안녕하세요!!
연로봉에 관해 설명하던 중 저는 중성자를 통해 핵분열을 한다고만 언급을 했었던 사실을 인지했습니다. 아! 왜 굳이 중성자를 써야 하는지 설명을 안 드렸구나… 라며 반성을 하며 이글을 쓰고 있습니다.
그래도 두가지 궁금증은 풀어드렸다고 생각합니다.
원자력 발전소는 왜 우라늄을 사용하는가?
원자력 발전소에는 물이 왜 필요할까?
그래서 오늘 소개하는 왜 중성자가 필요한가? 에 대한 질문은 조금 더 원초적인 질문이라 할 수 있겠습니다.
반응 단면적
반응 단면적… 무슨 말인지 감이 오시나요?
단면적이라는 말은 기하학적인 넓이이니까 반응하는 기하학적 단면적?
이라고 생각하실지도 모르겠습니다.
기본적인 접근은 맞지만, 정확히는 틀렸습니다.
반응 단면적은 기하하적인 요인이라고 한정하기보다는 그 대상과의 상호작용의 정도를 확률로 나타냅니다. 그러니 확률이라고 생각하시는게 좋습니다. 그래서 반응할 확률입니다.
표시는 다음과 같이 σ를 사용하고 단위는 cm2를 사용합니다.
그리고 크기가 크기인 만큼 이 단면적은 아주 작은 크기를 가지는데 보통 10-24cm2정도입니다. 그래서 이를 대치하는 단위로 자주 표현합니다. 이 단위를 barn이라고 합니다. 1barn=10-24cm2
이 반응 단면적은 산란으로 작용할 수도 흡수를 할 수도 있습니다.
우리는 흡수단면적을 볼것이고 이중에 핵분열을 유도하는 핵분열단면적을 살펴보아야 합니다.
핵분열단면적
우리는 핵분열단면적이 큰 물질 즉, 핵분열을 일으킬 확률이 높은 물질을 찾아야 합니다.
우리가 사용할 수 있는 입자는 원자를 기준으로 중성자, 양성자, 전자가 있겠습니다.
우선, 전자를 보겠습니다.
전자가 원자핵을 향해 가서 충돌합니다. 핵은 분열을 할까요?
원자를 기준으로 원자핵이 원자 안에서 차지하는 질량 비율은 거의 100%입니다.
예를 들어보겠습니다.
전자는 로켓 하나에 해당하고 원자핵은 지구라고 생각해봅시다. 단순히 가정해서요.
지구와 똑같은 질량을 가진 로켓을 외계인이 타고 우주 전쟁을 하러 왔다고 가정해보세요.
이들이 지구를 반으로 쪼개서 우주에서 없애버리려고 자기들이 타고 온 로켓으로 지구에 충돌했습니다.
지구는 반으로 쪼개질까요?
지상에서의 충격으로 땅이 파이고 많은 사람이 죽을 수도 있지만 상식적으로 6400km나 되는 단단한 지구를 파괴할꺼라고는 생각이 들지는 않죠?
전자와 핵의 상황도 유사합니다. 전자에 비해 핵은 전자의 질량을 무시할만한 큰 질량을 가졌고 크기도 전자가 먼지라면 핵은 축구공만하다고 할 수 있으니까요.
아인슈타인의 질량 에너지 등가식을 보면 정지질량에 의한 에너지가 상당한 것을 알 수 있습니다. 그럼 적어도 전자는 이 정지질량에 해당하는 에너지만큼은 넘어서야 합니다. 그렇게 하기에는 현실적으로 어려울 겁니다.
그럼 전자는 탈락!
다음 후보를 한 번 보겠습니다.
이번에는 양성자입니다.
오 양성자는 해볼 만 하지 않을까요? 핵이 양성자와 중성자의 결합으로 이루어져있으니까 충격이 꽤나 클 겁니다.
지구로 치면 달 같은 게 가속해서 온다고 생각하면 되려나요?
그런데 양성자는 문제가 하나 존재합니다. 반응 단면적이 굉장히 작다고 할 수 있는데요.
그 이유는 전하량을 가졌기 때문입니다.
핵에 존재하는 양성자들은 +전하를 가졌고 이들이 포텐셜 장벽을 형성합니다.
쉽게 말하면 N극이 N극을 밀어내는 것처럼 양성자는 이 핵안으로 들어가는 데에 큰 방해를 받게 됩니다.
제가 저번 시간에 소개해드린
이 반응에서는 양성자가 핵반응을 일으켰다고 했었죠?
해당 입자가 리튬이 아니라 무거운 핵자였다면 이당시 사용한 고전압으로는 어림도 없었을 겁니다. 클롱힘은 무거운 핵자일수록 커지니까요.! (더 많은 양성자에 의해서)
그래서 양성자는 이 클롱장벽에 의해 상당한 에너지를 주어야 장벽을 뛰어넘을 수 있습니다.
물론 터널링현상으로 반응이 가능하기에 반응이 완전 안 일어난다고는 할 수 없습니다.
그럼 마지막 후보자 중성자는 반응에 가능하다는 것을 우리는 이미 알고 있습니다.
과연 어떠한 장점을 가졌을까요?
이 중성자는 말 그대로 중성입니다. 전하를 가지고 있지 않습니다.
그런데 양성자와 거의 비슷한 질량을 가집니다.
그리고 이 중성자는 핵에서 생성시킨 클롱 장벽의 방해를 받지 않습니다.
그렇기에 핵분열을 유도해내는데 양성자만큼 큰 힘을 들일 필요가 없게 됩니다.
이제 결론을 내려보죠.
핵분열을 유발하는데 사용가능한 입자는 양성자와 중성자입니다. 그런데 양성자는 핵분열을 유발하기 위해서는 고에너지를 주어야 하기 때문에 가속기의 사용이 필수적입니다. 하지만 중성자는 전하를 안 띤다는 특성으로 가속기에서 가속은 못 하지만 반응단면적이 큰 특징을 가져서 원자로에서 핵분열을 유발하는 source로 사용이 가능합니다.
그러니까 원자력발전소에서는 중성자를 사용하는 겁니다!!
다음 시간부터는 다시 제어봉집합체에 대한 설명으로 들어가겠습니다.
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!