핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 어떤 차이를 가지며, 에너지 방출량은 왜 큰 차이가 나나요?

Question

안녕하세요 철은 핵자당 결합 에너지가 가장 크기 때문에 제일 안정한 원자라고 알려져 있는데요, 이때 핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 어떤 차이를 가지며, 에너지 방출량은 왜 큰 차이가 나나요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 모두 원자핵이 더 안정한 상태로 가는 과정에서 질량 결손이 생기고, 그 차이가 아인슈타인의 식 E=mc^2에 따라 에너지로 방출된다는 점에서는 같지만, 출발점과 도달점의 차이 때문에 발생하는 에너지 양이 크게 다릅니다. 우선 핵분열이란 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수한 뒤 불안정해져 두 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 과정을 말하는 것인데요, 무거운 원자핵은 원자 번호가 커질수록 양성자 사이의 쿨롱 반발력이 강해져 상대적으로 덜 안정하며 이를 쪼개면, 생성된 중간 질량 원자핵들이 원래보다 핵자당 결합 에너지가 더 큰 상태로 가게 되어, 차이만큼의 에너지가 방출됩니다.

다음으로 핵융합이란 수소의 동위원소와 같이 가벼운 원자핵이 결합하여 헬륨과 같이 상대적으로 무거운 원자핵을 형성하는 과정인데요, 가벼운 원자핵들은 원자핵 당 결합 에너지가 낮습니다. 이들이 융합하여 더 무거운 원자핵(예: 헬륨)을 만들면, 훨씬 더 안정한 상태로 가며 결합 에너지가 크게 증가하며 따라서 핵융합의 에너지 방출은 핵분열보다 더 크거나 적어도 비슷한 수준이지만, 질량 대비 효율은 훨씬 더 큽니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

핵분열과 핵융합의 차이가 원자폭탄과 수소폭탄의 차이와 같습니다.

핵분열이 원자폭탄의 원리이고 핵융합이 수소폭탄의 원리이기 때문입니다.

핵분열은 무거운 원자핵에 중성자를 충돌시켜 일어나는 연쇄반응이고 핵융합은 가벼운 원자핵들이 합쳐져서 더 무거운 원자핵으로 변화할때 만들어지는 에너지를 활용하게 됩니다.

핵융합 반응이 핵분열 반응보다 에너지가 큰 이유는 핵자당 결합 에너지 곡선의 기울기 때문입니다. 해당 에너지는 핵자와 양성자가 결합하는데 필요한 에너지로 이 값이 클수록 원자핵이 안정합니다.

핵분열은 핵자수가 235인 우라늄이 쪼개질때 이고 핵융합은 핵자수가 2~3인 수소 동위원소들이 합쳐져서 헬륨을 만들때의 에너지 인데 수소 동위원소의 기울기가 훨씬 크기 때문입니다.

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