핵분열 물질

3. 주요 핵분열성 핵종

'''분열성'''(fissile)이라는 용어는 '''핵분열성'''(fissionable)과 구별된다. 핵종(낮은 확률로도)이 고에너지 또는 저에너지 중성자를 포획한 후 핵분열을 겪을 수 있다면 ''핵분열성''이라고 한다.^[2] 저에너지 열 중성자를 포획한 후 높은 확률로 핵분열을 겪을 수 있는 핵분열성 핵종을 ''분열성''이라고 한다.^[3] 핵분열성 물질에는 고에너지 중성자에 의해서만 핵분열이 유도될 수 있는 물질(예: 우라늄-238)이 포함된다. 결과적으로 분열성 물질(예: 우라늄-235)은 핵분열성 물질의 부분 집합이다.

우라늄-235는 저에너지 열 중성자로 핵분열하는데, 그 이유는 중성자 흡수로 인한 핵 결합 에너지가 핵분열에 필요한 임계 에너지보다 크기 때문이다. 반대로, 열 중성자를 흡수하는 우라늄-238이 방출하는 결합 에너지는 임계 에너지보다 작으므로 핵분열이 가능하려면 중성자가 추가 에너지를 가져야 한다. 결과적으로 우라늄-238은 핵분열성이지만 분열성은 아니다.^[4][5]

다른 정의에 따르면, 분열성 핵종은 핵분열을 일으킬 수 있고(즉, 핵분열성) 핵분열에서 중성자를 생성하여 적절한 조건에서 핵연쇄 반응을 지속할 수 있는 핵종으로 정의된다. 이 정의에 따르면, 핵분열성이지만 분열성이 아닌 핵종은 핵분열을 일으킬 수 있지만 핵연쇄 반응을 지속하기에 불충분한 수 또는 에너지를 갖는 중성자를 생성하는 핵종뿐이다. 따라서 모든 분열성 동위원소는 핵분열성이지만, 모든 핵분열성 동위원소가 분열성인 것은 아니다. 특히 군비 통제 맥락에서, 특히 분열성 물질 감축 조약에 대한 제안에서, ''분열성''은 핵무기의 핵분열 1차 부품에 사용될 수 있는 물질을 설명하는 데 자주 사용된다.^[6] 이들은 폭발성 고속 중성자 핵분열 핵연쇄 반응을 지속하는 물질이다.

열핵 무기의 2단계에서 우라늄-238의 고속 핵분열은 핵융합으로 인한 고에너지 중성자 생성으로 인해, 이러한 무기의 위력과 낙진에 크게 기여한다. 우라늄-238 탬퍼의 고속 핵분열은 또한 순수한 핵분열 무기에서도 나타났다.^[7] 우라늄-238의 고속 핵분열은 일부 고속 중성자 원자로의 출력에 상당한 기여를 한다.

핵연료의 핵분열성 핵종에는 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239, 플루토늄-241이 포함된다. 핵분열성 핵종은 중성자 흡수 시 100% 핵분열할 확률을 갖지 않는다. 확률은 핵종뿐만 아니라 중성자 에너지에도 따라 다릅니다. 저에너지 및 중간 에너지 중성자의 경우 핵분열에 대한 중성자 포획 중성자 단면적 (σ_F), 감마선 방출을 동반한 중성자 포획에 대한 단면적(σ_γ) 및 비핵분열의 백분율은 아래 표에 나와 있다.

3. 1. 핵분열성 규칙

4. 핵연료

핵연료는 핵분열 연쇄 반응을 지속시켜 에너지를 생산하는 데 사용되는 물질이다. 핵연료가 되기 위해서는 다음 조건을 만족해야 한다.

• 결합 에너지 곡선에서 핵분열 연쇄 반응이 가능한 영역(라듐 위)에 있어야 한다.
• 중성자 포획 시 핵분열 확률이 높아야 한다.
• 중성자 포획당 평균 1개 이상의 중성자를 방출해야 한다. (각 핵분열 시 충분한 중성자가 방출되어 비핵분열 및 비연료 물질의 흡수를 보상해야 한다.)
• 상당히 긴 반감기를 가져야 한다.
• 적절한 양으로 사용할 수 있어야 한다.

일반적으로 홀수 중성자수를 가진 대부분의 악티늄족 동위 원소는 핵분열성이다. 대부분의 핵연료는 홀수 질량수(전체 핵자 수)와 짝수 원자 번호 ''Z''를 갖는다. 이는 홀수 중성자 수를 의미한다. 홀수 중성자 수를 가진 동위 원소는 추가 중성자를 흡수하여 짝짓기 효과로 인해 1~2 MeV의 추가 에너지를 얻는다. 이 에너지는 느린 중성자에 의한 핵분열에 필요한 추가 에너지를 공급하기에 충분하다.

