원자력 발전의 기초가 되는 우라늄 핵분열 연쇄반응

Question

우라늄-235 원자핵에 열중성자를 충돌시키면 두 개의 다른 원자핵으로 쪼개지면서 추가로 2~3개의 중성자가 나와 다른 우라늄을 연속적으로 분열시키는 연쇄반응 과정을 알려주세요.

Answer 1

안녕하세요.

우라늄-235에 열중성자가 흡수되게 되면 원자핵이 불안정해지면서 둘로 쪼개지고, 이 과정에서 많은 에너지와 함께 보통 두세 개의 중성자가 튀어나와요. 이 중성자들이 주변의 다른 우라늄-235 원자핵에 다시 흡수되면 또 핵분열이 일어나죠.

이 과정이 연속적으로 이어지는 것이 핵분열 연쇄반응이에요.

원자력 발전에서는 이 반응이 너무 빠르게 진행되지 않게 중성자의 속도와 수를 조절하면서 열을 얻고, 그 열로 물을 끓여 만든 증기로 터빈을 돌려 증기를 생산하게 돼요.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

우라늄 235 원자핵이 느린 중성자 하나를 흡수하면 매우 불안정한 상태가 되어 두 개의 더 작은 원자핵으로 갈라집니다. 이 과정에서 큰 에너지가 열의 형태로 방출되고, 보통 2~3개의 새로운 중성자도 함께 나옵니다.

새로 나온 중성자가 다른 우라늄 235 원자핵에 흡수되면 다시 핵분열이 일어나면서 같은 과정이 반복됩니다. 이렇게 하나의 핵분열이 다음 핵분열을 계속 일으키는 현상을 핵분열 연쇄반응이라고 하는데, 원자로에서는 감속재로 중성자의 속도를 낮추고 제어봉으로 중성자를 일부 흡수해 반응 속도를 일정하게 유지하게 됩니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

느린 열중성자가 우라늄-235에 흡수되면 들뜬 상태의 우라늄-236이 되고, 핵이 길쭉하게 출렁이다가 두 조각으로 쪼개져요. 대표적으로 바륨-141과 크립톤-92, 중성자 3개로 나뉘고, 한 번에 약 200MeV의 에너지가 나와요. 대부분은 파편의 운동 에너지라서 주변 원자와 부딪히며 열로 바뀌어요.

새로 나온 중성자는 매우 빠른데, 우라늄-235는 느린 중성자를 수백 배 더 잘 흡수해서 원자로에서는 물이나 흑연 같은 감속재로 속도를 늦춰요.

분열 한 번에서 나온 중성자 중 평균 몇 개가 다음 분열을 일으키는지가 연쇄반응을 좌우하는데, 이 값이 1이면 반응이 일정하게 유지되고, 1보다 크면 급격히 불어나요. 원자로는 붕소나 카드뮴이 든 제어봉을 넣고 빼면서 여분의 중성자를 흡수해 이 값을 1로 맞춰요.

분열 직후가 아니라 몇 초 늦게 나오는 지연 중성자가 0.65% 정도 섞여 있어서 사람이 제어할 시간을 벌 수 있어요. 발전용 연료는 우라늄-235 비율을 3~5%로만 높여서 폭탄처럼 순식간에 불어나는 반응은 일어나지 않아요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

우라늄-235 원자핵이 외부에서 침투한 에너지 상태가 낮은 열중성자를 포획하면 순식간에 불안정한 상태인 우라늄-236 복합핵으로 변형된 뒤 약 1:1.5 비율의 두 가벼운 원자핵으로 핵분열을 일으킵니다 이때 질량 결손에 의해 방출되는 고에너지의 막대한 열에너지와 함께 평균 2~3개의 고속중성자가 외부로 튀어나오게 됩니다 생성된 고속중성자들은 감속재를 거치며 다시 우라늄이 잘 흡수할 수 있는 열중성자로 속도가 낮아져 주변의 다른 우라늄-235 원자핵과 연쇄적으로 충돌합니다 이러한 분열 과정이 통제된 상태에서 끊임없이 반복되는 것이 원자력 발전의 핵심이며 이때 발생하는 열로 물을 끓여 터빈을 돌림으로써 전기를 생산하게 됩니다