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[원자력 탐험대 8화] 핵분열의 도미노 연쇄 반응

  • 2014.07.28.
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핵분열의 도미노 연쇄 반응

핵분열 연쇄 반응으로 지속적인 에너지 발생 가능
원자핵 쪼개지며 중성자 튀어나와 계속 충돌
도미노처럼 반복되며 발전기 돌리는 힘 발생

 

도미노[도미노 놀이. 연쇄 반응은 앞쪽의 조각이 뒤의 조각을 연속적으로 넘어뜨리는 것처럼 어떤 반응에 의해 만들어진 물질이 새로운 물질을 만드는 과정을 되풀이한다]

어린이도 흔히 즐기는 놀이기구인 도미노.
직육면체의 작은 나무토막을 적당한 거리를 두고 세운 뒤 하나를 쓰러트리면 줄줄이 넘어지는 모습이 신기함마저 준다. 원래 18세기에 이탈리아에서 고안된 게임이었는데 지금은 이 팻말을 세워 쓰러트리는 놀이로 더 유명하다. 또 도미노 팻말이 연이어 넘어지듯이 어떤현상이 잇달아 일어나는 것을 뜻하는 말로도 많이 쓰인다.

원자력 발전에서 외부에서 온 중성자가 원자핵을 때려 최초의 핵분열이 일어날 때도 이 도미노를 떠올리는 현상이 생긴다. 바로 핵분열의 연쇄 반응이다.

 

△스스로 반복하는 연쇄 반응

과학적으로 연쇄 반응이란 어떤 과정을 통해 만들어진 물질 중 하나가 새로운 물질을 만드는 과정을 되풀이하는 현상을 말한다. 화학적으로는 반응을 통해 분자가 에너지나 물질을 만들고, 이때 만들어진 물질이 다른 분자에 작용하여 다음 반응이 계속 일어나는 것을 말한다. 즉 연쇄 반응을 통해 어떤 물질의 반응은 반복되는 것이다.

이때 주목해야 할 대목은 반응이 연속적으로 일어나는 과정에선 외부의 에너지가 필요 없다는 점이다. 첫 도미노 조각만 쓰러트리면 앞의 조각이 뒷조각을 밀면서 연속적으로 조각들이 넘어지는 것처럼. 다른 힘이 작용하지 않았음에도 똑같은 과정이 자연적으로, 그리고 지속적으로 반복되는 현상이 연쇄 반응의 가장 큰 특징이다.

이러한 개념은 화학 분야에서 처음 사용하기 시작했고, 나중에 물리학 분야에서도 발견되었다. 핵분열의 연쇄 반응이 그 대표적인 예다.

우라늄의 핵분열 연쇄반응

 

△핵분열의 연쇄반응

원자력 발전소의 연료인 우라늄의 원자핵은 외부에서 온 중성자와의 충돌로 쪼개지고 이때 뜨거운 열에너지를 내뿜는다.
그리고 충돌 결과 원자핵은 두개로 쪼개지고 중성자도 튀어나온다.

원래 안정된 원자핵이 외부의 중성자와 충돌해 균형이 깨지면서 생겨난 작은 원자핵 그리고 중성자는 처음과 마찬가지로 또다시 핵분열을 일으키게 된다. 그리고 거기서도 원자핵과 중성자가 생겨나 제3의 핵분열을 일으키는 식이다.

“원자핵이 쪼개지면서 중성자와 또 다른 원자핵들이 생겨나면 이 둘은 다시 충돌할 게 분명해!”

1934년 헝가리의 레오 질라드란 과학자는 핵분열의 연쇄반응을 처음으로 예상했다. 그리고 10년도 채 지나지않아 1942년 이탈리아 출신의 물리학자인 엔리코 페르미가 미국 시카고에서 약 50t의 우라늄과 산화 우라늄을 이용하여 연쇄 반응이 일어나는 세계 최초의 핵분열 반응로를 건설하면서 이러한 예측은 증명되었다.

핵분열의 연쇄 반응은 원자력 발전의 가장 핵심적인 부분이라 할 수 있다. 만일 핵분열이 단 한번밖에 일어나지 않는다면 전기를 만드는 일은 생각하지 못했을 것이다.

원자력 발전소에서 전기를 만들기 위해 커다란 발전기를 돌리려면 꾸준한 힘 즉 에너지가 필요하기 때문이다. 핵분열의 연쇄 반응으로 지속적인 에너지 발생이 가능하다.

참고로, 원자력 발전의 연료가 되는 우라늄의 경우 한번의 핵분열로 평균 2.5개의 중성자가 새로 생겨난다.
원자핵의 분열과 연쇄 반응은 앞서 밝힌 대로 꾸준한 에너지를 공급하기 위해 조절이 필요하다. 하지만 무시무시한 원자 폭탄은 짧은 시간에 엄청난 에너지가 뿜어져 나와야 한다. 이는 단거리 육상 선수와 마라톤 선수가 각기 스피드를 달리하는 것과 비슷하다.
언뜻 이해가 잘 가지 않겠지만, 같은 우라늄을 원료로 사용하지만 원자력 발전소와 원자 폭탄이 닮은 듯 크게 다른 이유 중 하나도 핵분열의 연쇄 반응의 차이에서 찾을 수 있다는 뜻이다.

그렇다면 다음 시간에는 원자 폭탄과 원자력 발전의 차이를 보다 자세히 살펴보기로 하자.

원자력탐험대 8회

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://ka.do/3TTZ

 

 

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