핵분열
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1. 개요
핵분열은 원자핵이 중성자와 충돌하여 두 개 이상의 조각으로 분열되는 현상으로, 1938년 오토 한과 프리츠 슈트라스만에 의해 발견되었다. 핵분열은 우라늄 원자핵이 분열되는 현상으로, 40년 이상 방사능 연구와 핵물리학 발전을 통해 이루어졌다. 핵분열 과정에서 막대한 에너지가 방출되며, 이 과정은 자발적 또는 유도적으로 발생할 수 있다. 핵분열은 원자력 발전, 핵무기 등에 응용되지만, 방사성 폐기물 처리, 원자력 발전소 사고 위험 등의 문제점을 가지고 있다. 또한, 가봉의 오클로 지역에서는 약 20억 년 전에 자연적으로 핵분열 연쇄 반응이 일어났던 오클로 원자로가 발견되기도 했다.
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자발 핵분열은 원자핵이 외부의 영향 없이 스스로 분열하는 현상으로, 핵력과 쿨롱 반발력 간의 경쟁으로 발생하며, 중성자 과잉 상태의 핵분열 조각과 운동 에너지를 방출하고 중성자원이나 연대 측정법에 활용된다. - 핵화학 - 핵폭발
핵폭발은 원자핵 반응으로 막대한 에너지를 방출하는 현상으로, 핵무기에 이용되거나 평화적 목적으로 활용하려는 시도가 있었으며, 폭풍, 열복사, 방사선, 전자기 펄스 등으로 피해를 야기하고 핵겨울을 초래할 수 있다. - 핵화학 - 핵변환
핵변환은 원자핵의 종류를 변화시키는 과정으로, 방사성 붕괴 및 인공적인 핵반응을 통해 금속 변환의 오랜 꿈을 실현하고 우주 원소 기원 설명에 기여하며, 현재는 핵폐기물 방사성 핵종을 안정화하는 기술 개발에 집중되고 있다.
| 핵분열 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 핵분열 | |
| 설명 | 원자핵이 여러 조각으로 분열되는 핵반응이다. |
| 구별 | 핵융합과 구별된다. |
| 핵심 개념 | |
| 관련 개념 | 원자핵 핵자 p n 핵물질 핵력 핵구조 핵반응 |
| 핵 모델 | |
| 핵 모델 | 액체 방울 모형 핵 껍질 모형 상호 작용 보손 모형 Ab initio |
| 핵종 분류 | |
| 핵종 분류 | 동위 원소 – 같은 Z 등중량핵 – 같은 A 동중성자핵 – 같은 N 동중성자 과잉핵 – 같은 N − Z 이성질체 – 위의 모든 것이 같음 거울 핵 – Z ↔ N 안정 마법 짝수/홀수 헤일로 보로메오 |
| 핵 안정성 | |
| 핵 안정성 | 결합 에너지 p–n 비율 이탈선 안정성 섬 안정 계곡 안정 핵종 |
| 방사성 붕괴 | |
| 방사성 붕괴 | 알파 α 베타 β 2β 0v β+ K/L 포획 이성질체 감마 γ 내부 전환 자발 핵분열 클러스터 붕괴 중성자 방출 양성자 방출 붕괴 에너지 붕괴 사슬 붕괴 생성물 방사성 핵종 |
| 핵분열 | |
| 핵분열 | 자발 생성물 쌍 깨짐 광핵분열 |
| 포획 과정 | |
| 포획 과정 | 전자 2× 중성자 s r 양성자 p rp |
| 고에너지 과정 | |
| 고에너지 과정 | 핵파쇄 우주선에 의한 광붕괴 |
| 핵합성 및 핵 천체 물리학 | |
| 핵합성 및 핵 천체 물리학 | 핵융합 프로세스 항성 빅뱅 초신성 핵종 원시 우주기원 인공 |
| 고에너지 핵물리학 | |
| 고에너지 핵물리학 | 쿼크-글루온 플라스마 RHIC LHC |
| 과학자 | |
| 과학자 | 앨버레즈 베크렐 베테 A. 보어 N. 보어 채드윅 코크로프트 Ir. 퀴리 Fr. 퀴리 Pi. 퀴리 Skłodowska-퀴리 데이비슨 페르미 한 옌젠 로런스 메이어 마이트너 올리펀트 오펜하이머 프로카 퍼셀 라비 러더퍼드 소디 슈트라스만 시비옹테츠키 실라르드 텔러 톰슨 월튼 위그너 |
| 관련 정보 | |
| 관련 정보 | 핵분열 생성물 핵분열 반응 |
| 관련 물질 | |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | M. G. Arora, M. Singh, Nuclear Chemistry, Anmol Publications, 1994, 202쪽 Gopal B. Saha, Fundamentals of Nuclear Pharmacy, Springer, 2010, 11쪽 Константин Петржак, Вера Черникова (편집), Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные открытия, Наука, 1989, 108–112쪽 Walid Younes, Walter Loveland, An Introduction to Nuclear Fission, Springer, 2021, 28-30쪽 |
2. 역사
핵분열 반응은 주로 핵분열하기 쉬운 핵종(핵분열성 물질)에 중성자가 충돌하거나(유도 핵분열), 초우라늄 원소 등의 불안정한 원자핵이 자발적으로 분열하는 경우(자발 핵분열)에 발생한다.[4] 우라늄-235는 유도 핵분열, 플루토늄-240은 자발 핵분열의 예시이다.
핵분열은 40년이 넘는 방사능 연구와 원자 구성 요소를 설명하는 새로운 핵물리학 연구를 거쳐 1938년 카이저 빌헬름 화학 협회(현재의 베를린 자유 대학교) 건물 내에서 발견되었다.
1911년 얼니스트 러더퍼드는 매우 작고 고밀도의 양 전하를 띤 양성자 원자핵 주위를 음전하를 띤 전자가 회전한다는 원자 모형(러더퍼드 모형)[52]을 제시하였고, 1913년에는 닐스 보어가 이를 개량하여 전자의 양자적 행동을 조화시켰다(보어 모형). 이후 앙리 베크렐, 마리 퀴리, 피에르 퀴리, 러더퍼드 등의 연구를 통해 원자핵은 다양한 형태로 방사성 붕괴를 일으켜 다른 원소로 변화한다는 것이 밝혀졌다. 핵변환 실험이 여러 차례 진행되었으며, 1917년 러더퍼드는 질소에 알파 입자를 이용하여 질소에서 산소로의 핵변환14N + α → 17O + p
을 성공시켰다. 이는 최초로 관측된 핵반응이다. 1932년 러더퍼드의 동료인 얼니스트 월턴과 존 코크크로프트는 리튬 7에 가속된 양성자를 충돌시켜 두 개의 알파 입자로 분열시키는 완전히 인공적인 핵반응·핵변환을 달성했다.[53] 이 실험 결과는 핵분열 반응은 아니지만, "원자의 분열"로서 그 업적이 알려져 "인공적으로 가속된 원자 입자에 의한 원자핵의 변환"으로 1951년 노벨 물리학상을 수상했다.
