[20] Nuclear Fission Process. [21]Energyin Nuclear Fission.

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1 [20] Nuclear Fission Process

2 [21]Energyin Nuclear Fission

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5 Fission Elements & Radio Activity 핵종질량수비율 (%)t 1/2 ( 반감기 / 년 ) ( 붕괴상수 ) 방사능의 세기매장량 ppm Bq( 베크렐 )Ci ( 큐리 ) Th2321001.405 x 10 10 1.564 x 10 -18 4,059 0.11 Ci 11 U23899.274.468 x 10 9 4.919 x 10 -18 12,440 0.34 Ci 3.2 2350.727.038 x 10 8 3.123 x 10 -17 80,011 2.16 Ci Pu244trace8.0 x 10 7 2.747 x 10 -16 677,685 18.3 Ci 2391002.411 x 10 4 9.116 x 10 -13 2.296 x 10 9 620 mCi 표. 핵분열 연료 사용 가능한 핵종 별 반감기, 붕괴상수와 방사능의 세기 비교 붕괴상수 = ln2/t 1/2 (s) 핵종의 양은 1g(100% 순도로 가정, 약 2~3 x 10 21 개의 핵 ) 으로 비교 [24]

6 Fission Products & Radio Activity 핵종 t 1/2 ( 반감기 ) ( 붕괴상수 ) 방사능의 세기방사선 Bq ( 베크렐 )Ci ( 큐리 ) Tellurium 133 Te12.5 mi n 9.242 x 10 -4 4.183 x 10 18 1.131 x 10 8 (113 MCi) -- Iodine 133 I20.8 h9.257 x 10 -6 4.190 x 10 16 1.132 x 10 6 (1.13 MCi) -- Xenon 133 Xe5.243 d1.530 x 10 -6 6.925 x 10 15 1.872 x 10 5 (0.187 MCi) -- Caesium 133 Cs ( 안정 ) 최종핵 Zirconium 101 Zr2.3 s0.30141.796 x 10 21 4.855 x 10 10 (48.5 GCi) -- Niobium 101 Nb7.1 s9.763 x 10 -2 5.819 x 10 20 1.573 x 10 10 (15.7 GCi) -- Molybdenu m 101 Mo14.61 min 7.907 x 10 -4 4.713 x 10 18 1.274 x 10 8 (127 MCi) -- Technetium 101 Tc14.22 min 8.124 x 10 -4 4.842 x 10 18 1.309 x 10 8 (131 MCi) -- Ruthenium 101 Ru ( 안정 ) 최종핵 M=Mega=10 6 : G=Giga=10 9 우라늄 ( 질량수 238, 235) 핵종 1g 을 그대로 보관하면 ( 즉, 원자로에서 붕괴를 시키지 않으면 ), 그 방사능의 세기는 고작 0.34 ~ 2.16 (  Ci) ( 표 1 참고 ). 그런데, 이들을 태우면 ( 정확히는 에너지를 얻기 위해서 핵분열을 시키면 ) 우선 1 차적인 생성물인 Te 이 113 MCi 와 Zr 이 48.5 G Ci 의 세기로 각각  - 선을 방출하게 된다. 1 차적인 방사능의 세기가  Ci 에서 수백 MCi( 일조 배 이상 ) ~ 수십 GCi( 만 조배 이상 ) 이 된다. 물론 133 Te 과 101 Zr 이 방사성 붕괴를 하면서 생성이 된 133 I 와 101 Nb 또한 두 번, 세 번의 방사성 붕괴를 한다 [25]

7 원전사고 : 체르노빌 그리고 … 12 [26]

8 1. 후쿠시마 원전사고 참고자료 : Zeitschriften Spiegel (Germany) [27]

9 3 월 15 일, 화 아침, 후쿠시마 I 급성 방사능 피해 ( 메스꺼움, 구토, 두통 등 ) 1 년간, 암 치료용 총 방사선량 검사용, 전신 CT 촬영 UN 에서 정한 년간 방사선량 피폭 한도 독일 보건 담당 연간 방사선량 평균 척추 X 선 촬영시 대량 피폭선량 3 월 11 일, 금, 후쿠시마 I 호기에서 공식적으로 측정된 값 !!!(???) 치사복사선량 : 짧은 시간 피폭의 경우에도 [28]

10  사고 악화의 주요 원인 격납용기 설계 특성 : Mark-I 은 중대사고 대응 능력 취약 수소 폭발 방지 설비 미흡 사용후핵연료 저장수조의 위치 사고 관리 대책 및 이행 미흡  중대사고에 대한 인식 미흡  중대사고관리 절차서 및 운전원 교육 미흡 ( 확인 필요 ), 불완전한 절차서 의존,...  사고에 대한 이해 부족  원자로 증기 배출 및 해수 주입 지연  다중호기 문제 발생시 해결 우선순위 결정에 혼선  동경전력 - 일본정부만의 대응 및 해외 기술 지원 거부  원전 상태 및 사고 관리에 대한 소통 미흡 : 일본 국내 및 국제사회 비 난 주요원인 후쿠시마 원전 사고 (3) 후쿠시마 원전 사고 (3) [29]

