우라늄의 핵분열 반응의 원리는 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 원자력 발전소에서 사용하는 우라늄-235의 핵분열 반응은 어떤 중성자와의 상호작용으로 유도되며, 연쇄반응이 유지되는 원리는 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 우라늄-235의 핵분열 반응은 원자력 발전의 핵심 원리이며, 기본적으로 중성자와의 상호작용을 통해 일어나는 과정인데요, 원래 우라늄-235(²³⁵U)는 홀수 개(143개)의 중성자를 포함하고 있어, 원래도 비교적 불안정한 상태입니다. 여기에 외부에서 느린 중성자 하나가 충돌하면, ²³⁵U는 중성자를 흡수해 우라늄-236(²³⁶U*)의 들뜬 상태가 되며, ²³⁶U*는 매우 불안정하기 때문에, 곧바로 두 개의 중간 크기 원자핵, 예를 들자면 바륨-141, 크립톤-92 등으로 쪼개지며, 동시에 2~3개의 새로운 중성자와 막대한 에너지를 방출하게 되는 것입니다.

또한 핵분열에서 방출된 여분의 중성자 2~3개가 다시 다른 ²³⁵U 핵과 충돌하면 새로운 분열을 일으킬 수 있습니다. 이 과정을 반복하면 자기 증폭적인 반응, 즉 연쇄반응이 유지되는데요, 만약 중성자가 너무 빨라서 우라늄 핵에 잘 흡수되지 못한다면 반응 효율이 떨어집니다. 그래서 원자로에서는 물이나 흑연과 같은 중성자 감속재를 사용해 빠른 중성자를 느린 중성자로 바꿔주는 것이며, 또한 연쇄반응이 폭주하지 않도록 보론이나 카드뮴과 같이 중성자를 흡수하는 물질인 제어봉을 넣어 중성자 수를 조절하는 것입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

우라늄의 백분열은 우라늄-235의 원자핵이 중성자를 흡수할 때 분안정해지면서 두개로 쪼개어지는데 이때 발생하는 에너지를 발전에 사용하게 됩니다.

우라늄-235 의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵은 불안정한 상태가 되는데 이때 2~3개의 중성자와 새로운 원자핵으로 쪼개어 집니다. 이때 발생하는 중성자가 주변의 원자핵을 또 충돌하기에 연쇄반응이 일어나는데 이때 엄청난 에너지가 발생합니다. 이 중성자의 연쇄반응을 조절하는데 원자력 발전의 핵심 기술 입니다.

핵분열 반응 후 나오는 중성자의 속도 및 방향을 조절하는 것이 핵심인데 이를 가속제나 제어봉을 사용하게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)