핵분열

핵물리학
핵·핵자(p, n)·핵물질·핵력·핵구조·핵반응
핵 모형 액체 방울 · 핵셸 모형 · 상호작용 보손 모형 · Ab initio
핵종 분류 동위원소 – Z 등가 Isobars – 동등 A 아이소톤 – N 등가 Isodiaphers – 동일 N - Z 이성질체 – 위의 모든 것과 동일 거울핵 – Z ↔ N 안정·매직·짝수/홀수·헤일로(보롬어)
핵안정성 결합 에너지 · p-n비 · 드립 라인 · 안정의 섬 · 안정의 계곡 · 안정 핵종
방사성 붕괴 알파α·베타β(2β(0v, β+)·K/L포착·이성질체(감마δ·내부 변환)·순간 핵분열·클러스터 붕괴·중성자 방출·프로톤 방출 붕괴 에너지 · 붕괴사슬 · 붕괴 생성물 · 방사성 핵종
핵분열 자발적·제품(페어 브레이킹)·사진
프로세스 캡처 전자(2×) · 중성자(s · r) · 양성자(p · rp)
고에너지 프로세스 파쇄(우주선에 의한) · 광집적
핵합성 및 핵천체물리학 핵융합 프로세스:스타·빅뱅·초신성 핵종 : 원시·코스모제닉·인공
고에너지 핵물리학 쿼크-글루온 플라즈마 · 오른쪽 · LHC
과학자 알바레즈 · 베크렐 · 베테 · A. 보어 · N. 보어 · 채드윅 · 콕크로프트 · 퀴리 · 퀴리 부인 · 파이 퀴리 · 스크워도프스카 퀴리 · 데이비슨 · 페르미 · 한 · 젠센 · 로렌스 · 메이어 · 마이트너 · 올리판트 · 오펜하이머 · 프로카 · 퍼셀 · 라비 · 러더퍼드 · 소디 · 스트라스만 · 【Wiąteckckckckte】 · 실라드 · 텔러 · 톰슨 · 월튼 · 위그너
물리 포털 카테고리
v t

핵분열은 원자의 핵이 두 개 이상의 작은 핵으로 쪼개지는 반응이다.핵분열 과정은 종종 감마 광자를 생성하며, 방사능 붕괴의 에너지 기준에도 불구하고 매우 많은 양의 에너지를 방출한다.

1938년 12월 19일 월요일 독일 화학자 오토 한과 그의 조수 프리츠 스트라스만이 오스트리아-스웨덴 물리학자 리제 마이트너와 협력하여 중원소의 핵분열을 발견했다.한은 원자핵의 폭발이 ^[1][2]일어났다는 것을 알았다.마이트너는 1939년 1월 그녀의 조카 오토 로버트 프리쉬와 함께 이론적으로 그것을 설명했다.프리쉬는 살아있는 세포의 생물학적 핵분열과 유추하여 그 과정을 명명했다.중핵종의 경우 전자파 복사 및 파편의 운동에너지로 대량의 에너지를 방출할 수 있는 발열 반응이다(분열이 일어나는 벌크 물질을 가열한다).핵융합과 마찬가지로 핵분열이 에너지를 생성하기 위해서는 결과 원소의 총 결합 에너지가 시작 원소의 결합 에너지보다 커야 한다.

핵분열은 핵변환의 한 형태이다. 왜냐하면 결과적인 파편(또는 딸 원자)은 원래의 부모 원자와 같은 원소가 아니기 때문이다.생성된 두 개 이상의 핵은 대부분 유사하지만 크기가 약간 다르다. 일반적으로 일반적인 핵분열성 ^[3][4]동위원소에 대해 약 3 대 2의 생성물 질량비로 구성된다.대부분의 균열은 2진수 균열(전하된 조각 2개 생성)이지만, 때로는 (1000개 이벤트당 2-4회) 양전하된 조각 3개가 3원 핵분열로 생성된다.삼원 과정에서 가장 작은 조각은 양성자에서 아르곤 핵까지 크기가 다양합니다.

사람에 의해 이용되고 이용되는 중성자에 의해 유도되는 핵분열을 제외하고, 자연방사능 붕괴의 형태(중성자가 필요하지 않음)는 핵분열이라고도 하며, 특히 매우 질량이 큰 동위원소에서 발생한다.자발적 핵분열은 1940년 모스크바의 Flyorov, Petrzhak, Kurchatov에^[5] 의해 발견되었는데, 이는 중성자에 의한 폭격 없이, 닐스 보어가 예측한 우라늄의 핵분열 속도가 무시할 ^[5]수 있는 수준이 아니라는 것을 확인하기 위한 것이었다.

예측 불가능한 생성물 구성(넓은 확률론적 방식으로 변화하고 다소 혼란스러운 방식으로 변화)은 핵분열을 양성자 방출, 알파 붕괴 및 클러스터 붕괴와 같은 순수 양자 터널링 과정과 구별하며, 이는 매번 동일한 생성물을 제공한다.핵분열은 원자력을 위한 에너지를 생산하고 핵무기의 폭발을 촉진한다.핵연료라고 불리는 어떤 물질은 핵분열 중성자에 부딪히면 핵분열을 일으키고, 그것들이 분해되면 차례로 중성자를 방출하기 때문에 두 가지 사용 모두 가능하다.이것은 핵 원자로에서 통제된 속도로 에너지를 방출하거나 핵무기에서 통제되지 않는 매우 빠른 속도로 에너지를 방출하는 자생적인 핵 연쇄 반응을 가능하게 한다.1939년 2월 핵분열에 관한 두 번째 출판물에서 한과 스트라스만은 핵분열 과정 동안 추가적인 중성자의 존재와 방출을 예측하여 핵 연쇄 반응의 가능성을 열었다.

핵연료에 포함된 자유 에너지의 양은 가솔린과 같은 화학 연료 덩어리에 포함된 자유 에너지의 수백만 배이며, 핵분열을 매우 밀도 높은 에너지원으로 만듭니다.그러나 핵분열의 산물은 보통 연료로 공급되는 중원소보다 평균적으로 훨씬 더 방사능이 많고 상당한 시간 동안 그대로 유지되어 핵폐기물 문제를 야기한다.하지만, 7개의 장수명 핵분열 생성물은 핵분열 생성물의 극히 일부만을 차지한다.핵분열로 이어지지 않는 중성자 흡수는 (U로부터) 플루토늄과 (U와 U로부터) 방사능이 장기 핵분열 생성물보다 훨씬 높은 작은 액티니드를 생성한다.핵폐기물 축적과 핵무기의 파괴 가능성에 대한 우려는 핵분열을 에너지원으로 사용하려는 평화적 욕구에 대한 균형이다.토륨 연료 사이클에서는 플루토늄이 거의 생성되지 않고 악티니드가 훨씬 적지만 U(또는 오히려 그 붕괴 생성물)는 주요 감마선 방출체이다.모든 악티니드는 비옥하거나 핵분열성이며 고속 증식로는 특정 환경에서만 핵분열할 수 있다.핵 재처리는 사용후 핵연료에서 사용가능한 물질을 회수하여 우라늄(및 토륨) 공급을 더 오래 지속시키고 "폐기물"의 양을 줄이는 것을 목적으로 한다.모든 또는 거의 모든 액티니드가 배출되는 프로세스를 "폐쇄 연료 주기"라고 합니다.

물리적인 개요

메커니즘

방사성 붕괴

핵분열은 방사성 붕괴의 한 종류로서 중성자 충격 없이 발생할 수 있다.이러한 유형의 핵분열은 몇몇 무거운 동위원소를 제외하고는 드물다.

