을 형성한다. 핵을 구성하는 전하를 띤 양성자들과 전하가 없는 중성자들을 핵자(Nucleon)라고 부른다. 핵을 형성하기 전 핵자들의 질량의 합과 핵의 질량은 차이가 있다. 그 차이는 어디로 갔을까? 핵자들이 모여 핵을 구성하면서 작아진 부분이 바로 결합에너지다. 일상생활 언어로 비유해 보자. 남녀 한 쌍이 각각 5000만원씩(합이 1억원) 준비해 가정을 차렸다. 두 사람은 살림에 필요한 가재도구들을 사느라 얼마간 돈을 썼다. 두 사람이 가정을 꾸렸을 때 1억원보다 돈이 줄었다. 줄어든 부분이 결합해 살림살이를 사는 데 사용된 셈이다.

우주에는 다양한 핵(종)들이 존재한다. 우리가 알고 있는 원소는 약 100여 종이지만 핵종들은 훨씬 많다. 12C,13C등 탄소임에는 틀림없지만 중성자가 각각 6, 7개인 동위원소 핵종들을 모두 감안하면 무려 2000여개의 핵종들이 있다. 질량수(양성자와 중성자를 합한 핵자들의 수) 60 부근, 대략 , 코발트, 니켈 등이 안정된 핵들로 핵자당 평균결합에너지가 가장 높다

질량수가 작은 핵종들은 결합해 질량수가 큰 핵으로 전환하면서 에너지를 방출(핵융합 Nuclear Fusion)하고, 질량수가 큰 핵종들은 질량수가 작은 쪽으로 전환되면서 에너지를 방출(핵분열 Nuclear Fission)하는 경향이 있다. 우라늄 235의 핵자당 결합에너지는 약 7.5 MeV이고 총 235개의 핵자가 있으므로 우라늄 235의 결합에너지는 7.5 MeV x 235다. 반면에 분열된 질량수 90과 140의 결합에너지는 (8.5 MeV x 90)+(8.3 MeV x 140)으로 그 차이는 약 170 MeV이다. 여기서 170 MeV의 에너지는 중성자에 의해서 붕괴돼 즉각적으로 나오는 두 파쇄핵(질량수 90, 140)들의 운동에너지다. 그밖에 핵분열 때 나오는 중성자들의 에너지와 후속으로 일어나는 방사성 붕괴 열을 모두 감안하면 대략 200MeV의 에너지가 단 한번의 핵분열에서 나온다.

핵분열 장치[편집]

핵분열을 발생시키는 가장 대표적인 장치가 원자로이며, 또 다른 경우는 핵폭탄이다. 두 경우 모두 인위적 방법으로 핵분열을 발생시킨다. 원자로는 핵분열 에너지를 평화적인 목적으로 사용하고자 하는 장치이므로 핵분열 물질인 ²³⁵₉₂U 농도를 5 w/o 이하로 제한하여 무제한의 핵분열 발생이 원천적으로 불가능하게 되어 있으며 또한 핵분열 양을 조절하는 조절도구가 있다. 반면에 핵폭탄은 핵분열 용이물질(²³⁵₉₂U, ²³⁹₉₄Pu)의 순도를 적어도 90w/o 이상 되도록 농축시켜 순간적으로 엄청난 양의 핵분열을 발생시키는 장치로서 핵분열 양을 최대한 발생시키고자 핵분열 조절도구가 없다.

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


  검수요청.png검수요청.png 이 핵분열에너지 문서는 에너지에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.