정지질량정지질량(rest mass)(rest mass)종종 류류 기기 호호 전전 하하

무무 게게(kg)(kg) 에너지에너지((MeVMeV))

938.2

939.6

0.5110.511

양성자양성자 p +1 1.6726x10-27

중성자중성자 n 0 1.6749x10-27

전전 자자 e -1 9.1095x10-31

1 eV (Electron Volt) : e의 전하를 지닌 전자를 1V의 전위차로

가속하였을 때 전자가 얻는 운동에너지

1eV = 전하(e) × 1V= 1.6×10-19 C × 1V= 1.6×10-19 J

+

-e

1V

1eV 100eV

100V

e

AZ XAZ X 원소기호

질량수

원자번호

원자번호(Z) = 양성자수

질량수(A) = 양성자수(Z) + 중성자수(N)

구구 분분 ZZ NN AA 예예

동위체동위체(isotope)(isotope) = ≠ ≠ 11H, 21H

동중체동중체(isobar)(isobar) ≠ ≠ = 9038Sr, 90

39Y동중성자체동중성자체((isotoneisotone)) ≠ = ≠ 59

27Co, 6028Ni

핵이성체핵이성체(isomer)(isomer) = = = 137m56Ba, 137

56Ba

Fission Reaction (핵분열반응)

핵분열 에너지

+

++

++

+

+

++

++

++

Fission Fragment

Fission Fragment

중성자(n) Neutron

중성자(n) Neutron

+

+

+++ + +++

+

+++ +

+235U

++

++

+

+

무거운 원자핵이 2개 이상의 가벼운 원자핵으로

분열하는 핵반응

핵분열성 물질 (Fissile Materials)열 중성자와 충돌하여 핵분열 반응을 일으킬 수 있는물질

U-233, U-235, Pu-239, Pu-241

핵원료성 물질 (Fertile Materials)열 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질로 전환되는 물질

Th-232, U-238

Fast Neutron (고속 중성자) : > 100 keV

Intermediate Neutron (중성중성자) : 1 ~ 100 keV

Thermal Neutron (열중성자) : < 1keV

Capture

Fission

Fast Neutron

Thermal Neutron

Capturing vs Fission

우라늄235(0.7%)

우라늄238(99.3%)

우라늄235(95% 이상)

고농축우라늄

중성자

우라늄 238(5% 이하)

우라늄 238

우라늄 235(2-4%)

저농축우라늄 중성자

제어봉

원자폭탄

화약

천연우라늄

Nuclear Power Plant or Nuclear Weapon

Fusion Reaction (핵융합반응)

Two light nuclei combine to form a heavier nucleus.

Solar energy originates as fusion energy in the sun’s interior.

Hydrogen Isotopes

Hydrogen 1H1

Deuterium1H2

Tritium1H3

)n( )He( )T( )n( Li(

)He( )T( )n( Li(

)p( )He( )He( D(

)n( )He( D( D(

p( )T( )D( D(n( )He( )T( D(

47

46

43

3

4

중성자헬륨삼중수소중성자리튬)

헬륨삼중수소중성자리튬)

양성자헬륨헬륨중수소)

중성자헬륨중수소) 중수소)

양성자)삼중수소중수소 중수소)

중성자)헬륨삼중수소 중수소)

++⇒+

+⇒+

+⇒+

+⇒+

+⇒+

+⇒+

원자량

에너

지방

출량

D

3He

T

Li우라늄 U

D : 중수소(Deuterium)

T : 삼중수소(Tritium)Li : 리튬 (Lithium)

U : 우라늄(Uranium)

He : 헬륨3 (Helium-3)3

He : 헬륨4 (Helium-4)4

4He

핵분열(FISSION)

핵융합(FUSION)

핵융합반응에 의한에너지 방출

핵분열반응에 의한에너지 방출

Fission vs Fusion

Hydrogen bomb uses a fission bomb as a trigger to initiate fusion.

