核分裂
1. 세포핵 분열 (생물학)
細胞核 分裂 / nuclear division세포가 스스로를 복제해 둘로 나눠지는 분열 과정에서 세포핵이 두 개로 나뉘는 것. 세포가 새로운 딸세포를 생성하기 위해 핵 속의 유전 물질(DNA)을 정확히 복제하고 분리하는 과정이다.
당연히 세포에 핵이 있어야 핵분열을 하므로 진핵생물에서만 볼 수 있다. 원핵생물은 그런 거 안 한다.
물리학의 핵분열과 직접적인 관련이 없으며, 영어 단어도 다르다. 생물학에서 세포핵 분열이 먼저 발견되었고, 나중에 물리학에서 원자핵 분열 현상을 발견할 당시, "세포 분열(fission)"에서 이름을 차용했다 카더라.
2. 원자핵 분열 (물리학)
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| 핵융합(왼쪽)과 핵분열(오른쪽) 비교 이미지 출처: 한국원자력연구원 | |
한 개의 원자핵이 중성자 또는 감마선의 조사(照射)[1]에 의해 많은 에너지를 방출하며, 거의 크기가 같은 두 개 또는 그 이상의 더 작은 핵으로 분열하는 핵반응. 보통 우라늄, 플루토늄 같이 질량수가 큰 무거운 원자핵이 중성자와 충돌해서 더 가벼운 원자핵 2개와 2~3개의 중성자 등으로 쪼개지는 경우가 많다.
핵분열에서의 연쇄 반응(chain reaction)이란 원자핵이 분열하면서 방출되는 중성자가 다른 원자핵을 분열시키고, 그 과정이 반복적으로 이어지는 현상이다. 이렇게 연쇄적으로 일어나는 반응 덕분에 핵분열이 지속적으로 진행되며, 에너지를 계속적으로 방출할 수 있다.
2.1. 원리
핵분열의 기본 원리는 다음과 같다.- 핵의 흡수: 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하게 되면 원자핵이 불안정해진다.
- 핵의 분열: 불안정해진 원자핵은 분열하여 두 개 이상의 작은 원자핵와 몇 개의 중성자로 나눠진다.
- 에너지 방출: 원자핵이 분열되는 과정에서 질량이 줄어들며 에너지가 방출된다.
- 연쇄 반응: 방출된 중성자가 다른 원자핵을 계속해서 분열시켜 핵분열이 계속해서 발생한다.
우라늄과 같은 무거운 원자핵에 느린 중성자를 쏘았을 때, 중성자가 우라늄 원자핵 속으로 흡수된다. 핵분열 과정에서 중성자를 사용하는 이유는 중성자가 전기적으로 중성이라 원자핵에 쉽게 접근하고 흡수될 수 있기 때문이다. 양성자나 전자처럼 전하를 가진 입자는 원자핵 주위의 전자 구름이나 핵 자체의 양전하에 의해 반발력을 받아 핵에 접근하기 어렵다.
| 물방울 핵분열 모델에서 우라늄 핵은 중성자에 의해 두 개의 가벼운 핵으로 나뉨 (이미지 출처) |
중성자를 흡수한 우라늄 원자핵은 에너지를 얻어 더욱 불안정해지고, 진동하며 변형되다가 결국 두 개 이상의 작은 원자핵으로 나눠진다(분열된다). 원자핵은 마치 물방울이 작은 입자와 부딪혀 들떠 있으면 여러 형태로 진동하다가 분열되는 것과 유사한 상태가 된다. 핵분열은 중성자라는 총알이 원자핵이라는 표적에 날아가 깨뜨리는 이미지가 아니다. 중성자가 원자핵에 다가가면 원자핵이 중성자를 흡수하고, 양성자-중성자 비율이 깨져 불안정해진 핵이 갈라지는 이미지에 가깝다. 때문에 굳이 외부 중성자가 빠를 이유가 없다. 실제로 핵무기와 원자력 발전에 사용되는 우라늄-235의 핵분열은 공기 중에 떠다니는 꽃가루의 속도로 느리게 움직이는 중성자와 가장 반응률이 높다. 이러한 물리적 성질 때문에 감속재가 사용된다.
우라늄 원자핵이 나눠지는 과정에서 추가 중성자와 함께 대량의 에너지(원자력 에너지)가 방출된다. 대량의 에너지가 발생하는 이유는 질량-에너지 등가 원리와 핵자 간 결합 에너지의 변화 때문이다. 이에 대한 설명은 원자력 에너지 문단에서 자세히 설명한다.
| 핵분열 연쇄 반응에서 중성자를 생성하여 더 많은 핵을 분열시킴 (이미지 출처) |
핵분열 과정에서 방출된 중성자는 다른 핵과 반응하여 추가적인 핵분열을 일으킬 수 있다. 이렇게 중성자가 연속적으로 핵분열을 일으키는 현상을 연쇄 반응이라고 한다. 다만, 핵분열 과정에서 방출되는 중성자가 다른 물질에 흡수되거나 원자로 밖으로 빠져나가기 때문에 연쇄 반응을 안정적으로 유지하는 것이 쉽지 않다. 특히 특별한 장치 없이 천연 우라늄(natural uranium)을 사용할 경우 연쇄 반응이 발생하지 않는다. 연쇄 반응을 잘 발생시키기 위해서, 감속재를 사용하여 방출되는 중성자를 느리게 만들거나, 핵연료를 농축시켜 우라늄-235과 같이 연쇄 반응을 잘 발생시키는 연료의 비율을 높인다.
