Nuclear Fission 아주대학교 화학과 박영동 교수 Updates 20111029.

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1 Nuclear Fission 아주대학교 화학과 박영동 교수 Updates 20111029

2 Nuclear Binding Energy

3 1. Ni-62 (8.7946 Mev/nucleon) 2. Fe-58 (8.7925 Mev/nucleon) 3. Fe-56 (8.7906 Mev/nucleon)

4 Uranium-235 Fission

5 A slow neutron can be captured by a uranium-235 nucleus, rendering it unstable toward nuclear fission. A fast neutron will not be captured, so neutrons must be slowed down by moderation to increase their capture probability in fission reactors.

6 Uranium-235 Fission

7 Fission Yield

8 Fission Fragments Average fragment mass is about 118. More probable to break up into unequal fragments. The most probable fragment masses are around mass 95 and 137. Most of these fission fragments are highly unstable (radioactive), and some of them such as Cs-137 and Sr-90 are extremely dangerous when released to the environment. From Wikipedia

9 A Fission Fragment Example A common pair of fragments from uranium- 235 fission is Xe and Sr: 235 U + n → 236 U → 140 Xe + 94 Sr + 2n The xenon decays with a half-life of 14 seconds and finally produces the stable isotope cerium-140. Strontium-94 decays with a half-life of 75 seconds, finally producing the stable isotope zirconium-94. These fragments are not so dangerous as intermediate half-life fragments such as cesium-137.

10 Fission Products Many of the early decays of short-lived nuclei are high-energy, most of the long-halflife fission product nuclides are of relatively low energy and relatively less biological risk. Exceptions are in red. Medium-lived fissionproducts t ½ (yr) Yield (%) Q (keV) βγ 85 Kr10.76.2180687βγ 113m Cd14.1.0008316β 90 Sr28.94.5052826β 137 Cs30.236.3371176βγβγ 121m Sn43.9.00005390βγ 151 Sm90.531477β Long-lived fission products t ½ (Ma) Yield (%) Q (keV) βγ 99 Tc0.2116.1385294β 126 Sn0.2300.10844050βγβγ 79 Se0.2950.0447151β 93 Zr1.535.457591βγ 135 Cs2.36.9110269β 107 Pd6.51.249933β 129 I15.70.8410194βγ

11 U-235 Fission product isotope signatures The isotope signatures of natural neodymium and fission product neodymium from U-235 which had been subjected to thermal neutrons. Note that the Ce-142 (a long lived beta emitter) has not had time to decay to Nd-142 over the time since the reactors stopped working. The isotope signatures of natural ruthenium and fission product ruthenium from U-235 which had been subjected to thermal neutrons. Note that the Mo-100 (a long lived double beta emitter) has not had time to decay to Ru-100 over the time since the reactors stopped working.

12 Dangerous Fission Fragments Cs-137Sr-90I-131 30.17 y, β -, γ28.79 y, β - 8.02 d, β - Similar to potassium and rubidium by living organisms and taken up as part of the fluid electrolytes. This means that it is passed on up the food chain and reconcentrated from the environment by that process. Sr-90 mimics the properties of calcium and is taken up by living organisms and made a part of their electrolytes as well as deposited in bones. As a part of the bones, it is not subsequently excreted like Cs-137 would be. It has the potential for causing cancer or damaging the rapidly reproducing bone marrow cells. Strontium-90 is not quite as likely as cesium-137 to be released as a part of a nuclear reactor accident because it is much less volatile, but is probably the most dangerous components of the radioactive fallout from a nuclear weapon. Iodine-131 may give a higher initial dose, but its short half-life of 8 days ensures that it will soon be gone.

13 Typical Fission Reaction

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15 Energy Calculation Average for a typical fission of U-235 2.4 neutrons 215 MeV(0.231 amu) U-235235.0439299 Rb-9594.92930289 Cs-137136.9070895 3*n3.025994747 Delta(amu)-0.181542809 E(MeV)-169.1060531 E(J)-1.6316E+16 95 Rb → 95 Sr + e − + ν e (beta minus decay) Energy (MeV) distribution in fission reactions Kinetic energy of fission fragments167 Prompt (< 10-6 s) gamma ray energy8 Kinetic energy of fission neutrons8 Gamma ray energy from fission products7 Beta decay energy of fission products7 Energy as antineutrinos (ve)7

16 Nuclear Power Plant

17 Schematic Diagram of a Nuclear Reactor

18 Typical Neutron Absorption Cross Section vs. Neutron Energy(neutron speed)

19 Good Neutron moderators large scattering cross section small absorption cross section large energy loss per collision

20 Neutron absorber The most prolific neutron absorbers are elements that become stable by absorbing a neutron. Boron, Cadmium and Gadolinium are all used as neutron absorbers in commercial fission power plants, while Xe-133 occurs naturally as a byproduct of the fission process.

