핵분열

Fission nucléaire.

간단하게, 질량이 큰 원자핵이 중성자와 충돌후 가벼운 원자핵 2~3개로 쪼개지는 것. 

팩트를 마쳤으니 글을 이만줄여야겠지만 이제부터가 시작...!

핵분열을 발견하셨다고 생각하실 수도 있는 위사진의 주인공 독일의 화학자 오토 한(1879~1968), 핵분열에 대한 공로로 1944년 노벨화학상을 수상하지만... 사실 처음 핵분열을 발견한 사람은 동료연구자 리제 마이트너(1878~1968)임.

왼쪽 오토한이 발견한게 아님, 오른쪽사진 동료과학자 리제 마이트너가 핵분열을 처음 발견함

글 편의상 주기율표상에 기호대로 우라늄을 U, 플루토늄을 Pu로 하여 이야기하겠다.

앞서 말한 질량이 큰 원자의 종류는 주기율표 맨밑에 있는 악티늄족에 우라늄, 플루토늄등인데 자연계에서 가장 원자번호가 큰 원소인 우라늄부터 살펴보자면, 지구상에 있는 우라늄이 100이라 치면 순수한 우라늄에 해당하는 U238이 99.25%의 비중을 차지하고, U235가 0.7%정도를 차지하고 있다. 이중 핵분열이 가능한 우라늄이 바로 U235인데, 왜 이렇게 비중이 낮은가 하면 반감기 차이가 아주 극명하게 벌어지기 때문(U238반감기 약45억년, U235반감기 약7억년). 그리하여 반감기가 훨씬 짧은 U235가 자연계에서 이미가 붕괴해 없어져 버렸기 때문.

핵분열 반응을 일으키기위해선 기본적으로 중성자를 충돌시켜줘야 하는데, U238같은 경우에는 스스로 핵분열을 하지 못하기 때문에 원자로에 오래 노출시키면 Pu239로 바뀌게 되면 핵분열을 일으킬 수 있게된다. 이에 반해 U235는 자연계에 존재하는 우라늄의 동위 원소들 중 유일하게 중성자를 통한 핵분열이 가능한 핵분열성 동위체이다. 이 핵분열 반응의 기본은 연쇄반응(Une réaction en chaîne)인데, 다른 연쇄반응과 헷갈리지 않기위해 핵 연쇄반응이라고 부르겠다. 연쇄반응은 채드윅 경(1891~1974)이 중성자를 발견하고난 직후에 실라르드 레오(1898~1964)가 처음으로 제기하였는데, 이 반응은 하나의 핵 반응이 시작하면 이후 핵 반응 수가 기하급수적으로 증가하는 현상을 가리킨다. 이를 설명하기위해 특정 핵 반응에 중성자를 이용해 유도 분열을 사용하는 가능성을 생각하게 되었고, 이후 페르미에 의해 인공적으로 핵 연쇄반응이 증명되게 됨. 초속 1만km의 속도를 가지는 중성자가 U235 원자핵 속으로 들어가서 U235에 속한 전체 양성자와 중성자가 분열하게되면서 핵분열이 일어나게 되는데, 이 때이후  2~3개의 중성자를 방출하게 되며, 이 반응이 계속해서 연쇄적으로 이루어지게 되는데 이 반응이 현재의 핵무기와 원자로의 기본 원리가 되게 된다.