핵반응

공학적 핵분열은 기본적으로 두 개의 아원자 입자의 충돌로 인해 발생하는 폭격에 의한 과정인 "핵 반응"으로 발생한다.핵반응에서 아원자 입자는 원자핵과 충돌하여 핵에 변화를 일으킨다.따라서 핵반응은 자발적 방사능 과정의 비교적 일정한 지수적 붕괴와 반감기 특성이 아닌 충격의 메커니즘에 의해 추진된다.

현재 많은 종류의 핵반응이 알려져 있다.핵분열은 핵 연쇄 반응(일반 연쇄 반응의 한 유형)을 통해 증폭되고 때로는 제어될 수 있다는 점에서 다른 유형의 핵 반응과는 매우 다르다.이러한 반응에서, 각 핵분열 사건에 의해 방출된 자유 중성자는 더 많은 사건을 촉발시킬 수 있으며, 이는 다시 더 많은 중성자를 방출하고 더 많은 핵분열을 일으킨다.

핵분열 연쇄반응을 지속할 수 있는 화학원소 동위원소는 핵연료라고 불리며 '핵분열성'이라고 불린다.가장 일반적인 핵연료는 U(질량 번호 235의 우라늄 동위원소 및 원자로에서 사용되는)와 Pu(질량 번호 239의 플루토늄 동위원소)이다.이러한 연료는 원자 질량이 95 및 135u(분열 생성물)에 가까운 양모달 범위의 화학 원소로 나뉩니다.대부분의 핵연료는 매우 천천히 자발적 핵분열을 겪으며, 대신 알파 베타 붕괴 사슬을 통해 수천 년에서 수백 년 동안 주로 붕괴된다.원자로나 핵무기에서 핵분열 사건의 압도적 대다수는 이전의 핵분열 사건에서 생성된 또 다른 입자, 중성자와의 충돌에 의해 유도된다.

핵분열성 연료의 핵분열은 핵분열성 핵이 중성자를 포획할 때 생성되는 핵 들뜸 에너지의 결과이다.중성자 포획에서 발생하는 이 에너지는 중성자와 핵 사이에 작용하는 핵력에 의해 발생한다.핵 파편이 두 그룹의 하전 핵자를 결합할 수 있는 거리를 초과할 정도로 핵 파편이 이중으로 된 "드롭"으로 변형시키기에 충분하며, 이 경우 두 파편은 분리를 완료하고 프로세스 w에서 서로 반발하는 전하에 의해 더 멀리 이동한다.히크는 거리가 멀수록 돌이킬 수 없게 된다.핵분열성 동위원소(예: 우라늄-238)에서도 유사한 과정이 발생하지만, 핵분열을 위해서는 고속 중성자(예: 열핵 무기의 핵융합에 의해 생성된 것)가 제공하는 추가 에너지가 필요하다.U의 핵분열에서 방출되는 중성자 중 일부는 U에서 또 다른 핵분열을 유도할 만큼 빠르지만, 대부분은 그렇지 않아 절대 임계치를 달성할 수 없다.U에서 핵분열을 유도하는 열 중성자의 가능성은 매우 작지만(비록 0이지만) 중성자 흡수 가능성은 훨씬 높다.

원자핵의 액체 방울 모형은 핵변형의 결과로 같은 크기의 핵분열 생성물을 예측한다.하나의 핵분열 생성물이 다른 핵분열 생성물보다 약간 작은 에너지적으로 유리한 결과로 가는 경로를 기계적으로 설명하기 위해서는 보다 정교한 핵껍질 모델이 필요하다.껍데기 모델에 기초한 핵분열 이론은 마리아 괴퍼트 메이어에 의해 공식화 되었다.

가장 일반적인 핵분열 과정은 이원 핵분열이며, 위에서 언급한 95±15와 135±15u에서 핵분열 생성물을 생성한다.단, 바이너리 프로세스는 가능성이 가장 높기 때문에 발생합니다.원자로의 1000당 2 - 4 fissions에서, 3차 핵분열이라고 불리는 과정은 3개의 양전하를 띤 조각(+중성자)을 생성하며, 이들 중 가장 작은 조각은 양성자만큼 작은 전하와 질량(Z = 1)에서 아르곤만큼 큰 조각(Z = 18)까지 다양하다.그러나 가장 일반적인 작은 조각은 알파 붕괴의 알파 입자보다 더 많은 에너지를 가진 90% 헬륨-4 핵(약 16 MeV에서 "장거리 알파"라고 함), 헬륨-6 핵, 삼중수소 핵(삼중수소 핵)으로 구성된다.삼원 과정은 덜 일반적이지만, 여전히 현대 원자로의 ^[6]연료봉에서 상당한 헬륨-4와 삼중수소 가스 증강을 생성하게 된다.

에너지학

입력

무거운 핵의 핵분열은 핵을 구형 또는 거의 구형 모양으로 고정시키는 핵력을 초기에 극복하고, 거기에서 두 개의 잎을 계속 서로 분리할 수 있는 "땅콩" 모양으로 변형시키기 위해 약 700만에서 800만 전자 볼트(MeV)의 총 입력 에너지가 필요하다.이원 핵분열의 가장 일반적인 과정(양전하 핵분열 생성물 2개 + 중성자)에서 상호 양전하에 의해 생성된다.일단 핵엽이 임계 거리로 밀려나면, 핵엽의 분리 과정은 단편들 사이의 (장거리) 전자기 반발의 에너지로부터 진행됩니다.그 결과 두 개의 핵분열 파편이 높은 에너지로 서로 멀어지고 있습니다.

핵분열 입력 에너지의 약 6 MeV는 강한 힘을 통해 중핵에 추가 중성자가 단순히 결합함으로써 공급된다. 그러나 많은 핵분열 동위원소에서는 이 양의 에너지가 핵분열에 충분하지 않다.예를 들어 우라늄-238은 1MeV 미만의 중성자에 대한 핵분열 단면이 거의 0에 가깝다.다른 메커니즘에 의해 추가 에너지가 공급되지 않으면 핵은 핵분열이 아니라 U가 느린 중성자를 흡수하고 심지어 일부 빠른 중성자를 흡수하여 U가 된다.핵분열을 시작하기 위한 나머지 에너지는 두 개의 다른 메커니즘에 의해 공급될 수 있습니다: 이들 중 하나는 들어오는 중성자의 더 많은 운동 에너지이며, 이것은 핵분열이 1MeV 이상의 운동 에너지를 초과함에 따라 점점 더 많이 핵분열할 수 있습니다.이러한 고에너지 중성자는 U를 직접 핵분열할 수 있다(핵융합에 의해 빠른 중성자가 공급되는 적용용 열핵무기 참조).그러나 핵분열로 생성된 핵분열 중성자 중 너무 작은 부분이 U를 효율적으로 핵분열하기에 충분한 에너지를 가지고 있기 때문에 이 과정은 크게 일어날 수 없다(분열 중성자의 모드 에너지는 2MeV이지만 중앙값은 0.75MeV에 불과해 절반의 에너지가 ^[7]불충분한 에너지보다 작음을 의미한다).

단, 중악티니드 원소 중 중성자 수가 홀수인 동위원소(143개의 중성자 U 등)는 중성자 수가 짝수인 동위원소(146개의 중성자 U 등)에 비해 에너지가 1~2MeV인 추가 중성자를 결합한다.이 추가 결합 에너지는 중성자 쌍 효과의 메커니즘의 결과로 사용할 수 있다.이 추가 에너지는 추가 중성자가 핵의 마지막 중성자와 동일한 핵 궤도를 차지하도록 허용하는 Pauli 배제 원리에서 비롯되며, 따라서 두 중성자가 쌍을 형성한다.따라서 그러한 동위원소에서는 중성자 운동 에너지가 필요하지 않다. 필요한 모든 에너지는 느린 종류 또는 빠른 종류 중 어느 쪽이든 중성자의 흡수에 의해 공급되기 때문이다(전자는 감속형 원자로에 사용되고 후자는 고속 중성자 원자로와 무기에 사용된다).위에서 기술한 바와 같이, 핵분열 중성자를 이용하여 효율적으로 분해할 수 있는 핵분열성 원소의 서브그룹(따라서 순수물질의 비교적 적은 양에서 핵연쇄반응을 일으킬 수 있음)을 '핵분열성'이라고 한다.핵분열 동위원소의 예로는 우라늄-235와 플루토늄-239가 있다.