α-Decay

→226 222 488 86 2Ra Rn + He

# pr

oton

s

# nucleons

234235

236237

238

238 U

234 Th

92

91

90

144 145 146

# pr

oton

s

# neutrons

# nucleons

234235

236237

238

α-decay

Emission of an a-particle or 2He4 nucleus

원자번호 2감소, 질량수 4감소

Big and Positive charge

Easily stopped by paper (not penetrating)

Nuclei heavier than 209Bi

β--DecayEmission of an electron (and an antineutrino) during conversion of a neutron into a proton

원자번호 1증가, 질량수 불변

# pr

oton

s# nucle

ons

8687

88

87 Rb

87 Sr38

37

49 50

# pr

oton

s

# neutrons

# nucleons

8687

88

β-decay

n n ⇒⇒ p + ep + e-- + + νν--

Decay mode of nuclei with excess neutrons

β+-DecayEmission of an positron during conversion of a proton into a neutron

원자번호 1감소, 질량수 불변

# p

roto

ns

# nucleons

3940

41

40 Ar

40 K19

18

21 22

# p

roto

ns

# neutrons

# nucleons

3940

41

p

p p ⇒⇒ n + en + e++ + + νν++

Decay modes of nuclei with excess protons

Small

Negatively or Positively charged

Can be stopped by aluminium foil

α U238

92

23490 Th Mass number goes down by 4.

Atomic number goes down by 2

Th234

90

β234

91PaMass number stays the same

Atomic number goes up by 1

Thorium 90 is a beta emitter

Co60

27 Co60

27

γ Mass number stays the same

Atomic number stays the same

전자포획(EC; Electron Capture)

중성자자 부족형 원자핵, 주로 K각 전자와 반응

p + e- ⇒ n + ν+

원자번호 : 1 감소, 질량수 : 불변

β+-붕괴와 경합적으로 발생

γ-Ray방 사 붕 괴 는방 사 붕 괴 는 아 니 지 만아 니 지 만 에 너 지 가에 너 지 가 높 은높 은 원 자 핵 이원 자 핵 이

감마선을감마선을 방출하고방출하고 안정된안정된 에너지에너지 상태로상태로 가는가는 현상현상

원자번호원자번호 질량수질량수 불변불변

Very small (no mass)

No charge

Impossible to stop

α alpha

βbeta

γgamma

paper aluminium lead

Radioactivity (방사능)Spontaneous transformation by emitting radiations

which release energy.

방사성핵종이 단위시간내에 몇 번 붕괴(Decay)를 일으키는

가를 나타낸 것

Unit : 단위시간당 붕괴하는 원자수

Bq (Bequerel) : 매초 1개의 붕괴수

Ci (Curie) : 1g의 Ra-226의 방사능량을 기준, 3.7X1010 개/초

1 Ci = 3.7X1010 Bq

α-decay

β-decay

positron emission

electron capture

αalpha

βbeta

γgamma

Fundamental law of radioactive decayEach nucleus has a fixed probability of decaying per unit time. Nothing affects this probability (e.g., temperature, pressure, bonding environment, etc.)This is equivalent to saying that averaged over a large enough number of atoms the number of decays per unit time is proportional to the number of atoms present.

dNdt

= −λN N t( ) = Noe−λt

N = number of parent nuclei at time tλ = decay constant = probability of decay

per unit time (units: s–1)

λ2ln

2/1 =Tλ

2ln2/1 =T

: 붕괴상수λλ

Long half life

Short half life

T1/2 T’1/2시 간

불안정한

원자핵의

수

137-Cs : T1/2=30 years

60-Co : T1/2=5.26 years

32-P : T1/2=14.3 days

Radioactivity & Half-Life

The mean life τ of a parent nuclide is given by the number present divided by the removal rate

τ =N

λN=

1λ

Radioactivity (Examples)

238U 1g의 방사능(T1/2=4.51×109 yr)?

현재 100 mCi의 방사성물질(T1/2=8d)이 32일 지났을

때 방사능은?

현재 235 MBq인 60Co 가 100 MBq로 되는 시점은(T1/2=5.26yr)?

