공부하고 정리하고

반응 단면적

반응 단면적이라 함은 단면적이라는 말에서 느껴지는 기하학적이라는 의미로 생각하기 보다는 그 대상과의 상호작용의 정도를 확률로 나타냅니다. 그러니 확률이라고 생각하시는게 좋습니다. 

그래서 반응할 확률입니다.
표시는 다음과 같이 σ를 사용하고 단위는 cm2를 사용합니다.

보통 핵자 크기에서 반응 단면적을 이야기할때는 barn이라는 단위를 사용하는데 cm2 의 단위로 표현하기에는 그 값이 매우 작기 때문입니다. 

 1barn = 10-24cm2

이 반응 단면적은 산란으로 작용할 수도 흡수를 할 수도 있습니다.

우리는 흡수단면적을 볼것이고 이중에 핵분열을 유도하는 핵분열단면적을 살펴보아야 합니다.

핵분열단면적

핵분열을 일으킴에 있어 그 원인이 되는 입자를 고려할때 핵분열단면적이 큰 물질 즉, 핵분열을 일으킬 확률이 높은 물질을 찾아야 합니다. 핵분열을 일으킬 확률이 낮다면 그만큼 더 많은 입자를 필요로 할 것이고 이것은 경제성을 낮추는 주 원인이기 때문입니다. 
우리가 사용할 수 있는 입자는 원자를 기준으로 중성자, 양성자, 전자가 있겠습니다.
우선, 전자를 보면 전자가 원자핵을 향해 가서 충돌한다고 하였을 때 핵은 분열을 할까요?
원자를 기준으로 원자핵이 원자 안에서 차지하는 질량 비율은 거의 100%입니다. 양성자의 질량은 전자의 질량의 1800배이고 중성자는 양성자와 전자의 질량을 합친것보다 큽니다. 

전자에 비해 핵은 전자의 질량을 무시할만한 큰 질량을 가졌고 크기도 전자가 먼지라면 핵은 축구공만하다고 할 수 있으니깐 핵분열을 일으키기 쉬울 것 같지는 않습니다. 

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.

양성자는 어떨까요?

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.

마지막으로 중성자는 어떨까요?
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.

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.
또한, 핵분열시에 중성자가 발생하고 이것을 또 핵분열에 사용할 수 있기 때문에 임계구동이 가능한것이 또 그 이유가 되겠습니다. 

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