안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
플루토늄-239가 핵연료나 핵무기의 핵심 원료로 활용되는 가장 결정적인 이유는 느린 속도의 열중성자를 흡수했을 때 매우 높은 확률로 핵분열을 일으키는 성질 때문입니다. 이러한 가분열성 물질로서의 특성은 우라늄 등 다른 방사성 원소와 비교했을 때 몇 가지 뛰어난 물리적 이점을 가집니다.
우선 플루토늄-239는 중성자와 충돌했을 때 반응이 일어나는 확률인 핵분열 단면적이 우라늄-235보다 훨씬 큽니다. 중성자를 포획하는 즉시 원자핵이 극도로 불안정해지면서 두 개의 다른 원자핵으로 쪼개집니다. 이때 단순히 분열하는 데 그치지 않고, 하나의 원자핵이 쪼개질 때 평균적으로 약 2.9개의 새로운 중성자를 방출합니다. 이는 우라늄보다 높은 수치로, 방출된 중성자들이 주변의 다른 플루토늄 원자핵을 연쇄적으로 분열시키며 폭발적인 에너지를 지속해서 만들어내기에 유리합니다.
이처럼 분열 확률이 높고 방출되는 중성자가 많다 보니, 스스로 연쇄반응을 유지할 수 있는 최소한의 무게인 임계 질량이 매우 작다는 장점도 있습니다. 우라늄에 비해 훨씬 적은 양만으로도 원하는 핵반응을 이끌어낼 수 있어 핵무기의 소형화나 효율적인 원자로 설계에 필수적입니다. 아울러 자연계에 흔하지만 분열이 안 되는 우라늄-238이 원자로 안에서 중성자를 흡수하면 플루토늄-239로 변환되므로, 인공적으로 고효율 연료를 재생산하여 활용할 수 있다는 점도 주요한 특징입니다.