2.2. 원자력 에너지
원자핵의 결합에너지는 원자핵을 구성하는 입자들(주로 양성자와 중성자)을 결합시키는 에너지이다. 쉽게 말해, 원자핵을 구성하는 입자들이 서로 결합된 상태에서 그들을 분리하기 위해 필요한 최소 에너지량을 의미한다. 원소 중 철(Fe)의 결합에너지가 가장 크고, 철보다 무거운 원소일수록 결합에너지가 감소하는 특성을 가진다.무거운 원자핵이 핵분열을 일으킬 때, 결합에너지 차이에 의해 방출되는 원자력 에너지가 발생하며, 이는 무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자핵으로 나누어질 때 두 결합에너지의 차이에서 비롯된다.[2] 이 에너지의 차이는 핵분열 후의 질량결손과 아인슈타인의 질량-에너지 동등성([math(E=mc^2)])으로 설명된다. 질량결손에 의해 생성된 에너지는 생성된 입자의 운동 에너지와 전자기파(γ선)의 에너지 등이 되는데 이 에너지를 원자핵 에너지 또는 원자력이라고 한다.
예를 들어 질량수가 A=230인 큰 원자핵이 질량수가 A=115인 작은 원자핵 두 개로 분열되는 경우 분열 전 후의 결합에너지는 다음과 같이 계산된다. 이 분열 전후의 결합에너지 차이만큼 에너지를 방출하게 된다.
- 결합에너지
결합에너지(B) = 핵자당 결합 에너지 × 질량수A × 입자수
- 분열 전 : A=230인 원자핵 1개의 결합에너지 B1
[math(B1=7.63 \times 230 \mathrm{[MeV]} = 1755 \mathrm{[MeV]})]
- 분열 후 : A=115인 원자핵 2개의 결합에너지 B2
[math(B2=8.48 \times 115 \mathrm{[MeV]} \times 2 = 1950 \mathrm{[MeV]})]
또 다른 예로, 아래 반응식은 우라늄-235(235U)와 중성자(1n)가 반응하여 핵분열을 일으키는 과정이다. 이 과정에서 발생하는 질량결손 만큼 에너지를 방출하게 된다.
- 반응 전 질량수: [math(236 = 235 + 1)]
- 반응 후 질량수: [math(228 \sim 229 = 85 + 141 + 2 \sim 3)]
2.3. 기타
- 캘리포늄-252의 경우 외부 중성자가 필요없는 자발적 핵분열을 해, 좋은 중성자 공급원으로 사용된다. 자세한 내용은 문서를 참조하기를 바란다.
- 양성자도 중성자와 질량은 같지만 양성자로 핵분열이나 연쇄반응을 촉발시키는 것은 쉽지 않다. 양성자는 양전하를 띠고 있으므로 전기적인 반발력 때문에 다른 양성자와 충돌을 잘 안 하기 때문. 그러나 입자가속기로 양성자에 높은 에너지를 걸어 날려보내면 양성자끼리도 충돌해 핵분열을 일으킬 수 있다. 니켈이나 철 정도의 원자량을 갖는 원소라면 감마선 방출과 원소의 변동도 관찰된다. 악티늄족처럼 원자량이 큰 원소라면(88번 이상) 중성자 핵분열과 동일한 핵반응이 일어날 것으로 추측된다.
- 가벼운 원자핵은 핵분열 시, 오히려 에너지를 흡수한다.[3] 그러나 고에너지 우주 방사선이 가벼운 원자핵과 충돌하면 이들을 쪼개놓을 수 있으며, 이를 우주선 파쇄라고 한다. 항성 핵융합에서 생성되기보다는 소모되는 리튬, 베릴륨, 붕소의 상당수와 자연적으로 존재하는 삼중수소가 이 방식으로 생성된다.
- 닐스 보어와 존 아치볼드 휠러 핵분열 과정을 설명하기 위해서 위해서 물방울 모델(liquid drop model)을 만들었다. 이 모델은 원자핵을 물방울에 비유하여 핵분열 과정을 설명한다.
