임계질량

Critical mass

핵분열성 물질이 연쇄반응을 지속하는데 필요한 최소 질량을 뜻한다. 바꾸어 말하면, 임계질량에 해당하는 핵분열성 물질이 모여야 연쇄반응이 지속된다.

임계질량만큼의 핵분열성 물질이 있어야 핵연쇄반응이 유지되는 이유는 다음과 같다.
핵분열성 물질의 핵에 중성자가 충돌하면 핵분열이 일어나는데, 이 핵분열은 다시 중성자를 방출한다. 이 중성자가 다시 근처의 핵에 충돌하고 이로 인해 또 다른 핵분열이 일어나는 과정의 반복이 핵연쇄반응이다. 이처럼 중성자 역할이 필수적인데, 문제는 중성자가 그냥 흡수되는 경우도 있고, 핵에 안 맞고 그냥 지나쳐서 물질 밖으로 나가버리는 경우도 있다는 것이다. 이것은 핵반응의 측면에서는 중성자가 낭비되는 셈이다.
그래서 충분한 양의 핵분열성 물질이 있어야 핵연쇄반응이 지속되는 것이고 이때의 양이 임계질량이다.

핵분열성 물질이 임계질량보다 적게 있으면 핵분열이 사그라들어 결국 중지된다. 임계질량보다 많이 있으면 핵분열이 더 거세어지는데, 결국 폭발해서 날아가버리든가(핵폭탄), 핵물질이 소모되어 반응속도가 줄고 평형상태가 되든가 한다. 딱 임계질량만큼 있으면 임계상태가 되며, 이 임계상태에서는 핵분열이 더 활발해지지도 않고 느려지지도 않는 평형상태가 된다. (물론 핵물질이 소모될 수 밖에 없으니 결국은 반응이 멎는다.)

임계질량은 핵분열성 물질 자체의 특성, 형상, 밀도, 농도, 주위 환경 등에 따라 달라진다. 예를 들어, 잘 뭉쳐진 형상인 공 모양일수록, 밀도가 높을수록, 농도가 높을수록, 임계질량이 낮아진다. 즉 연쇄반응이 쉽게 일어난다. 그리고 핵분열성 물질을 중성자를 반사시키는 물질로 감싸면 임계질량이 낮아지는데, 이는 물질 밖으로 탈출하는 중성자를 반사시켜서 다시 핵물질 속으로 되돌아가게 하기 때문이다.

순수한 플루토늄 239의 경우, 임계질량은 5.6Kg이다.가정에서 핵폭탄을 만들 때 참고하도록 하자