영국의 물리학자 제임스 채드윅이 1932년에 중성자를 발견[54]한 후, 1934년 엔리코 페르미 등은 우라늄에 중성자를 조사하여 생성된 물질에 대한 연구를 수행했다.[55] 페르미는 이 실험에서 93개와 94개의 양성자를 가진 새로운 원소가 생성되었다고 결론짓고, 연구 그룹은 각각 아우소니움과 헤스페리움이라고 명명했다. 하지만 페르미는 "중성자 조사에 의해 생성된 새로운 방사성 원소의 존재를 증명한 것과 저속 중성자에 의해 유발되는 핵반응을 발견한 것"으로 1938년 노벨 물리학상을 수상하게 되지만, 당시 페르미의 분석 결과에 동의하는 사람은 적었다.
페르미의 보고 이후, 오토 한, 리제 마이트너, 프리츠 슈트라스만 등이 베를린에서 유사한 실험을 시작했다. 한은 원자핵의 파열을 시사했지만, 그 결과의 물리적 근거는 아직 불명확했다. 바륨의 원자 질량은 우라늄보다 40%나 작았고, 지금까지 알려진 방사성 붕괴 방법으로는 원자핵의 질량이 이렇게 크게 차이 나는 것을 설명할 수 없었기 때문이다. 프리츠는 반신반의했지만, 마이트너는 한의 화학자로서의 능력을 신뢰했기 때문에, 마이트너와 프리츠는 한의 결과를 "우라늄 원자핵이 반으로 갈라졌다"고 해석했다. 프리츠는 생물의 세포가 두 개의 세포로 분열하는 과정을 binary fission(이분법)이라고 부르는 것에 빗대어 이 과정을 nuclear fission(핵분열)이라고 부르자고 제안했다. 핵의 chain reaction(연쇄 반응)이라는 말이 나중에 화학에서 차용된 것처럼, fission(분열)이라는 말도 생물학에서 차용된 것이다.
1939년 1월 25일, 컬럼비아 대학교 팀은 퓨핀 홀 지하에서 미국 최초의 핵분열 실험을 수행했다. 이 실험에서는 산화우라늄을 전리함에 넣고 중성자를 조사하여 방출된 에너지를 측정했다. 그 결과, 핵분열이 일어나고 있음이 확인되었고, 특히 우라늄-235 동위원소가 핵분열을 일으키고 있다는 것이 강하게 시사되었다. 다음 날 워싱턴 D.C.에서는 조지 워싱턴 대학교와 카네기 협회 공동 주최로 "제5회 워싱턴 이론 물리학 회의"에서 핵분열 소식이 더욱 퍼지게 되었고, 검증 실험이 활발하게 진행되었다.[56]
3. 핵분열의 원리
핵분열 반응에서는 주로 중성자, 열에너지(붕괴열), 핵분열 생성물이 생성된다. 이 중성자가 다른 핵분열성 물질의 원자핵에 흡수되면 연쇄 반응이 일어나, 잇따라 발열 반응을 수반하는 핵분열 반응이 일어난다. 원자력 발전이나 원자 폭탄은 이러한 연쇄 반응을 응용한 것이다.
우라늄-235의 핵분열 반응은 특히 유명하다. 천연 우라늄에는 핵분열하기 쉬운 우라늄-235와 거의 핵분열하지 않는 우라늄-234, 우라늄-238이 포함되어 있다. 우라늄-235가 중성자를 흡수하면 원자핵이 불안정해지고, 에너지를 방출하여 두 개의 원자핵과 몇 개의 속중성자로 분열한다.
:
이 반응에서는 이트륨-95와 요오드-139가 생성되지만, 위 식에서 원소 기호 왼쪽 위에 표시한 질량수는 원자핵 안에 존재하는 양성자와 중성자의 합이며, 반응 전후에서 질량수는 보존된다.[48]
하지만 질량수는 양성자와 중성자의 총합일 뿐 질량이 아니며, 실제 원자핵의 질량은 일반적으로 질량수인 양성자와 중성자 질량의 총합보다 작다. 이 질량 차이를 질량 결손이라고 하며, 원자핵 내부의 결합 에너지에 상당한다. 질량 결손과 결합 에너지의 관계식은 질량과 에너지의 관계식 E=mc²(특수 상대성 이론)으로 나타낸다. 따라서 원자가 핵분열을 일으키면 이 질량 차이에 해당하는 에너지가 외부로 방출된다.
우라늄-235의 핵분열 반응에서 방출되는 에너지는 우라늄 원자 하나당 약 3.2×10-11 J이다. 1g의 우라늄-235는 약 8.2×1010 J의 에너지를 발생시키는데,[50] 이는 1가구가 소비하는 에너지[51]의 약 2년 반에 해당한다.
