핵 연쇄 반응
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1. 개요
핵 연쇄 반응은 핵분열성 물질이 중성자를 흡수하여 추가 중성자를 방출하며 핵분열을 일으키는 과정이다. 1930년대에 개념이 제안되었고, 1942년 시카고 대학에서 최초로 인공적인 자가 유지 핵 연쇄 반응이 성공했다.
핵 연쇄 반응은 핵무기와 원자력 발전에 활용된다. 핵무기는 즉발 초임계 상태를 이용하여 폭발적인 에너지를 방출하며, 원자력 발전소는 반응 속도를 제어하여 에너지를 생산한다. 핵 연쇄 반응은 핵분열성 물질, 농축 과정, 중성자 수명, 유효 중성자 증배 계수 등 여러 요소에 의해 특징지어진다. 원자력 발전소는 지연 중성자를 활용하여 안전하게 작동하며, 사고 발생 시에는 노심 용융 등의 위험이 존재한다.
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맨해튼 계획은 제2차 세계 대전 중 미국, 영국, 캐나다가 연합하여 핵무기 개발을 위해 1939년부터 1946년까지 진행한 프로젝트이다.
핵 연쇄 반응 | |
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개요 | |
정의 | 하나의 핵반응이 하나 이상의 추가적인 핵반응을 유발하는 과정 |
설명 | 핵분열 연쇄 반응은 핵무기와 원자력 발전소에서 사용되는 중요한 과정이다. 이 과정에서 중성자가 우라늄-235와 같은 핵분열성 원자의 핵을 때려 핵분열을 일으키고, 이때 더 많은 중성자가 방출되어 추가적인 핵분열을 유발한다. |
연쇄 반응의 종류 | |
임계 상태 | 연쇄 반응이 지속되는 상태 각 핵분열이 평균적으로 하나의 추가적인 핵분열을 유발한다. |
미임계 상태 | 연쇄 반응이 멈추는 상태 각 핵분열이 평균적으로 1개 미만의 추가적인 핵분열을 유발한다. |
초임계 상태 | 연쇄 반응이 가속화되는 상태 각 핵분열이 평균적으로 1개 이상의 추가적인 핵분열을 유발한다. |
제어된 연쇄 반응 | 원자력 발전소에서 일정한 속도로 에너지를 생산하는 데 사용된다. 제어봉을 사용하여 연쇄 반응 속도를 조절한다. |
제어되지 않은 연쇄 반응 | 핵무기에서 폭발적인 에너지 방출을 일으킨다. 연쇄 반응이 기하급수적으로 증가하여 순식간에 엄청난 양의 에너지를 방출한다. |
연쇄 반응의 조건 | |
임계 질량 | 지속적인 연쇄 반응을 유지하는 데 필요한 최소한의 핵분열성 물질의 양 임계 질량은 핵분열성 물질의 종류, 밀도, 모양 등에 따라 달라진다. |
중성자 반사체 | 핵분열성 물질 주변에 중성자를 반사하는 물질을 사용하여 연쇄 반응을 개선할 수 있다. 중성자 반사체는 중성자가 핵분열성 물질에서 빠져나가는 것을 막아 연쇄 반응의 효율을 높인다. |
핵무기 | |
작동 원리 | 초임계 상태의 연쇄 반응을 짧은 시간 안에 일으켜 엄청난 에너지를 방출한다. 핵무기는 일반적으로 핵분열성 물질을 임계 질량 이상으로 압축하거나, 여러 개의 미임계 질량 덩어리를 합쳐 초임계 상태를 만든다. |
종류 | 원자 폭탄 수소 폭탄 |
원자력 발전소 | |
작동 원리 | 제어된 연쇄 반응을 통해 열을 발생시키고, 이 열로 물을 끓여 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 원자력 발전소는 제어봉과 감속재를 사용하여 연쇄 반응 속도를 정밀하게 조절한다. |
