기하 급수적 폭발의 원리

한개의 우라늄 원자핵이 중성자에 의해 분열하면 2×10⁸eV의 에너지를 냅니다. 1개의 TNT분자가 30eV의 에너지를 내는 것과 비교하면 엄청나게 큰 양이죠.(약 6백6십6만배 차이)

핵분열이 일어난 후, 분열 부산물의 질량과 중성자의 질량을 합하면 원래의 우라늄 질량보다 작습니다.

이 작은 차의 질량 결손은 Einstein의 공식 E=mc²에 의해 엄청난 에너지를 생산합니다. 핵 분열에서 나오는 에너지는 분열 부산물의 운동 에너지로 나옵니다. 그리고 이중의 일부는 중성자를 생성하는데 사용되고 남은 부분은 감마선(r -ray)으로 나옵니다.

과학자들은 이런 핵분열에 대단한 충격을 받았습니다. 왜냐하면 핵분열시 엄청난 에너지가 나올 뿐만 아니라 중성자가 생성되기 때문입니다. 보통 1개의 중성자가 핵분열을 일으킬 때 방출되는 중성자는 대략 2~3개쯤 됩니다. 새롭게 방출된 중성자가 다른 핵에 핵분열을 일으킨다면 다시 8~27개의 중성자를 만들므로 연쇄적으로 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 즉, 연쇄반응이 가속적으로 일어나는 것입니다.

그러나 자연계에서는 핵분열이 일어나지 않습니다. 사실상 연쇄반응은 우라늄의 희귀한 동위원소인 ²³⁵U에서만 가능하고 이것은 우라늄 금속의 0.7%밖에는 존재하지 않기 때문입니다. 따라서 우라늄 금속의 대부분을 차지하고 있는 ²³⁸U은 중성자를 흡수하고 또, ²³⁸U은 핵분열을 일으키지도 않습니다. 따라서 연쇄반응이 불가능해집니다.

임계 질량

만약 연쇄반응이 작은 ²³⁵U덩어리에서 일어난다면 많은 중성자들이 표면을 통해서 도망가기 때문에 연쇄반응은 계속되지 못합니다. 작은 물체는 부피에 비하여 표면적이 크기 때문입니다.

연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질의 최소 크기를 임계크기라고 하며, 이때의 질량을 임계질량이라고 합니다.

원자 폭탄은 핵분열이 급격히 일어나는 것을 이용하여 만들어졌습니다.
두 덩어리의 ²³⁵U 각각은 임계질량이 되지 않지만 합치면 임계질량 이상이 됩니다. 두 덩어리의 ²³⁵U를 갑자기 합치게 되면 질량이 임계질량 이상으로 되기 때문에 굉장한 폭발을 합니다.
(Chemistry - The Central Science)

 

원자력 발전소
핵분열이 천천히 일어나도록 하면, 인간에게 유용한 에너지원이 됩니다.
(Chemistry - The Central Science)