자발 핵분열

3. 메커니즘

자발 핵분열은 강한 핵력과 양성자 간의 쿨롱 반발력(쿨롱 반발력) 사이의 상호작용으로 발생한다. 핵 결합 에너지는 원자 질량수(A)에 비례해 증가하지만, 쿨롱 반발력은 양성자 수(Z)의 제곱에 비례해 증가한다. 따라서 무거운 핵에서는 쿨롱 반발력이 핵 결합력을 압도하여 핵분열이 더 안정적인 상태가 된다.^[4]

자발 핵분열은 일반적으로 느린 과정이며, 핵은 양자 터널링을 통해 잠재적 장벽을 통과해야 한다. 이 장벽은 A ≥ 93에서 에너지적으로 가능하지만, Z가 증가함에 따라 높이가 감소하며,^[4] A ≥ 232에서만 실제로 관찰된다.^[5]

핵분열에 대한 핵종의 안정성은 쿨롱 에너지와 표면 에너지의 비율로 표현되는 파괴성 매개변수 x로 추정할 수 있다.

:$$x\; \backslash approx\; \backslash frac\{Z^2\}\{50.88A(1-\backslash eta\; I^2)\}$$

여기서 $I\; =\; \backslash tfrac\{N-Z\}\{A\}$이고 $\backslash eta\; \backslash approx\; 1.78$이다.^[6] 가벼운 핵은 x가 작고 핵분열 장벽이 크지만, 핵 질량이 증가하면 x도 증가하여 1에 접근, 초과하며 안정성이 완전히 사라진다.^[7]

껍질 효과와 핵자 짝짓기 효과는 반감기에 영향을 미친다. 홀수 A 핵종 붕괴는 짝수-짝수 핵종보다 3~5 차수 느리다.^[8] 핵분열 장벽은 A = 300 부근에서 0이 될 것으로 예상되지만, Z = 114, N = 184 부근에 안정성의 섬이 존재할 수 있다.^[4]

액체방울모형은 핵을 고전적인 액체 방울로 취급하여 현상을 정성적으로 설명하며, 실험 데이터와 일부 일치한다. 이 모델에서는 핵의 구형을 유지하는 "표면 장력"과 쿨롱 반발력이 작용한다.^[6] 핵 변형 시 얇은 '목'이 발달, 두 핵 물질 덩어리 사이에 다리를 형성하고, 표면 장력이 복원력을 초과하면 "분열점"에서 둘로 분리된다.^[2] 양자 터널링으로 변형이 목 파열에 불충분해도 분열이 가능하다. 분리 후, 두 파편은 양전하로 서로 멀어지며 운동 에너지를 얻는다.

형태 이성질체(분열 이성질체)는 분열 전 들뜬 핵 상태로, 핵 변형을 증가시켜 분열을 겪는다. 나노초~마이크로초 내 감마 방출로 기저 상태로 붕괴하거나, 분열 장벽을 넘어 분리된다. 기저 상태보다 에너지 준위가 높아 분열 확률이 증가, 유효 반감기가 감소한다.^[4]

주요 핵종의 자발 핵분열 확률은 아래 표와 같다.

플루토늄-239는 중성자 흡수로 플루토늄-240을 생성하는데, 이는 자발 핵분열 확률이 높아 플루토늄 사용 시 바람직하지 않다. 병기급 플루토늄은 플루토늄-240 함량을 7% 이하로 제한한다.

총열형 원자폭탄은 임계 삽입 시간이 약 1밀리초로, 이 시간 내 자발 핵분열 확률이 작아야 하므로 우라늄-235만 사용 가능하다.

3. 1. 생성물

4. 자발 핵분열 비율

주요 핵종의 자발 핵분열 비율은 위 표와 같다. 플루토늄-239는 생성 과정에서 중성자를 흡수하여 플루토늄-240을 생성하는 경향이 있다. 플루토늄-240은 자발 핵분열 비율이 높아 핵무기 사용에 부적합하며, 병기급 플루토늄에서는 플루토늄-240 함량을 7% 이하로 제한한다.

5. 응용

자발 핵분열은 중성자원으로 활용될 수 있다. 이 중성자는 중성자 영상과 같은 응용 분야에 사용될 수 있으며, 원자로와 핵무기에서 표적의 유도 핵분열을 유발하는 등 추가적인 핵 반응을 유도할 수 있다.^[1]

우라늄 비율이 높은 결정체에서 자발 핵분열로 생성된 핵분열 생성물은 파편이 결정 구조를 통과하면서 손상 흔적을 남긴다. 이러한 핵분열 흔적은 핵분열 흔적 연대 측정법을 통해 시료의 연대를 추정하는 데 사용될 수 있다.^[1]

5. 1. 총열형 원자폭탄

참조

_[1] 논문 Stepping into the sea of instability: The new sub-𝜇s superheavy nucleus ²⁵²Rf https://journals.aps[...] 2024-11-21
_[2] 논문 Theory of nuclear fission https://www.osti.gov[...] 2022-07-01
_[3] 웹사이트 How the spontaneous fission was discovered http://n-t.ru/ri/ps/[...]
_[4] 서적 Introductory nuclear physics Wiley 1988
_[5] 웹사이트 What is Spontaneous Fission - Definition https://www.radiatio[...] 2019-12-14
_[6] 논문 Microscopic theory of nuclear fission: a review 2016-11-01
_[7] 서적 Nuclear Fission https://www.osti.gov[...] Lawrence Livermore National Lab. (LLNL), Livermore, CA (United States) 2012-10-03
_[8] 논문 Future of nuclear fission theory 2020-11-01
_[9] 논문 Third minima in thorium and uranium isotopes in a self-consistent theory 2013-05-22
_[10] 학회 Simultaneous Emission of Two Light Charged Particles in the Spontaneous Fission of ²⁴⁸Cm and ²⁵²Cf https://inis.iaea.or[...] 2000-07-01
_[11] 논문 Prompt Fission Neutron Spectra of Actinides 2016-01
_[12] 서적 Fundamentals of Nuclear Science and Engineering CRC Press 2007-09-07
_[13] 서적 Fundamentals of Nuclear Science and Engineering CRC Press
_[14] 웹사이트 Entry at periodictable.com http://www.periodict[...]
_[15] 웹사이트 Entry at periodictable.com http://www.periodict[...]
_[16] 서적 自発核分裂 岩波書店 1998