안전성 | 원자력 발전소는 여러 안전 장치를 갖추고 있지만, 사고 발생 가능성이 존재한다. 대표적인 원자력 발전소 사고로는 체르노빌 원자력 발전소 사고와 후쿠시마 원자력 발전소 사고가 있다. |
2. 역사
1913년 독일 화학자 막스 보덴슈타인이 화학 연쇄 반응을 처음 제안했다.[1]
핵 연쇄 반응은 중성자와 핵분열성 동위원소(예: 235U영어) 사이의 상호작용으로 발생한다. 연쇄 반응은 핵분열을 겪는 핵분열성 동위원소에서 중성자가 방출되는 것과 이 중성자 중 일부가 핵분열성 동위원소에 흡수되는 것을 모두 필요로 한다. 원자가 핵분열을 겪을 때 몇 개의 중성자(정확한 수는 통제 불가능하고 측정할 수 없는 요인에 따라 다르며, 예상 수는 여러 요인에 따라 다르며 일반적으로 2.5에서 3.0 사이)가 방출된다. 이 자유 중성자는 주변 매질과 상호 작용하며, 더 많은 핵분열성 연료가 존재할 경우 일부가 흡수되어 더 많은 핵분열을 일으킬 수 있다. 따라서 이 주기가 반복되어 자체적으로 유지되는 반응이 생성된다.
1933년 9월 12일, 헝가리 과학자 레오 실라르드는 핵 연쇄 반응 개념을 처음으로 제안하고, 이듬해에 원자로에 대한 아이디어를 특허로 출원했다.[2][3] 그는 베릴륨과 인듐을 사용하여 연쇄 반응을 만들려고 시도했지만 실패했다.
1938년 12월, 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 핵분열을 발견했고,[4] 1939년 1월 리제 마이트너와 그의 조카 오토 로베르트 프리쉬가 이론적으로 설명했다.[5]
몇 달 후, 프레데릭 졸리오퀴리, 한스 폰 할반, 레프 코바르스키는 파리에서[7], 레오 실라르드와 엔리코 페르미는 뉴욕에서[9] 우라늄에서 중성자 증식을 발견하여 핵 연쇄 반응의 가능성을 증명했다.
1942년 12월 2일, 엔리코 페르미가 이끄는 팀은 시카고 대학교 스테그 필드에 설치된 실험로 시카고 파일 1에서 최초의 인공적인 자가 유지 핵 연쇄 반응을 생성했다. 이 실험은 맨해튼 계획의 일부였다.[11]
같은 해, 일본의 니시나 요시오와 키무라 켄지로 등은 우라늄 238에 고속 중성자를 조사하여 핵분열 연쇄 반응을 동반하는 대칭 핵분열 생성물을 생성했다.[22][23][24]
1972년 9월, 가봉의 오클로에서 약 20억 년 전 자연적으로 발생한 핵 연쇄 반응(오클로 천연 원자로)의 흔적이 발견되었다.[12]
3. 핵 연쇄 반응 과정
핵분열성 원자가 핵분열을 겪을 때, 두 개 이상의 핵분열 생성물로 분열된다. 또한, 여러 개의 자유 중성자, 감마선, 중성미자가 방출되며, 많은 양의 에너지가 방출된다. 핵분열 생성물과 방출된 중성자의 정지 질량의 합은 원래 원자와 입사 중성자의 정지 질량의 합보다 적다(물론 핵분열 생성물은 정지해 있지 않다). 질량 차이는 ''E=Δmc2'' 방정식에 따라 에너지 방출로 설명된다.
:'''방출 에너지 질량''' =
광속 ''c''의 매우 큰 값 때문에, 질량의 작은 감소는 엄청난 양의 활성 에너지 방출과 관련이 있다(예: 핵분열 생성물의 운동 에너지). 이 에너지는(방사선 및 열의 형태로) 반응 시스템을 떠날 때 잃어버린 질량을 운반한다(총 질량은 총 에너지와 마찬가지로 항상 보존된다).