11  세가지 주요 문제 자연재해의 예측 불가능성을 과소평가 원전위험의 통제 가능성 과신 기술을 자만한 원전 전문가집단이 오류 도쿄전력의 조직문화 문제 여러 차례 검사기록 조작 그릇된 애사심 규제독립성의 모호함 규제기관 독립성 부족 3 가지 주요문제 후쿠시마 원전 사고 (4) 후쿠시마 원전 사고 (4) [30]

12 Nuclear Fission Reactor & Accidents 1952 년부터 2009 년까지 최소한 99 건이 기록 1986 년의 체르노빌 핵발전소 사고 (INES 7) 를 비롯한 사고가 전 세계적으로 1952 년부터 2009 년까지 최소한 99 건이 기록되어 있지만 ( 표 4), 사람들은 대부분 널리 공개가 되지 않은 탓으로 겨우 체르노빌 사고, 1979 년 미국의 쓰리 마일 아일랜드 (Pennsylvania, USA, INES 5) 와 2011 년의 후쿠시마 핵발전소 사고 ( 세계에서 두 번째로 INES 7 을 기록 ) 정도로 생각하고 있다. 거의 100% 에 가깝게 일본의 원자력안전관리법을 복사 하다시피 한 우리나라의 입장에서 일본의 경우를 보자. 1978 년 11 월 2 일 일본의 후쿠시마에서 3 호기에서 처음으로 위급한 사고가 발생하였지만, 이 사고는 그 동안 감추어져 있다가 무려 29 년이 지난 2007 년 3 월 22 일에야 보고 되었다 하니, 우리로서는 시사하는 바가 크다. 1999 년 9 월 토카이무라 ( 핵연료 공장 ) 에서 INES 4 의 사고에서 수 백여명이 방사능에 노출이 되었으며 그 결과로 2 명이 숨진 사고를 포함하여 일본에서는 무 려 12 개의 핵 발전 관련 사고가 있었다 한다. 미국의 사고 ( 쓰리 마일 아일랜드 ) 가 터졌을 때 그들은 뭐라 하였는가 … 미국의 원자로는 PWR 타입이고 우리 ( 일본 ) 는 BWR 타입이니 문제될 것이 없다고 했다. 다음에 체르노빌 ( 일본과 같은 BWR 타입 ) 이 터졌을 때, 그들은 쏘련보다 우리의 기술이 앞서니 걱정할 필요가 없다라고 했 다. 기술에 대한 우월감을 자신했던 그들이었다. 과연 이러한 핵과 관련된 위험에 대하여, 가리워진 정보로 인한 무지의 죽음의 공 포에 대처해야만 하는 우리의 운명은 누가 결정을 하는 것인가 ? [31]

13 Nuclear Fission Reactor & Accidents MIT 의 연구팀의 연구조사에 의하면 핵발전 사업의 성장과 함께 2005 ~ 2055 년 사이에 최소한 4 건 이상의 심 각한 사고가 발생하게 될 것으로 추정한다고 한다 [3] 국가시기횟수 INES rating 캐나다 1952 ~ 19865 프랑스 1969 ~ 201212 독일 1986 ~ 19894 인도 1987 ~ 20026 일본 1978 ~ 201112 2011, 후쿠시마, INES 7 우크라이나 ( 구 쏘련 ) 19861 1986, 체르노빌, INES 7 영국 1957 ~ 20053 미국 1955 ~ 201046 + ? 1979, 쓰리마일, INES 5 스위스 19691 벨기에 20061 체코 19771 아르헨티나 19831 러시아 ( 구 쏘련 포함 ) 1957 ~ 19939 + ? 참고 : INES Rating, 국제 핵 사고 등급 (International Nuclear Event Scale) 0 – 척도 미만 (Deviation – No Safety Significance) 1 – 이례적인 사고 (Anomaly) 2 – 이상 (Incident) 3 – 중대한 이상의 사고 (Serious Incident) 4 – 시설 내부의 위험을 수반한 사고 (Accident with Local Consequences) 5 – 시설외부로의 위험을 수반한 사고 (Accident with Wider Consequences) 6 – 심각한 사고 (Serious Accident) 7 – 대형 사고 (Major Accident) Ref. [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Unf%C3%A4llen_in_kerntechnischen_Anlagen [32]