산출량

전형적인 핵분열 사건은 각 핵분열 사건마다 약 2억 eV(200 MeV)의 에너지를 방출한다. 이는 약 2조 켈빈에 해당한다.분해되는 정확한 동위원소는 핵분열성 또는 핵분열성 여부에 관계없이 방출되는 에너지의 양에 미치는 영향은 미미하다.이는 결합에너지 곡선(아래 그림)을 조사하여 우라늄으로 시작하는 액티니드 핵종의 평균 결합에너지가 핵자당 약 7.6MeV임을 쉽게 알 수 있다.핵분열 생성물이 모여 있는 결합 에너지의 곡선을 더 왼쪽에서 보면 핵분열 생성물의 결합 에너지가 핵자당 8.5MeV에 집중되는 경향을 쉽게 볼 수 있다.따라서 액티니드 질량 범위에 있는 동위원소의 핵분열 시 시작 원소의 핵자당 약 0.9 MeV가 방출된다.느린 중성자에 의한 U의 핵분열은 빠른 중성자에 의한 U의 핵분열과 거의 동일한 에너지를 생성한다.이 에너지 방출 프로파일은 토륨 및 다양한 소악티늄에도 적용됩니다.^[8]

반면 대부분의 화학적 산화 반응(석탄 연소 또는 TNT 등)은 사건당 최대 몇 eV를 방출한다.따라서 핵연료는 단위질량당 화학연료보다 최소 천만배 더 많은 가용에너지를 함유하고 있다.핵분열의 에너지는 핵분열 생성물과 조각의 운동 에너지로 방출되고 감마선의 형태로 전자파 방사선으로 방출된다; 원자로에서 입자와 감마선이 원자로를 구성하는 원자와 충돌하면서 에너지는 열로 변환되며, 보통 물 또는 때때로 헤아로 변환된다.vy 물 또는 녹은 소금.

우라늄 핵이 두 개의 딸 핵 조각으로 분열할 때, 우라늄^[9] 핵 질량의 약 0.1%가 핵분열 에너지로 나타난다.우라늄-235(총 평균 핵분열 에너지 202.79 MeV^[10])의 경우, 쿨롱 반발에 의해 빛의 속도의 약 3%로 떨어져 날아가는 딸핵의 운동 에너지로 일반적으로 ~169 MeV가 나타난다.또한 중성자당 평균 운동 에너지는 약 2 MeV(총 4.8 MeV)^[11]로 평균 2.5개의 중성자가 방출된다.핵분열 반응은 또한 즉각적인 감마선 광자에서 최대 7 MeV를 방출한다.후자의 수치는 핵분열 폭발 또는 임계 사고가 감마선으로 에너지의 약 3.5%, 고속 중성자로 에너지의 2.5% 미만(두 가지 방사선의 총합 ~ 6%)을 방출하고 나머지는 핵분열 파편의 운동 에너지로 방출한다는 것을 의미한다(이는 파편이 주변 물질에 충돌할 때 거의 즉시 나타난다(si).MPle 열).^[12][13]원자 폭탄에서, 이 열은 폭탄 코어의 온도를 1억 켈빈으로 올리고, 이 에너지의 일부를 이온화 방사선으로 변환하는 부드러운 X선의 2차 방출을 일으킬 수 있다.그러나 원자로에서 핵분열 단편 운동 에너지는 저온열로 유지되며 그 자체가 이온화를 거의 또는 전혀 일으키지 않는다.

이른바 중성자 폭탄(향상된 방사선 무기)은 에너지의 더 큰 부분을 이온화 방사선(특히 중성자)으로 방출하지만, 이것들은 모두 추가 방사선을 생성하기 위해 핵융합 단계에 의존하는 열핵 장치이다.순수 핵분열 폭탄의 에너지 역학은 핵분열의 즉각적인 결과로서 방사선의 총 수율 약 6%를 유지한다.

총 즉석 핵분열 에너지는 약 181 MeV, 즉 시간이 지남에 따라 핵분열에 의해 최종적으로 방출되는 총 에너지의 89%에 이른다.나머지 약 11%는 다양한 반감기를 가진 베타 붕괴에서 방출되지만, 즉시 핵분열 생성물의 과정으로 시작되며, 이러한 베타 붕괴와 관련된 지연 감마 방출에서 방출된다.예를 들어 우라늄-235에서 지연 에너지는 베타에서 약 6.5 MeV, 반중성미노에서 약 8.8 MeV(베타스와 동시에 방출), 그리고 마지막으로 들뜬 베타 붕괴 생성물(전체 핵분열당 평균 약 10개의 감마선 방출)에서 추가로 6.3 MeV로 나뉜다.따라서 핵분열 총 에너지의 약 6.5%가 비촉진 또는 지연 이온화 방사선으로 방출되며 지연 이온화 에너지는 감마선과 베타선 에너지로 균등하게 분배된다.

한동안 가동되어 온 원자로에서 방사성 핵분열 생성물은 붕괴 속도가 형성 속도와 같도록 정상 상태 농도로 축적되어 원자로 열에 대한 부분적인 총 기여도가 (베타 붕괴를 통해) 에너에 대한 이러한 방사성 동위원소 부분 기여도와 동일할 것이다.핵분열 gy이러한 조건 하에서 지연 전리방사선(방사능 핵분열 생성물로부터 지연된 감마 및 베타)으로 보이는 핵분열의 6.5%는 출력하에서의 정상상태 원자로 열 생성에 기여한다.이 출력률은 원자로가 갑자기 셧다운되었을 때(스램을 진행 중) 남아 있습니다.이러한 이유로 원자로가 정지되면 원자로 붕괴열 출력은 원자로 정상상태 핵분열 전력의 6.5%에서 시작한다.그러나 몇 시간 이내에 이러한 동위원소의 붕괴로 인해 붕괴 전력 출력은 훨씬 적다.자세한 내용은 붕괴열을 참조하십시오.

지연된 에너지의 나머지(8.8 MeV/202.5 MeV = 총 핵분열 에너지의 4.3%)는 항중성미자로 방출되며, 이는 실용적으로 "이온화 방사선"으로 간주되지 않는다.그 이유는 반중성미자로 방출되는 에너지가 원자로 물질에 의해 열로 포착되지 않고, 거의 빛의 속도로 모든 물질(지구 포함)을 통해 행성간 공간(흡수량은 극소량)으로 직접 빠져나가기 때문이다.중성미자 방사선은 일반적으로 이온화 방사선으로 분류되지 않는다. 왜냐하면 중성미자는 거의 완전히 흡수되지 않기 때문이다(매우 드문 중성미자 사건은 이온화이다).나머지 방사선(6.5% 지연된 베타 및 감마선)의 거의 대부분은 결국 원자로 노심 또는 그 차폐에서 열로 변환된다.