원자력 발전소는 핵반응이 발생하는 속도를 정확하게 제어하여 작동하며, 핵무기는 일단 반응이 시작되면 제어할 수 없을 정도로 빠르고 강렬한 반응을 생성하도록 특별히 설계되었다. 적절하게 설계된 경우, 이 제어되지 않은 반응은 폭발적인 에너지 방출로 이어진다.
3. 1. 핵 연쇄 반응의 종류
핵 연쇄 반응은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
일반적인 화학 반응은 몇 eV 정도의 에너지를 방출하지만, 핵분열 반응은 일반적으로 수억 eV 정도의 에너지를 방출한다.[16]
두 가지 전형적인 핵분열 반응에서 방출되는 평균 에너지와 중성자 수는 다음과 같다.[16]
반응식 | 핵분열 생성물 | 중성자 수 | 에너지 (MeV) |
---|---|---|---|
235U + neutron ->영어 | 핵분열 생성물 | 2.4 | 192.9 |
239Pu + neutron ->영어 | 핵분열 생성물 | 2.9 | 198.5 |
4. 핵 연쇄 반응의 요소
핵 연쇄 반응은 다음과 같은 여러 요소를 통해 구현되고 유지된다.
- '''핵분열성 물질''': 우라늄-235, 플루토늄-239 등은 중성자와 충돌하여 분열하면서 더 많은 중성자를 방출, 연쇄 반응을 지속시킨다.
- '''중성자 감속재''': 핵분열 과정에서 생성되는 빠른 중성자의 속도를 줄여 핵분열 확률을 높인다. 중수, 흑연, 물 등이 감속재로 사용된다.
- '''중성자 반사체''': 반응기 외부로 빠져나가는 중성자를 다시 반응기 내부로 반사시켜 핵분열 효율을 높인다.
- '''제어봉''': 중성자를 흡수하여 핵분열 속도를 조절한다. 제어봉을 통해 반응 속도를 제어하고, 필요시 연쇄 반응을 중단시킬 수 있다.
가봉의 오클로에서는 과거에 자연적인 핵 연쇄 반응, 즉 자연 핵분열 원자로가 존재했었다는 증거가 발견되었다.[12] 이는 우라늄-235의 농도가 현재보다 높았던 과거에, 지각 내에 적절한 물질 조합이 존재하여 핵 연쇄 반응이 가능했음을 보여준다.
4. 1. 핵연료
핵분열 원자로와 같은 에너지 목적을 위한 연료는 일반적으로 저농축 산화물 재료(예: 이산화 우라늄, UO2)로 구성된다. 핵반응기 내부의 핵분열 반응에 사용되는 두 가지 주요 동위원소가 있다.가장 일반적인 것은 우라늄-235이다. 이것은 우라늄의 핵분열성 동위원소이며, 모든 자연 발생 우라늄의 약 0.7%를 차지한다.[13] 235U의 존재량이 적기 때문에, 전 세계의 암석층에서 발견됨에도 불구하고 비재생 에너지원으로 간주된다.[14] 우라늄-235는 에너지 생산을 위해 기본 형태로 연료로 사용할 수 없으며, UO2 화합물을 생산하기 위해 정제라는 과정을 거쳐야 한다. UO2는 압착되어 세라믹 펠릿으로 성형되며, 이후 연료봉에 배치할 수 있다. 이때 UO2는 원자력 생산에 사용될 수 있다.
핵분열에 사용되는 두 번째로 흔한 동위원소는 플루토늄-239인데, 이는 느린 중성자 상호 작용으로 핵분열성이 될 수 있기 때문이다. 이 동위원소는 핵분열 중에 방출되는 중성자에 238U를 노출시켜 핵반응기 내부에서 형성된다.[15] 중성자 포획의 결과로 우라늄-239가 생성되며, 이는 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-239가 된다. 플루토늄은 한때 지구 지각에서 원시 원소로 존재했지만, 극미량만 남아 있어 주로 인공적으로 생성된다.
