핵발전

'핵반응' 단원의 '핵분열'에서 살펴본 것처럼 물방울 모형으로 핵분열이 가능한 조건은 ${Z^2}/{A}\gt 18.0~$이어서 $^{96}_{42}\mathrm{Mo}~$만 하더라도 분열하게 된다면 에너지를 방출 할 수 있다. 그러나 가능성을 가진 핵이라도 분열하기 위한 퍼텐셜장벽이 매우 높아서 실제로 분열반응이 스스로 지속될 수 있는 핵은 $^{233}_{~~92}\mathrm{U}$, $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$, $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$, $^{241}_{~~94}\mathrm{Pu}$ 등 네 종류밖에 없다. 이들 중에서 자연에서 채취 가능한 것은 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}~$이고, 이것도 우라늄 광물 중에서 0.7%만 포함되어 있으니 이들 핵들은 분열성이 없는 다른 것으로부터 만들어 수 있는 것을 연구하였다. 이 결과, 분열성이 없는 $^{238}_{~~92}\mathrm{U}$으로부터 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$을 만드는 방법을 찾았다.

이러한 장치가 증식로(breeder reactor)로서 기존의 원자로의 구조를 약간 변형한 것이다. 즉, 보통의 원자로는 핵연료로부터 방출되는 고속중성자를 감속하여 핵반응을 제어하게 되나 증식로는 중성자를 그대로 이용한다. 노심을 둘러싸고 있는 우라늄 $^{238}_{~~92}\mathrm{U}$에 중성자를 흡수시켜 플루토늄 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$로 전환함으로써 연료에서 핵에너지를 끌어냄과 동시에, 소비한 핵연료를 웃도는 양의 새로운 핵연료, 즉 플루토늄을 얻을 수 있다. 한편으로 이 장치는 핵연료를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 이상적인 원자로로 알려져 있기 때문에 세계 각국에서 개발을 서두르고 있다.

다음은 $^{238}_{~~92}\mathrm{U}$이 중성자를 흡수하여 두 번의 베타붕괴를 하여 마지막에 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$이 되는 일련의 과정이다. \[ ^{238}_{~~92}\mathrm{U} ~+~ {^{1}_{0}\mathrm{n}} ~\longrightarrow~ {^{239}_{~~92}\mathrm{U}}~\longrightarrow~ {^{239}_{~~93}\mathrm{Np}} ~+~ \mathrm{e}^- ~+~ \bar{\nu} \] \[ ^{239}_{~~93}\mathrm{Np} ~\longrightarrow~ {^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}} ~+~ \mathrm{e}^- ~+~ \bar{\nu} \] 천연 우라늄의 99.3%를 차하고 있는 $^{238}_{92}\mathrm{U}$에서 분열성이 있는 0.7%의 $^{235}_{92}\mathrm{U}$를 추출하는 대신 위의 과정을 거치게 해서 생성된 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$을 화학적으로 분리하게 된다.

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증식로_ 고속 중성자로 크게 쓸모가 없는 $^{238}_{92}\mathrm{U}$를 $^{239}_{94}\mathrm{Pu}$로 전환하여 핵연료로 사용하면서 일부분을 새로운 연료로 남길 수 있는 구조로 되어 있다. 그림에서는 $^{238}_{92}\mathrm{U}$ 5개가 사용되어 $^{239}_{94}\mathrm{Pu}$ 5개가 생겼으나 이 중 2개는 핵분열로 중성자를 만들게 되므로 순수하게 3개가 만들어진 것으로 나타나 있다. 붉은 화살로 표시한 반응은 베타붕괴를 거듭하여 $^{238}_{92}\mathrm{U}$이 $^{239}_{94}\mathrm{Pu}$으로 바뀌는 과정이다.