중성자와 관련된 일부 과정은 에너지를 흡수하거나 최종적으로 생성하는 것으로 유명하다. 예를 들어 중성자 운동 에너지는 플루토늄-239를 생산하기 위해 우라늄-238 원자에 의해 포획되는 경우 즉시 열을 발생시키지 않지만 플루토늄-239가 나중에 분해되면 이 에너지가 방출된다.한편, 핵분열 딸로부터 반감기가 최대 몇 분인 방사성 붕괴 생성물로 방출되는 이른바 지연 중성자는 원자로 제어에 매우 중요하다. 왜냐하면 이 중성자는 반응이 "지연-임계" 구역에서 실행될 경우 총 핵반응의 크기가 두 배로 증가하기 위한 특징적인 "반응" 시간을 주기 때문이다.초임계 연쇄반응(각 핵분열 사이클이 흡수하는 중성자보다 더 많은 중성자를 생산하는 것)을 위해 이들 중성자에 전적으로 의존한다.핵 연쇄반응이 존재하지 않는다면, 핵 연쇄반응은 인간의 개입에 의해 통제될 수 있는 것보다 더 빨리 심각하고 크기가 증가할 것이다.이 경우, 첫 번째 실험용 원자로는 운영자가 수동으로 원자로를 정지시키기 전에 위험하고 지저분한 "임계 반응"으로 도망칠 것이다(이 때문에 설계자 엔리코 페르미는 전자석에 의해 자동으로 중앙으로 떨어질 수 있는 방사선 카운터 트리거 제어봉을 포함했다).(시카고 파일-1).이러한 지연된 중성자가 균열을 생성하지 않고 포착되면 ^[14]열도 생성된다.

제품핵 및 결합에너지

핵분열에서는 짝수 양성자를 가진 파편을 생성하는 선호가 있는데, 이것은 파편의 전하 분포에 대한 홀수 효과라고 불립니다.단, 단편 질량수 분포에서는 홀수 효과는 관찰되지 않습니다.이 결과는 핵자 쌍 파괴에 기인한다.

핵분열 사건에서 핵은 가벼운 핵의 어떤 조합으로 쪼개질 수 있지만, 가장 일반적인 사건은 약 120질량의 동일한 질량 핵으로 쪼개지는 것이 아니다; 가장 흔한 사건은 (동위원소와 과정에 따라) 딸 핵이 약 90에서 100 u의 질량을 가지고 나머지 130 t의 질량을 갖는 약간 불평등한 핵분열이다.o 140 ^[15]u불균등한 균열은 에너지적으로 더 유리하다. 왜냐하면 이것은 하나의 생성물이 에너지 최소 근질량 60 u (평균 핵분열 질량의 1/4만)에 가까이 있는 반면, 질량 135 u를 가진 다른 핵은 여전히 가장 단단하게 묶여 있는 핵의 범위로부터 멀리 떨어지지 않기 때문이다.에너지 곡선은 질량 120u의 왼쪽이 오른쪽보다 약간 더 가파르다.)

활성 에너지의 원점과 결합 에너지의 곡선

중원소의 핵분열은 원자번호와 원자질량이 Ni와 Fe에 가까운 중간질량핵의 특정 결합에너지(질량당 결합에너지)가 매우 무거운 핵의 특정 결합에너지보다 크기 때문에 이용 가능한 에너지를 생성한다.1회 반응으로 핵분열 생성물의 총 정지 ${\displaystyle }$($\displaystyle$ Mp$)$은 원래 연료 핵의 $(M\displaystyle$ M$)$보다 작다.초과질량 ${\displaystyle \delta }$ m ${\displaystyle =M}$ - M$$ (\$displaystyle \Delta$ m$=M-Mp)$는 질량-에너지 당량식 E = mc에² 따라 광자(광자선)로 방출되는 에너지의 불변 질량 및 핵분열 파편의 운동 에너지이다.

원자 번호와의 특정 결합 에너지의 변화는 핵을 구성하는 구성 요소 핵자(단자와 중성자)에 작용하는 두 가지 기본 힘의 상호작용 때문이다.원자핵은 양자 사이의 정전기적 반발을 극복하는 핵자 사이의 매력적인 핵력에 의해 결합은 양성자 간의 정전기적 반발을 극복한다.그러나 핵력은 비교적 짧은 범위(몇 개의 핵자 직경)에서만 작용한다. 왜냐하면 핵력은 더 먼 거리에서 중요하지 않게 만드는 기하급수적으로 붕괴하는 유카와 전위를 따르기 때문이다.정전기 반발은 역제곱 법칙에 의해 붕괴되기 때문에 더 긴 범위이므로 직경 약 12개의 핵자보다 큰 핵이 전체 정전기 반발이 핵력을 극복하고 자발적으로 불안정하게 만드는 지점에 도달한다.같은 이유로, 큰 핵(직경 약 8개 이상의 핵자)은 작은 핵보다 단위 질량 당 단단하게 결합되어 있지 않다; 큰 핵을 두 개 이상의 중간 크기 핵으로 분해하면 에너지가 방출된다.

또한 강한 결합력의 범위가 짧기 때문에, 안정성이 큰 핵은 양성자와 중성자의 비율이 1:1로 가장 안정적인 가장 가벼운 원소보다 비례적으로 더 많은 중성자를 포함해야 한다.양성자가 20개 이상인 원자핵은 중성자 수가 동일하지 않으면 안정적일 수 없다.추가 중성자는 양성자-양성자 간 반발에 가세하지 않고 (모든 핵자 간에 작용하는) 강력한 결합을 더하기 때문에 무거운 원소를 안정화시킨다.핵분열 생성물은 평균적으로 중성자와 양성자의 비율이 모핵과 거의 같으며, 따라서 비슷한 질량의 안정 동위원소에 비해 중성자가 너무 많기 때문에 베타 붕괴(중성자에서 양성자로 변화)에 불안정하다.

이러한 핵분열 생성물 핵의 베타 붕괴 경향은 원자로에서 발생하는 방사성 고준위 폐기물의 문제의 근본적인 원인이다.핵분열 생성물은 과도한 중성자가 핵분열 생성물 원자의 양성자로 전환됨에 따라 전하를 보존하기 위해 빠르게 움직이는 전자를 방출하는 베타 방출체인 경향이 있다.원소별로 분류된 핵분열 생성물에 대한 설명은 (원소별) 핵분열 생성물을 참조하십시오.

연쇄 반응

우라늄, 토륨, 플루토늄과 같은 몇 가지 무거운 원소들은 방사능 붕괴의 한 형태인 자연 핵분열과 핵 반응의 한 형태인 유도 핵분열을 모두 겪는다.자유 중성자에 부딪혔을 때 유도 핵분열을 겪는 원소 동위원소는 핵분열성이라고 불리며, 느리게 움직이는 열 중성자에 부딪혔을 때 핵분열을 겪는 동위원소는 핵분열성이라고도 불린다.핵분열성 및 쉽게 얻을 수 있는 몇몇 동위원소(특히 U, U 및 Pu)는 연쇄 반응을 지속할 수 있고 유용하기에 충분한 양을 얻을 수 있기 때문에 핵연료라고 불린다.

모든 핵분열성 및 핵분열성 동위원소는 소량의 자발적 핵분열을 겪으며, 핵연료 샘플에 소수의 자유 중성자를 방출한다.이러한 중성자는 연료에서 빠르게 빠져나와 자유 중성자가 되며, 평균 수명은 약 15분이며, 양성자와 베타 입자로 붕괴된다.그러나 중성자는 거의 변함없이 충돌하고 이 일이 발생하기 훨씬 전에 인근의 다른 핵에 흡수된다(새로 생성된 핵분열 중성자는 광속의 약 7%로 이동하며, 감속 중성자도 음속의 약 8배 속도로 이동한다).일부 중성자는 연료 핵에 영향을 미치고 추가적인 분열을 유도하여 더 많은 중성자를 방출한다.충분한 핵연료가 한 곳에 조립되어 있거나 탈출 중성자가 충분히 포함되어 있다면, 이 새로 방출된 중성자는 조립체에서 탈출하는 중성자 수보다 많고, 지속적인 핵 연쇄 반응이 일어날 것이다.

