30장 핵에너지; 방사선의 효과와 이용 © 2014 Pearson Education, Inc.

Presentation on theme: "30장 핵에너지; 방사선의 효과와 이용 © 2014 Pearson Education, Inc."— Presentation transcript:

1 30장 핵에너지; 방사선의 효과와 이용 © 2014 Pearson Education, Inc.

2 30장의 내용 핵반응과 원소의 변환 핵분열; 원자로 핵융합 방사선의 물질 투과; 생물학적 손상 방사선 측정-선량 측정
© 2014 Pearson Education, Inc.

3 30장 핵에너지; 방사선의 효과와 이용 30.1 핵반응과 원소의 변환 30.2 핵분열; 원자로 30.3 핵융합 30.4 방사선의 물질 투과； 생물학적 손상 30.5 방사선 측정-선량 측정 © 2014 Pearson Education, Inc.

4 30장 주요용어 핵변환(transmutation) 감속재(moderator) 핵반응(nuclear reaction)
30장 주요용어 . 핵변환(transmutation) 감속재(moderator) 핵반응(nuclear reaction) 중수(heavy water) 반응 에너지(reaction energy) 임계질량(critical mass) Q값(Q-value) 중성자 증배율(neutron multiplication factor) 발열(exothermic) 제어봉(control rod) 흡열(endothermic) 지체 중성자(delayed neutron) 충돌 단면적(cross section) 증식 원자로(breeder reactor) 핵분열(nuclear fission) 방사성 낙진(radioactive fallout) 물방울 모형(liquid-drop model) 핵융합(nuclear fusion) 복합핵(compound nucleus) 양성자·양성자 연쇄 반응(proton-proton chain) 핵분열 조각(fission fragment) 연쇄반응(chain reaction) 효과적 조사량(effective dose) 자체 연쇄 반응(self-sustaining chain reaction) 시버트(Sv; sievert) 원자로(nuclear reactor)

5 30장 주요용어 상대 생물학적 효과(RBE; relative biological effectiveness) 라돈(radon)
30장 주요용어 . 상대 생물학적 효과(RBE; relative biological effectiveness) 라돈(radon) 자연 방사선(natural radioactive background) 방사선 필름 배지(radiation film badge) 방사선 병(radiation sickness)

6 30-1 핵반응과 원소의 변환 핵반응은 원자핵을 다른 핵자 혹은 입자가 때릴 때 일어난다. 만일 본래의 원자핵이 다른 원자핵으로 변환되면 핵변환(transmutation)이 생겼다고 한다. 예: 표기 방법 n N −> 6 14 C +p 7 14 N (n,p) 6 14 C © 2014 Pearson Education, Inc.

7 𝑄=𝐾 𝐸 𝑏 +𝐾 𝐸 𝑌 −𝐾 𝐸 𝑎 −𝐾 𝐸 𝑋 (30.2b)
30-1 핵반응과 원소의 변환 핵반응에서 에너지와 운동량은 보존되어야 한다. 일반적인 핵반응: 반응 에너지, 즉 Q값은 처음 질량의 합에서 나중 질량의 합을 뺀 후, c2 를 곱한 것이다: a+X→Y+b (30.1) 𝑄= 𝑀 a + 𝑀 x − 𝑀 b − 𝑀 Y 𝑐 (30.2a) 𝑄=𝐾 𝐸 𝑏 +𝐾 𝐸 𝑌 −𝐾 𝐸 𝑎 −𝐾 𝐸 𝑋 (30.2b) © 2014 Pearson Education, Inc.

8 30-1 핵반응과 원소의 변환 만일 Q 가 양수이면 발열반응(exothermic)이라고 하는데, 처음 운동에너지가 아무리 작더라도 발생한다. 만일 Q 가 음수이면, 반응에 제공될 최소의 운동에너지가 존재한다. © 2014 Pearson Education, Inc.

9 예제 30.1 느린 중성자 반응 © 2014 Pearson Education, Inc.

10 © 2014 Pearson Education, Inc.

