핵분열 생성물(Fission Products, FP)은 우라늄이나 플루토늄과 같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌하여 핵분열(nuclear fission)을 일으킬 때, 모핵이 두 개 또는 그 이상의 더 작은 원자핵으로 쪼개지면서 생성되는 원자핵 조각들을 말한다.
핵분열 반응에서 우라늄-235와 같은 무거운 원자핵은 일반적으로 두 개의 작은 원자핵으로 분열하며, 이와 함께 수 개의 중성자, 열에너지(원자핵의 운동 에너지), 그리고 감마선을 방출한다. 이때 생성된 두 개의 작은 원자핵이 핵분열 생성물이다. 전체 핵분열의 약 0.2%에서 0.4%는 삼중 핵분열(ternary fission)로, 헬륨-4(90%) 또는 삼중수소(7%)와 같은 세 번째 가벼운 핵이 추가로 생성되기도 한다.
핵분열 생성물은 일반적으로 중성자가 과잉된 상태이므로 핵적으로 불안정하며, 따라서 방사성을 띤다. 이들은 안정한 상태에 도달할 때까지 일련의 베타 붕괴(beta decay) 과정을 거치며 베타 입자, 반중성미자, 감마선 형태의 추가 에너지를 방출한다. 이러한 붕괴 과정에서 발생하는 열에너지는 붕괴열(decay heat)로 나타나며, 원자로 정지 후에도 제거가 필요하다.
핵분열 생성물의 종류는 1초 이상의 반감기를 갖는 핵종과 동위원소만 해도 1,000종이 넘는다. 이들 대부분은 요오드-131(반감기 약 8일)과 같이 수년 이내의 짧은 반감기를 가진다. 수년 이상 100년 미만의 반감기를 갖는 핵종 중에서는 스트론튬-90(반감기 약 29년)과 세슘-137(반감기 약 30년)이 수율이 높고 반감기도 비교적 길어, 수백 년간 사용후핵연료의 방사능 준위를 지배한다. 반감기가 100년 이상 10만년 미만인 핵분열 생성물은 존재하지 않으며, 10만년 이상의 장수명 핵종이 7종 있으나 수율이 매우 낮거나 반감기가 너무 길어 테크네튬-99(반감기 약 21만년)를 제외하면 사용후핵연료의 장기 방사능 준위에 미치는 기여도는 낮다.
핵분열 생성물의 수율(yield)은 원자 질량수에 따라 대칭적이지 않은 분포를 보인다. 열중성자에 의한 우라늄-235의 핵분열에서 생성물의 수율 분포는 질량수 약 90~100 영역(스트론튬에서 루테늄까지)과 약 130~145 영역(텔루륨에서 네오디뮴까지)에서 두 개의 봉우리를 형성하는 말발굽 형태를 나타낸다. 이는 핵분열이 대칭적으로 일어나기보다 비대칭적으로 일어나는 경우가 훨씬 많기 때문이다.
경수로 원전에서 나온 사용후핵연료의 핵분열 생성물에 의한 방사능 준위가 천연 우라늄 원광 수준으로 낮아지는 데는 대략 300년이 소요된다. 핵분열 생성물은 주로 베타 방사선을 방출하는 반면, 악티늄족 원소는 주로 알파 방사선을 방출한다.
핵분열 생성물은 원자로 운전 측면에서도 중요한 의미를 가진다. 일부 핵분열 생성물(예: 크세논-135, 사마륨-149)은 중성자 흡수 단면적이 커서 원자로의 중성자 균형에 영향을 미치는 중성자 독(neutron poison)으로 작용한다. 또한 일부 핵분열 생성물은 수 초에서 수 분에 걸쳐 지연 중성자(delayed neutron)를 방출하여 원자로의 제어 가능성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다.
핵분열 생성물은 자연적으로도 소량 생성된다. 천연 우라늄의 자발 핵분열이나 우주선 입자에 의한 핵반응의 결과로 생성되며, 이는 광물 내 핵분열 흔적을 이용한 연대 측정(핵분열 흔적 연대 측정, fission track dating)에 활용된다. 약 15억 년 전 아프리카 가봉의 우라늄 광상에서 약 5톤의 핵분열 생성물을 생성한 천연 원자로가 수십만 년간 가동된 사례도 존재한다.
