핵분열 시에는 어떤 원료가 필요하나요?

Question

원자력과 같은 핵분열 시 발생하는 열을 이용할 때에 핵분열 원료가 어떻게 되나요?

핵분열이 완료되고 남는 원소는 무엇인가요?

핵분열 시에 필요한 원소가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.

우라늄 원자가 외부로부터 중성자를 흡수하면 원자핵이 둘로 쪼개진다. 이를 핵분열이라 한다. 핵분열이 일어나면 많은 에너지와 함께 2∼3개의 중성자가 나온다. 이 중성자가 다시 다른 우라늄 원자핵에 흡수되면 또 핵분열이 일어난다

자연적으로 존재하는 핵분열성 물질은 토륨(Th, Thorium)과 우라늄(U, Uranium) 두 가지 뿐이며, 플루토늄(Pu, Plutonium)과 같은 나머지 핵분열성 물질은 인위적인 핵변환을 통해 만들어 낸 것이다

Answer 2

안녕하세요. 서정원 과학전문가입니다.

주로 방사성물질인 우라늄235가 필요하며

반응속도를 제어하는 제어봉과, 감속제가 필요한데

제어봉은 중성자를 흡수하는 물질오 카드뮴이나 붕소를 쓰게 되며 감속제는 분열후 방출된 중성자의 속도를 줄이는역할을 하는 중수(H20) 또는 흑연을 사용합니다~

Answer 3

안녕하세요. 김계민 과학전문가입니다.

핵연료가 화석연료와 크게 다른 점은 화석연료는 연소할 때 이산화탄소 즉 온실가스를 방출하면서 재로 변하는 반면에, 핵연료는 연소할 때 핵연료를 구성하고 있는 성분 핵종의 종류와 조성에는 일정한 변화가 있지만 핵연료의 구조 형태는 그대로 유지 된다는 점이다. 원자로에서 핵연료가 중성자와 만나 핵분열 반응을 일으키면 막대한 에너지를 내는 동시에 두 개의 핵분열 파편이 생성된다. 핵분열 생성물이라고 불리는 이들 파편들은 종류(핵종)가 매우 다양하며 거의 대부분 핵적으로 불안정하기 때문에 안정한 핵종으로 될 때까지 방사선을 방출하면서 붕괴한다.

우라늄 등 핵분열 원료 물질이 핵분열을 일으키지 않고 중성자를 포획하면 일련의 붕괴과정을 거치면서 여러가지 다른 핵종으로 변환된다. 대표적인 핵변환 핵종으로는 플루토늄(Pu)을 들 수 있는데 특히 Pu-239는 U-235와 같이 핵분열성 핵종으로써 핵무기의 원료로 전용될 수 있기 때문에 국제정치적인 함의를 갖는다.

핵분열 생성물들은 대체로 안정한 동위원소에 비하여 양성자 대비 중성자 수가 많기 때문에 베타붕괴를 거치는데 이때 감마선이 수반된다. 반면에 핵분열 원료물질이 핵변환된 액티나이드 핵종들은 일정기간이 지나면 대체로 알파 붕괴를 하면서 감마선을 수반한다. 불안정 핵종이 붕괴하는 과정에서 방출되는 하전 방사선(알파선과 베타선)은 투과력이 짧기 때문에 핵연료 자체에 흡수되어 온도를 올리는 열원이 되나 감마선과 같은 방사선은 투과력이 길어 핵연료 밖으로 방출되기 때문에 방사선 방호의 대상이 된다. 이들 방사선 핵종들은 반감기가 짧게는 1초 미만에서 수만년에 달한다. 사용후 핵연료에서 방출되는 방사능의 세기는 짧은 반감기를 갖는 핵종의 안정화로 시간이 지나면서 급속하게 줄지만 자연방사능 수준으로 줄어들기 까지는 20~30만년이 소요되어 사회정치적인 함의를 갖는다.

[참고]https://atomic.snu.ac.kr/index.php/%EC%82%AC%EC%9A%A9%ED%9B%84%ED%95%B5%EC%97%B0%EB%A3%8C_%ED%8A%B9%EC%84%B1