Decay chain systematics

N1λ1⎯ → ⎯ N2

λ2⎯ → ⎯ N3

Parent N1 decays to N2. Intermediate daughter N2 decays to N3. Terminal daughter N3 is stable.

-β

27.7 yr

Parent Daughter 1

90Srλ1, N1

90Yλ2, N2

-β

64 hr

90Zrλ3, N3

Daughter 2

dN1dt

= −λ1N1dN2dt

= λ1N1 − λ2N2dN3dt

= λ2N2

dN1dt

= −λ1N1dN2dt

= λ1N1 − λ2N2dN3dt

= λ2N2

N1 t( ) = N1oe−λ1t dN2

dt= λ1N1

oe−λ1t − λ2N2

1 10 - t - tλ λ1 22

2 1

λN(t) = ( - )e eN -λ λ

N3(t) = N1o 1+

1λ2 − λ1

λ1e−λ2t − λ2e−λ1t( )⎛

⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ +

≫ ≪1 2 1 2( )T T λ λ

Time

ActivityA1(0)

A2(t)

A1(t)=A2(t)

~7Td

A1(t)=A10e-λ1t

<1 2 1 2> ( )T T λ λ

Time

ActivityA1(0)

A2(t)

A1(t) > A2(t) 면서

일정하게 유지

A1(t)=A10e-λ1t

Control Rod (제어봉)Coolant(냉각재)

Nuclear Power Plant

Reflector (반사체)

Nuclear Fuel (핵연료)

Moderator(감속재)

Nuclear Fuel (핵연료)

UO2

0.7% U235, 99.3%U238 3% U235,

97%U238

중성자가 U-235와 만나서 핵분열을 잘 일으킬 수 있도록중성자의 속도를 낮춤재질 : 경수, 흑연, 중수, 베릴륨 등

Moderator(감속재)

Coolant (냉각재)

핵연료봉 주위를 흐름핵연료에서 생성된 뜨거운 열을 흡수뜨거워진 냉각재로써 터어빈 구동에 필요한 증기를 생산재질 : 경수, 중수, 탄산가스 등

Control Rod (제어봉)

중성자의 수를 조정하여 핵분열을 조절중성자를 흡수하는 물질로 만들어 졌음재질 : 붕소(B), 카드뮴(Cd), 인듐(IN), 은(Ag), 가돌리늄

(Gd)

Reactor Types

Boiling Water Reactors (BWR, 비등경수로) Pressurized Water Reactor (PWR, 가압경수로)Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR, 가압중수로)Gas Cooled Reactors (GCR, 가스냉각로) Light Water Graphite Reactor (LWGR, 흑연경수로)

“냉각제와 감속제의 종류에 의해 분류”

Boiling Water Reactors (BWR, 비등경수로)

Pressurized Water Reactor (PWR, 가압경수로)

Fuel Reprocessing (사용후 연료 재처리)

원자로 종류와 발전원리

플루토늄감속재원자로

Pu239비율95%이상

흑연흑연감속로

Pu239비율95%

중수(D2O)

중수로

Pu239비율60~70%

경수(H2O)

경수로

1956.3

북-소 원자력

협정 체결

1962.1

북한 소형연구용원자로 IRT-2000 착공(소련의 지원)

1974.9

북한,IAEA 가입

1985.12.12

북한, NPT가입

(소련의 권유)

1987. 2

북한, 제2원자로 시험 가동성공(핵개발적극 추진)

1992. 1. 30

북한, 소련의권유로 IAEA

와 핵안전조치협정 서명

1992. 5. 4

북한, 최초보고서 IAEA에

제출

5.23~ 6. 5

IAEA, 북한사찰 실시

12. 12

IAEA, 핵폐기물 보관시설로의심되는 2곳

사찰요구

북한 핵문제 관련 경과일지

1993. 2. 10

IAEA 사무총장, 북한 미신고2곳시설에 대한 특별사찰수용 촉구

1993. 2. 15

북한, 미신고시설에 대한 특별사찰거부의사 표명

1993. 3. 12

북한, NPT 탈퇴 선언

(국제적 관심사)