Yigal Ronen이 제안한 핵분열성 규칙에 따르면, 90과 100 사이의 ''Z''를 가진 무거운 원소의 경우, 동위 원소는 2 × ''Z'' − ''N'' ∈ {41, 43, 45}일 때 핵분열성이다 (여기서 ''N'' = 중성자수, ''Z'' = 원자 번호).^[13][14]

핵연료로 사용되는 핵분열성 핵종에는 다음이 포함된다.

• 우라늄-233 (토륨-232가 중성자를 포획하여 생성)
• 우라늄-235 (천연 우라늄 및 농축 우라늄에 존재)
• 플루토늄-239 (우라늄-238이 중성자를 포획하여 생성)
• 플루토늄-241 (플루토늄-240이 중성자를 직접 포획하여 생성)

4. 1. 비핵분열성 핵종

• 토륨-232는 중성자를 포획하여 우라늄-233을 생성한다. (중간 붕괴 단계는 생략)
• 우라늄-238은 중성자를 포획하여 플루토늄-239를 생성한다. (중간 붕괴 단계는 생략)
• 플루토늄-240은 중성자를 직접 포획하여 플루토늄-241을 생성한다.

• 원자핵의 결합 에너지 곡선상에서 핵분열 연쇄 반응이 가능한 영역에 있을 것(즉, 라듐보다 원자 번호가 클 것).
• 중성자 포획에 의해 핵분열을 일으킬 확률이 클 것.
• 핵분열 시 평균 2개 이상의 중성자를 방출할 것.
• 충분히 긴 반감기를 가질 것.
• 어느 정도 충분한 양이 이용 가능할 것(너무 희귀하지 않을 것).

참조

_[1] 웹사이트 NRC: Glossary -- Fissile material https://www.nrc.gov/[...]
_[2] 웹사이트 NRC: Glossary -- Fissionable material https://www.nrc.gov/[...]
_[3] 웹사이트 Slides-Part one: Kinetics https://unene.ca/edu[...] UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering 2013-01-03
_[4] 서적 Nuclear Reactor Analysis John Wiley & Sons, Inc.
_[5] 서적 Introduction to Nuclear Engineering Prentice Hall
_[6] 웹사이트 Fissile Materials and Nuclear Weapons http://www.fissilema[...]
_[7] 서적 Applied Modeling and Computations in Nuclear Science https://pubs.acs.org[...] 2006
_[8] 문서 Plus radium (element 88). While actually a sub-actinide, it immediately precedes actinium (89) and follows a three-element gap of instability after [[polonium]] (84) where no nuclides have half-lives of at least four years (the longest-lived nuclide in the gap is [[radon-222]] with a half life of less than four ''days''). Radium's longest lived isotope, at 1,600 years, thus merits the element's inclusion here.
_[9] 문서 Specifically from [[thermal neutron]] fission of uranium-235, e.g. in a typical [[nuclear reactor]].
_[10] 학술지 The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248
_[11] 문서 This is the heaviest nuclide with a half-life of at least four years before the "[[sea of instability]]".
_[12] 문서 Excluding those "[[primordial nuclide|classically stable]]" nuclides with half-lives significantly in excess of ²³²Th; e.g., while ^113mCd has a half-life of only fourteen years, that of ¹¹³Cd is eight [[orders of magnitude (numbers)#1015|quadrillion]] years.
_[13] 학술지 A rule for determining fissile isotopes http://www.ans.org/p[...]
_[14] 학술지 Some remarks on the fissile isotopes
_[15] 문서 The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only fourteen (including a long-lived [[metastable]] [[nuclear isomer]]) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is [[naturally occurring radioactive material|naturally occurring]]. It is possible to [[breeder reactor|breed]] U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single [[neutron capture]]. The others are typically produced in smaller quantities through [[:File:Sasahara.svg|further neutron absorption]].
_[16] 웹사이트 Interactive Chart of Nuclides https://web.archive.[...] Brookhaven National Laboratory 2013-08-12
_[17] 문서 용어辞典(1974) p.55 『核分裂性物質』
_[18] 문서 発電工学(2003) p.186
_[19] 문서 라듐(88번 원소) 포함. 라듐은 악티늄(89)보다
_[20] 문서 일반적 핵분열로에서 U-235 핵분열로 얻어진 열중성자로부터의 수율.
_[21] 문서 4년 이상의 반감기를 가진
_[22] 문서 원시 핵종 제외