4. 2. 농축 과정
에너지 생산에 연료로 사용하기 위해서는 천연 상태의 핵분열성 동위원소인 우라늄-235를 농축해야 한다. 농축 과정은 플루토늄에는 적용되지 않는데, 원자로 등급의 플루토늄은 서로 다른 두 가지 우라늄 동위원소 간의 중성자 상호 작용의 부산물로 생성되기 때문이다.[1]우라늄 농축의 첫 번째 단계는 우라늄 산화물(우라늄 제련 과정을 통해 생성됨)을 기체 형태로 변환하는 것이다. 이 기체는 육불화 우라늄으로 알려져 있으며, 불화 수소, 플루오린, 우라늄 산화물을 결합하여 생성된다. 이 과정에는 이산화 우라늄도 존재하며, 농축 연료가 필요하지 않은 원자로에서 사용하기 위해 보내진다. 나머지 육불화 우라늄 화합물은 금속 실린더로 배출되어 고체화된다.[1]
다음 단계는 남은 열화 U-235에서 육불화 우라늄을 분리하는 것이다. 이는 일반적으로 우라늄 동위원소의 1% 질량 차이를 분리할 수 있을 정도로 빠르게 회전하는 원심 분리기를 사용하여 수행된다. 그런 다음 레이저를 사용하여 육불화물 화합물을 농축한다. 마지막 단계는 농축된 화합물을 다시 우라늄 산화물로 재변환하여 최종 생성물인 농축 우라늄 산화물을 남기는 것이다. 이 형태의 UO2는 이제 발전소 내부의 핵분열 원자로에서 에너지를 생산하는 데 사용할 수 있다.[1]
5. 핵 연쇄 반응의 특징
핵 연쇄 반응은 중성자와 핵분열성 동위원소(예: 235U) 사이의 상호 작용으로 발생한다. 연쇄 반응은 핵분열을 겪는 핵분열성 동위원소에서 중성자가 방출되고, 이 중성자 중 일부가 다시 핵분열성 동위원소에 흡수되어 핵분열을 일으키는 과정이 반복되면서 유지된다.[19]
원자력 발전소는 핵반응 속도를 정밀하게 제어하는 반면, 핵무기는 일단 시작되면 제어할 수 없는 빠르고 강력한 반응을 일으키도록 설계된다.
- '''즉발 중성자 수명'''(): 중성자가 방출된 후 흡수되거나 시스템에서 벗어날 때까지의 평균 시간이다.[19] 핵분열에서 직접 발생하는 중성자를 즉발 중성자, 핵분열 생성물의 방사성 붕괴로 발생하는 중성자를 지연 중성자라고 한다. "열"(느린 중성자) 핵분열 원자로에서 즉발 중성자 수명은 약 10−4 초, 고속 핵분열 원자로에서는 10−7 초 정도이다.[16]
- '''평균 세대 시간'''(λ): 중성자 방출에서 핵분열을 유발하는 포획까지의 평균 시간이다.[16] 평균 발생 시간은 즉발 중성자 수명과 다르며, 핵분열 반응으로 이어지는 중성자 흡수만 고려한다. 두 시간은 λ = 공식으로 관련된다. (''keff''는 유효 중성자 증배 계수)
핵분열로 인해 중성자가 방출된 후 다른 원자핵에 포획되기까지의 평균 시간을 '''평균 세대 시간'''이라고 한다. 핵분열로 방출된 중성자는 약 10cm 정도의 매우 짧은 거리를 이동하며, 중성자의 평균 속도는 약 10,000 km/s 전후이다. 따라서 핵분열 반응의 시간 척도는 10ns 정도이며, 이 시간의 길이를 셰이크(shake)라는 단위로 부르기도 한다.
