대부분은 바로 오지만, 아주 가끔은 늦게 옵니다

택배 배송을 떠올려보세요

온라인으로 물건을 주문하면 대부분은 당일이나 다음 날 바로 도착합니다. 그런데 아주 가끔은 통관이나 추가 확인 절차 때문에 며칠씩 늦게 오는 택배도 있죠. 이 "늦게 오는 택배"가 있다고 해서 배송 시스템이 고장 난 건 아닙니다. 그저 일부는 원래 시간이 더 걸리는 경로를 거칠 뿐입니다.

핵분열에서 나오는 중성자도 이와 똑같은 그림을 하나 더 가지고 있습니다.

대부분은 그 자리에서 바로 나옵니다

핵분열이 일어나는 바로 그 순간, 파편과 함께 거의 동시에(약 1000조분의 1초 이내) 튀어나오는 중성자를 즉발중성자라고 부릅니다. 전에 여러 번 말씀드렸던 "핵분열 1회당 평균 2.4개의 중성자", "평균 에너지 약 2 MeV" 같은 이야기는 사실 대부분 이 즉발중성자를 가리킨 것이었습니다. 핵분열에서 나오는 중성자의 99% 이상이 이 즉발중성자입니다.

아주 일부는, 한참 뒤에 도착합니다

그런데 아주 작은 비율(약 0.65%)의 중성자는 핵분열이 일어나는 그 순간이 아니라, 핵분열 파편이 베타붕괴를 거친 뒤에야 나옵니다. 이를 지발중성자라고 부릅니다.

왜 이런 일이 생길까요? 전에 핵분열 파편은 대부분 중성자 과잉 상태로 태어나 베타붕괴를 거친다고 말씀드렸었죠. 그런데 이 베타붕괴 사슬 중 극히 일부 특별한 핵종은, 베타붕괴 직후 남은 딸핵이 너무 들뜬 상태라서 감마선 대신(또는 감마선과 함께) 중성자를 하나 더 통째로 내놓습니다. 이렇게 지발중성자를 만들어내는 특별한 핵종을 선구핵종이라고 부릅니다.

즉 지발중성자는 핵분열의 직접적인 산물이 아니라, 베타붕괴의 부산물입니다. 그래서 베타붕괴가 끝날 때까지 기다려야 하니 "지연되어" 나오는 거죠.

얼마나 늦게 올까요

지발중성자를 내놓는 선구핵종들은 반감기가 비슷한 것끼리 묶어 여섯 개 그룹으로 분류하는데, 그룹별 반감기는 짧게는 약 0.2초에서 길게는 약 55초 사이에 걸쳐 있습니다. 즉발중성자가 찰나에 나오는 것과 비교하면, 몇 초에서 거의 1분 가까이 늦게 나오는 셈이죠.

이 몇 초에서 몇십 초라는 시간차가 별것 아닌 것처럼 보이실 수 있는데, 사실 이 시간차 하나가 원자로를 사람이 다룰 수 있게 만들어주는 결정적인 열쇠입니다. 왜 그런지는 다음에 자세히 다뤄보겠습니다.

자주 하는 오해 두 가지

오해 1. "즉발중성자와 즉발감마선은 같은 것이다" — 둘 다 "즉발"이라는 말이 붙지만 서로 다른 입자입니다. 즉발감마선은 핵분열 순간 함께 나오는 감마선이고, 즉발중성자는 그 순간 함께 나오는 중성자입니다.

오해 2. "핵분열 파편의 베타붕괴는 전부 중성자를 하나씩 더 내놓는다" — 아닙니다. 대부분의 베타붕괴는 감마선만 내고 끝나며, 그중 극히 일부 특별한 핵종(선구핵종)만 베타붕괴 뒤 중성자를 추가로 내놓습니다.

오늘의 한 줄 정리

• 핵분열 중성자의 99% 이상은 핵분열 순간 거의 동시에 나오는 즉발중성자다
• 아주 작은 비율(약 0.65%)은 핵분열 파편의 베타붕괴 이후에야 나오는 지발중성자이며, 이를 만드는 특별한 핵종을 선구핵종이라 부른다
• 지발중성자는 핵분열의 직접 산물이 아니라 베타붕괴의 부산물이며, 그래서 시간이 지연되어 나온다
• 선구핵종은 반감기별로 6개 그룹으로 나뉘며, 그 범위는 약 0.2초에서 55초에 걸쳐 있다