핵분열 연쇄반응

이론 3

연쇄반응

앞에서 핵분열물질로 예를 든 은 비록 그것이 핵분열하여 막대한 에너지를 방출할 수 있긴 하지만 외부의 자극없이 반응이 일어날 확률은 매우 작다. 외부에서 중성자가 공급되지 않는 환경에서 의 원자 1g중 매 1초당 0.0003개의 원자핵이 분열할 뿐이다. ( 은 통상의 알파붕괴로 붕괴하는 반감기는 7.13억년이다)

이 자발적으로 분열하여 방출한 중성자 2~3개중 1개 이상이 주변의 다른 U에 흡수될 수만 있다면 분열의 반응은 꼬리에 꼬리를 물고 지속될 수 있을 것이다. 만일 2개가 평균적으로 흡수된다면 다음 세대에서는 2개, 그 다음 세대에서는 4개, 8개, ... 이런 방식으로 그 분열핵의 수가 기하급수적으로 증가하는 반응을 연쇄반응이라 한다.

핵분열에서 방출되는 원래의 중성자는 그 속도가 빨라서 주변에 흡수될 확률이 작다. 중성자가 주변의 원자핵에 흡수될 확률을 높이기 위해서는 중성자의 속도를 느리게 하여 원자핵에 흡수될 확률을 높여야 한다. 중성자의 속도를 조절하거나 중성자를 흡수시켜서 핵분열을 제어할 수 있도록 하여 에너지를 이용하게 하는 장치를 원자로라고 한다.

한편 이러한 특별한 제어장치가 없더라도 분열물질이 일정한 질량이상 모이게 되면 내부의 중성자가 바깥으로 탈출하기 이전에 다른 핵에 흡수되어 버린다. 자발적으로 핵분열을 하는 경계의 질량을 임계질량이라 한다. 임계질량은 분열물질의 종류나 순도, 밀집상태에 따라 다르지만 우라늄의 경우 보통 수 kg이다. 을 임계질량 이상으로 한 덩어리 상태에 두면 즉시 연쇄반응이 일어나 폭발해 버린다.