3. 1. 메커니즘
핵분열은 "...원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 집합적 운동으로, 따라서 핵을 분해하는 다른 현상과 구분된다. 핵분열은 모핵이 두 개 이상의 조각핵으로 분열되는 큰 진폭의 집합적 운동의 극단적인 예이다."라고 유네스와 로벨랜드는 정의한다.[4] 핵분열 반응에서 나오는 에너지의 대부분(약 85%)은 조각 운동 에너지 형태로 나타나며, 일부는 초기 중성자, 감마선, 베타 붕괴 후 방출되는 것들에서 나오고, 약 3%는 그러한 붕괴의 생성물인 중성미자에서 나온다.[4]
유도 핵분열 과정에서, 입사 입자가 표적과 융합된 후 복합계가 형성된다. 결과적으로 발생하는 들뜸 에너지는 중성자 또는 감마선, 그리고 핵 분열을 방출하기에 충분할 수 있다. 두 개의 조각으로의 분열을 이분 핵분열이라고 하며, 가장 흔한 핵반응이다. 가장 드물게 발생하는 것은 삼분 핵분열로, 세 번째 입자가 방출되는 경우이다. 이 세 번째 입자는 일반적으로 α 입자이다.[4] 핵분열에서 핵이 흡수하는 것보다 더 많은 중성자를 방출하기 때문에 연쇄 반응이 가능하게 된다.[27]
이분 핵분열은 95±15 및 135±15 달톤에서 핵분열 생성물을 생성할 수 있다. 그러나 이분 과정은 가장 가능성이 높기 때문에 발생한다. 원자로에서 1000회의 핵분열 중 2~4회 정도에서 삼분 핵분열은 세 개의 양전하를 띤 조각(플러스 중성자)을 생성할 수 있으며, 이 중 가장 작은 조각은 양성자(''Z'' = 1)만큼 작은 전하와 질량부터 아르곤(''Z'' = 18)만큼 큰 조각까지 다양하다. 그러나 가장 일반적인 작은 조각은 알파 붕괴에서 나오는 알파 입자보다 더 많은 에너지를 가진 헬륨-4 핵(약 16MeV의 소위 "장거리 알파") 90%와 헬륨-6 핵, 그리고 삼중수소(삼중수소의 핵)로 구성된다. 이분 핵분열보다 덜 일반적이지만, 여전히 현대 원자로의 연료봉에 상당한 헬륨-4와 삼중수소 가스 축적을 초래한다.[5]
보어와 휠러는 액체 방울 모형을 사용하여 핵분열에서 모핵과 딸핵의 질량 차이를 추정했다. 그런 다음 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리 공식을 사용하여 이 질량 차이를 에너지와 동일시했다. 중성자 충격 후 핵의 자극은 표면 장력과 쿨롱 힘이 서로 대립하는 액체 방울의 진동과 유사했다. 이 두 에너지의 합을 길어진 형태의 함수로 도시하여, 그들은 결과 에너지 표면이 안장 모양임을 결정했다. 안장은 임계 에너지 장벽이라는 에너지 장벽을 제공했다. 이 장벽을 극복하고 핵이 핵분열을 일으키려면 입사 중성자가 제공하는 약 6 MeV의 에너지가 필요했다.[4] 존 릴리에 따르면, 핵분열에 대한 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지를 ''활성화 에너지'' 또는 ''핵분열 장벽''이라고 하며, ''A'' ≈ 240인 경우 약 6 MeV이다.[8]
마리아 괴퍼트 메이어는 나중에 핵에 대한 핵 껍질 모형을 제안했다. 핵 연쇄 반응을 지속할 수 있는 핵종은 핵연료로 사용하기에 적합하다. 가장 일반적인 핵연료는 235U(원자로에서 사용되는 질량수가 235인 우라늄 동위원소)와 239Pu(질량수가 239인 플루토늄 동위원소)이다. 이러한 연료는 원자 질량이 95와 135 달톤 근처에 집중된 이봉형 범위의 화학 원소로 분열된다(핵분열 생성물).
핵분열 단면적은 핵반응에서 핵분열이 발생할 확률과 관련된 측정 가능한 특성이다. 단면적은 입사 중성자 에너지의 함수이며, 낮은 중성자 에너지 수준에서 235U와 239Pu의 단면적은 238U보다 백만 배 더 높다. 임의의 중성자 흡수는 약 5.3 MeV의 핵 결합 에너지를 이용할 수 있게 한다. 238U는 핵분열을 위한 임계 에너지 장벽을 넘는 데 필요한 추가적인 1 MeV를 공급하기 위해 고속 중성자를 필요로 한다. 그러나 235U의 경우, 235U가 홀수에서 짝수 질량으로 조정될 때 그 추가 에너지가 제공된다. Younes와 Lovelace의 말에 따르면, “…235U 표적에 대한 중성자 흡수는 임계 핵분열 에너지보다 큰 여기 에너지를 가진 236U 핵을 형성하는 반면, ''n'' + 238U의 경우, 생성된 239U 핵은 임계 핵분열 에너지보다 낮은 여기 에너지를 갖는다.”[4]
핵분열 입력 에너지의 약 6 MeV는 강한 힘을 통해 여분의 중성자가 무거운 핵에 단순히 결합함으로써 공급된다. 그러나 많은 핵분열성 동위원소에서 이 양의 에너지는 핵분열에 충분하지 않다. 예를 들어 우라늄-238은 1 MeV 미만 에너지의 중성자에 대해 거의 0에 가까운 핵분열 단면적을 갖는다. 핵분열을 시작하기 위한 나머지 에너지는 두 가지 다른 메커니즘에 의해 공급될 수 있다. 그 중 하나는 들어오는 중성자의 운동 에너지가 더 큰데, 이는 1 MeV 이상의 운동 에너지를 초과함에 따라 핵분열성 무거운 핵을 핵분열시킬 수 있는 능력이 점점 더 커진다(소위 고속 중성자).
그러나 무거운 악티늄족 원소 원소 중에서 중성자 수가 홀수인 동위원소(예: 중성자 143개를 가진 235U)는 중성자 수가 짝수인 같은 원소의 동위원소(예: 중성자 146개를 가진 238U)보다 1~2 MeV의 추가 에너지를 가진 여분의 중성자를 결합한다. 이 여분의 결합 에너지는 중성자 쌍생성 효과 메커니즘의 결과로 제공된다.
Younes와 Loveland에 따르면, "열(0.25 meV) 중성자 흡수 후에 쉽게 핵분열하는 235U와 같은 악티늄족 원소는 ''핵분열성''이라고 불리고, 열 중성자를 흡수할 때 쉽게 핵분열하지 않는 238U와 같은 악티늄족 원소는 ''핵분열 가능한''이라고 불린다."[4]
입자 하나가 모핵과 융합된 후, 여기 에너지가 충분하다면 핵은 조각으로 분열한다. 이것을 핵분열(scission)이라고 하며, 약 10−20초에 발생한다. 조각들은 10−18초에서 10−15초 사이에 신속 중성자를 방출할 수 있다. 약 10−11초에 조각들은 감마선을 방출할 수 있다. 10−3초에 β 붕괴, 지연 중성자, 그리고 감마선이 붕괴 생성물에서 방출된다.[4]
전형적인 핵분열 과정은 각 핵분열마다 약 2억 전자볼트(200 MeV)의 에너지를 방출하는데, 이는 약 2조 켈빈에 해당한다. 핵분열되는 정확한 동위원소와 그것이 핵분열성인지 핵분열 가능한지 여부는 방출되는 에너지 양에 미미한 영향만 미친다.