지속적인 핵 연쇄 반응을 지원하는 어셈블리를 임계 어셈블리라고 부르거나, 어셈블리가 거의 전적으로 핵 연료로 구성되어 있다면 임계 질량이라고 합니다."임계(critical)"라는 단어는 연료에 존재하는 자유 중성자의 수를 조절하는 미분 방정식의 동작에서 첨두점을 가리킨다. 임계 질량보다 작은 중성자의 양은 방사성 붕괴에 의해 결정되지만 임계 질량 이상이 존재하는 경우 중성자의 양은 대신 핵연료에 의해 제어된다.연쇄 반응의 물리학.핵연료의 임계 질량의 실제 질량은 기하학과 주변 물질에 따라 크게 달라진다.

모든 핵분열성 동위원소가 연쇄반응을 지속할 수 있는 것은 아니다.예를 들어, 우라늄의 가장 풍부한 형태인 U는 핵분열성이지만 핵분열은 아니다. 즉, 1MeV 이상의 운동 에너지를 가진 에너지 중성자의 영향을 받으면 유도 핵분열을 겪는다.그러나 U 핵분열에 의해 생성된 중성자 중 너무 적은 수가 U에서 추가적인 분열을 유도할 만큼 에너지가 강하기 때문에 이 동위원소에서는 연쇄 반응이 불가능하다.대신 느린 중성자로 U를 폭격하면 중성자를 흡수하고(U가 됨) Np까지 베타 방출에 의해 붕괴되며, Np는 같은 과정을 거쳐 다시 Pu로 분해된다. 이 과정은 증식로에서 Pu를 제조하는 데 사용된다.플루토늄-239는 연료 역할을 하는 핵분열 원소이기 때문에 플루토늄-239가 충분히 생산된 후 현장 플루토늄 생산은 다른 유형의 원자로에서도 중성자 연쇄 반응에 기여한다.표준 "비증식" 원자로에서 생성되는 전력의 최대 절반은 연료 부하의 전체 수명 주기에 걸쳐 제자리 플루토늄-239의 핵분열에 의해 생산된다.

핵분열성 비분열성 동위원소는 연쇄반응 없이 핵분열 에너지원으로 사용할 수 있다.고속 중성자로 U를 폭격하면 외부 중성자 소스가 존재하는 한 에너지가 방출되면서 균열이 발생한다.이는 핵분열성 동위원소의 고속 중성자가 인근 U핵의 핵분열을 일으킬 수 있는 모든 원자로에서 중요한 영향이다. 즉, U의 일부 작은 부분이 모든 핵연료, 특히 고에너지 중성자로 작동하는 고속 증식로에서 " 연소"된다는 것을 의미한다.이와 같은 고속 핵분열 효과는 핵융합으로 방출되는 중성자와 반응하기 위해 U를 장비 중앙에 장착함으로써 현대 열핵 무기에 의해 방출되는 에너지를 증가시키는데 사용된다.그러나 핵분열 연쇄 반응의 폭발적 효과는 2차 중성자의 속도를 늦추는 조절기 같은 물질을 사용함으로써 줄일 수 있다.

핵분열 원자로

임계 핵분열 원자로는 가장 일반적인 유형의 원자로이다.임계 핵분열 원자로에서 연료 원자의 핵분열에 의해 생성된 중성자는 제어 가능한 양의 에너지 방출을 유지하기 위해 더 많은 분열을 유도하기 위해 사용된다.설계되었지만 스스로 지속되지 않는 핵분열 반응을 일으키는 장치는 임계 핵분열 원자로이다.이러한 장치는 방사성 붕괴 또는 입자 가속기를 사용하여 분열을 유발합니다.

임계 핵분열 원자로는 일반적으로 핵분열 연쇄 반응에 의해 생성된 열 또는 중성자를 이용하기 위해 서로 다른 공학적 트레이드오프를 수반하는 세 가지 주요 목적을 위해 건설된다.

• 발전소는 발전소의 일부로서 또는 핵잠수함과 같은 국지 전력 시스템의 일부로서 원자력 발전을 위한 열을 생산하기 위한 것이다.
• 연구용 원자로는 과학, 의료, 엔지니어링 또는 기타 연구 목적을 위해 중성자를 생산하거나 방사능 선원을 활성화하기 위한 것이다.
• 증식로는 보다 풍부한 동위원소로부터 핵연료를 대량 생산하기 위한 것이다.더 잘 알려진 고속 증식로는 자연적으로 매우 풍부한 U(핵연료가 아닌)로부터 Pu(핵연료)를 만든다.핵분열 동위원소 U(토륨 연료 주기) 증식을 위해 Th를 사용하여 이전에 시험한 열증식로는 계속 연구 및 개발된다.

원칙적으로 모든 핵분열 원자로는 세 가지 능력 모두에서 작동할 수 있지만, 실제로 이러한 과제는 상충되는 엔지니어링 목표를 초래하고 대부분의 원자로는 위의 과제 중 하나만 염두에 두고 건설되었다(현재 해체된 핸포드 N 원자로와 같은 몇 가지 초기 반격 사례가 있다).동력원자로는 일반적으로 핵분열 생성물의 운동 에너지를 열로 변환하는데, 이것은 작동 유체를 가열하고 기계적 또는 전기를 생산하는 열 엔진을 구동하는 데 사용된다.작동 유체는 보통 증기 터빈이 있는 물이지만, 일부 디자인은 헬륨 가스 같은 다른 물질을 사용합니다.연구용 원자로는 다양한 방법으로 사용되는 중성자를 생산하며, 핵분열의 열은 피할 수 없는 폐기물로 취급된다.증식로(breater reactor)는 특수한 형태의 연구용 원자로이며, 조사되는 샘플은 보통 연료 자체이며, U와 U의 혼합물이다. 임계 핵분열로의 물리학과 작동 원리에 대한 자세한 설명은 원자로 물리학을 참조한다.사회적, 정치적, 환경적 측면에 대한 설명은 원자력을 참조하십시오.

핵분열 폭탄

핵무기의 한 종류인 핵분열 폭탄은 원자 폭탄 또는 원자 폭탄으로 알려져 있으며, 핵분열 폭탄은 방출된 에너지가 원자로를 폭발시키기 전에 가능한 한 빨리 에너지를 방출하도록 설계된 핵분열 원자로이다.핵무기의 개발은 2차 세계대전 동안 맨해튼 프로젝트가 핵분열에 대한 초기 과학 연구의 대부분을 수행했고, 전쟁 중에 일어난 핵분열 폭탄과 관련된 세 가지 사건으로 끝이 났다.코드네임 "가젯"으로 명명된 첫 번째 핵분열 폭탄은 1945년 7월 16일 뉴멕시코 사막에서 트리니티 테스트 도중 폭발했다.1945년 8월 6일과 9일 각각 히로시마와 나가사키에 대한 전투에서 코드네임 "리틀 보이"와 "팻 맨"이라는 두 개의 핵분열 폭탄이 사용되었다.

심지어 최초의 핵분열 폭탄도 비슷한 화학 폭발물보다 수천 배나 더 폭발적이었다.예를 들어, 리틀보이는 총 4톤 (60kg이 핵연료였고)의 무게가 11피트 (3.4m)였다. 또한 그것은 약 15킬로톤의 TNT에 해당하는 폭발을 일으켜 히로시마 시의 많은 부분을 파괴했다.현대 핵무기 (1개 이상의 핵분열 단계뿐만 아니라 열핵융합도 포함)는 최초의 순수 핵분열 원자폭탄 (핵무기 수율 참조)보다 무게 면에서 수백 배 더 에너지가 넘치고, 그래서 리틀 보이 (예: W88 참조)의 1/8 미만의 현대 단일 미사일 탄두 폭탄은 수율이 있다.475킬로톤의 TNT로 도시 면적의 약 10배에 파괴를 가져올 수 있습니다.