5. 1. 유효 중성자 증배 계수(k)에 따른 분류
6인자 공식에 따른 유효 중성자 증배 계수(''k'')는 한 번의 핵분열에서 다음 핵분열을 일으키는 중성자의 평균 개수이다. ''k'' 값에 따라 핵 연쇄 반응은 다음과 같이 분류된다.- '''k < 1''' (임계 미만): 시스템은 연쇄 반응을 유지할 수 없다. 각 핵분열은 평균적으로 1/(1 - ''k'')번의 핵분열을 유도하지만, 연쇄 반응은 곧 중단된다. 아임계로는 외부 중성자원을 제거하면 핵 반응이 "꺼지는" 원리를 이용하며, 이는 내재적 안전성을 제공한다.
- '''k = 1''' (임계 질량): 모든 핵분열은 평균적으로 한 번 더 핵분열을 일으켜 핵분열 및 출력 수준이 일정하게 유지된다. 원자력 발전소는 출력 수준이 변하지 않는 한 k = 1로 작동한다.
- '''k > 1''' (초임계): 모든 핵분열에 대해 다음 ''평균 생성 시간''(λ) 후에 keff번의 핵분열이 발생할 가능성이 높다. 핵분열 반응 수는 (는 경과 시간)에 따라 지수적으로 증가한다. 핵무기는 이 상태에서 작동하도록 설계되었다.
원자로의 운동 및 역학을 설명하고, 원자로 작동 실제에서는 반응도 개념(ρ = )이 사용된다. 인아워는 원자로 반응도의 단위이다.
원자력 발전소에서 keff는 열적 효과로 인해 1 근처에서 약간씩 변동한다. 연료봉이 가열, 팽창하면 포획률이 낮아져 keff가 감소한다. 이는 평균 keff 값을 1로 유지한다. 지연 중성자와 과도기적인 핵분열 생성물인 "가연성 독소"는 이러한 진동의 타이밍에 중요한 역할을 한다.
핵분열성 물질이 중성자 반사체에 둘러싸이거나 밀도가 증가하면 ''k'' 값이 증가한다. 핵무기 폭축 과정에서는 핵분열성 물질을 통상 폭약으로 압축하여 밀도를 높여 폭발을 일으킨다.
1개의 원자핵에 1개의 중성자가 충돌해 핵분열이 일어나 3개의 중성자가 생성되고, 계의 ''k'' 값이 1보다 크다고 가정할 때, 1개의 중성자가 다음 핵분열을 일으킬 확률은 ''k'' / 3이다. 연쇄 반응을 일으킬 확률은 이다. 이 확률은 ''k'' = 1일 때 0, ''k'' = 3일 때 1이 된다. ''k'' 값이 1보다 약간 큰 경우, 이 확률은 근사적으로 ''k'' - 1로 나타낸다.
5. 1. 1. 즉발 임계와 지발 임계
핵분열 반응에서 모든 중성자가 직접 방출되는 것은 아니다. 일부 중성자는 핵분열 생성물의 방사성 붕괴를 통해 발생한다. 핵분열에서 직접 나오는 중성자를 "즉발 중성자", 핵분열 생성물의 방사성 붕괴로 나오는 중성자를 "지발 중성자"라고 한다. 지발 중성자 비율(β)은 전체 중성자의 1% 미만이다.[16]지발 중성자는 원자로가 즉발 중성자만 있을 때보다 훨씬 느리게 반응하도록 한다.[19] 지발 중성자가 없다면 원자로 반응 속도는 인간이 제어하기 어려울 정도로 빠르다.
''k'' = 1과 ''k'' = 1/(1 − β) 사이의 초임계 영역은 '''지연 초임계''' (또는 지연 임계)라고 하며, 모든 원자력 발전소가 이 영역에서 작동한다. ''k'' > 1/(1 − β)인 초임계 영역은 '''즉발 초임계''' (또는 즉발 임계)라고 하며, 핵무기가 작동하는 영역이다.
