[원자력기사 기출풀이] 2018년 원자력기초 6 ~ 10번

 

6. 핵력(Nuclear Force)에 대한 설명 중 맞는 것은?
   ① 핵력은 전자기력(쿨롱힘)보다 약하다.
   ② 매우 짧은 거리(10^-15 m 수준)에서 작용하는 힘이다.
   ③ 원자핵속에서 중성자와 중성자 사이에 작용하는 힘은 중성자와 양성자간에 작용하는 힘보다 크다.
   ④ 핵력은 전자기력과 마찬가지로 핵자 간에 서로 끌어당기거나 밀어내는 힘을 가진다

 

핵력 : 핵자(중성자, 양성자)끼리의 인력

 

1번 : 핵력은 전자기력보다 더 크다.

전자기력이 더 컸다면, 원자핵은 존재할 수 없을 것이다. 양성자끼리 서로 반발하여 흩어져야 한다.

 

2번 : 핵력은 매우 짧은 거리에서만 작용하고, 거리가 멀어지면 작용하지 않는다. 원자핵 수준의 아주 짧은 거리에서 서로 인력으로 작용한다.

 

3번 : 핵력은 양성자-중성자 간의 힘이 세다.  중성자-중성자와 양성자-양성자 간의 힘은 그보다 약하다.

 

4번 : 핵력은 인력만 존재한다.

 

정답 : 2

---

7. 마법수(Magic Number)에 대한 설명으로 다음 중 틀린 것은?
   ① 원자핵을 구성하고 있는 양성자의 수 또는 중성자의 수가 2, 6, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126일 때, 핵자들이 폐각(Closed Shell)을 형성하여 안정한 원자핵으로 존재할 수 있다.
   ② 원자핵의 액체방울모형(Liquid Drop Model)에서는 마법수를 이용하여 핵구조를 설명한다.
   ③ Zr-90 원자핵속에는 중성자가 50개의 마법수로 존재하여 안정한 원자핵을 구성한다.
   ④ 마법수를 가진 원자핵은 안정하여 중성자를 흡수할 확률이 낮기 때문에 피복재 재료로 널리 사용된다.

 

 

마법수 : 핵자수가 특정한 숫자일 때 특히 더 안정한데, 그 숫자를 마법수라고 한다. 양성자 또는 중성자수가 마법수인 핵들은 사중극자 모멘트가 0이다. 즉, 이들은 핵이 공 모양이고, 다른 핵들은 찌그러진 모양이라 특히 더 안정하다.

마법수 예시 :  2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

 

 

2번 : 마법수를 이용하여 핵구조를 설명하는 모형은 각 모형, 껍질 모형이다. 핵자들이 마법수일 때 닫힌 폐각을 형성하여 더 안정하다고 설명한다.

 

3번, 4번 : 지르코늄의 원자번호는 40으로, 중성자수가 50이다. 중성자수가 마법수여서 중성자를 잘 흡수하지 않아 피복재로 널리 사용된다.

 

 

정답 : 2

---

8. 중성자의 평균 자유 행정(Mean Free Path)에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
   ① 중성자가 진행하며 원자핵과 충돌을 일으킬 때 충돌하는 위치들 간의 평균 거리이다.
   ② 원자 밀도(Atomic Density)가 크면 평균 자유 행정이 길다.
   ③ 표적에 입사한 중성자가 흡수되기 전에 산란하며 이동한 평균 거리와 관계가 있다.
   ④ 거시적 단면적(Macroscopic Cross Section)에 반비례한다.

 

 

평균자유행정 mfp : 중성자가 반응하지 않고 매질 속에서 진행하는 거리의 평균값으로 거시적단면적의 역수이다.

 

$$mfp \propto \frac{1}{\Sigma} = \frac{1}{N\sigma}$$

 

N : 원자밀도

$\sigma $ : 미시적 단면적

 

나머지는 모두 맞는 설명이다.

2번 : 원자밀도가 크면 거시적단면적이 커지고, 평균자유행정은 짧아진다.

원자가 많으면 당연히 반응을 더 잘할 것이고, 그럼 더 짧은 거리밖에 가지 못한다.

 

 

 

정답 : 2

---

 

 

9. 도플러 효과(Doppler Effect) 및 도플러 확장(Doppler Broading)에 대한 설명으로 틀린 것은?
   ① 경수로의 즉발 온도계수(Prompt Temperature Coefficient)는 도플러 효과 때문에 음(-)의 값을 가진다.
   ② 중성자의 반응 단면적은 특정 에너지 영역에서 공명흡수 현상을 가진다
   ③ 표적핵(Target Nucleus)의 질량에 따라 공명흡수 단면적의 분포 형태가 변화하는 현상을 도플러 확장이라 부른다.
   ④ 도플러 효과로 인해 공명 영역의 형태는 변해도 공명 영역 곡선 아래 부분의 면적은 일정하다.

 

 

 

 

도플러 효과 : 핵연료의 온도가 높아지면, 공명흡수 단면적의 피크값이 낮아지면서 옆으로 퍼지는 현상

결과적으로 총면적은 동일하지만, 중성자속 분포의 변화로 인하여, 총 공명흡수되는 양은 많아진다. 공명흡수가 많아지므로 반응도(reactivity)는 감소한다.

 

1. 즉발온도계수(핵연료온도계수)는 도플러효과에 기인한다. 노심의 반응도가 증가하면, 가장 먼저 핵연료 온도가 증가한다. 다행히도 도플러효과로 인해 공명흡수가 많아지고 반응도는 낮아지는 음의 반응도 피드백 효과를 준다.

 

2번과 4번은 맞는 설명이다.

 

3 : 표적핵의 질량이아니라 표적핵의 온도에 따라 공명흡수 단면적이 변한다.

 

정답 : 3

 

---

 

10. 다음 중 원자로 기동 불능시간(Reactor Dead Time)과 가장 밀접한 관계가 있는 핵종은?
    ① Xe-135 ② Sm-149   ③ B-10 ④ Cd-113

 

 

 

 

 

Xe-135는 핵분열과 선행핵종의 붕괴로 생성되는 물질인데 중성자 흡수단면적이 큰 독물질이다.

위 그림에서 보듯이, 원자로가 정지하면, Xe-135의 농도는 일시적으로 증가했다가 감소한다.

Xe-135는 부반응도 효과를 주므로, Xe-135의 농도가 너무 높아서, 제어봉을 모두 인출하고 붕소농도를 0으로 해도 노심이 임계에 도달할 수 없는, 물리적으로 원자로를 운전할 수 없는 기간이 있다.

이를 원자로 기동 불능시간, Dead time 이라고 한다.

 

정답 : 1