핵무기의 핵분열 연쇄 반응의 기본 물리학은 제어된 원자로의 물리학과 유사하지만, 두 가지 유형의 장치는 상당히 다르게 설계되어야 한다(핵 원자로 물리학 참조).핵폭탄은 모든 에너지를 한꺼번에 방출하도록 설계되어 있는 반면, 원자로는 유용한 전력을 지속적으로 공급하도록 설계되어 있다.원자로의 과열이 용융과 증기 폭발로 이어질 수 있고, 그 결과로 이어졌지만, 우라늄 농도는 훨씬 낮기 때문에 원자로가 핵무기와 같은 파괴력으로 폭발하는 것은 불가능하다.비록 적어도 하나의 로켓 추진 시스템인 '오리온 프로젝트'가 거대한 패딩과 차폐된 우주선 뒤에서 핵분열 폭탄을 폭발시킴으로써 작동하도록 의도되었지만, 핵폭탄으로부터 유용한 동력을 얻는 것은 또한 어렵다.

핵무기의 전략적 중요성은 핵분열 기술이 정치적으로 민감한 주요 원인이다.실행 가능한 핵분열 폭탄 설계는 공학적 관점에서 보면 많은 이들의 능력 범위 내에서 비교적 단순하다.그러나 설계를 실현하기 위한 핵분열성 핵물질의 입수 어려움은 핵분열성 물질 생산을 위한 특수 프로그램을 가진 현대 산업화 정부를 제외한 모든 국가에서 상대적으로 핵무기를 사용할 수 없는 핵심이다(우라늄 농축 및 핵연료 주기 참조).

역사

핵분열 발견

핵분열의 발견은 방사능의 과학과 원자의 성분을 설명하는 새로운 핵물리학의 정교함에 대한 40년 이상의 연구 끝에 1938년 오늘날 베를린 자유대학의 일부인 카이저 빌헬름 화학회 건물에서 일어났다.1911년, 어니스트 러더포드는 매우 작고, 밀도가 높고, 양전하를 띤 양성자의 핵이 궤도를 도는 음전하를 ^[20]띤 전자로 둘러싸인 원자의 모델을 제안했다.닐스 보어는 1913년 전자의 양자 거동을 조정함으로써 이를 개선했다.앙리 베크렐, 마리 퀴리, 피에르 퀴리, 러더포드의 연구는 핵이 단단하게 결합되어 있지만 다른 형태의 방사성 붕괴를 거치고 그에 따라 다른 원소로 변환될 수 있다는 것을 더욱 상세하게 설명했다(예를 들어 알파 붕괴에 의한 알파 입자의 방출: 두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 함께 결합되어 입자 이덴에 결합됨).헬륨 핵에 접촉합니다.)

핵변환에 대한 일부 작업이 이루어졌었다.1917년^{[citation needed]} 러더포드는 질소 N + α → O + p를 지향하는 알파 입자를 사용하여 질소를 산소로 변환시킬 수 있었다.이것은 핵반응, 즉 하나의 붕괴에서 나온 입자가 다른 원자핵을 변형시키기 위해 사용되는 반응의 첫 번째 관측이었다.결국 1932년, 러더포드의 동료 어니스트 월튼과 존 콕크로프트는 이 핵을 두 개의 알파 입자로 분할하기 위해 리튬-7에 대해 인공 가속 양성자를 사용했다.이 업적은 일반적으로 "원자를 쪼개기"로 알려졌으며, "인위적으로 가속된 원자 입자에 의한 원자핵의 변환"으로 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 된다. 비록 나중에 ^[21]중원소에서 발견된 핵분열 반응은 아니었지만 말이다.

1932년 ^[22]영국의 물리학자 제임스 채드윅이 중성자를 발견한 후,^[23] 로마의 엔리코 페르미와 그의 동료들은 1934년 중성자로 우라늄을 폭격한 결과를 연구했다.페르미는 그의 실험이 93과 94개의 양성자를 가진 새로운 원소를 만들어냈다고 결론내렸는데, 이 원소를 그룹은 아우소늄과 헤스페륨이라고 불렀다.그러나 페르미는 1938년 중성자 조사에 의해 생성된 새로운 방사성 원소의 존재에 대한 항의와 느린 중성자에 의해 야기된 핵반응의 발견으로 노벨 물리학상을 수상할 수 있었다.1934년 독일의 화학자 아이다 노닥은 특히 새롭고 무거운 원소 93을 만드는 대신에 "핵이 여러 개의 큰 ^[24][25]조각으로 분해되는 것이 생각할 수 있다"고 제안했다.그러나 당시 노닥의 결론은 추구되지 않았다.

페르미 출판 이후 오토 한, 리제 마이트너, 프리츠 스트라스만은 베를린에서 비슷한 실험을 하기 시작했다.오스트리아계 유대인 마이트너는 1938년 3월 오스트리아와 독일의 연합인 안슐루스와 함께 오스트리아 국적을 잃었지만 1938년 7월 스웨덴으로 도피해 베를린에서 한 전 총리와 편지 왕래를 시작했다.우연히도 마이트너가 12월 19일자 한으로부터 중성자 우라늄 폭격의 산물 중 일부가 바륨이라는 화학적 증거를 받았을 때 그녀의 조카인 역시 난민이었던 오토 로버트 프리쉬도 스웨덴에 있었다.한 박사는 핵이 터질 것을 제안했지만 그 결과에 대한 물리적 근거가 무엇인지 확신하지 못했다.바륨은 우라늄보다 원자 질량이 40% 적었고, 이전에 알려진 방사능 붕괴 방법으로는 핵 질량의 큰 차이를 설명할 수 없었다.프리슈는 회의적이었지만 마이트너는 화학자로서의 한의 능력을 믿었다.마리 퀴리는 수년 동안 바륨과 라듐을 분리해 왔고, 그 기술은 잘 알려져 있었다.마이트너와 프리슈는 한의 결과를 우라늄의 핵이 대략 반으로 쪼개진 것을 의미하는 것으로 올바르게 해석했다.프리쉬는 살아있는 세포가 두 개의 세포로 분열하는 과정을 유추하여 이 과정을 "핵분열"이라고 명명할 것을 제안했다.핵 연쇄반응이라는 용어가 나중에 화학에서 차용된 것처럼, "분열"이라는 용어도 생물학에서 차용되었다.

이 새로운 발견에 대한 뉴스는 빠르게 퍼져 나갔고, 이는 과학적이고 잠재적으로 실용적인 가능성이 있는 완전히 새로운 물리적 효과로 올바르게 받아들여졌습니다.마이트너와 프리슈는 한과 스트라스만의 발견에 대한 해석을 프린스턴 대학에서 강의하기로 한 닐스 보어와 함께 대서양을 횡단했다.프린스턴에서 일하는 두 명의 콜롬비아 대학 물리학자 I.I. 라비와 윌리스 램은 그 소식을 듣고 콜롬비아로 다시 가져갔다.라비는 엔리코 페르미에게 말했다; 페르미는 램에게 공을 돌렸다.보어는 곧 프린스턴에서 콜롬비아로 페르미를 보러 갔다.사무실에서 페르미를 찾지 못한 보어는 사이클로트론 지역으로 내려가 허버트 L.을 찾았다. 앤더슨.보어는 그의 어깨를 잡고 말했다. "젊은이,^[26] 물리학의 새롭고 흥미로운 것에 대해 설명해줄게."콜롬비아의 많은 과학자들에게 중성자 폭격으로 인한 우라늄 핵분열로 방출되는 에너지를 감지하려고 노력해야 한다는 것은 분명했다.1939년 1월 25일 컬럼비아 대학 팀은 미국에서 ^[27]첫 핵분열 실험을 했는데, 이것은 푸핀 홀 지하에서 이루어졌다.실험은 산화우라늄을 이온화 챔버 안에 넣고 중성자를 조사하여 방출되는 에너지를 측정하는 것이었다.그 결과 핵분열이 발생하고 있음을 확인하였고, 특히 파열이 발생하고 있는 것은 동위원소 우라늄 235임을 강하게 암시하였다.다음 날 워싱턴 D.C.에서 조지 워싱턴 대학과 카네기 연구소의 공동 주최로 제5회 워싱턴 이론 물리학 회의가 시작되었습니다.그곳에서 핵분열에 대한 뉴스가 더욱 확산되었고, 이것은 더 ^[28]많은 실험적인 시위를 조장했다.