임계 상태에서 즉발 임계 상태로 가는 데 필요한 ''k'' 변화는 달러로 정의된다.
핵분열로 방출되는 중성자는 즉발 중성자와 지발 중성자로 나뉜다. 지발 중성자 비율은 보통 1% 미만이다. 원자로 내에서 중성자 증배율 ''k''는 1 근처에서 안정적으로 유지된다. 모든 중성자를 고려해 ''k'' = 1이 되면 '''임계 상태''' (또는 '''지발 임계''')라고 한다. 원자로는 이 상태에서 작동하며, 출력 변화가 느려 제어봉 등으로 제어할 수 있다. 즉발 중성자만으로 ''k'' = 1이 되면 '''즉발 임계''' 상태라고 한다. 이때 중성자 배가 시간은 ''k'' - 1 값에 따라 일반적인 임계보다 훨씬 짧다. 일반 임계에서 즉발 임계까지 필요한 반응도를 달러(dollar) 단위로 나타낸다[http://www.mns.kyutech.ac.jp/~okamoto/education/nuclearpower/nuclear-reactor-dynamics100112.pdf]. 반응도가 1달러면 즉발 임계, 1달러 이상이면 원자로 제어가 어려워진다.
6. 핵무기
핵무기는 제어되지 않는 핵 연쇄 반응을 이용하여 막대한 에너지를 방출하는 무기이다. 핵무기는 핵분열성 물질을 매우 빠르게(약 1마이크로초, 즉 백만 분의 1초) 최적의 초임계 상태로 만들어 폭발을 일으킨다.[18] 이 때문에 고농축 우라늄 또는 플루토늄을 사용하며, 임계 질량 이상의 핵분열성 물질을 빠르게 결합시켜야 한다.
핵분열 무기는 즉발 초임계 상태의 핵분열성 연료 덩어리를 필요로 한다. 주어진 핵분열 물질의 질량에 대해 중성자 증배율(''k'') 값은 밀도를 증가시켜 증가시킬 수 있다. 핵분열성 물질의 밀도를 증가시키면 ''k'' 값을 증가시킬 수 있는데, 이 개념은 핵무기의 폭축 방식에 사용된다.
총열형 핵분열 무기에서는 두 개의 아임계 질량의 연료가 빠르게 합쳐진다. 두 질량의 조합에 대한 ''k'' 값은 항상 구성 요소의 ''k'' 값보다 크다. ''k'' 값은 핵분열성 물질을 둘러싼 중성자 반사체를 사용하여 증가시킬 수도 있다.
핵무기 폭발 시 사전 폭발 가능성을 낮게 유지하기 위해, 초임계 결합 과정은 최소한의 시간으로 이루어져야 하며, 자발 핵분열 비율이 너무 높지 않은 핵분열성 물질 및 기타 물질을 사용해야 한다. 특히, 플루토늄을 사용한 핵폭탄은 여러 제약으로 말미암아 포신형 결합 과정을 사용할 수 없다.
6. 1. 사전 폭발
핵무기가 최적의 초임계 상태에 도달하기 전에 자유 중성자에 의해 핵분열이 조기에 시작되는 현상을 '''사전 폭발'''이라고 한다.[18] 핵무기는 핵분열성 물질을 매우 빠르게(약 1마이크로초) 최적의 초임계 상태로 만들어야 한다. 이 과정에서 조립체가 초임계 상태이지만 연쇄 반응에 최적의 상태가 아닐 때, 자발 핵분열로 인한 자유 중성자는 장치가 대폭발을 일으키기 전에 핵분열성 물질을 파괴하는 예비 연쇄 반응을 일으킬 수 있다.사전 폭발 확률을 낮추기 위해서는 다음 두 가지 방법을 사용한다.