우라늄 핵이 두 개의 딸핵 조각으로 핵분열될 때, 우라늄 핵 질량의 약 0.1%[14]가 ~200 MeV의 핵분열 에너지로 나타난다. 우라늄-235(총 평균 핵분열 에너지 202.79 MeV[15])의 경우, 일반적으로 ~169 MeV가 딸핵의 운동 에너지로 나타나는데, 딸핵들은 쿨롱 반발력으로 인해 빛의 속도의 약 3%로 분리된다. 또한 평균 2.5개의 중성자가 방출되는데, 중성자당 평균 운동 에너지는 약 2 MeV(총 4.8 MeV)이다.[16] 핵분열 반응은 또한 신속 감마선 광자에서 약 7 MeV를 방출한다.
핵분열 반응의 특히 유명한 예로 우라늄-235의 핵분열 반응이 있다. 우라늄 광석에서 산출되는 천연 우라늄에는 핵분열하기 쉬운 우라늄-235와 거의 핵분열하지 않는 우라늄-234, 우라늄-238이 포함되어 있다. 우라늄-235가 중성자를 흡수하면 원자핵이 불안정해지고, 에너지를 방출하여 두 개의 원자핵과 몇 개의 속중성자로 분열한다.
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이 반응에서는 이트륨-95와 요오드-139가 생성되지만, 위 식에서 원소 기호 왼쪽 위에 표시한 질량수는 원자핵 안에 존재하는 양성자와 중성자의 합이며, 반응 전후에서 질량수는 보존된다.[48]
하지만 질량수는 어디까지나 양성자와 중성자의 총합일 뿐 질량이 아니며, 실제 원자핵의 질량은 일반적으로 질량수인 양성자와 중성자 질량의 총합보다 작다. 이 질량 차이를 질량 결손이라고 하며, 원자핵 내부의 결합 에너지에 상당한다. 질량 결손과 결합 에너지의 관계식은 질량과 에너지의 관계식 E=mc²(특수 상대성 이론)으로 나타낸다. 따라서 원자가 핵분열을 일으키면 이 질량 차이에 해당하는 에너지가 외부로 방출된다.
위 우라늄-235의 핵분열 반응에서 방출되는 에너지는 우라늄 원자 하나당 약 3.2×10-11 J이다.
3. 2. 핵분열의 종류
핵분열은 크게 자발 핵분열과 유도 핵분열로 나눌 수 있다.[4]
자발 핵분열: 외부 자극 없이 불안정한 원자핵이 스스로 분열하는 현상이다. 1940년에 처음 관찰되었으며, 주로 초우라늄 원소에서 나타난다.[4]
유도 핵분열: 중성자와 같은 입자가 원자핵에 충돌하여 핵분열을 유발하는 현상이다. 우라늄-235(235U)나 플루토늄-239(239Pu) 등이 대표적인 예시이다. 유도 핵분열 과정에서 입사 입자는 표적과 융합하여 복합계를 형성하고, 들뜸 에너지가 발생한다. 이 에너지는 중성자, 감마선, 핵분열을 방출하기에 충분할 수 있다.[4]
핵분열은 대부분 두 개의 조각으로 분열하는 이분 핵분열이지만, 드물게 세 개의 입자가 방출되는 삼분 핵분열도 발생한다. 삼분 핵분열에서 방출되는 세 번째 입자는 주로 알파 입자(α 입자)이다.[4] 핵분열은 핵이 흡수하는 것보다 더 많은 중성자를 방출하기 때문에 연쇄 반응이 가능하다.[27]
이분 핵분열은 주로 95±15 및 135±15 달톤의 핵분열 생성물을 생성한다. 삼분 핵분열은 1000회의 핵분열 중 2~4회 정도 발생하며, 세 개의 양전하를 띤 조각(및 중성자)을 생성한다. 가장 작은 조각은 양성자(Z=1)부터 아르곤(Z=18)까지 다양하지만, 주로 헬륨-4 핵(약 16MeV의 "장거리 알파"), 헬륨-6 핵, 삼중수소(삼중수소의 핵) 등으로 구성된다. 삼분 핵분열은 현대 원자로의 연료봉에 상당한 헬륨-4와 삼중수소 가스 축적을 유발한다.[5]
보어와 휠러는 액체 방울 모형 등을 이용하여 핵분열에서 모핵과 딸핵의 질량 차이를 추정하고, 이를 에너지와 동일시했다. 중성자 충격 후 핵의 자극은 표면 장력과 쿨롱 힘이 대립하는 액체 방울의 진동과 유사하며, 이 두 에너지의 합은 안장 모양의 에너지 표면을 형성한다. 이 안장은 임계 에너지 장벽을 제공하며, 이를 극복하려면 입사 중성자가 제공하는 약 6MeV의 에너지가 필요하다.[4][6][7] 존 릴리에 따르면, 핵분열 장벽은 질량수(A)가 약 240일 때 약 6MeV이며, A가 증가함에 따라 감소하여 결국 완전히 사라지는 지점에 도달하면 매우 빠른 자발적 핵분열을 겪게 된다.[8]
핵 연쇄 반응을 지속할 수 있는 핵종은 핵연료로 사용하기에 적합하며, 가장 일반적인 핵연료는 235U와 239Pu이다. 이러한 연료는 원자 질량이 95와 135 달톤 근처에 집중된 이봉형 범위의 화학 원소로 분열된다(핵분열 생성물). 대부분의 핵연료는 자발적 핵분열을 매우 느리게 일으키며, 주로 알파-베타 붕괴 사슬을 통해 붕괴된다. 원자로나 핵무기에서 대부분의 핵분열 사건은 중성자에 의한 충격으로 유발된다.
우라늄-238과 같은 핵분열성 동위원소는 열중성자 무기의 핵융합에서 생성되는 것과 같은 고속 중성자가 제공하는 추가 에너지가 필요하다. 의 핵분열에서 방출되는 중성자 중 일부는 에서 또 다른 핵분열을 유발할 만큼 빠르지만, 대부분은 그렇지 않아 임계 상태에 도달할 수 없다. 에서 열중성자가 핵분열을 유발할 가능성은 매우 작지만(0이 아님), 중성자 흡수가 훨씬 더 높은 확률이다.
핵분열 반응은 주로 다음과 같은 원인으로 발생한다.
