Chapter 14

Nuclear Power

핵의 힘

Nucleus• 원자핵의 구성

– 양성자 (Z)– 중성자 (N)– 질량 (A=Z+N)

• 양성자의 숫자 , 원자번호 (Z)

• 동위원소 , Isotopes – same element (Z) with different number of

neutrons(N)

Chemical vs. Nuclear• Elements do not

change• Electron are involved

in bonding• Reaction occur with

small changes in energy

• Rates are influenced by temperature, concentration or catalyst

• Elements change

• Nucleus in not involved in bonding

• Changes occur with huge amounts of energy

• Rates are dependent on the nucleus and number of nuclei

Stable Nuclei

• Protons Neutrons Stable Nuclei %

• Even Even 157 59.0

• Even Odd 53 20.0

• Odd Even 50 19.0

• Odd Odd 7 3.0

Total 267 100.0

Stable Isotopes

Unstable Nuclei• Some Nuclei are unstable

– spontaneously undergo a change that releases energy and/or particles

• 방사선 Radiation– energy and/or particles release from nucleus

Nuclear Stability• Unstable Nuclei spontaneously change

through radiation

• Type of radiation– alpha particle– beta particle– gamma rays– other types

Unstable Nuclei• Lighter Element (H through Ca)

– ratio of one proton to one neutron is stable

• Carbon-12– 6 protons and 6 neutrons

• Carbon-14– 6 protons and 8 neutrons (Radioactive)

• Heavier Element require more neutrons for stability

Alpha Particle• Alpha particle is the

– emission of Helium nucleus from the nucleus– 2 protons and 2 neutrons (Z=2, N=2, A=4)

Po He Rn 218

84

4

2

222

86

He Ra 4

2

226

88

Beta Particle• Beta particle

– emission of electron from the nucleus– electron (Z=-1, A=0, N=0)– 중성자 하나가 양성자와 전자로 변환

e Pb 0

1-

214

82

He e H 3

2

0

1-

3

1

Beta Decay

Gamma Rays• Nuclei can lose energy without changing or

losing particles - gamma ray– gamma ray - high energy, but no mass– nucleus - no change

Other Type of Decay

• 양전자 방출• 전자포획• 자발적 붕괴• 유도된 붕괴

Other Type of Decay• 양전자 방출 Positron emission

– the change of a proton to a neutron and release a positron (positive electron)

– nucleus loses 1 proton and gains 1 neutron

Other Type of Decay• 전자 포획 Electron capture

– capture of an electron by a proton to make a neutron– electron from the inner shell– nucleus loses 1 proton and gains 1 neutron

Other Type of Decay• 자발적 붕괴 Spontaneous Fission

– nucleus split into two smaller nuclei

• 유도된 붕괴 Induced Fission– nucleus split into two smaller nuclei, but is

caused by the collision with another particle

Modes of Decay

Rate of Decay

Half-life

• 반감기– 지금 농도의 반이 될 때 까지의 시간– 반응물의 농도가 지수함수로 감소할 경우

반감기는 일정하다– N(t) = N(t=0)exp(-kt)

– t1/2 = ln2 / k

Carbon Dating

Application of Radioactivity• How is radioactivity useful?

• Industrial Uses– 감마선 사진 Gamma-ray photography– 연기 감지기 Smoke Detectors– 종이 두께 조절 Paper Thickness

• Medical Uses– Imaging internal organs– brain, liver and thyroid

Nuclear Fission• 핵분열 Fission

– 무겁고 , 에너지가 크고 , 불안정한 핵이 가볍고 더 안정한 핵으로 쪼개지는 것

• Nuclear Bomb

• Nuclear Power

Nuclear Fission

Nuclear Fission

• Three states of nuclear fission reaction– 부임계 상태 subcritical

• not enough neutron to maintain fission

– 임계 상태 critical• just enough neutrons to maintain a fission reaction

– 초임계 상태 supercritical• too many neutrons and the fission reaction is

uncontrollable

• 임계 질량

Reaction Propagation

Atomic Bomb– 1910 년 , 아인시타인의 질량과 물질 상관

관계 발표 – 1938 년 , 독일 오토 한 , 우라늄 235 의

연쇄 반응 실험실 성공 – 1939 년 8 월 , 질라드와 위그너 (Szilard,

Wigner) 아인시타인으로 하여금 루즈벨트 대통령에게 원자폭탄의 가능성에 대한 편지를 쓰도록 권유

– 1939 년 10 월 , 미국 우라늄 위원회 결성 – 1940 년 , 독일 피어스가 영국에서 임계질량

이론적으로 계산

Atomic Bomb

– 1940 년 , 영국 MAUD committee 결성 . 우수한 성과에도 불구하고 독일의 공습으로 공장 건설을 불가능하다고 판단됨 . 모든 연구 결과와 자료는 미국으로 보내짐 .

– 1942 년 9 월 , 미국 맨하탄 프로젝트 시작 (37000 명 , 22 억달러 예산 )

– 1943 년 , 미국 시카고 대학에서 페르미와 프랭크 , 질라드와 비그너 연쇄반응 성공

Atomic Bomb– 1944 년 10 월 , 당시 세계적인 물리학자였던

닐스 보어가 처칠과 루즈벨트에게 핵폭탄 개발 반대 편지 발송

– 1945 년 5 월 3 일 , 완성된 폭탄 투하에 대한 최종 토의 . 찬성 - 오펜하이머와 페르미 .반대 - 컴프턴과 로렌스

– 1945 년 8 월 6 일 , 히로시마에는 우라늄 235 사용 Little boy 라는 별명의 13 kton 폭탄

– 8 월 9 일 , 나가사키에는 플루토늄 239 를 사용하는 Fat man 이라는 별명의 22 kton 폭탄

20 kt Atomic Bomb

Atomic Bomb

Nuclear Power• Countries that use nuclear power

– France 72.7%– Belgium 59.3%– Sweden 51.6%– Germany 27.6%– United States 21.7%– United Kingdom 20.6%– U.S.S.R 12.6%

Nuclear Power• Waste generated by an Nuclear Power plant

– 70 cubic feet of nuclear waste

• Waste generated by Coal-Fired plant– 3.5 million cubic feet of ash

– 35,000 tons of SO2

– 4.5 million tons of CO2

NPR Safety

• China syndrome– nuclear power reactor melt down

• Chernobyl (1986)

Three mile island, PA (1979)• Breeding Reactor at Monju, Japan (1995)

Nuclear Fusion• 핵융합 Fusion

– Nuclear reaction in which two nuclei combine to form a new nucleus at high temp (108 K)

01

2

1

1

1 H H2

H2 He He2 1

1

4

2

3

2

He H H 3

2

2

1

1

1

References• Richard Rhodes, The Making of the Atomic

Bomb, (1995) – 원자폭탄 만들기 , 문 신행 옮김 , 민음사

• Why America dropped the Bomb, – Newsweek, July 24 (1995)

• 김 명자 , 현대 사회와 과학– 동아 출판사 (1992) 제 1 장 , 원자탄의 개발

• 이갑진 , 서만석 , 박 명순 , 현대 과학의 두 얼굴 , 아침 (1994)

References• MBC TV 시사다큐 이제는 말할 수 있다

– 제 8 회 박정희와 한반도 핵• Fat Man and Little Boy ( 영화 , 1989)

– 감독 Roland Joffe – 출연 Paul Newman, John Cusack, Dwight

Schultz, Bonnie Bedelia, Laura Dem, Nastasha Richardson, John C. McGineley, Ron Frazier

References• http://library.thinkquest.org/3426/data/

disaster/graph/index.html

Homework• 교과서 예제

– 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5