11 30-1 핵반응과 원소의 변환 핵반응 베타붕괴 중성자는 전하가 없어서 다른 핵자로부터 척력을 받지 않기 때문에 핵 속으로 들어가 핵반응을 일으키는데 매우 효율적이다. © 2014 Pearson Education, Inc.

12 30-2 핵분열; 원자로 핵분열 물방울 모형 우라륨-235가 중성자를 흡수하면 핵은 거의 비슷한 크기의 두 조각으로 쪼개진다.
우라륨-235가 중성자를 흡수하면 핵은 거의 비슷한 크기의 두 조각으로 쪼개진다. 물방울 모형 핵분열은 큰 물방울이 작은 물방울에 의해 둘로 갈라지는 모형으로 이해할 수 있다. © 2014 Pearson Education, Inc.

13 30-2 핵분열; 원자로 n+ 92 235 U ⟶ 92 236 U ⟶ X 1 + X 2 +중성자 (30.3)
예) n U → Ba Kr +3n (30.4) 질량수, A 핵분열 생성물(%) 핵분열로 생성된 조각들의 질량분포를 보면, 보통은 크기가 다른 두 조각으로 나누어 진다. 핵분열당 에너지 방출량: (0.9 MeV/핵자)(236 핵자) ≈ 200 MeV (30.5) © 2014 Pearson Education, Inc.

14 30-2 핵분열; 원자로 핵분열 반응에서 방출되는 에너지는 매우 크다. 한편 작은 핵은 중성자가 비교적 적을 때 안정하기 때문에 각각의 핵분열에서 몇 개의 중성자들이 방출된다. 이 중성자는 다른 원자핵의 분열을 유도하는데 쓰일 수 있기 때문에, 연쇄반응이 생길 수 있다. © 2014 Pearson Education, Inc.

15 원자로 원자로를 만들기 위해서는 연쇄반응이 자체적으로 무한히 그리고 제어할 수 있는 범위에서 유지되어야 한다.
원자로를 만들기 위해서는 연쇄반응이 자체적으로 무한히 그리고 제어할 수 있는 범위에서 유지되어야 한다. 중성자를 감속시키는데 감속재(moderator)가 쓰인다. 중성자의 속력이 크면 핵이 중성자를 흡수할 확률이 매우 낮다.보통 사용되는 감속재는 중수(heavy water)나 흑연이다. 감속재가 중수가 아니면, 자연의 우라늄 중에서 원자핵이 분열되어 연쇄반응이 지속될 수 있는 것은 0.7% 밖에 되지 않는다. 이 비율은 2–3%로 늘어나야 한다. © 2014 Pearson Education, Inc.

16 30-2 핵분열; 원자로 우라늄의 양이 임계 질량 이상이면 연쇄 반응(a)이 일어난다.
우라늄의 양이 임계 질량보다 적으면 또 다른 분열이 일어나기 전에 대부분의 중성자는 달아나서 연쇄 반응은 계속되지 않는다(b). © 2014 Pearson Education, Inc.

17 30-2 핵분열; 원자로 마지막으로, 보통 카드뮴이나 붕소를 사용하는 제어봉(control rod)이 중성자를 흡수하여 반응을 미세하게 조정하므로 거의 임계 상태에 있게 한다. 그림 30.8 원자로. © 2014 Pearson Education, Inc.

18 30-2 핵분열; 원자로 원자폭탄 원자폭탄도 핵분열을 사용하지만, 폭발 과정 동안 우라늄이 임계의 질량을 가지고 다량의 연쇄 반응이 일어나도록 중심부를 의도적으로 제어할 수 없도록 설계한 것이다. 방사성 폐기물 원자로와 관련된 문제 중에는 핵폐기물 처리와 사고로 인한 방사성 물질이 유출이 있다. 원자폭탄도 폭발하면 방사성 물질이 유출 된다. © 2014 Pearson Education, Inc.

19 예제 30.3 우라늄 연료량 연간 1000 MW 출력을 내는 원자로가 중단 없이 계속 가동하기 위해서 핵분열을 수행하는 데 필요한 235U 의 최소량을 구하라. 효율은 대략 33 %로 가정한다. © 2014 Pearson Education, Inc.

