원자력 에너지는 세계에서 가장 강력한 에너지원 중 하나입니다. 일반적으로 대규모 원자력 발전소에서 대규모로 전력을 생산하는 데 사용됩니다. 그러나 원자핵이 일상생활에 필요한 실용적인 에너지로 변환되는 과정을 아는 사람은 거의 없습니다. 일반적으로 이 에너지는 두 가지 다른 과정에서 생성됩니다. 핵분열 y 핵융합.
이번 글에서는 그 과정에 대해 알아보겠습니다. 핵분열, 이러한 유형의 에너지가 어떻게 생성되는지, 그 메커니즘은 무엇인지, 핵융합과 어떻게 다른지 등을 주요 주제로 설명합니다.
핵분열이란 무엇입니까?
핵분열은 무거운 원자의 핵이 더 가벼운 핵으로 분열되어 그 과정에서 많은 양의 에너지를 방출하는 일종의 핵반응입니다. 이 에너지는 원자력 발전소의 경우 주로 전기로 변환됩니다.
이 과정에서 중성자는 다음과 같은 불안정한 원자의 핵과 충돌합니다. 우라늄-235 또는 플루토늄-239. 상기 중성자를 포획함으로써, 코어가 더욱 불안정해짐 그리고 분열하여 열과 방사선의 형태로 추가 중성자와 에너지를 방출합니다.
이러한 추가 중성자는 차례로 다른 불안정한 핵과 충돌하여 더 많은 핵분열 반응을 유발할 수 있습니다. 연쇄 반응 제대로 제어하지 않으면 파괴적인 방식으로 막대한 양의 에너지가 방출될 수 있습니다. 이것이 원자로의 작동을 가능하게 하는 기본 원리이다.
단일 핵분열 핵 이는 석탄이나 가스 연소와 같은 일반적인 화학 반응보다 수백만 배 더 많은 에너지를 생성할 수 있습니다. 이러한 인상적인 에너지 성능은 원자력이 전기 생산에 있어 매력적인 옵션인 이유입니다.
연쇄 반응
핵분열이 발생하면 여러 개의 중성자(보통 2~3개)가 방출됩니다. 이 중성자는 인근의 다른 핵분열성 핵과 계속 상호작용하여 더 많은 핵분열을 일으키고 결과적으로 더 많은 중성자와 에너지를 방출할 수 있습니다. 이것은 호출됩니다 연쇄 반응.
연쇄반응이 지속되려면 초기 핵분열에서 방출된 중성자 중 적어도 하나가 새로운 핵분열을 유발해야 합니다. 이 조건이 충족되면 반응은 통제된 방식으로 계속될 수 있습니다. 이것이 작동 원리이다. 원자로.
원자력 발전소의 가장 큰 과제 중 하나는 이 과정을 제어할 수 있다는 것입니다. 핵분열이 연속적으로 너무 많으면 갑작스러운 에너지 방출이 발생할 수 있고, 핵분열이 너무 적으면 충분한 에너지를 생성할 수 없습니다. 원자로는 다음을 사용하여 이러한 균형을 유지하도록 설계되었습니다. 중재자 및 컨트롤 바 필요할 때 중성자를 흡수합니다.
핵분열과 융합의 차이점
핵분열과 핵융합 모두 원자핵에 포함된 에너지를 방출하지만, 각각의 메커니즘은 매우 다릅니다.
의 핵분열하는 무거운 핵분열 앞서 언급한 것처럼 작은 핵에서는 핵융합, 프로세스는 반대입니다. 가벼운 핵, 일반적으로 수소, 그들은 융합하여 더 무거운 것을 형성하고 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.
핵분열 예:
중성자가 원자에 부딪힐 때 우라늄-235, 원자는 두 개의 더 가벼운 핵으로 분할됩니다. 바륨-144와 크립톤-89, 세 개의 새로운 중성자와 많은 양의 에너지를 방출합니다. 이는 원자력 발전소에서 고도로 통제되는 공정입니다.
융합 예:
태양에서는 수소 핵이 끊임없이 융합하여 헬륨 핵을 형성하고, 빛과 열의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 그러나 지구상에서 핵융합 반응에 필요한 조건은 수백만 도의 온도와 고압이 필요하기 때문에 달성하기가 극히 어렵습니다. 수십년간의 연구에도 불구하고, 제어된 핵융합은 아직 상업적으로 실행 가능한 방식으로 달성되지 않았습니다..
임계 질량
La 임계 질량 지속적인 연쇄반응을 가능하게 하는 데 필요한 최소한의 핵분열성 물질입니다. 사용된 질량이 임계 질량보다 작으면 각 핵분열에서 방출된 중성자가 새로운 핵분열을 일으키기 전에 손실되고 반응이 중단됩니다.
임계 질량은 다음과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. 재료의 순도, 기하학 및 손실을 줄이는 중성자 반사 물질로 둘러싸여 있는지 여부.
이에 대한 예는 원자로가 일반적으로 시스템 내의 중성자 수를 가능한 한 오랫동안 유지하고 핵분열이 지속 가능하게 계속되도록 구형 또는 원통형 모양으로 설계된다는 것입니다.
자발적 핵분열
자발적인 핵분열 이는 덜 일반적이지만 입사 중성자의 개입 없이 핵이 분열하는 중요한 현상입니다. 이는 플루토늄-239와 같은 매우 불안정한 동위원소에서 발생합니다.
자연적으로 발생할 확률은 낮지만, 이러한 현상은 핵물질 관리 및 원자로 안전에 영향을 미칩니다.
이러한 유형의 핵분열은 방사선 방출로 이어질 수 있으며, 올바른 조건에 도달하면 원치 않는 반응을 일으킬 수 있으므로 올바르게 관리하지 않으면 잠재적인 위험을 나타냅니다.
그 이유는 보안 원자력 발전소에서는 체르노빌이나 후쿠시마에서 발생한 사고와 재난을 피하는 것이 핵심입니다.
핵분열은 특히 제한된 탄소 배출량으로 대량의 전기를 생산할 수 있는 능력으로 인해 세계 에너지 생산의 주요 기술 중 하나입니다.