1993. 6.2~6.11

미국-북한 뉴욕에서첫번째 고위급회담개최 북한, NPT 탈퇴잠정유보

1993. 7.14~ 7.19

미-북 스위스 제네바에서 2차 고위급회담북한의 흑연 감속로를경수로로 대체 논의

1994. 2. 25

미-북간 북 핵사찰 합의 및 IAEA에 의한 사찰실시(북한 재처리시설에 대한 사찰 거부)

1994. 6. 6~6. 10

IAEA 정기 이사회개최 및 대북제재결의안 채택

1994. 6. 13

북한, IAEA 공식탈퇴 선언(제재는선전포고로 간주)

1994. 6. 15~6. 18

카터 전 미대통령 북한 방문(북한 핵 활동동결 및 완전한 핵 투명성 보장용의 표명)

1994. 10 .21

제네바 미-북

기본합의문 체결

1994. 11. 1

북한, 핵 활동동결 선언

1995. 3 .9

한반도에너지개발기구(KEDO)설립

1995. 12 .15

KEDO-북한간 경수로 공급협정 체결

1998 .8 .10

TIME지(8.17)에북한의 금창리 지하시설에 대한 핵의혹 제기

1999. 5. 18~5. 24

미국, 금창리 방문단 현장방문 (거대한 복합터널로구성된 핵과 무관한 시설로 판명)

2000. 2. 2

북한, 대북 경수로지연에 따른 제네바합의 파기 가능성경고

2000. 2. 3

대북지원 경수로 본공사 시작

2000. 3. 3

북한, 미국에 제네바기본합의문 이행 관련전력손실 대안 요구

94 북미 제네바 합의

1. 흑연감속로를 경수로로 대체

2기의 경수로 발전 제공

경수로 완공시 흑연 감속로 해체

경수로 완공시까지 중유 지원

2. 북미간 정치 및 경제 관계의 완전 정상화

무역 및 경제 장벽 완화

3. 한반도의 비핵화와 평화, 안보를 위한 공동노력

북한에 핵무기 사용 및 위협 금지

4. 핵확산금지조약(NPT)체제 강화

북한의 NPT 잔류

핵시설에 대한 IAEA 사찰 허용

2002. 3. 20

미국, 북한의 제네바기본합의 이행여부 인증 유보 발표(대북 중유 제공, 제네바 합의계속이행의지 표명)

2002. 8. 13

북한, 미국의 핵시설 사찰허용 요구 거부, 제네바합의 파기 가능성 경고 및 경수로 건설 지연에 따른 전력 손실 보상 촉구

2002.10. 3~10. 5

북한, 비밀 핵 프로그램 존재시인함으로써 핵문제 촉발

2002. 11. 15

KEDO 집행이사회 ’02년 12월분부터

대북 중유공급중단결정 및 KEDO활동재검토

2002. 12. 12

북한, 핵시설 가동, 건설 재개 선언(핵동결 해제선언)

2002. 12. 24

북한, 모든 핵시설봉인 제거

2002. 12. 31

북한의 핵활동을 감시하기 위해 파견된 IAEA 사찰관 2명 철수

(대북 핵활동 감시체제사실상 무력화)

2003. 1. 10

북한, 핵확산금지조약(NPT)에서 탈퇴한다는 정부 성명 발표

2003. 1. 302003. 1. 30

미뉴욕타임즈미뉴욕타임즈, , 미국미국 정정찰위성들이찰위성들이 북한북한 영변영변에서에서 핵연료봉핵연료봉 88천개를천개를이동시키는것으로이동시키는것으로 보보이는이는 트럭들을트럭들을 포착했포착했다고다고 보도보도

2003. 2. 9

콜린 파월 미 국무장관, 미국은 북한이 핵개발 중단을 약속한 제네바합의를 폐기한만큼 현재의 북핵 사태를 해결하기 위해 과거와 같은 제네바식 타결 방식으로 회귀하지 않을 것이라 언급

