삼핵분열

1. 개요

삼핵분열은 원자핵이 세 개의 파편으로 분열되는 핵분열의 한 형태이다. 일반적인 핵분열인 이핵분열보다 드물게 발생하며, 세 개의 양전하를 띤 파편을 생성한다. 가장 작은 파편은 헬륨-4 핵(알파 입자)이 가장 흔하며, 트리톤, 헬륨-6 핵 등이 뒤를 잇는다. 삼핵분열에서 작은 파편은 10~20 MeV 범위의 에너지를 가지며, 두 개의 큰 핵 파편은 이핵분열보다 에너지가 적다. 삼핵분열은 원자로에서 헬륨-4 및 삼중수소 가스 축적을 발생시키며, 진정 삼핵분열과 사핵분열과 같은 더 드문 형태의 핵분열도 존재한다.

2. 삼핵분열

가장 흔한 핵분열 과정은 이진 분열이다. 이진 분열은 95±15 및 135±15 u 원자 질량에서 최대 가능성을 가진 전하를 띤 두 개의 비대칭 분열 생성물을 생성한다. 그러나 큰 핵의 이러한 일반적인 분열에서 이진 과정은 단지 에너지적으로 가장 가능하기 때문에 발생한다.

원자로에서 1000번의 핵분열 중 2~4번의 빈도로 발생하는 삼중 분열은 세 개의 양전하를 띤 파편을 생성한다. 가장 작은 전하를 띤 생성물은 양성자(Z=1)에서 아르곤(Z=18) 핵까지 다양하다.

삼중 분열에서 가장 흔한 작은 파편은 헬륨-4 핵(알파 입자)이며, 작은 파편 생성물의 약 90%를 차지한다. 이는 알파 입자의 안정성(높은 결합 에너지)과 관련이 있다. 두 번째로 흔한 입자는 트리톤(삼중수소의 핵)이며, 전체 작은 파편의 7%를 차지하고, 세 번째는 헬륨-6 핵이다(약 0.8초 만에 리튬-6으로 붕괴됨). 양성자와 더 큰 핵은 나머지 작은 전하를 띤 생성물의 작은 비율(<2%)을 차지한다.

2.1. 생성물

삼중 분열은 핵분열 1000번 당 2~4번의 빈도로 발생하는 과정으로, 세 개의 양전하를 띤 파편을 생성한다. 가장 작은 파편은 양성자(Z=1)에서 아르곤(Z=18) 핵까지 다양하다.

삼중 분열에서 가장 흔하게 생성되는 작은 파편은 헬륨-4 핵(알파 입자)이며, 작은 파편 생성물의 약 90%를 차지한다. 이는 알파 입자의 높은 결합 에너지와 안정성 때문이다. 두 번째로 흔한 입자는 삼중수소의 핵인 트리톤으로, 전체 작은 파편의 7%를 차지한다. 세 번째는 헬륨-6 핵이며, 약 0.8초 만에 리튬-6으로 붕괴된다. 양성자와 더 큰 핵은 나머지 작은 파편의 작은 비율(<2%)을 구성한다.

삼중 분열에서 생성되는 두 개의 더 큰 파편은 이진 분열에서 생성되는 것과 크기 분포가 매우 유사하다.

2.2. 에너지

삼핵분열에서 세 번째로 훨씬 작은 생성물의 에너지는 보통 10~20 MeV 범위이다. 삼핵분열로 생성된 알파 입자는 그 기원에 따라 평균 에너지가 약 ~16 MeV인데, 이는 알파 붕괴에서 나타나는 에너지보다 훨씬 크다. 일반적으로 알파 붕괴에서 나오는 알파 입자는 ~5 MeV의 에너지를 가지므로, 삼핵분열에서 나오는 알파 입자는 "장거리 알파"라고 불리며, 공기 또는 다른 매질에서 더 긴 거리를 이동한다.

나머지 두 개의 더 큰 핵 파편은 운동 에너지로 분열 운동 에너지의 나머지 부분(일반적으로 무거운 원소 분열에서 총 ~170 MeV)을 갖는다. 이 에너지는 세 번째로 작은 생성물이 운반하는 10~20 MeV 운동 에너지로 나타나지 않는다. 따라서 삼핵분열에서 더 큰 핵 파편은 각각 이핵분열에서 보이는 것보다 보통 5~10 MeV만큼 에너지가 적다.

2.3. 중요성

삼핵분열은 이핵분열보다 덜 일반적인 과정이지만, 현대 원자로의 연료봉에서 상당한 양의 헬륨-4 및 삼중수소 가스 축적을 발생시킨다. 이 현상은 1957년 사바나강 국립 연구소 주변에서 처음 감지되었다.

3. 진정 삼핵분열

매우 드문 삼핵분열 과정의 유형을 "진정 삼핵분열"이라고 부르기도 한다. 이는 세 개의 거의 같은 크기의 하전된 조각(Z ~ 30)을 생성하지만, 약 1억 번의 핵분열 사건 중 1번 꼴로 발생한다. 이러한 유형의 핵분열에서 생성된 핵은 핵분열 에너지를 거의 동일한 세 부분으로 분할하며, 운동 에너지는 약 60 MeV이다. 진정 삼핵분열은 지금까지 무거운 고에너지 이온에 의해 충격을 받은 핵에서만 관찰되었다.

4. 사핵분열

사핵분열은 약 1천만 번의 핵분열 중 1번 꼴로 발생하는 희귀한 핵분열 과정이다. 삼핵분열과 유사하지만, 네 개의 하전된 생성물이 관찰된다는 차이점이 있다. 일반적으로 이 중 두 개는 가벼운 입자이며, 사핵분열의 가장 일반적인 형태는 두 개의 큰 입자와 두 개의 알파 입자(삼핵분열의 가장 일반적인 형태인 한 개의 알파 입자가 아닌)인 것으로 보인다.