쌍봉낙타처럼, 핵분열 수율 곡선도 혹이 두 개입니다

낙타의 등을 떠올려 보세요

쌍봉낙타는 등에 혹이 두 개 있고, 그 사이는 움푹 들어가 있습니다. 절대 혹이 가운데 하나만 볼록 솟아 있지 않죠. 신기하게도, 우라늄이 핵분열할 때 생기는 조각들의 무게를 그래프로 그려보면 정확히 이 쌍봉낙타 모양이 나타납니다.

이 그래프가 바로 오늘 이야기의 주인공, 핵분열 수율 곡선입니다.

핵분열은 항상 똑같이 쪼개지지 않습니다

우라늄-235가 중성자를 흡수해 핵분열할 때, 매번 똑같은 두 조각으로 나뉜다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 실제로는 100가지가 넘는 다양한 조합의 조각(핵분열 생성물)이 만들어집니다. 어떤 때는 좀 더 가벼운 조각과 좀 더 무거운 조각으로, 또 어떤 때는 다른 무게 비율로 쪼개지죠.

이 다양한 조각들이 "얼마나 자주" 만들어지는지를 정리한 것이 핵분열 수율입니다. 핵분열 100번 중에 특정 무게(정확히는 질량수, 원자핵 안의 양성자와 중성자를 합한 개수)를 가진 조각이 몇 번이나 나오는지를 나타내는 값이죠.

그래프로 그리면 낙타 등이 나타납니다

이 수율 값을 가로축은 조각의 무게(질량수), 세로축은 수율(%)로 놓고 그려보면, 봉우리가 두 개인 곡선이 나타납니다. 가벼운 조각 쪽 봉우리는 질량수 약 95 부근에, 무거운 조각 쪽 봉우리는 약 139 부근에 있습니다.

그런데 진짜 흥미로운 부분은 두 봉우리 사이, 정확히 절반으로 쪼개지는 지점(질량수 약 117~ 118)입니다. 이 지점의 수율은 봉우리보다 무려 5~6자릿수, 그러니까 10만 배 넘게 낮습니다. 다시 말해 우라늄이 정확히 똑같은 두 조각으로 쪼개지는 경우는 오히려 가장 드문 경우인 셈입니다.

세로축이 로그 스케일인 이유

여기서 세로축을 눈여겨봐야 합니다. 이 그래프의 세로축은 보통 눈금이 10배씩 뛰는 로그 스케일로 그립니다. 봉우리와 골짜기의 수율 차이가 워낙 커서, 평범한 눈금(선형 스케일)으로 그리면 골짜기 부분이 거의 0에 붙어 안 보이거든요. 로그 스케일이라야 봉우리도, 그 사이 깊은 골짜기도 한 그래프 안에 함께 담을 수 있습니다.

참고로 이 조각들은 항상 짝을 지어 나옵니다. 핵분열 한 번에 조각이 2개 나오다 보니, 모든 질량수의 수율을 다 더하면 100%가 아니라 약 200%가 됩니다.

왜 원자로 설계에서 이 곡선이 중요할까요

이 곡선을 알아야, 사용후핵연료 안에 어떤 핵분열 생성물이 얼마나 들어 있는지 계산할 수 있습니다. 이건 단순한 호기심 차원이 아니라, 원자로를 정지한 뒤에도 한동안 열이 계속 나는 붕괴열 계산, 사용후핵연료의 차폐·보관 설계 등 실제 공학적 계산의 출발점이 되거든요. 두 봉우리 근처에 몰려 있는 핵종 중에는 원자로 운전에 큰 영향을 주는 것들도 있는데, 그 이야기는 범위가 넓어 다음 기회에 다루겠습니다.

자주 하는 오해 두 가지

오해 1. "핵분열은 항상 정확히 반으로 쪼개진다" — 아닙니다. 대부분 크기가 다른 두 조각(비대칭 분열)으로 쪼개지며, 정확히 절반으로 쪼개지는 경우는 오히려 가장 드뭅니다.

오해 2. "전체 수율을 다 더하면 100%가 되어야 한다" — 아닙니다. 핵분열 한 번에 조각이 2개씩 나오므로 전체 합은 약 200%입니다.

오늘의 한 줄 정리

• 핵분열 수율 곡선은 핵분열로 생긴 조각들의 무게(질량수)별 발생 빈도(%)를 나타낸 그래프다
• 이 곡선은 쌍봉낙타 등처럼 봉우리가 두 개(질량수 약 95와 약 139 부근)인 모양을 하고 있다
• 정확히 절반으로 쪼개지는 지점의 수율은 봉우리보다 10만 배 넘게 낮아, 대칭 분열은 오히려 가장 드문 경우다
• 세로축을 로그 스케일로 그려야 봉우리와 골짜기를 한 그래프 안에 제대로 담을 수 있다