1939년 2월 핵분열에 관한 두 번째 출판물에서 한과 스트라스만은 우란스팔퉁(우라늄 핵분열)이라는 용어를 처음으로 사용했으며 핵분열 과정에서 추가적인 중성자의 존재와 방출을 예측해 핵 연쇄 ^[29]반응 가능성을 열어놓았다.

핵분열 연쇄 반응 실현

이 기간 동안 헝가리 물리학자 레오 실라드는 중원자의 중성자 구동 핵분열을 핵 연쇄 반응을 일으키기 위해 사용할 수 있다는 것을 깨달았다.중성자를 이용한 그러한 반응은 그가 1932년 리튬을 쪼개기 위해 양성자를 사용한 실험으로부터 전력을 생산하는 것에 대한 러더포드의 폄하 발언을 읽고 1933년에 처음 공식화한 아이디어였다.그러나 실라드는 중성자가 풍부한 경원자와 중성자 구동 연쇄 반응을 달성할 수 없었다.이론적으로 중성자 구동 연쇄 반응에서 생성된 2차 중성자의 수가 1개보다 클 경우, 그러한 반응은 여러 개의 추가 반응을 유발하여 기하급수적으로 증가하는 반응 수를 생성할 수 있다.따라서 우라늄의 핵분열은 민간 또는 군사적 목적(즉, 발전 또는 원자폭탄)을 위해 방대한 양의 에너지를 생산할 수 있는 가능성이 있었다.

이제 질라드는 페르미(뉴욕)와 프레데릭 졸리오 퀴리(파리)에게 연쇄반응 가능성에 대한 발표를 자제하라고 촉구했다.나치 정부는 나중에 2차 세계대전으로 알려지게 될 가능성을 알게 될 것이다.페르미는 약간의 망설임과 함께 자가 검열에 동의했다.그러나 졸리오 퀴리는 그렇지 않았고 1939년 4월 한스 폰 할반과 르 코와르스키를 포함한 파리 연구팀은 핵분열로 방출된 중성자의 수가 ^[30]핵분열당 3.5개로 보고되었다고 네이처에 발표했다.Szilard와 Walter Zinn의 동시 연구는 이러한 결과를 확인시켜 주었다.그 결과 원자로(실라드와 페르미가 '중성자 원자로'라고 처음 불렀던 것)와 심지어 핵폭탄까지 건설할 가능성이 제기되었다.그러나 핵분열과 연쇄반응 체계에 대해서는 아직 많이 알려지지 않았다.

당시 연쇄 반응은 화학에서 알려진 현상이었지만, 핵물리학에서 중성자를 사용한 유사한 과정은 1933년 초에 Szilarrd에 의해 예견되었다. 그러나 Szilarrd는 그 과정이 어떤 물질로 시작될 수 있는지 알지 못했다.Szilarrd는 중성자가 정전하가 없기 때문에 그러한 상황에 이상적이라고 판단했다.

우라늄 핵분열로 인한 핵분열 중성자 소식에 Szilarrd는 우라늄을 이용한 핵 연쇄 반응의 가능성을 즉시 이해했다.여름에 페르미와 질라드는 이 과정을 중재하기 위해 원자로(파일)의 아이디어를 제안했다.그 더미는 천연 우라늄을 연료로 사용할 것이다.페르미는 중성자가 낮은 에너지일 경우 원자에 의해 훨씬 더 효과적으로 포획된다는 것을 보여 주었다. 왜냐하면 양자적인 이유로 원자가 중성자에게 훨씬 더 큰 표적처럼 보이기 때문이다.따라서 파쇄 우라늄 핵에 의해 방출되는 2차 중성자를 늦추기 위해 페르미와 질라드는 흑연 "조절기"를 제안했다. 이 "조절기"는 고속의 고에너지 2차 중성자가 충돌하여 효과적으로 느려진다.충분한 우라늄과 충분한 순수 흑연으로 이론적으로 그들의 "파일"은 느린 중성자 연쇄 반응을 지속할 수 있다.이것은 방사성 핵분열 생성물뿐만 아니라 열의 생산으로 이어질 것이다.

1939년 8월, 실라드와 동료 헝가리 난민 물리학자 텔러와 위그너는 독일이 핵분열 연쇄 반응을 이용할지도 모른다고 생각했고, 미국 정부의 관심을 이 문제에 끌어들이기 위해 박차를 가했다.이를 위해 독일계 유대인 난민 알버트 아인슈타인을 설득해 프랭클린 루스벨트 대통령에게 보낸 편지에 이름을 빌려줬다.아인슈타인-실라드 서한은 "항만 전체와 주변 시골 지역 대부분"을 파괴할 수 있는 선박으로 운반할 수 있는 우라늄 폭탄의 가능성을 시사했다.대통령은 유럽에서 제2차 세계대전이 시작된 직후인 1939년 10월 11일 서한을 받았지만 미국이 서한에 가입하기 2년 전이었다.루즈벨트는 과학 위원회가 우라늄 작업을 감독할 수 있도록 권한을 부여하고 소액의 돈을 말뚝 연구에 할당하라고 명령했다.

영국에서 제임스 채드윅은 임계 상태에 필요한 질량이 30~40톤인 루돌프 페엘스의 논문을 바탕으로 천연 우라늄을 이용한 원자폭탄을 제안했다.미국에서 로버트 오펜하이머는 한 면에 10cm의 중수소화 우라늄 입방체(약 11kg의 우라늄)가 "지옥으로 폭발할 수 있다"고 생각했다.이 설계에서는 핵폭탄 핵분열을 위해 감속제를 사용해야 한다고 여전히 생각되었다.(핵분열성 동위원소가 분리된 경우에는 그렇지 않은 것으로 밝혀졌다.)12월, 베르너 하이젠베르크는 독일 전쟁부에 우라늄 폭탄의 가능성에 대한 보고서를 제출했다.이러한 모델의 대부분은 폭탄이 느린 중성자 반응에 의해 작동될 것이라는 가정 하에 있었으며, 따라서 임계 출력 편차를 겪는 원자로와 유사하다.

영국 버밍엄에서 프리슈는 독일계 유대인 난민인 피어스와 팀을 이뤘다.그들은 우라늄 동위원소 U의 정제된 질량을 사용한다는 아이디어를 가지고 있었다. 단면은 아직 결정되지 않았지만 U나 천연 우라늄보다 훨씬 큰 것으로 생각되었다(후자 동위원소 99.3%).U의 고속 중성자 핵분열 단면이 느린 중성자 핵분열 단면과 동일하다고 가정하면 순수 U 폭탄의 임계 질량은 톤이 아닌 6kg에 불과해 폭발이 엄청날 것으로 판단했다.(이 양이 실제 우라늄(리틀보이) 폭탄에 사용된 것은 여러 번이지만 실제로는 15kg으로 밝혀졌다.)1940년 2월에 그들은 프리쉬-페얼스 비망록을 전달했다.아이러니하게도, 그들은 그 당시에 여전히 공식적으로 "적 외계인"으로 여겨졌다.글렌 시보그, 조셉 W. 케네디, 아서 월, 이탈리아계 유대인 난민 에밀리오 세그레는 그 직후 U를 중성자로 폭격하여 생성된 U의 붕괴 생성물에서 Pu를 발견하고 U와 같은 핵분열성 물질임을 밝혀냈다.

