소개[편집 | 원본 편집]
자발 핵분열이란 원자핵이 중성자의 흡수로 인한 것이 아닌 자신이 스스로 핵분열을 하는 것을 뜻한다. 자발 핵분열을 하게 되면 중성자가 방출되며, 핵분열 생성물이 남기게 된다.
특성[편집 | 원본 편집]
자발 핵분열은 이론상으로 93Nb부터 일어날 수 있다. 하지만 실제로는 원자량 230이 되어야만 일어나게 된다. 이론상으로는 고속 중성자의 충돌로 핵분열이 가능한 221Fr부터는 자발 핵분열을 할 수 있지만, 실제로 원자량 230이 되어야 된다.
그 이유는 원자량이 229이하로 내려가게 되면 원자핵은 덩치가 작아지지만 핵자간 결합 에너지는 오히려 올라가므로, 내부에 눈사태처럼 핵분열을 일으킬만한 폭발적인 잉여 에너지가 없어지므로, 이론상으로는 원자량이 221이라지만, 실제로는 원자량 230이 되어야만 일어나게 된다.
자발 핵분열이 일어나면 중성자가 방출되지만, 중성자가 직접 충돌하여 핵분열을 일으킬 때의 방출되는 중성자의 수보다는 적은 수의 중성자가 방출된다. 예를 들어 우라늄-235의 경우 열 중성자로 인한 핵분열로 방출되는 중성자의 수는 2.43개, 자원 중성자(고속 중성자)로 인한 핵분열로 인해 방출되는 중성자의 수는 2.29개이지만, 자발 핵분열로 인해 방출되는 중성자의 수는 1.86개이다.
자발 핵분열은 핵자 내부의 잉여 에너지가 비정상적으로 쌓여 폭발적으로 방출되는 형태이므로 매우 희귀하게 일어나는 형태이다. 예를 들어 우라늄-235는 알파 붕괴의 143억분의 1의 비율로 자발 핵분열이 일어나며, 우라늄-238은 알파 붕괴의 182만분의 1의 비율로 자발 핵분열이 일어난다.
대신 원자량이 커지면, 그만큼 결합 에너지는 낮아지므로, 핵자 내부의 잉여 에너지는 더욱 더 커지게 되므로, 더 거대한 원자핵은 자발 핵분열을 일으킬 비율이 작은 원자핵보다 더 높아지게 된다. 또한 원자핵이 커질수록 방출되는 중성자의 수도 더 많아지며, 홀수 원자량의 원자핵보다 짝수 원자량의 원자핵의 자발 핵분열의 빈도가 더 높다. (중성자의 흡수로 인해 일어나는 핵분열은 홀수 계열의 원자핵에서 잘 일어나지만, 자발 핵분열은 짝수 계열의 원자핵에서 더 높은 비율로 발생한다.)
또한 특이한 점은 홀수 원자량에서 일어나는 자발 핵분열에서 방출되는 중성자의 수는, 홀수 원자량의 원자핵이 중성자를 흡수해서 일어나는 핵분열에서 방출되는 중성자의 수보다 적지만, 짝수 원자량에서의 자발 핵분열에서 방출되는 중성자의 수는, 짝수 원자량의 원자핵이 중성자를 흡수해서 일어나는 핵분열에서 방출되는 중성자의 수보다 많다는 점이다.
예를 들어 플루토늄-240은 알파 붕괴의 170만분의 1의 비율로 자발 핵분열이 일어나며 방출되는 중성자의 수도 2.21개나 된다. 플루토늄-244는 2.56개의 중성자를 방출하고 알파 붕괴의 800분의 1의 비율로 일어나 비교적 짝수 계열의 원자핵이 자발 핵분열의 비율이 높아진다. 퀴륨-248은 자발 핵분열 비율이 8.26%로 매우 높고 2.7개의 중성자를 방출하지만, 자원 중성자 충돌로 일어나는 핵분열의 비율은 4.5%이며, 2.56개의 중성자를 방출한다는 점이다.
퀴륨-250은 자발 핵분열 비율이 무려 80%나 되고 3.31개의 중성자를 방출하며, 캘리포늄-252는 자발 핵분열의 비율이 3.26%이며, 3.73개의 중성자를 방출한다. 캘리포늄-252부터는 열 중성자로 인해 일어나는 핵분열이나 자원 중성자로 인해 일어나는 핵분열의 비율은 68~70%로 여기서부터는 중성자 충돌로 일어나는 비율이 자발 핵분열 비율만큼이나 높아진다. 다만 중성자 충돌로 일어나는 중성자의 갯수는 3.63개로, 역시 자발 핵분열로 더 많은 중성자를 방출한다는 점은 짝수 원자량의 특성이다.
캘리포늄-254은 자발 핵분열 비율 99.69%나 되며, 페르뮴-256은 자발 핵분열 비율이 91.9%를 넘어 대부분 자발 핵분열이 붕괴의 원인으로 작용하며, 페르뮴-258부터는 자발 핵분열 비율이 100%가 되어, 원자로에서는 페르뮴-258보다 더 무거운 동위 원소는 생성되지 않는다. 이보다 더 무거운 동위 원소는 입자 가속기에서 입자간의 충돌로 얻어지게 된다.