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1. 개요
臨界質量 / Critical mass핵분열성 물질[1]이 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 수밖에 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. 이 때문에 핵분열성 물질을 대량으로 다뤄야 한다면 보통 속을 비워놓는 형태[2]로 제작한다.
순수한 플루토늄 239의 경우, 임계질량은 5.6kg이다. 참고로 나가사키에 투하된 팻 맨의 플루토늄 함유량은 6.1kg.
그리고 이것이 제대로 관리되지 않은 상태에서 모인 게 바로 임계사고다.
2. 임계사고
임계사고는 핵분열 물질을 다루는 과정에서 조작실수로 인해 [3] 임계초과 상태로 돌입해 일어나는 것이다.임계초과 상태가 일어나면 중성자가 우라늄 원자와 핵분열을 하는데, 이 중성자를 막을 물질이 없다면 핵분열에 의해 발생되는 방사선과 열이 급격히 방출되고, 인체나 기기에 손상을 입히게 된다. 이를 임계사고라 한다.
이러한 임계사고는 핵무기의 개발 이후 여러 번 일어났다. 핵무기의 코어를 다루던 중 일어난 루이스 슬로틴과 해리 K. 더그힐란 2세의 사망사고가 있었고 [4] 핵물질 처리 중 일어난 사고로 마야크 재처리 공장과 로스 앨러모스에서의 세실 켈리의 플루토늄 임계사고와 도카이 촌 방사능 누출사고가 있다. 물론 원자로를 다루던 중 일어난 사고들도 있었는데, 주로 실험용 원자로에서 일어난 경우가 많았다.
임계 초과 상태에서 연쇄 핵분열이 일어나면 엄청난 중성자와 감마선이 아주 짧은 시간에 방출된다. 당연히 노출된 사람은 특별한 보호수단이 없다면 수Sv~수십Sv의 방사선을 맞고 며칠에서 몇 주 이내에 고통스런 죽음을 맞이하게 된다. 특히 중성자는 인체는 물론이고 주변의 시설에도 조사되는데, 이는 멀쩡한 원자핵이 방사성 동위원소로 변하게 만들어 더욱 위험을 가중시킨다. 노출된 사람은 신체의 원소의 일부가 Na-24 등의 동위원소로 변해 지속적인 피해를 입게 된다. 또한 중성자는 에너지를 많이 전달하고 인체를 투과하기에 사람에게 피해가 크다.
[1] 핵연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질. 정확히는 어떠한 에너지의 중성자에 의해서도 핵연쇄반응이 유지되는 물질. 방사능 물질과는 다를 수 있다. 우라늄의 대부분을 차지하는우라늄-238 은 연쇄반응을 일으키지 못하므로 핵분열성 물질이 아니다.[2] 고리 모양이나 속이 텅 빈 공 모양[3] 새로운 핵분열성 물질이 추가되거나, 주로 물 등에 의해 중성자 감속 효과가 증가되는 경우, 중성자 반사재로 감싸는 경우 등이 있다.[4] 두 경우 모두 부주의와 중성자 반사재 취급으로 인한 조작 실수였다.