중성자 방출
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1. 개요
중성자 방출은 원자핵이 중성자를 방출하는 현상이다. 중성자 방출은 자발적 중성자 방출, 이중 중성자 방출, 광중성자 방출, 베타 지연 중성자 방출 등 여러 종류가 있다. 핵분열 과정에서도 중성자가 방출되며, 특히 유도 핵분열과 자발 핵분열에서 나타난다. 핵분열 생성물에서 방출되는 지연 중성자는 원자로 제어에 중요한 역할을 하며, 원자력 발전의 안전성을 확보하는 데 기여한다.
중성자 방출은 원자핵에서 중성자가 빠져나오는 현상을 말하며, 발생하는 원인과 과정에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 주요 종류로는 자발적 중성자 방출, 이중 중성자 방출, 광중성자 방출, 베타 지연 중성자 방출 등이 있다. 이러한 중성자 방출 현상은 중성자선의 발생과 밀접한 관련이 있다. 각 방출 종류에 대한 자세한 설명은 아래의 해당 문단에서 확인할 수 있다.
핵분열은 중성자가 방출되는 대표적인 과정 중 하나이다. 핵분열은 외부 입자의 충돌에 의해 발생하는 유도 핵분열과 불안정한 핵이 스스로 붕괴하는 자발 핵분열로 나눌 수 있으며, 두 과정 모두에서 중성자가 방출될 수 있다.
2. 중성자 방출의 종류
2. 1. 자발적 중성자 방출
파울리 배타 원리에 따라 양성자나 중성자가 과잉 상태인 핵은 핵자당 평균 에너지가 더 높다. 중성자가 매우 과잉된 핵은 자유 중성자 하나와 중성자가 하나 줄어든 핵의 결합 상태보다 에너지가 높을 수 있으며, 이런 경우 중성자를 방출하며 붕괴한다. 이러한 방식으로 붕괴하는 핵은 중성자 드립 라인 너머에 있다고 표현한다.
중성자를 방출하는 동위원소의 예로는 베릴륨-13(평균 수명 2.7×10-21초로 베릴륨-12로 붕괴)과 헬륨-5(평균 수명 7×10-22초로 헬륨-4로 붕괴)가 있다.[1]
핵 붕괴 방식을 나타내는 표에서는 중성자 방출을 보통 약어 ''n''으로 표시한다.
2. 2. 이중 중성자 방출
일부 중성자 과잉 동위원소는 두 개 이상의 중성자를 방출하며 붕괴한다. 예를 들어, 수소-5와 헬륨-10은 두 개의 중성자를 방출하며 붕괴하고, 수소-6은 3개 또는 4개의 중성자를 방출하며, 수소-7은 4개의 중성자를 방출하며 붕괴한다.
2. 3. 광중성자 방출
일부 핵종은 감마선에 의해 중성자를 방출하도록 유도될 수 있다. 이러한 핵종 중 하나는 9Be이다. 베릴륨의 풍부함과 8Be의 불안정성과 관련된 결과 때문에 핵천체물리학에서 광핵붕괴가 중요하게 다뤄진다. 이러한 특성 때문에 이 동위원소는 원자로에서 중성자원으로 사용되기도 한다.[2] 또 다른 핵종인 181Ta 역시 광핵붕괴가 쉽게 일어나는 것으로 알려져 있다. 이 과정은 유일한 원시 핵 이성질체이자 가장 희귀한 원시 핵종인 180mTa가 생성되는 원인으로 여겨진다.[3]
2. 4. 베타 지연 중성자 방출
중성자 방출은 일반적으로 들뜬 상태의 핵에서 발생하며, 예를 들어 17N의 베타 붕괴로 생성된 들뜬 17O*이 있다. 중성자 방출 과정 자체는 핵력에 의해 제어되므로 매우 빠르며, 때로는 "거의 즉각적"이라고도 한다. 이 과정을 통해 불안정한 원자는 더 안정될 수 있다. 중성자 방출은 여러 핵자의 움직임의 결과일 수 있지만, 궁극적으로는 핵자 사이의 극히 짧은 거리에서 존재하는 핵력의 반발 작용에 의해 매개된다.
3. 핵분열에서의 중성자 방출
3. 1. 유도 핵분열
유도 핵분열은 핵이 중성자, 감마선 또는 다른 에너지 전달체에 의해 충돌할 때 발생하는 현상이다. 이러한 유도 핵분열 과정에서는 "즉발 중성자"라고 불리는 중성자가 거의 동시에 방출되는 경우가 많으며, 이는 중성자 방출의 대표적인 예시이다.[1] 한편, 캘리포늄-252와 같은 일부 무거운 동위원소는 자발 핵분열이라는 자연적인 방사성 붕괴 과정을 겪기도 하는데, 이 과정에서도 즉발 중성자가 방출될 수 있다.[1]
3. 2. 자발 핵분열
자연 핵분열은 핵이 두 개(때로는 세 개)의 더 작은 핵으로 분열되고 일반적으로 하나 이상의 중성자가 방출될 때 발생한다.
4. 원자로 제어와 지연 중성자
대부분의 중성자 방출은 핵분열 과정에서 즉시 생성되는 즉발 중성자 외에도, 핵분열 생성물로 만들어진 중성자가 과다한 동위원소에서 발생한다. 이 중성자들은 핵분열 후 일정 시간이 지나서 방출되기 때문에 지연 중성자라고 불린다. 하지만 실제 지연은 중성자 방출 자체가 늦는 것이 아니라, 중성자를 방출할 수 있는 여기 상태의 핵(전구체)이 만들어지기까지 핵분열 생성물의 베타 붕괴를 기다려야 하기 때문에 발생한다. 베타 붕괴는 약력에 의해 제어되므로 중성자 생성 과정보다 훨씬 긴 시간이 소요되며, 지연 중성자를 만드는 전구체의 베타 붕괴 반감기는 보통 수 초에서 수십 초에 이른다.
이렇게 핵분열 생성물에서 방출되는 지연 중성자는 원자로 제어에 중요한 역할을 한다. 만약 즉발 중성자만 존재한다면 핵분열 반응 속도(반응도)가 너무 빠르게 변하여 제어가 불가능하겠지만, 지연 중성자 덕분에 반응도 변화가 훨씬 느려진다. 전체 핵연쇄 반응에서 발생하는 중성자 중 약 0.65%가 이러한 지연 중성자인데, 이 적은 비율의 중성자 덕분에 원자로는 즉발 임계 상태에 도달하는 것을 피하고, 인간이 제어할 수 있는 시간 범위 내에서 안정적으로 운영될 수 있다. 이는 파국적인 용융 사고 없이 원자로를 제어하는 데 필수적이다.
5. 관련 항목
참조
[1]
웹사이트
Neutron Emission
http://education.jla[...]
2014-10-30
[2]
논문
A resonance problem on the low-lying resonant state in the 9Be system
http://inspirehep.ne[...]
2014
[3]
논문
Photoneutron Cross Sections for Nuclear Astrophysics
2002
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