핵분열에너지

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 β선과 γ선 에너지가 각각 약 8MeV, 7MeV 그리고 중성미자(中性微子) 에너지가 12MeV 정도이다.

개요

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

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 철, 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

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

• 〈핵분열 에너지(fission energy)〉, 《사이언스올》
• 〈핵분열에너지〉, 《원자력용어사전》
• 〈핵분열 반응〉, Atomic Wiki

같이 보기

• 핵분열
• 핵에너지
• 원자력
• 우라늄
• 플루토늄

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