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22 Fuels U-235 Some reactors operate with natural uranium (0.7% U-235), some with slightly enriched uranium (3% U-235). Since weapons require about 90% U-235, the uranium used in reactors cannot be diverted to weapons use. Pu-239

23 Arguments against nuclear energy: Accidents Waste Expense

24 사고 1 미국 쓰리마일 핵발전소 사고 (1979 년 3 월 28 일 ) : 5 등급 사건 가압 경수로. 가압경수로는 노심을 통과한 냉각수가 증기발생기로 가서 물을 데워 수증기를 만든 후 순환 펌프에 의해 다시 노심으로 돌아오는 1 차 계통, 증 기발생기에서 만들어진 수증기가 터빈으로 가서 증기 발생기로 돌아오는 2 차 계통으로 이루어진다. 사고는 응축기가 작동하지 않아 증기 발생기에 물이 공급되지 않았고 냉각수 가 열을 다른 곳으로 전달할 수 없게 되어, 그 결과 노심이 과열되어 연쇄적인 문제가 발생했다. 이 사고로 노심의 70% 가 손상되었고 35 ∼ 40% 가 녹아 내렸으 나, 다행히 녹아 내린 노심이 원자로 용기를 뚫고 밖으로 나오지는 않았다. 피해규모와 관련해서 정부 쪽 조사에 따르면 발전소 주변의 방사능 오염은 주 민의 건강에 영향을 미치지 않는 미미한 수준인 것으로 나타났다. 그러나 민간 환경단체에서 독자적으로 벌인 조사 결과는 상당한 가축 피해가 있었고 사고 후 암 발생률도 크게 높아진 것으로 나왔다. 이 핵발전소는 사고 후 영구 폐쇄 되었으며 안전한 상태로 회복시키는데 약 10 억 달러가 쓰였다. 이는 미국의 핵 산업계에 커다란 영향을 끼쳤다. 1979 년 이후로 신규핵발전소의 주문은 전혀 없었고 이미 주문된 원자로 가운데 61 기가 취소되었다.

25 사고 2 구 소련 체르노빌 핵발전소 사고 (1986 년 ) : 7 등급 사건 고속 중성자를 감속시키는 감속재로 흑연을 쓰고, 냉각재로는 경수를 쓰는 경수 냉각 흑연감속형 원자로. 사고는 발전소에서 정전이 되었을 때 비상전력공급체계가 제대로 작동하는지 확 인하려는 실험에서 비롯되었다. 실험 과정에서 운전원의 실수로 조종장치에 혼란 이 왔고, 그 결과 순환펌프에 의한 냉각수 흐름이 점점 적어져서 마침내 냉각 기능 이 저하되어 노심이 과열되기 시작했다. 26 일 새벽 1 시 24 분에는 원자로의 정규출 력이 100 배 이상으로 높아졌고 핵분열 에너지는 엄청난 수증기를 만들어 증기폭 발이 발생했다. 2 ∼ 3 초 후에 두 번째 폭발이 발생하였으며 이 폭발로 1000 톤에 달 하는 원자로 지붕이 날아가고 파손된 노심이 대기에 노출되었고 엄청난 양의 방 사성 물질이 그 지역을 뒤덮었다. 사고 직후에 사망한 사람은 약 40 명이었지만, 진화 작업에 투입되었던 약 80 만 명 의 군인이나 광산 노동자 중 방사능으로 인한 질병에 걸려 지금까지 사망한 사람 의 수는 2 만 5000 명을 넘었다. 얼마 전에는 주한 우크라이나 대사관 참사관이 " 공 식적 자료에 따르면 체르노빌 원자력 발전소 사고로 발생한 피해자는 343 만 명에 달하고 이중 어린이 피해자는 132 만 명이나 된다. 이 사고로 인한 피해액만도 130 억 달러가 넘고 오염지역으로 인정된 토지가 5 만 ㎢에 이른다 " 고 밝혔다.

