원자력 발전소가 열을 내는 원리를 우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하여 두 개로 쪼개질 때 발생하는 질량 결손과 에너지를 바탕으로 설명해 주세요.

Question

원자력 발전소가 열을 내는 원리를 우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하여 두 개로 쪼개질 때 발생하는 질량 결손과 에너지를 바탕으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

원자력 발전소가 열을 내는 원리는 우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수해 쪼개지는 핵분열 과정에서 감소한 질량만큼 막대한 열에너지로 변환되기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.

우라늄-235 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵이 중성자를 흡수하여 순간적으로 불안정한 우라늄-236 상태가 되었다가 이후 원자핵은 버티지 못하고 순식간에 두 개의 가벼운 원자핵과 2~3개의 중성자로 쪼개집니다. 반응이 끝난 후 생성된 물질의 질량의 합이 반응하기 전 질량의 합보다 약간 줄어듭니다. 이 줄어든 질량 차이를 질량 결손이라고 하며, 이 결손된 질량은 질량-에너지 등가 원리에 따라 막대한 에너지로 전환됩니다.

핵분열 직후 변환된 에너지는 새로 쪼개진 원자핵들과 중성자들에게 엄청난 속도의 운동 에너지 형태로 전달됩니다. 이 파편 분자들이 원자로 내부를 채우고 있는 냉각수 분자들과 끊임없이 거세게 충돌하면서 물의 온도를 급격히 높이는 열에너지로 바뀌고, 이렇게 만들어진 고온·고압의 수증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하게 됩니다.