2003. 2. 5

도널드 럼즈펠드 미 국방장관, 북한은 현재1~2개의 핵무기를 보유하고 있는 것으로 평가, 단기간에 6~8기의핵병기 제조할 수 있다고 언급

2003. 4. 18

북한, “8천여개의 폐

연료봉들에 대한 재처리 작업이 마지막단계에서 성과적으로진행되고 있다”고 발

표

2003. 5. 14

한-미 정상회담 개최, ‘북핵 문제의 평화적해결’ 원칙 재확인 및

한반도에서의 평화와안정에 대한 위협이증대 될 경우, 추가적조치 검토에 유의

2003 .5. 23

미-일 정상회담 개최, 북한이 핵문제로 한반도 긴장을고조시키는 경우 더강경한 조치를 취하기로 합의

2003. 5. 27

중-러 정상회담 개최, 북한 핵문제 해소를 위해 무력을 사용해서는안된다고 경고 및 북한에 대해 핵무기 프로그램 폐기를 촉구하는 공동성명 발표

2003. 6. 2

5.30~6.1간 방북한커트 웰튼 미 하원의원,”북한 외무성과

외무성 부상이 북한은 현재 핵무기를 보유하고 있으며, 폐연료봉 8000개의 핵처리가 완료단계에 있다고 시인” 언급

2003. 7. 8

북한, 뉴욕에서 미국과의비공식 접촉을 통해 “8000

개의 폐연료봉 재처리를 6월 30일 완료했으며 이를핵 억지력 확보를 위해 사용할 수 밖에 없다”고 통보

2003. 8. 1

북한, “3자회담을 거치

지말고 직방 6자회담을개최하며 여기에서 약자회담을 여는 방안을협의중에 있다”고 발표

2003. 8. 4

북한, 북핵 6자회담 9월초 베이징에서 개최 발표

2003. 8. 27~29

베이징 6자회담개최

2005. 9.

베이징 합의문

Atomic Waste (원전수거물, 방사성폐기물)

사용후 연료

고준위성 폐기물 : 연료의 재처리 과정에서 나오는 폐기물

중저준위성 폐기물

중·저준위 방사성 수거물 2008년 포화

사용 후 연료 수거물 2016년 포화

사용후 연료 처리 (중간저장)

습식저장 건식저장 (월성)

중저준위성 폐기물 처리

Trend of Power Generation

Hydro

Coal

Combined Cycle

Internal Combustion

Nuclear

발전원별 연료 소모량 비교 (100만 kW급 발전소를 일 년간 가동시)

우라늄 LNG 석유 유연탄

30톤 110만톤 150만톤 220만톤

가장 중요한 전력 공급원– 우리나라 전력의 약 40%를 원자력이 차지

– 에너지 안보에 기여

국민 복지 향상에 기여– 질병 검진 (X-ray 등), 암의 진단, 치료

국가 산업 발전 및 과학기술 발전에 기여– 농업, 공업, 식품 등의 분야에 널리 이용

– 원자력은 종합과학 기술

원자력은 매우 환경 친화적– 폐기물량이 매우 적음 (원전 1기당 약 50 m3)

– 온실가스인 CO2의 발생이 거의 없음

국가 경제에 기여하는 원자력– 석유 등 에너지 자원 수입 억제로 막대한 외화 절감

원자력은 남북 화해에 기여– 북한에 원자력발전소 2기 건설 (현재 잠정 중단)

원자력

평화적 이용

군사적 이용

원

자

력

발전/비발전해수담수화

지역난방열 원

RI 전 지

동 력 원

수소생산

쇄빙선

우주선

심해탐사선 등

방사선 및 RI 의료, 식품, 생명공학

산업, 농업 등

원자폭탄

수소폭탄핵폭탄

대형선박얼굴 1

얼굴 2

잠 수 함

항공모함동력원

전력생산 원자력발전

중성자탄