14 핵분열로 ( 원자로 ) 와 증식로 (Breeder Reactor) 증식로 (Breeder Reactor): 열증식로와 고속증식로 자연상태에서 우라늄은 지각상에 3.2 ppm 에 비하여 토륨은 11ppm 의 양이 분 포하고, 우라늄 중에서 핵발전 연료로 사용이 가능한 U( 235 ) 의 존재비 (0.72%) 에 비해서 U( 238 ) 은 (99.27%) 이 압도적으로 많다. 또한, 우라늄보다 매장량이 큰 Th( 232 ) 을 연료로 사용한다면 … [33]

15 [34] 열증식로 (Thermal breeder reactor) 지구상에 토륨 ( 232 Th) 은 우라늄에 비해서 약 3.4 배나 많이 존재한다는 이점이 있 고 열중성자 (Thermal neutron) 를 이용하여 질량수가 233 인 토륨의 동위원소 ( 233 Th) 를 만들고 이것은 두 번의 베타붕괴 (  – - decay) 를 거친 후에 질량수 233 의 우라늄 ( 233 U) 이 되고, 이것은 235 U 과 같이 핵분열의 연료로 사용이 가능하다. 다음과 같은 핵종 (Nuclide) 들의 232 Th  233 Th  233 U 그리고 238 U  239 U  239 Pu 으로 변환을 볼 수 있다.

16 이상의 토륨 ( 232 Th) 과 우라늄 ( 238 U) 을 이용하는 증식로 (Breeder Reactor) 는 1960 년대 이후 우라늄 매장량이 더 많이 발견되고 우라늄 농축방법의 개선으로 관심이 줄어 들었다고 한다. 실제 현존하는 이런 타입의 증식로는 사고로 인하여 멈추거나 사용되지 않고, 다만 러시아, 인도 중국 등 몇 나라에서만 아직도 관심을 갖고 있는 듯하다. ( 표 참조 ) [35] 그림, 핵 차트의 일부, 핵종과 반감기

17 [36] 고속증식로 (FBR, Fast breeder reactor) 238 U 은 235 U 에 비해서 138 배나 많다고속중성자 (fast neutron) 로 처리플루토늄 ( 239 Pu) 우라늄동위원소 ( 239 U) 넵트늄 ( 239 Np) 플루토늄 ( 239 Pu 이미 238 U 은 235 U 에 비해서 138 배나 많다는 것을 알고 있고, 이 238 U 을 고속중성자 (fast neutron) 로 처리하여서 플루토늄 ( 239 Pu) 으로 만들어서 핵연료로 사용 가능하다. 즉 238 U 은 중성자를 포획하여서 질량수 239 의 우라늄동위원소 ( 239 U) 가 되고, 이것은 베타 붕괴 (  – - decay) 를 통하여 핵 안의 중성자가 양성자로 바뀌면서 원자번호 93 인 우라늄의 동중원소 (isobar) 인 넵트늄 ( 239 Np) 이 되고, 이 넵트늄은 한번 더 베타붕괴를 거쳐서 다른 동중원소인 플루토늄 ( 239 Pu) 이 되는 데, 이것이 핵연료로 사용이 될 수 있다. 고속중성자 여기서 고속중성자란 에너지가 큰 중성자로 그 에너지 영역이 0.1 ~ 수 MeV( 속도 14,000 km/s) 로 일반적인 235 U 를 이용한 핵분열 사용되는 열중성자 ( 에너지, E ~ 0.025 eV, 속도 2.2 km/s) 와 비교가 된다.

18 [37] 고속 증식로 Why?

19 고속 증식로 ??? Best solution [38]

20 [39] 새로운 원전 ( 핵분열에 의한 발전 ) 이란 것은 이미 현존하는 원전과 약간의 차이가 있을 뿐, 근본적인 문제가 핵분열 후의 산물들에 관한 것이다. 이에 따르는 어마 어마한 부담은 결코 그렇게 희망적일 수는 없고, 절망적이다. 이유는 아직 핵반응이 일어나고 있는 상태를 불을 끄는 것처럼 ( 화학반응을 멈추게 ) 할 수 있는 방법이 없다는 것이다. 새로운 핵분열로 ??? Solution

