핵분열이란 무엇인가

우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 원자핵을 거의 같은 질량의 두 조각으로 세분화하는 핵분열 그 과정은 많은 양의 에너지의 방출을 수반한다. 핵분열에서 원자의 핵은 두 개의 가벼운 핵으로 분해된다. 이 과정은 어떤 경우에 자발적으로 일어나거나 다양한 입자(예: 중성자, 양성자, 중수소 또는 알파 입자)를 가진 핵의 들뜸에 의해 유도될 수 있다. 핵분열 과정에서 대량의 에너지가 방출되고 방사성 생성물이 형성되며 여러 개의 중성자가 방출된다. 이 중성자들은 핵분열 물질로 이루어진 근처의 핵에서 핵분열을 유도하고, 핵분열을 반복할 수 있는 더 많은 중성자를 방출하여, 많은 핵들이 핵분열을 겪고 엄청난 양의 에너지가 방출되는 연쇄 반응을 일으킬 수 있다. 만약 원자로에서 통제된다면, 그러한 연쇄 반응은 사회의 이익을 위한 동력을 제공할 수 있다. 소위 원자폭탄의 경우처럼 통제되지 않으면 엄청난 파괴력의 폭발로 이어질 수 있다. 핵분열의 발견은 "원자 시대"라는 새로운 시대를 열었다. 선과 악에 대한 핵분열의 가능성과 그 적용의 위험/이익 비율은 많은 사회학적, 정치적, 경제적, 과학적 진보의 기초를 제공했을 뿐만 아니라 심각한 관심사를 제공했다. 순수하게 과학적인 관점에서도 핵분열 과정은 많은 퍼즐과 복잡성을 야기했고, 완전한 이론적 설명은 여전히 가까이에 있지 않다. -핵분열 연구 및 기술력- 핵분열이라는 용어는 1939년 독일의 물리학자 리세 마이트너와 오토 프리슈에 의해 처음으로 사용되었다. 그러한 특이한 핵반응이 실제로 일어날 수 있다는 결론은 과학 역사에서 정말 극적인 사건의 정점이었고, 그것은 매우 치열하고 생산적인 조사 기간을 시작하게 했다. 핵분열을 발견한 이야기는 사실 1932년 영국의 제임스 채드윅이 중성자를 발견하면서 시작되었다. 얼마 지나지 않아 이탈리아의 엔리코 페르미와 그의 동료들은 이 대전되지 않은 입자로 다양한 원소의 폭격에 의해 생성된 핵반응에 대한 광범위한 조사에 착수했다. 특히, 이 노동자들은 1934년 우라늄에 느린 중성자를 가한 폭격으로 최소 4종의 방사성 물질이 발생했다는 것을 관찰했다. 이 새로 발견된 종들은 베타 입자를 방출했으며, 원자 번호 93, 94 이상의 불안정한 "초우라늄 원소"의 동위원소라고 생각되었다. 물론, 이러한 원소들의 성질을 조사하는 것에 대한 강한 관심이 있었고, 많은 방사화학자들이 연구에 참여했다. 그러나 1939년 프랑스의 이른 졸리오퀴리와 파블 사비치의 단서에 따라 오토 한과 프리츠 스트라스만이 초우라늄 원소가 사실적으로 바륨, 란타넘, 그리고 방사성 동위원소임을 증명하기 전까지 이러한 연구 결과는 매우 당혹스러웠다. 더 가벼운 원소는 무거운 원자핵에 중성자를 충돌시켜 형성될 수 있다는 주장이 제기되었지만(특히 독일의 화학자 이다 노닥은 1934년) 핵물리학의 일반적인 견해에서 크게 벗어나고 명확한 화학적 증거에 의해 뒷받침되지 않았기 때문에 진지하게 고려되지 않았다. 그러나 한과 스트라스만의 분명한 결과로 무장한 마이트너와 프리슈는 핵분열 과정에 대한 질적 이론적 해석을 하기 위해 최근에 공식화된 핵의 액체 방울 모델을 인용했고, 그에 수반되는 대규모 에너지 방출에 대한 주의를 환기시켰다. 전 세계 수십 곳의 실험실에서 이 반응이 거의 즉각적으로 확인되었고, 1년 내에 이 과정의 주요 특징들을 설명하는 100개 이상의 논문이 발표되었다. 이 실험들은 극도로 에너지 넘치는 무거운 입자의 형성을 확인했고, 생성물의 화학적 식별을 확장시켰다. 한과 스트라스만이 핵분열을 발견하는데 매우 중요한 화학적 증거는 운반체와 추적기 기술을 적용함으로써 얻어졌다. 눈에 보이지 않는 양의 방사성 종이 형성되었기 때문에, 그들의 화학적 정체성은 다양한 화학적 작업을 통해 거시적인 양으로 존재하는 알려진 운반체 원소를 추적하는 방법으로부터 추론되어야만 했다. 알려진 방사성 종도 추적기로 추가되었고, 이들의 행동을 미지의 종과 비교하여 후자의 식별에 도움을 주었다. 수년에 걸쳐, 이러한 방사화학 기술은 핵분열 생성물로 형성된 아연(원자 번호 30)에서 가돌리늄(원자 번호 64)까지 약 34개의 원소를 분리하고 식별하는 데 사용되어 왔다. 핵분열에서 발생하는 광범위한 방사능은 이 반응을 화학, 생물학, 산업용 추적기의 풍부한 공급원으로 만든다. 초기 실험에서는 일반적인 우라늄과 느린 중성자의 핵분열을 포함했지만, 우라늄-235가 이 현상의 원인이라는 것이 빠르게 밝혀졌다. 더 풍부한 동위 원소 우라늄-238은 1 MeV 이상의 에너지를 가진 고속 중성자에 의해서만 핵분열을 겪을 수 있었다. 토륨과 프로탁티늄과 같은 다른 무거운 원소의 핵도 빠른 중성자와 핵분열할 수 있는 것으로 나타났고, 감마선과 함께 빠른 양성자, 중수소, 알파와 같은 다른 입자들이 반응을 유도하는 데 효과적이라는 것이 증명되었다. 1939년 프레데리크 졸리오퀴리, 한스 폰 할반, 루 코와르스키는 우라늄-235의 핵분열에서 여러 개의 중성자가 방출된다는 것을 발견했고, 이 발견은 자생적인 연쇄반응의 가능성을 가져왔다. 페르미와 그의 동료들은 그러한 반응이 통제될 수 있다면 엄청난 가능성을 인식했다. 1942년 12월 2일, 그들은 세계 최초의 원자로를 가동하면서 그렇게 하는 데 성공했다. "파일"로 알려진 이 장치는 우라늄과 흑연 블록의 배열로 구성되었고 시카고 대학의 캠퍼스에 만들어졌다. 미국이 2차 세계대전에 돌입한 지 얼마 되지 않아 수립된 비밀 맨해튼 프로젝트가 원자폭탄을 개발했다. 전쟁이 끝난 후, 대규모 발전을 위한 새로운 원자로를 개발하려는 노력이 있었고, 원자력 산업이 생겨났다.