# 핵분열하기 쉬운 핵종(핵분열성 물질)에 중성자가 충돌하는 경우 (유도 핵분열)
# 초우라늄 원소 등의 불안정한 원자핵이 자발적으로 분열하는 경우 (자발 핵분열)
우라늄-235 등은 전자의 예, 플루토늄-240 등은 후자의 예에 해당한다.
핵분열 반응에서는 주로 중성자, 열에너지(붕괴열), 핵분열 생성물이 생성된다. 이 중성자가 다른 핵분열성 물질의 원자핵에 흡수되면 연쇄 반응이 일어나 잇따라 발열 반응을 수반하는 핵분열 반응이 일어난다. 이를 통해 연쇄 반응으로 한꺼번에 대량의 열에너지를 생성할 수 있으며, 원자력 발전이나 원자 폭탄은 이 연쇄 반응을 응용한 것이다.
우라늄-235의 핵분열 반응은 특히 유명하다. 우라늄 광석에서 산출되는 천연 우라늄에는 핵분열하기 쉬운 우라늄-235와 거의 핵분열하지 않는 우라늄-234, 우라늄-238이 포함되어 있다. 우라늄-235가 중성자를 흡수하면 원자핵이 불안정해지고, 에너지를 방출하여 두 개의 원자핵과 몇 개의 속중성자로 분열한다.
:
이 반응에서는 이트륨-95와 요오드-139가 생성되지만, 위 식에서 원소 기호 왼쪽 위에 표시한 질량수는 원자핵 안에 존재하는 양성자와 중성자의 합이며, 반응 전후에서 질량수는 보존된다.[48]
하지만 질량수는 양성자와 중성자의 총합일 뿐 질량이 아니며, 실제 원자핵의 질량은 일반적으로 질량수인 양성자와 중성자 질량의 총합보다 작다. 이 질량 차이를 질량 결손이라고 하며, 원자핵 내부의 결합 에너지에 상당한다. 질량 결손과 결합 에너지의 관계식은 질량과 에너지의 관계식 E=mc²(특수 상대성 이론)으로 나타낸다. 따라서 원자가 핵분열을 일으키면 이 질량 차이에 해당하는 에너지가 외부로 방출된다.
위 우라늄-235의 핵분열 반응에서 방출되는 에너지는 우라늄 원자 하나당 약 3.2e-11 J이다. 아보가드로 수를 ''N''A, 질량수를 ''A''로 하면 우라늄-235 1g에 포함된 원자 수는
:
이므로, 1g의 우라늄-235, 즉 2.56×1021개의 우라늄-235가 모두 핵분열을 일으키면
:
약 의 에너지가 발생한다.[50] 이는 1가구가 소비하는 에너지[51]의 약 2년 반에 해당한다.
열중성자에 의한 우라늄-235 및 플루토늄-239의 주요 핵분열 생성물은 아래 표와 같다.[58]
| 생성물 | 우라늄-235의 수율 | 플루토늄-239의 수율 | 반감기 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 세슘-133 | 6.70% | 7.02% | 안정 | 일부는 중성자 포획에 의해 반감기 약 2년인 세슘-134가 된다. |
| 아이오딘-135 | 6.28% | 6.54% | 6.57h | 붕괴하여 생성되는 크세논-135는 원자로에서 가장 주요한 독물질이며, 10-50%가 중성자 포획에 의해 크세논-136이 되고, 나머지는 반감기 9.14h로 세슘-135가 된다. |
| 지르코늄-93 | 6.30% | 3.80% | 1.53My | |
| 세슘-137 | 6.19% | 6.61% | 30.17y | |
| 테크네튬-99 | 6.05% | 해당 없음 | 211ky | |
| 스트론튬-89 | 4.73% | 1.72% | 50.53d | |
| 스트론튬-90 | 5.75% | 2.10% | 28.9y | |
| 아이오딘-131 | 2.83% | 3.86% | 8.02d | |
| 프로메튬-147 | 2.27% | 해당 없음 | 2.62y | |
| 사마륨-149 | 1.09% | 1.22% | 안정 | 주요한 독물질 중 하나 |
| 아이오딘-129 | 0.543% | 1.37% | 15.7My | |
| 크세논-133 | 6.70% | 7.02% | 5.2475d |
3. 3. 핵분열 연쇄 반응
우라늄-235나 우라늄-238로 만든 인공원소 플루토늄(Pu)의 원자핵 1개가 분열할 때, 평균 2.5개의 중성자가 방출된다. 이 중성자들 중 일부는 다른 원자핵에 흡수되어 핵분열을 일으키지 못한다. 우라늄-238은 핵분열을 일으키기도 하지만, 중성자 흡수가 더 많아 연쇄 반응을 일으키지 않는다. 하지만 흡수되지 않고 다시 핵분열을 일으키는 중성자가 평균 1개 이상이면 중성자 수가 점차 늘어나 연쇄 반응이 일어난다.[4][27][9][10]핵분열 반응에서 생성된 중성자가 다른 핵분열성 물질의 원자핵에 흡수되면 연쇄 반응이 일어나, 잇따라 발열 반응을 수반하는 핵분열 반응이 일어난다. 이를 통해 연쇄 반응으로 한꺼번에 대량의 열에너지를 생성할 수 있다. 원자력 발전이나 원자 폭탄은 이 연쇄 반응을 응용한 것이다.