21 [40] 질 량수 90 근처와 130 근처 수년 ~ 30 년 정도의 반감기를 갖는 극히 위험한 것 들 열중성자를 이용하여 235 U, 233 U 또는 239 Pu 을 핵분열 시켰을 경우 약간씩의 차이는 있을지언정 핵분열물질 ( 파쇄핵, fission products, fragments) 는 가장 많은 것이 질 량수 90 근처와 130 근처에서 피크를 보이는 것을 포함, 대략 질량수 80 ~ 160 까지 다양하다.( 그림. 4) 이렇게 방출이 된 다양한 핵종 들 중의 많은 것들이 강한 방사 능을 내거나, 수년 ~ 30 년 정도의 반감기를 갖는 극히 위험한 것 들이다. 그 중에 서도 요드 ( 129 I, 131 I 과 132 I), 세슘 ( 137 Cs), 스트론튬 ( 89 Sr, 90 Sr) 등에 대하여는 많이 알려진 바 있다. 여기서 그 핵종들에 대한 세부사항은 생략하기로 한다. 129 I 131 I IsotopeRadiationHalf-lifeGIGI absorptionNotes 90 Sr / 90 Y/ 90 β28 years30% 137 Cs β,γ30 years100% 147 Pm β2.6 years0.01% 144 Ce Ce β,γ285 days0.01% 106 Ru/ 106 Rh Ru β,γ1.0 years0.03% 95 Zr Zr β,γ65 days0.01% 89 Sr Sr β51 days30% 103 Ru Ru β,γ39.7 days0.03% 95 Nb Nb β,γ35 days0.01% 141 Ce β,γ33 days0.01% 140 Ba/ 140 Laa β,γ12.8 days5% 131 I I β,γ8.05 days100% 3 T, 3 H T β13 years100% tritiated water can absorb through skin

22 [41] 핵 재처리 시설 Fission of the nuclear fuel in any reactor produces neutron-absorbing fission products, and because of this it is necessary to reprocess the fuel and breeder blanket from a breeder reactor if one is to fully utilise its ability to breed more fuel than it consumes. The most common reprocessing technique, PUREX, is generally considered a large proliferation concern because such reprocessing technologies can be used to extract weapons grade plutonium from a reactor operated on a short refuelling cycle. For this reason, the FBR closed fuel cycle is often seen as a greater proliferation concern than a once- through thermal fuel cycle.reprocess PUREXproliferationweapons grade plutonium closed fuel cyclethermal fuel cycle However, to date all known weapons programs have used far more easily ] built thermal reactors to produce plutonium, and there are some designs such as the SSTAR which avoid proliferation risks by both producing low amounts of plutonium at any given time from the U-238, and by producing three different isotopes of plutonium (Pu-239, Pu-240, and Pu-242) making the plutonium used infeasible for atomic bomb use.thermal reactorsSSTAR Furthermore, several countries are developing more proliferation resistant reprocessing methods that don't separate the plutonium from the other actinides. For instance, the pyrometallurgical process when used to reprocess fuel from the Integral Fast Reactor leaves large amounts of radioactive actinides in the reactor fuel. Removing these transuranics in a conventional reprocessing plant would be extremely difficult as many of the actinides emit strong neutron radiation, requiring all handling of the material to be done remotely, thus preventing the plutonium from being used for bombs while still being usable as reactor fuel.pyrometallurgicalIntegral Fast Reactorneutron radiation ThoriumThorium fueled reactors may pose a slightly higher proliferation risk than uranium based reactors because, while Pu-239 will fairly often fail to undergo fission after neutron capture and produce Pu-240, the corresponding process in the thorium cycle is relatively rare. Thorium-232 converts to U-233, which will almost always undergo fission successfully, meaning that there will be very little U-234 produced in the reactor's thorium/U-233 breeder blanket, and the resulting pure U-233 will be comparatively easy to extract and use for weapons. However, the opposite process (neutron knock-off) happens as a matter of course, producing U-232, which has the strong gamma emitter Tl-208 in its decay chain. These gamma rays complicate the safe handling of a weapon and the design of its electronics; this explains why U-233 has never been pursued for weapons beyond proof-of-concept demonstrations.neutron captureneutron knock-offTl-208

23 [42]논의 핵 / 방사선을 끌 수 있을까 ??(NO) 가장 경제적인 에너지원 ? TRUE?? (Germany) 가장 경제적인 에너지원 ? TRUE?? (Germany) 위험에 대한 인식은 언제나 … 위험에 대한 인식은 언제나 … 객관적인 측정, 분석, 그 정보의 공개 객관적인 측정, 분석, 그 정보의 공개 완벽, 정확, 철저한 감독 완벽, 정확, 철저한 감독 충분한 사례 충분한 사례 (Tree-mile-island, Chernobyl & Fukushima) (Tree-mile-island, Chernobyl & Fukushima) 우리의 경우 ? 우리의 경우 ? 핵, 조심은 할 수록 좋다 ! 핵, 조심은 할 수록 좋다 ! 핵공학기술에서 자만은 금물 핵공학기술에서 자만은 금물 2% 모자라는 완벽은 => 0 % !! 2% 모자라는 완벽은 => 0 % !! 핵에너지에서 연습이란 없다 핵에너지에서 연습이란 없다 그리고 핵에너지 없이도 살 수 있다 !!! 그리고 핵에너지 없이도 살 수 있다 !!! … E.T.C., E.T.C.,