26 사고 3 일본 도카이무라 핵사고 (1999 년 9 월 30 일 ) : 4 등급 사고 일본 도카이무라 ( 東海村 ) 의 핵연료가공공장 JCO( 농도가 다른 우라늄을 가공 · 혼합 하여 핵연료인 이산화우라늄을 제조하는 회사 ) 에서 일본 최대의 핵사고가 일어났다. 우라늄을 가공처리하는 민간업체인 JCO 도카이 사업소에서 우라늄의 불순물을 제 거하기 위해 초산용액으로 녹이는 과정에서 침전용 탱크에 규정보다 많은 양의 우 라늄을 넣어 임계 사고가 일어났다. 초산용액에 농축도가 18.8% 인 우라늄을 녹여 불 순물을 침전시키는 공정인데, 한번에 2.4 kg 을 처리하는 것이 정상이나, 이 날은 7 배 에 가까운 16kg 을 넣어 연쇄반응이 일어난 것이다. 이 사고로 공장주변의 반경 10km 이내에 있는 5 개 지역 주민 31 만 명에 대해 옥내 피 난 명령이 내려졌고 모든 학교가 휴교하고 교통도 통제되었다. 이 사고로 현장 작업 자 3 명은 중증 장애를 보여 병원에서 치료를 받았으나 그 중 오우치 히사시 (35 세 ) 씨 는 1999 년 12 월 21 일 밤에 숨지고 말았다. 그의 방사선 피폭량은 일반인이 1 년간 허 용된 양의 약 1 만 8 천 배에 달하는 것으로 추정되었다. 역시 피폭허용량의 160 배의 방사선에 노출되었던 또 다른 작업자가 2000 년 4 월 27 일에 숨졌다. 사고대책본부에 따르면 방사능 피폭자는 JCO 직원 36 명, 소방대원 3 명, 기타 10 명 등 모두 49 명으로 보고되었다.

27 사고 4 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고 (2011 년 3 월 13 일 ) : 7 등급 사고 후쿠시마 제 1 원자력 발전소에서 일어난 원자력 사고이다. 후쿠시마 제 1 원자력발전소는 미국 GE 사가 설계, 시공한 비등수형 원자로로 경수를 냉각재와 중성자 감속재로 사용한다. 발전소는 6 개의 독립적인 원자로로 구성되어 있고, 사고 당시 4 호기는 연료를 비운 상태로, 5, 6 호기는 정비를 위해 운영이 중단된 상태였다. 사고는 도호쿠 지방 태평양 앞바다에서 일어난 진도 9.0 규모 지진과 그로 인한 쓰나 미의 여파로 냉각시스템이 고장나면서 사고 후 수일 이내에 1,2,3 호기는 모두 노심 용융이 발생하였다. 이 사고는 아직도 진행 중이다. 원자로에 냉각시스템이 멈춘 직후에 원전 폐기를 감수하고 바닷물을 조기에 투입했 더라면 사태의 심각성이 커지지 않았을 것이라는 비판이 있었다. 도쿄전력측이 건 설비용은 약 5 조원 가량인 원전의 폐쇄를 결단하지 못해 사태가 걷잡을 수 없을 정 도로 커졌다는 것이다. 또한, 일본 정부는 후쿠시마 제 1 원자력 발전소에 대량의 플루토늄을 은닉하면서, 비 밀리에 핵개발을 추진했다는 의혹이 제기되었다. 실제로 사고 원전 주변에서 플루 토늄이 검출되기도 했다

28 Arguments for nuclear energy: Political instability in oil-rich areas Does not contribute to global warming. Renewables: Cannot supply all energy needs for several decades

29 Spent U-235 Fuel Spent fuel from nuclear reactors still contains considerable amounts of 235 U but now has generated significant 239 Pu. After 3 years in a reactor, 1,000kg of 3.3%-enriched uranium (967kg 238 U and 33 kg 235 U) contain 8 kg of 235 U and 8.9 kg of plutonium isotopes along with 943 kg of 238 U and assorted fission products. Separating the 235 U and 239 Pu from the other components of spent fuel significantly addresses two major concerns. It greatly reduces the long-lived radioactivity of the residue and it allows purified 235 U and 239 Pu to be used as reactor fuel. (Courtesy of the Uranium Information Center)

30 Nuclear Fission-Spent Fuel Hazards of the radioactivities in spent fuel compared to uranium ore From “Science, Society and America’s Nuclear Waste,” DOE/RW-0361 TG

31 Fusion and Fission Yields D-T FusionU-235 Fission