- 양성자와 중성자 사이의 강한 핵력 ↔ 물 분자 사이의 인력(표면 장력)
- 중성자가 원자핵에 흡수되어 추가 에너지를 얻어 불안정해지고 진동하는 것 ↔ 물방울에 외부 충격을 가해서 진동하는 것
- 진동이 충분히 강해지면 원자핵이 강학 핵력을 극복하지 못하고 분열하는 것 ↔ 물방울이 표면 장력을 극복하지 못하고 분열하는 것
- 현재 인류가 실용적으로 얻을 수 있는 에너지원 중 태양에서 온 것들(태양열, 바람, 물의 순환, 고대 생물의 시체 등을 이용하는 에너지)와 전혀 관련 없는 에너지 중 원자력과 지열이 핵분열과 관련된 에너지이다. 원자력은 명백하며, 지열은 지구를 이루는 원소 중 불안정한 동위원소들이 안정한 물질로 붕괴하면서 나온 에너지가 누적된 것에서 기인한다.
2.4. 응용
- 원자력 발전소
핵분열 원리를 이용하여 물을 끓여서 전기를 생산하는 것을 원자력 발전이라고 한다. 착각해서는 안 되는 것이 핵분열 에너지를 즉각적으로 전기 에너지로 바꾸는 것이 아니라 핵분열에서 나오는 열 에너지로 우선 물을 끓여서 얻은 고온 고압의 수증기로 증기 터빈을 돌리는 역할만 한다는 것이다. 즉, 물을 끓여 나온 수증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전한다는 것 자체는 우리가 익히 아는 화력 발전과 다를 바 없고 증기기관과도 본질적으로 다를 바가 없다. 고효율 연료를 찾다가 여기까지 손을 대게 된 것이다.
- 핵무기
핵무기는 이 원리를 이용해서 강력한 에너지를 발생시키지만 최악의 경우 전체 질량의 1%정도, 아무리 효율이 높아도 2~30%정도만 에너지로 변환시키는게 한계. 나머지는 핵분열로 발생하는 에너지의 방출에 못이겨 흩어지게 되며, 이 때문에 폭발 후 상당히 넓은 범위에 분열물질이 흩뿌려진다. 흔히 말하는 낙진은 화구에 말려들어간 토양 및 구조물의 파편, 그리고 화재로 발생한 재들이 버섯구름과 함께 고공으로 올라갔다가 바람을 타고 광범위하게 흩어지는 것인데, 바로 이 낙진 속에 이 흩어진 분열물질들이 포함된다.
2.5. 역사
1938년 이전에 이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리가 핵분열 현상을 관측했으나, 검출된 원소들이 핵분열 생성물이 아닌 초우라늄원소라고 잘못 판단했다.1938년 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 핵분열 현상을 처음 발견했다. 이후 1939년 리제 마이트너와 그녀의 조카 오토 프리슈 (Otto Frisch)가 핵분열 현상을 이론적으로 해석하여, 핵분열 과정에서 방출되는 에너지가 매우 크다는 사실을 밝혔냈다. 오토 한은 핵분열 현상을 발견한 공로로 1944년에 노벨화학상을 수상했지만, 마이트너는 중요한 역할을 했음에도 불구하고 노벨화학상을 수상하지 못했다.
1939년 레오 실라르드가 핵분열이 연쇄반응을 일으킬 수 있음을 예견했고, 1942년 엔리코 페르미가 핵분열 연쇄반응을 실험적으로 성공시켰다.
2.6. 외부 링크
2.7. 기동전사 건담 SEED에서
기동전사 건담 SEED에선 이 문단에서 설명한 핵분열을 정지시켜 버리는 뉴트론 재머와 이 뉴트론 재머의 영향하에서도 핵분열을 할 수 있게끔 만드는 뉴트론 재머 캔슬러가 존재하는데 이 장치로 하여금 핵무기가 일시적으로 사라졌다가 부활하는 계기가 된다. 뉴트론 재머 캔슬러의 기술이 유출 된 후 다시금 핵을 막기 위해 뉴트론 스탬피더를 개발하기까지에 이른다. 그런데 뉴트론 재머처럼 지구 전역에 걸쳐 다시 심어버릴 비용은 부족했던 모양인 듯하다. 하지만 저 뉴트론 스탬피더는 일회용 장비이기에 효율은 압도적으로 떨어진다. 결과적으로 자프트는 자신들의 기술에 자신들이 당하게 된 셈이다.[1] 핵분열을 유도하기 위해 원자핵에 특정 에너지의 입자나 방사선을 쏘는 것[2] 철보다 무거운 원자핵은 항성의 핵융합으로는 생성되지 않고 초신성 폭발로만 생성되기 때문에 핵분열 발전은 초신성 폭발 시 흡수된 에너지를 다시 꺼내 쓰는 것이라고 볼 수 있다.[3] 그 기준이 되는 원소는 앞서 원자핵 결합에너지 부분에서 언급되었듯 원자번호 26번 철(Fe)이다. 즉 철보다 가벼우면 핵융합으로 에너지를 방출하고, 철보다 무거우면 핵분열로 에너지를 방출한다.