20 © 2014 Pearson Education, Inc.

21 30-3 핵융합 각각의 양성자와 중성자를 가까이 가져와 핵을 만드는 과정이나, 또는 작은 핵을 서로 결합시켜 큰 핵으로 만드는 것을 핵융합(nuclear fusion)이라고 한다. 두 개의 양으로 대전된 핵이 융합할 수 있을 정도로 충분히 가까이 접근하려면, 전기적 척력을 극복하기 위해 매우 큰 운동 에너지를 가져 야 한다. 우주에 있는 대부분의 원소는 온도가 극도로 높아서 높은 운동 에너지를 갖는 별들 속에서 핵융합을 통해 형성됐다고 믿어진다. © 2014 Pearson Education, Inc.

22 가장 가벼운 원자핵들은 에너지를 방출하며 더 무거운 핵으로 융합될 수 있다
가장 가벼운 원자핵들은 에너지를 방출하며 더 무거운 핵으로 융합될 수 있다. 한 예는 태양에서 일어나는 것으로, 수소를 헬륨으로 융합하는 일련의 과정이다. 이들을 아래에 방출되는 에너지와 함께 나열했다: 𝟏 𝟏 𝐇 + 𝟏 𝟏 𝐇 → 𝟏 𝟐 𝐇 + 𝐞 + +𝒗 (0.42MeV) (30.6a) 𝟏 𝟏 𝐇+ 𝟏 𝟐 𝐇→ 𝟐 𝟑 𝐇𝐞 +𝛄 (5.46MeV) (30.6b) 𝟐 𝟑 𝐇𝐞+ 𝟐 𝟑 𝐇𝐞→ 𝟐 𝟒 𝐇𝐞+ 𝟏 𝟏 𝐇+ 𝟏 𝟏 𝐇 (12.86MeV) (30.6c) © 2014 Pearson Education, Inc.

23 알짜효과는 네 개의 양성자를 한 개의 헬륨 핵과 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자, 두 개의 감마선으로 변환되는 것이다
알짜효과는 네 개의 양성자를 한 개의 헬륨 핵과 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자, 두 개의 감마선으로 변환되는 것이다. 더 무거운 별들은 중심부에 더 무거운 원소를 융합할 수 있는데, 가장 안정한 핵을 가진 철 원자까지 융합된다. 𝟒 𝟏 𝟏 𝐇 → 𝟐 𝟒 𝐇𝐞 +𝟐 𝐞 + +𝟐𝒗+𝟐𝛄 (30.7) © 2014 Pearson Education, Inc.

24 안정핵종에서 핵자당 평균 결합 에너지를 질량수 A의 함수로 나타냈다.
© 2014 Pearson Education, Inc.

25 핵융합로에서 사용하려고 하는 융합반응 세 개는 다음과 같다: 이 반응은 매우 평범한 연료, 즉 중수소 혹은 삼중수소를 사용하는 것으로, 핵분열에 비해 핵자당 훨씬 많은 에너지를 방출한다. 𝟏 𝟐 𝐇 + 𝟏 𝟐 𝐇→ 𝟏 𝟑 𝐇+ 𝟏 𝟏 𝐇 (4.03MeV) (30.8a) 𝟏 𝟐 𝐇 + 𝟏 𝟐 𝐇 → 𝟐 𝟑 𝐇𝐞 +𝐧 (3.27MeV) (30.8b) 𝟏 𝟐 𝐇 + 𝟏 𝟑 𝐇 → 𝟐 𝟒 𝐇𝐞 +𝐧 (17.59MeV) (30.8c) © 2014 Pearson Education, Inc.

26 성공적인 핵융합로는 아직 만들어지지 않았다. 그러나 핵융합(혹은 열핵반응) 폭탄은 만들어졌다
성공적인 핵융합로는 아직 만들어지지 않았다. 그러나 핵융합(혹은 열핵반응) 폭탄은 만들어졌다. 핵융합로의 뜨거운 플라즈마를 담는 용기인 도넛 모양의 토카막(tokamak)이 만들어졌다. 처음에는 중수소의 매우 작은 알갱이를 강력한 레이저로 만들어 가둔다. © 2014 Pearson Education, Inc.