1939년 1월 25일, 유진 위그너(Eugene Wigner)로부터 한의 발견을 알게 된 헝가리의 물리학자 레오 칠라르드(Leó Szilárd)는 충분한 중성자가 방출된다면 연쇄 반응을 지속할 수 있다고 생각했다. 그는 H. G. 웰스(H. G. Wells)가 예측했던 일들이 현실로 다가왔다고 언급했다. 한-슈트라스만 논문이 발표된 후, 칠라르드는 루이스 스트라우스(Lewis Strauss)에게 보낸 편지에서 우라늄 핵분열 과정에서 방출되는 에너지가 이전에 알려진 모든 경우보다 훨씬 더 클 것이며, 이는 대규모 에너지와 방사성 원소의 생산, 그리고 원자폭탄으로 이어질 수 있다고 경고했다.[43][27]
칠라르드는 엔리코 페르미(뉴욕)와 프레데리크 졸리오퀴리(파리)에게 연쇄 반응 가능성에 대한 논문 발표를 자제할 것을 촉구했다. 이는 나치 정부가 제2차 세계 대전 직전에 연쇄 반응의 가능성을 인지하는 것을 막기 위함이었다. 페르미는 잠시 주저했지만 자체 검열에 동의했다. 그러나 졸리오퀴리는 동의하지 않았고, 1939년 4월 파리의 그의 팀(한스 폰 할반(Hans von Halban)과 류 코바르스키(Lew Kowarski) 포함)은 ''네이처''지에 우라늄 핵분열과 함께 방출되는 중성자의 수가 핵분열 당 3.5개라고 보고했다.[44] 칠라르드와 월터 진(Walter Zinn)은 핵분열에 의해 방출되는 중성자의 수가 약 2개임을 발견했고, 페르미와 앤더슨은 포획된 중성자 하나당 약 두 개의 중성자 수율을 추정했다.[27]
우라늄 핵분열에서 나오는 중성자에 대한 소식을 접한 칠라르드는 즉시 우라늄을 이용한 핵 연쇄 반응의 가능성을 이해했다. 그해 여름, 페르미와 칠라르드는 이 과정을 매개할 핵 원자로(파일)의 아이디어를 제안했다. 파일은 천연 우라늄을 연료로 사용하고, 핵분열하는 우라늄 원자핵에서 방출되는 2차 중성자를 감속시키기 위해 흑연 "감속재"를 사용하는 방식이었다. 페르미는 중성자가 에너지가 낮은(소위 "느린" 또는 "열" 중성자)일 경우 원자에 의해 훨씬 더 효과적으로 포획된다는 것을 이미 밝혀낸 바 있다. 충분한 우라늄과 충분히 순수한 흑연을 사용하면, 그들의 "파일"은 이론적으로 느린 중성자 연쇄 반응을 지속할 수 있을 것이었다. 이것은 열 생산뿐만 아니라 방사성 핵분열 생성물의 생성으로 이어질 것이다.[27]
1939년 8월, 칠라르드, 에드워드 텔러(Edward Teller), 유진 위그너(Eugene Wigner)는 독일의 핵무기 개발 계획에 따라 독일이 핵분열 연쇄 반응을 이용할 수 있다고 생각하여 미국 정부의 관심을 이 문제에 끌어들이려고 했다. 이들은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)에게 프랭클린 루즈벨트(Franklin Roosevelt) 대통령에게 보내는 편지에 그의 이름을 빌려줄 것을 설득했다. 10월 11일, 아인슈타인-칠라르드 편지가 알렉산더 색스(Alexander Sachs)를 통해 전달되었다. 루즈벨트는 그 의미를 즉시 이해하고 "알렉스, 네가 원하는 것은 나치가 우리를 폭파하지 못하게 하는 것이다."라고 말했다. 루즈벨트는 우라늄 자문위원회(Advisory Committee on Uranium)의 구성을 명령했다.[27]
4. 핵분열 생성물
핵분열 과정은 각 핵분열마다 약 2억 전자볼트(200 MeV)의 에너지를 방출하는데, 이는 약 2조 켈빈에 해당한다. 핵분열되는 동위원소의 종류는 방출되는 에너지 양에 큰 영향을 주지 않는다. 우라늄 핵이 두 개의 딸핵 조각으로 핵분열될 때, 우라늄 핵 질량의 약 0.1%[14]가 핵분열 에너지로 나타난다. 우라늄-235의 경우, 약 169 MeV가 딸핵의 운동 에너지로 나타나며, 딸핵들은 쿨롱 반발력으로 인해 빛의 속도의 약 3%로 분리된다. 또한 평균 2.5개의 중성자가 방출되며, 중성자당 평균 운동 에너지는 약 2 MeV(총 4.8 MeV)이다.[16] 핵분열 반응은 또한 신속 감마선 광자에서 약 7 MeV를 방출한다.[17][18]
핵의 결합 에너지는 핵을 구성하는 중성자와 양성자를 분리하는 데 필요한 에너지이다. 결합 에너지는 핵분열에서 방출되는 총 에너지를 추정하는 데 사용된다.[8] 결합 에너지 곡선은 질량수 60 근처에서 8.6 MeV의 넓은 최댓값을 가지며, 그 후 가장 높은 질량수에서 7.6 MeV로 점차 감소한다. 질량수(A)가 120보다 큰 핵이 조각날 때 핵분열 에너지가 방출되고, 가벼운 핵이 결합할 때 핵융합 에너지가 방출된다.[8]
핵분열에서는 짝수 원자 번호(Z)를 갖는 핵분열 조각을 선호하는데, 이를 조각의 전하 분포에 대한 홀짝 효과라고 한다. 이는 각 핵분열 생성물에 대한 경험적 조각 수율 데이터에서 볼 수 있는데, 짝수 Z를 갖는 생성물은 수율 값이 더 높다. 그러나 질량수(A)를 기준으로 한 조각 분포에는 홀짝 효과가 관찰되지 않는다. 이 결과는 핵자 쌍 붕괴로 인한 것이다.[57]
핵분열 사건에서 핵은 가벼운 핵의 임의의 조합으로 쪼개질 수 있지만, 가장 일반적인 사건은 한 딸 핵이 약 90~100달톤의 질량을 갖고 다른 딸 핵이 나머지 130~140달톤의 질량을 갖는 약간 불균등한 핵분열이다.[20]
4. 1. 주요 핵분열 생성물
핵분열 과정에서 원자핵이 분열하여 생성된 핵종을 '''핵분열 생성물'''이라고 하며, 핵분열편이라고도 한다. 분열할 때 마법수에 가까운 안정된 원자핵이 되려고 하기 때문에 보통 이등분되는 것이 아니라 질량수 140 정도와 95 정도의 핵으로 분열하는 경우가 많다.[57]핵분열 생성물이 어떤 핵종이 되는지는 일정한 확률로 결정된다. 이 확률을 '''수율'''이라고 한다. 핵분열하는 핵종에 따라 다른 수율 분포를 가지므로, 핵분열 생성물을 분석하면 핵반응을 일으킨 모핵종을 알 수 있다.[57] 예를 들어 우라늄-235가 핵분열을 일으킨 경우 그 핵분열 생성물은 약 80종류가 생성되며, 질량수는 72부터 160까지 넓은 범위에 걸쳐 분포한다. 이들은 질량수 90과 140 부근의 피크를 중심으로 낙타등 모양의 분포를 이룬다.[57]