우라늄-235와 우라늄-238은 화학적으로 동일하고 중성자 3개의 무게만큼 질량이 다르기 때문에 우라늄-235를 분리할 가능성은 기술적으로 어려웠다.그러나 충분한 양의 우라늄-235를 분리할 수 있다면 빠른 중성자 핵분열 연쇄반응을 일으킬 수 있다.이것은 매우 폭발적이고, 진정한 "원자 폭탄"이 될 것이다.플루토늄-239가 원자로에서 생산될 수 있다는 발견은 빠른 중성자 핵분열 폭탄에 대한 또 다른 접근을 시사했다.두 접근법 모두 매우 참신하고 아직 잘 이해되지 않았으며, 짧은 시간 내에 개발될 수 있다는 생각에 상당한 과학적 회의론이 있었다.

1941년 6월 28일, 과학 자원을 동원하고 그 연구 결과를 국방에 적용하기 위해 미국에 과학 연구 개발 사무소가 설립되었다.9월, 페르미는 우라늄에서 느린 중성자 유도 연쇄 반응을 일으키기 위해 그의 첫 번째 핵 "파일" 또는 원자로를 조립했지만, 적절한 물질의 부족 또는 사용 가능한 적절한 물질의 부족으로 인해 이 실험은 임계치에 도달하지 못했다.

천연 우라늄 연료에서 핵분열 연쇄 반응을 일으키는 것은 결코 사소한 일이 아닌 것으로 밝혀졌다.초기 원자로는 동위원소 농축 우라늄을 사용하지 않았고, 그 결과 중성자 감속 물질로 대량의 고순도 흑연을 사용해야 했다.원자로에서 일반수(중수와는 대조적으로)를 사용하려면 농축 연료가 필요하다. 즉, 훨씬 더 일반적인 U 동위원소에서 희귀 U 동위원소를 부분적으로 분리 및 상대적 농축하는 것이다.일반적으로 원자로는 중수소(중수), 헬륨, 베릴륨 또는 탄소(일반적으로 흑연)와 같은 화학적으로 순수한 중성자 감속재 물질을 포함해야 한다.(천연 붕소의 붕소-10 성분과 같은 많은 화학 불순물이 매우 강한 중성자 흡수체이기 때문에 탄소 순도가 높아야 하며, 이로 인해 연쇄 반응이 독이 되어 조기에 종료됩니다.)

원자력 발전 및 무기 생산을 위해서는 산업 규모의 원자재 생산이 해결되어야 했다.1940년까지, 미국에서 생산된 우라늄 금속의 총량은 몇 그램 이하였고, 이마저도 의심스러운 순도였다; 금속 베릴륨은 몇 킬로그램 이하; 그리고 농축 산화 중수소(중수)는 몇 킬로그램 이하였다.마지막으로, 탄소는 감속재가 필요로 하는 순도와 같은 양의 탄소가 생산된 적이 없었습니다.

다량의 고순도 우라늄을 생산하는 문제는 프랭크 스피딩이 테르마이트 또는 "에임스" 공정을 사용하여 해결했습니다.Ames Laboratory는 연구에 필요한 대량의 천연 우라늄 금속을 생산하기 위해 1942년에 설립되었습니다.원자폭탄용 플루토늄을 생산한 모든 원자 "파일"과 마찬가지로 농축되지 않은 (천연) 우라늄을 사용한 시카고 파일-1(1942년 12월 2일)의 핵 연쇄 반응의 성공도 매우 순수한 흑연이 천연 우라늄 "파일"의 감속재에도 사용될 수 있다는 실라드의 깨달음에 기인했다.전시 독일에서는 매우 순수한 흑연의 품질을 인식하지 못하여 중수에 의존하는 원자로 설계가 이루어졌고, 다시 중수가 생산되는 노르웨이에서 연합군의 공격으로 인해 독일군은 이를 거부하였다.이러한 어려움은, 특히, 나치가 전쟁중에 중요도가 높은 원자로를 건설하는 것을 막았지만, 그들은 다른 기술에 초점을 맞추어 핵 연구에 미국만큼 많은 노력을 기울이지 않았다(자세한 내용은 독일의 핵 에너지 프로젝트 참조).

맨하탄 프로젝트

미국에서는 1942년 말에 핵무기를 만들기 위한 전면적인 노력이 시작되었다.이 작업은 1943년 미 육군 공병대가 인수하여 맨해튼 공병 지구로 알려져 있다.일급비밀 맨하탄 프로젝트는 구어체로 알려져 있으며, 레슬리 R 장군이 주도했다. 그루브.이 프로젝트의 수십 개의 현장에는 최초의 산업용 원자로를 가지고 플루토늄을 생산한 워싱턴의 핸포드 사이트, 우라늄 농축에 주로 관심이 있는 테네시의 오크 리지, 그리고 폭탄 개발과 설계에 대한 연구를 위한 과학 중심지였던 뉴멕시코의 로스 알라모스가 있었다.다른 현장, 특히 버클리 방사선 연구소와 시카고 대학의 야금 연구소가 중요한 역할을 했다.프로젝트의 전반적인 과학적 방향은 물리학자 J. 로버트 오펜하이머에 의해 관리되었다.

1945년 7월, 뉴멕시코 사막에서 "트리니티"라고 불리는 최초의 원자 폭발 장치가 폭발했다.핸포드에서 생성된 플루토늄으로 연료를 공급받았어요1945년 8월, 히로시마와 나가사키에 우라늄-235 폭탄인 리틀 보이와 플루토늄 폭탄인 팻 맨이라는 두 개의 원자 장치가 더 사용되었다.

제2차 세계대전 이후, 많은 나라들이 원자로와 핵무기를 목적으로 한 핵분열의 추가 개발에 관여했다.영국은 1956년에 최초의 상업용 원자력 발전소를 열었다.2013년까지 31개국에 437개의 원자로가 있었다.

지구의 자연 핵분열 반응기

자연계의 중요성은 흔치 않다.가봉의 오클로 광상 3곳에서 약 20억년 전 자생적인 핵분열이 일어난 16개 유적지가 발견되었다.1972년까지 알려지지 않았지만, 프랑스 물리학자 프란시스 페랭이 오클로 화석 원자로를 발견했을^[31] 때, 자연이 인간을 압도했다는 것을 깨달았다.정상적인 물에 의해 완화되는 대규모 천연 우라늄 핵분열 연쇄반응은 과거 오래 전에 일어났으며 지금은 가능하지 않을 것이다.이 고대의 과정은 현재 20억 년 전에 천연 우라늄이 현재 사용 가능한 천연 우라늄보다 단수명 핵분열 동위원소 U(약 3%)가 풍부했기 때문에 감속재로 정상수를 사용할 수 있었다(이는 0.7%에 불과하며 경수로에서 사용 가능하려면 3%까지 농축해야 한다).

「 」를 참조해 주세요.

• 냉분열
• 핵분열성 물질
• 핵분열 단편 원자로
• 하이브리드 핵융합/분열
• 핵융합
• 핵추진
• 포토오프레이션

레퍼런스

추가 정보

• DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 1 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. Archived from the original (PDF) on 2014-03-19. Retrieved 2012-01-03.
• DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. Archived from the original (PDF) on 2013-12-03. Retrieved 2012-01-03.
• Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Nuclear Fission Dynamics: Past, Present, Needs, and Future". Frontiers in Physics. 8: 63. arXiv:1912.00287. Bibcode:2020FrP.....8...63B. doi:10.3389/fphy.2020.00063.

외부 링크

• 핵무기의 영향
• 알소스 디지털 라이브러리의 핵분열 관련 참고 문헌
• 미국물리학사센터의 오디오와 교사 안내로 완성된 핵분열 역사의 발견
• atomicarchive.com 핵분열 설명
• Nuclear Files.org 핵분열이란?
• 핵분열 애니메이션