- 비최적 조립 기간 최소화: 핵분열성 물질의 결합 시간을 최소화한다.
- 자발 핵분열률이 낮은 물질 사용: 자발 핵분열 비율이 낮은 핵분열성 물질 및 기타 물질을 사용한다.
이 두 가지 방법을 조합하여, 초기 시간 내에 자발 핵분열 횟수를 1회 미만으로 억제한다. 이러한 제약 때문에 플루토늄을 사용하는 핵폭탄은 포신형 결합 방식을 사용할 수 없고, 폭축 방식을 사용한다.
7. 원자력 발전
원자력 발전소는 제어된 핵 연쇄 반응을 이용하여 전력을 생산한다. 핵분열로부터 직접 발생하는 즉발 중성자와 핵분열 생성물의 방사성 붕괴로 인해 발생하는 지연 중성자가 있는데, 지연 중성자는 원자로가 즉발 중성자만 있을 때보다 훨씬 느리게 반응하도록 한다.[16] 지연 중성자가 없다면 원자로의 반응 속도 변화는 사람이 제어하기에는 너무 빠르다. 원자력 발전소는 ''k'' = 1과 ''k'' = 1/(1 − β) 사이의 지연 초임계 영역에서 작동한다. (β는 지연 중성자의 비율) ''k'' > 1/(1 − β)인 즉발 초임계 영역은 핵무기가 작동하는 영역이다. 임계에서 즉발 임계로 이동하는데 필요한 ''k''의 변화는 달러로 정의된다.
7. 1. 원자력 발전의 안전성
핵 연쇄 반응은 지수 함수적으로 증가하거나 감소하는 속도를 보이지만, 원자력 발전소는 반응 속도를 일정하게 유지해야 한다. 이를 위해 기계적 제어봉이나 열팽창과 같은 추가적인 효과를 통해 연쇄 반응 임계치를 조절한다. 모든 원자력 발전소는 임계 상태 유지를 위해 지연 중성자에 의존하며, 약간의 아임계와 지연 초임계를 오가며 변동하지만 항상 즉시 임계 미만으로 유지된다.[19]원자력 발전소는 핵무기와 같은 폭발을 일으킬 수 없지만, 제어되지 않은 연쇄 반응은 저전력 폭발을 유발하여 원자로 노심 용융과 같은 심각한 피해를 초래할 수 있다. 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고는 통제 불능의 연쇄 반응으로 인한 저전력 증기 폭발의 예시이다. 하지만 원자로 단지는 열뿐만 아니라 공기에 노출된 흑연 연소로 인해 파괴되었다.[19]
미국에서 허가받은 발전소는 반응도의 음의 공극 계수를 요구하여 냉각수가 제거될 때 핵반응이 멈추도록 설계되었다. 이는 체르노빌 사고와 같은 유형(양의 공극 계수)의 가능성을 제거한다. 그러나 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고와 같이 완전 정지 후에도 잔류 붕괴열로 인해 화학 폭발이 발생할 수 있다. 냉각수 흐름이 손실되면 핵분열 연쇄 반응이 중단된 후에도 고온이 발생하여 물과 연료 사이의 화학 반응으로 수소 가스가 생성되고, 이는 공기와 혼합되어 폭발할 수 있다. 이러한 폭발은 핵분열 연쇄 반응이 아닌 방사성 베타 붕괴 에너지로 인해 발생한다.
참조
[1]
웹사이트
See this 1956 Nobel lecture for history of the chain reaction in chemistry
http://nobelprize.or[...]
[2]
웹사이트
Leo Szil rd, a traffic light and a slice of nuclear history
http://blogs.scienti[...]
2016-01-04
[3]
문서
Improvements in or relating to the transmutation of chemical elements
http://v3.espacenet.[...]
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1936-03-30
[4]
서적
Otto Hahn - the discoverer of nuclear fission.
Stalling Verlag, Oldenburg/Hamburg
[5]
논문
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