핵분열 생성물은 다양한 핵종의 혼합물이지만, 전반적으로 양성자 수와 중성자 수의 균형이 부족하여 방사능을 갖는다. 이러한 방사성 동위원소는 양성자와 중성자의 균형이 맞춰질 때까지 붕괴(주로 베타붕괴)를 반복한다.[57] 핵분열 생성물 중에는 중성자를 흡수하면 비교적 안정된 핵종이 되는 물질이 포함되어 있다. 이러한 물질은 원자로에 축적되어 핵분열 연쇄 반응을 저해하므로, 독에 비유하여 중성자 독 또는 단순히 독물질이라고 한다. 원자로를 정지시키거나 출력을 변경하는 경우, 방사성 독물질의 양은 시간에 따라 변하므로 원자로의 동작을 불안정하게 만드는 요인이 된다.[57]
핵분열 생성물의 붕괴 속도는 다양하며, 수초에서 수개월 만에 거의 붕괴하는 단수명 핵종, 100년 단위의 중수명 핵종, 그리고 반감기조차 20만 년을 넘는 장수명 핵종이 알려져 있다. 방사성 물질은 기본적으로 수명이 짧을수록 소량이라도 방사능이 강하지만 단기간에 곧바로 감쇄하는 반면, 반대로 장수명이면 방사능은 소량이라면 약하지만(대량이면 당연히 강함) 시간이 지나도 쉽게 줄어들지 않는 성질을 가지고 있다(비방사능도 참조).[57]
단·중수명 핵종은 활발하게 방사선을 방출하여 붕괴하기 때문에 소량이라도 방사능이 크다. 예를 들어 1945년 원자폭탄 피해를 입은 히로시마시와 나가사키시에서는 피폭자뿐만 아니라 가족이나 지인의 행방을 찾기 위해 원폭 투하 지점 주변에 나중에 들어간 사람들이 심각한 방사선 장애를 입은 원인이 되고 있다.[57]
한편, 장수명 핵종은 방사능은 작지만 수만 년 이상에 달하는 것도 있으며, 대량으로 존재하면 인간 사회의 척도로는 반영구적으로 방사선을 방출하게 된다. 이것은 원자로의 사용후핵연료 처리에 있어 중대한 과제이며, 유리 고화체로 가공한 후 지하 깊숙이 보관하는 지층 처분 등의 방법이 검토되고 있다.[57]
핵분열 생성물은 수많은 핵종으로 구성되어 있지만, 핵분열이 일어난 후 t분 경과 후 모든 핵분열 생성물의 합계 방사능 강도의 감쇠는 일정하며,
:
로 나타낼 수 있다. 여기서 ''A''0는 ''t'' = 0, 즉 핵분열이 일어난 시점의 방사능 강도이며, α는 상수이고 1.2이다.[57]
아래는 열중성자에 의한 우라늄-235 및 플루토늄-239의 주요 핵분열 생성물 표이다.[58] 경수로 등에서는 열중성자에 의해 핵분열이 일어나므로, 원자력 사고 등으로 방출되는 핵종은 열중성자에 의한 핵분열 생성물이 된다. 고속 중성자에 의한 핵분열의 수율은 다르므로, 고속 증식로 사고나 원자 폭탄 폭발 등에서는 핵분열 생성물의 수율이 다르다.
| 생성물 | 우라늄-235의 수율 | 플루토늄-239의 수율 | 반감기 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 세슘-133 | 6.70% | 7.02% | 안정 | 일부는 중성자 포획에 의해 반감기 약 2년인 세슘-134가 된다. |
| 아이오딘-135 | 6.28% | 6.54% | 6.57h | 붕괴하여 생성되는 크세논-135는 원자로에서 가장 주요한 독물질이며, 10-50%가 중성자 포획에 의해 크세논-136이 되고, 나머지는 반감기 9.14h로 세슘-135가 된다. |
| 지르코늄-93 | 6.30% | 3.80% | 1.53My | |
| 세슘-137 | 6.19% | 6.61% | 30.17y | |
| 테크네튬-99 | 6.05% | N/A | 211ky | |
| 스트론튬-89 | 4.73% | 1.72% | 50.53d | |
| 스트론튬-90 | 5.75% | 2.10% | 28.9y | |
| 아이오딘-131 | 2.83% | 3.86% | 8.02d | |
| 프로메튬-147 | 2.27% | N/A | 2.62y | |
| 사마륨-149 | 1.09% | 1.22% | 안정 | 주요한 독물질 중 하나 |
| 아이오딘-129 | 0.543% | 1.37% | 15.7My | |
| 크세논-133 | 6.70% | 7.02% | 5.2475d |
5. 핵분열의 응용
핵분열은 추가적인 중성자를 생성하여 다음 세대에 더 많은 핵분열을 유도하는 연쇄 반응을 일으킨다. 이러한 반응은 중성자 증배 계수 ''k''로 나타낼 수 있다. ''k'' 값에 따라 반응 상태가 달라지는데, ''k''가 1보다 작으면 임계 미만으로 연쇄 반응이 사라지고, 1보다 크면 초임계 상태로 핵분열 폭탄처럼 폭발적으로 성장한다. ''k''가 1이면 반응이 일정한 속도로 진행되는 임계 상태가 된다. 천연 우라늄을 연료로 사용하는 반응기에서도 중성자를 열에너지로 효과적으로 감속시키면 임계 상태에 도달할 수 있으며, 감속재로는 경수, 중수, 흑연 등이 사용된다.[8]
핵연료 사이클은 235U, 233U, 239Pu와 같은 세 가지 핵분열성 물질과 관련 동위원소 사슬을 기반으로 한다. 현재 사용되는 경수로에서는 2.5~4.5 중량%의 235U를 함유한 농축 우라늄이 UO2 핵연료봉 형태로 핵연료 집합체에 장착되어 사용된다.[21]235U, 233U, 239Pu와 같은 핵분열성 핵종은 증식 잠재력을 갖는다. ''증식로''는 소비하는 것보다 더 많은 핵분열성 물질을 생산하는 원자로로, 핵분열성 핵에서 흡수되는 각 중성자에 대해 최소 두 개의 중성자를 생성해야 한다. 전환율(CR)은 생성된 핵분열성 물질과 파괴된 핵분열성 물질의 비율이며, CR이 1.0보다 크면 ''증식률''(BR)이라고 한다. 233U는 열중성자로와 고속중성자로에서, 239Pu는 고속중성자로에서 우수한 증식 잠재력을 보인다.[21]
5. 1. 원자력 발전