27 © 2014 Pearson Education, Inc.

28 © 2014 Pearson Education, Inc.

29 30-4 방사선의 물질 투과; 생물학적 손상 방사선에는 다음의 것들이 있다: 알파선, 베타선, 감마선; X선; 양성자, 중성자, 파이온 등의 입자들. 이 모든 방사선은 이온화 방사선(ionizing radiation)이라 하는데, 이들이 물질을 통과하면 이온화되기 때문이다. 이 이온화는 물질에 손상을 줄 수 있는데, 예를 들어 생체 조직에 그러하다. © 2014 Pearson Education, Inc.

30 30-5 방사선 측정—선량 측정 방사선은 생채 조직에 손상을 주지만, 암이나 다른 질병을 치료하는데도 사용될 수 있다. 흡수된 방사선량, 또는 조사량(dose)을 정량화하는 것이 중요하다. 활성도(source activity)는 초당 붕괴되는 빈도로서 큐리(Ci; curtie)로 그 정도를 나타내는데, 다음과 같다. 1 Ci = 3.70 × 1010 per second 활성도의 SI 단위는 베크렐(becquerel, Bq)이다: 1 Bq = 1 disintegration/s © 2014 Pearson Education, Inc.

31 다른 측정 량으로는 흡수선량(absorbed dose)이 있는데, 방사선을 흡수한 물질이 얻은 효과를 고려하는 것이다
다른 측정 량으로는 흡수선량(absorbed dose)이 있는데, 방사선을 흡수한 물질이 얻은 효과를 고려하는 것이다. 흡수선량의 단위 래드(rad)는 흡수 질에 대해서1.00 × 10−2 J/kg 의 에너지를 축적하는 방사선의 양을 나타낸다. 흡수선량의 SI 단위는 그레이(gray, Gy) 이다: 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad © 2014 Pearson Education, Inc.

32 방사선의 종류에 따라 생체 조직이 받는 효과는 다른데, 알파입자가 가장 손상을 준다
방사선의 종류에 따라 생체 조직이 받는 효과는 다른데, 알파입자가 가장 손상을 준다. 효과적인 조사량을 얻기 위해서는 조사량에 상대생물학적효과(RBE; relative biological effectiveness)를 곱해야 한다. © 2014 Pearson Education, Inc.

33 조사량 래드(rad)로 측정했다면, 효과적 조사량은 렘(rem)으로 나타내진다
조사량 래드(rad)로 측정했다면, 효과적 조사량은 렘(rem)으로 나타내진다. 조사량이 그레이(gray)면 효과적 조사량은 시버트(sieverts, Sv)이다. 자연방사선(natural background radiation)는 연간 0.3 rem이다. 방사선 관련 일을 하는 사람의 경우, 어떤 해이든 5 rem 이 최고 허용되는 값이고, 5년간 평균을 냈을 때는 연간 2 rem 이하여야 한다. 짧은 순간에 1000 rem을 받는 것은 항상 치명적이고, 400 rem도 50% 정도 치명적이다. © 2014 Pearson Education, Inc.

34 30장 요약 원자핵들이 충돌하여 다른 원자핵들이 만들어지면 핵반응이 일어난다. 반응에너지, 혹은 Q-값은 다음과 같다:
핵분열: 무거운 핵이 중간 크기의 핵 두 개로 쪼개짐 연쇄반응: 핵분열에 나온 중성자가 다른 핵분열을 일으키게 하고, 이런 일이 지속됨 임계질량: 연쇄반응이 유지되기 위해 필요한 최소 질량 © 2014 Pearson Education, Inc.

35 30장 요약 감속재: 빠른 중성자들을 느린 중성자로 만들어줌 핵융합: 작은 원자핵이 결합하여 큰 것이 됨
태양의 에너지는 핵융합에서 나옴 쓸만한 핵융합로는 아직 건설되지 않았음. 방사선 손상은 선량 측정(dosimetry )으로 측정됨 흡수선량의 효과는 방사선의 종류에 따라 다름 © 2014 Pearson Education, Inc.