핵분열 반응은 불안정한 원소의 원자가 중성자와 충돌하여 각 원자의 핵을 더 작은 부분으로 분할 할 때 발생합니다. 각 핵의 분할이 여러 개의 고속 중성자를 방출하여 원소의 핵을 더 많이 분할하면 연쇄 반응이 일어납니다. 여분의 중성자가 더 많은 핵을 분할함에 따라 더 많은 에너지가 방출되고 연쇄 반응으로 인해 핵폭탄과 같은 폭발이 발생할 수 있습니다. 여분의 중성자를 제거하여 연쇄 반응을 제어하면 에너지는 여전히 열의 형태로 방출되지만 폭발은 피할 수 있습니다. 핵 연쇄 반응은 서로 다른 특성을 가지고 다른 방식으로 사용될 수있는 세 가지 유형의 핵 반응 중 하나입니다.
TL; DR (너무 긴; 읽지 않음)
핵 연쇄 반응은 여분의 중성자를 방출하는 핵분열 반응입니다. 중성자는 추가 원자를 분할하여 더 많은 중성자를 방출합니다. 방출되는 중성자의 수와 분열되는 원자의 수가 기하 급수적으로 증가함에 따라 핵폭발이 발생할 수 있습니다.
세 가지 유형의 핵 반응
원자핵은 유용한 목적으로 사용할 수있는 많은 에너지를 저장합니다. 핵 에너지를 사용하는 세 가지 유형의 핵 반응은 방사선, 핵분열 및 융합입니다. 의료 및 산업용 X-ray 기계는 방사성 요소의 방사선을 사용하여 신체 또는 테스트 재료의 이미지를 만듭니다. 발전소와 핵무기는 핵분열을 사용하여 에너지를 생산합니다. 핵융합은 태양에 동력을 공급하지만 과학자들은 노력이 계속되고 있지만 지구상에서 장기적인 핵융합 반응을 일으킬 수 없었습니다. 이 세 가지 유형의 핵 반응 중 핵분열 만이 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다.
핵 연쇄 반응이 시작되는 방법
핵 연쇄 반응의 핵심은 반응이 추가 중성자를 생성하고 중성자가 더 많은 원자를 분할하도록하는 것입니다. 원소 우라늄 -235는 모든 분할 원자에 대해 여러 중성자를 생성하기 때문에이 우라늄 동위 원소는 원자로와 핵무기에 사용됩니다.
우라늄의 모양과 질량은 연쇄 반응이 일어날 수 있는지 여부에 영향을 미칩니다. 우라늄의 질량이 너무 작 으면 너무 많은 중성자가 우라늄 외부로 방출되어 반응으로 손실됩니다. 우라늄이 잘못된 모양 (예: 평평한 시트)이면 너무 많은 중성자도 손실됩니다. 이상적인 모양은 연쇄 반응을 시작하기에 충분히 큰 고체 덩어리입니다. 이 경우 여분의 중성자가 다른 원자를 치고 곱셈 효과가 연쇄 반응을 일으킨다.
핵 연쇄 반응 제어 또는 중지
핵 연쇄 반응을 제어하거나 중지하는 유일한 방법은 중성자가 더 많은 원자를 분할하는 것을 중지하는 것입니다. 붕소와 같은 중성자를 흡수하는 요소로 만들어진 제어봉은 자유 중성자의 수를 줄여 반응에서 제거합니다. 이 방법은 원자로에서 생성되는 에너지의 양을 제어하고 핵 반응이 제어 상태로 유지되도록하는 데 사용됩니다.
원자력 발전소에서 제어봉은 우라늄 연료로 올라가고 내려갑니다. 완전히 내리면 모든 막대가 연료로 둘러싸여 있으며 대부분의 중성자를 흡수합니다. 이 경우 연쇄 반응이 중지됩니다. 막대가 올라감에 따라 각 막대에서 중성자를 흡수하는 수가 적고 연쇄 반응이 빨라집니다. 이런 식으로 원자력 발전소 운영자는 핵 연쇄 반응을 제어하고 중지 할 수 있습니다.
핵 연쇄 반응의 문제
전 세계 발전소의 핵 연쇄 반응이 상당한 양의 전력을 제공하지만 원자력 발전소에는 두 가지 주요 문제가 있습니다. 첫째, 제어봉을 기반으로 한 제어 시스템이 기술적 오류, 인적 오류 또는 방해 행위로 인해 작동하지 않을 위험이 항상 있습니다. 이 경우 폭발이나 방사능 방출이있을 수 있습니다. 둘째, 사용 된 연료는 방사능이 높으므로 수천 년 동안 안전하게 보관해야합니다. 이 문제는 아직 해결되지 않았으며 대부분의 경우 사용 된 연료가 다양한 원자력 발전소에 남아 있습니다. 결과적으로 미국을 포함한 많은 국가에서 핵 연쇄 반응의 실제 사용이 감소했습니다.