핵분열 원자로는 임계 상태에서 핵분열 연쇄 반응을 제어하여 열에너지를 생산한다. 이 열은 원자력 발전소에서 전기를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 원자력 잠수함과 같은 추진 시스템에도 사용된다.[21]레오 칠라르드는 중성자를 이용한 무거운 원자의 핵분열이 핵 연쇄 반응을 일으킬 수 있다는 것을 발견했다. 그는 1939년에 우라늄 핵분열에서 방출되는 에너지가 매우 크며, 이는 대규모 에너지 생산과 방사성 원소 생산, 그리고 원자폭탄으로 이어질 수 있다고 루이스 스트라우스에게 편지를 보냈다.[43][27]
프레데리크 졸리오퀴리 팀은 1939년 4월 ''네이처''지에 우라늄 핵분열 시 핵분열 당 3.5개의 중성자가 방출된다고 보고했다. 레오 칠라르드와 월터 진은 핵분열에 의해 방출되는 중성자가 약 2개임을 발견했고, 페르미와 앤더슨은 포획된 중성자 하나당 약 두 개의 중성자가 생성된다고 추정했다.[44][27]
페르미와 칠라르드는 핵 원자로(파일) 개념을 제안했다. 이들은 핵분열에서 방출되는 중성자를 감속시키기 위해 흑연 감속재를 사용할 것을 제안했다. 1942년 12월 2일, 시카고 대학의 시카고 파일-1에서 최초의 인공 핵 연쇄 반응이 성공했다. 이 실험은 771,000파운드의 흑연, 80,590파운드의 산화우라늄, 12,400파운드의 우라늄 금속과 10개의 카드뮴 제어봉으로 구성되었다. 중성자 강도는 삼불화붕소 계수기로 측정되었으며, k 값이 1.0에 도달하면서 제어봉을 제거하여 연쇄 반응이 시작되었다.[27]
2019년 기준으로 전 세계 448개의 원자력 발전소가 398 GWE의 전력을 생산하고 있으며, 이 중 약 85%는 가압경수로 또는 비등경수로와 같은 경수로이다. 핵분열 에너지는 원자로 냉각재로 전달된 후 열교환기를 거쳐 증기를 생성하고, 이 증기는 터빈이나 발전기를 구동한다.[21]
핵연료로는 농축 우라늄이 사용되며, 2.5~4.5 중량%의 235U를 함유한다. 이는 UO2 핵연료봉으로 제조되어 핵연료 집합체에 장착된다.[21]
5. 2. 핵무기
핵무기는 제어되지 않은 핵분열 연쇄 반응을 통해 막대한 에너지를 순간적으로 방출하는 무기이다. 서버(Serber)에 따르면, 핵무기의 목표는 "...하나 이상의 핵분열을 일으키는 것으로 알려진 물질에서 고속 중성자 연쇄 반응에 의해 에너지가 방출되는 장치"를 생산하는 것이다.[27]
1942년 말, 미국에서 원자폭탄 제조를 위한 전면적인 노력이 시작되었다. 1943년 미 육군 공병대가 이 작업을 맡아 맨해튼 공병구역으로 알려졌으며, 일반적으로 알려진 최고 기밀의 맨해튼 계획은 레슬리 그로브스(Leslie R. Groves) 장군이 이끌었다. 이 계획에는 수십 개의 현장이 있었는데, 그 중에는 플루토늄 생산을 위해 최초의 산업 규모 원자로가 설치된 워싱턴 주의 한포드 부지(Hanford Site), 주로 우라늄 농축에 관여한 테네시주 오크리지(Oak Ridge, Tennessee), 폭탄 개발 및 설계 연구의 과학 중심지였던 뉴멕시코주의 로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 등이 있었다. 버클리 방사선 연구소(Berkeley Radiation Laboratory)와 시카고 대학교의 야금 연구소(Metallurgical Laboratory) 등 다른 현장들도 중요한 기여를 했다. 프로젝트의 전반적인 과학적 지휘는 물리학자 J. 로버트 오펜하이머가 맡았다.
1945년 7월, "가제트(The Gadget)"라는 최초의 원자 폭발 장치가 뉴멕시코 사막의 트리니티 실험에서 폭발되었다. 이 장치는 한포드에서 생산된 플루토늄을 연료로 사용했다. 1945년 8월에는 우라늄-235 폭탄인 "리틀 보이"와 플루토늄 폭탄인 "팻 맨"이라는 두 개의 원자 장치가 히로시마와 나가사키 원자 폭격에 사용되었다.
6. 핵분열과 관련된 문제점
핵분열은 막대한 에너지를 얻을 수 있지만, 그 과정에서 여러 문제점도 발생한다. 우선 핵분열 과정에서 생성되는 방사성 폐기물은 장기간 안전하게 보관해야 하며, 원자력 발전소 사고 발생 시 심각한 피해를 초래할 수 있다.
6. 1. 방사성 폐기물 처리
핵분열 생성물 중에는 반감기가 매우 긴 핵종이 포함되어 있어, 장기간 안전하게 보관해야 하는 문제가 있다. 한국은 고준위 방사성 폐기물 처분 시설 확보에 어려움을 겪고 있으며, 사용후핵연료 관리 정책에 대한 사회적 논의가 진행 중이다.6. 2. 원자력 발전소 사고 위험
체르노빌 원자력 발전소 사고와 후쿠시마 원자력 발전소 사고는 핵분열 제어 실패로 인한 대규모 방사능 누출 사고의 심각성을 보여준다. 이러한 사고들은 핵 연쇄 반응 제어의 중요성을 강조하며, 원자력 발전소의 안전 설계와 운영에 대한 엄격한 기준을 요구한다. 한국은 원자력 발전소 안전 강화를 위해 지속적인 노력을 기울이고 있지만, 사고 위험을 완전히 배제할 수는 없다.7. 오클로 천연 원자로
가봉 오클로의 세 곳의 광석 매장지에서는 약 20억 년 전에 자체적으로 유지되는 핵분열이 일어났던 16개의 지점(소위 오클로 원자로)이 발견되었다. 1956년 폴 쿠로다가 그 가능성을 제기했고,[45] 1972년 프랑스 물리학자 프랑수아 페랭이 오클로 원자로를 발견했다. 일반적인 물에 의해 감속되는 대규모 천연 우라늄 핵분열 연쇄 반응은 과거에는 일어났지만, 현재는 불가능하다. 이 고대 과정은 현재보다 20억 년 전에는 천연 우라늄에 235U(약 3%)라는 더 짧은 수명의 핵분열성 동위원소가 더 풍부했기 때문에(현재는 0.7%에 불과하며 경수로에서 사용하려면 3%까지 농축해야 함) 일반적인 물을 감속재로 사용할 수 있었다.
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