[원자력기사 기출풀이] 2016년 원자력기초 1 ~ 5번

 

1. 핵반응에 대한 보존법칙과 관련 없는 것은?
   ① 핵자 수 보존    ② 전하량 보존    ③ 운동량 보존    ④ 운동에너지 보존

 

핵반응에서는 4가지가 보존된다.

 

1. 핵자 수 보존, 질량수 보존  ( 중성자 + 양성자 수).  주의할 것은 질량 보존이 아니라 질량 수 보존이다.

2. 전하량 보존

3. 운동량 보존

4. 에너지 보존 : 운동에너지 + 정지질량에너지를 합친 에너지가 보존된다.

 

질량이 보존되지 않는다.

에너지는 보존되는데 운동에너지가 보존되는 것이아니라, 질량에너지까지 합쳐진 것이 보존된다.

 

만약 핵반응 전과 후의 질량이 감소했다면, 감소한 질량만큼의 에너지가 운동에너지 형태로 방출된다.

 

핵반응 전보다 후의 질량이 더 크다면, 핵반응 전에 충분한 운동에너지가 있어야 핵반응이 성립할 것이다.

 

정답 : 4

---

2. 결합에너지에 대한 정의로 맞는 것은?
   ① 핵을 양성자와 중성자로 분리시키는데 필요한 에너지
   ② 핵자들을 서로 완전히 분리시키는데 필요한 에너지
   ③ 핵분열 반응을 일으키기 위해 외부에서 가해주어야 하는 최소한의 에너지
   ④ 양성자와 중성자를 결합시켜 하나의 핵을 만드는데 필요한 에너지

 

 

 

어떤 핵에 중성자 1개가 추가로 결합될 때 에너지 E가 방출된다면, 그 에너지가 마지막 핵자의 결합에너지이다.

즉, E만큼의 에너지를 주어야 다시 마지막에 합쳐진 중성자 1개를 떼어낼 수 있다.

 

고무줄처럼 생각하면 된다.

고무줄을 당기려면 힘이 필요하고, 고무줄을 놓으면 힘이 방출된다.

 

핵의 결합에너지의 정의는 보기 2번이다.

결합에너지는 핵자들을 모두 낱개로 분리하는데 필요한 총 에너지이다.

U-235를 양성자 92개, 중성자 143개로 따로따로 분리시킬 때 드는 에너지가 결합에너지이다.

또는, 따로따로 있던 양성자 92개, 중성자 143개가 뭉쳐서 U-235를 형성할 때 방출하는 에너지가 결합에너지이다.

 

보기 3번은 핵분열 임계에너지에 대한 설명이다.

보기 4번은 "양성자와 중성자를 결합시켜 하나의 핵을 만들 때 방출되는 에너지" 로 수정해야 한다.

보기 1번은 약간 애매한데, 핵을 "양성자 1개씩과 중성자 1개씩으로 분리시키는데 필요한 에너지"이다. 출제자는 "양성자끼리는 뭉쳐서 분리하고, 중성자끼리는 뭉쳐서 분리하는데 필요한 에너지"라는 의도에서 저렇게 표현한 것 같다.

 

정답 : 2

---

3. Th-232, U-238 등이 열중성자에 의해 핵분열이 일어나기 어려운 이유로 맞는 것은?
   ① 중성자 흡수단면적이 작기 때문
   ② 중성자 산란단면적이 크기 때문
   ③ 핵적으로 안정하기 때문
   ④ 중성자 결합에너지가 임계에너지보다 작기 때문

 

 

아래 그림에서 점 A는 핵분열생성물간의 거리가 0인, 즉, 분열하기 전의 복합핵 상태를 의미한다.

세로축은 포텐셜에너지를 의미하는데, A가 복합핵의 바닥상태이다.

 

핵자들은 서로를 끌어당기고 있기 때문에 분열시키기 위해서는 어느정도의 힘이 필요하다. 어느정도의 힘을 주어서 점 B의 포텐셜 장벽을 넘어설 수 있으면, 핵은 아령모양으로 변하고, 쿨롱반발력에 의해 분열이 될 수 있다. B - A 만큼의 에너지를 임계에너지라고 한다.

 

이 임계에너지는 여러가지 방법으로 제공할 수 있다.

열중성자에 의해서도 제공될 수 있는데, 열중성자가 핵에 흡수되어 복합핵을 형성할 때, 결합에너지 만큼의 에너지를 방출한다. 이걸 아래 표에서는 마지막 중성자의 결합에너지라고 표현하였다. 이 마지막 중성자의 결합에너지가 방출이 되고,이 에너지가 핵을 여기시킬 것이다. 여기된 핵이 B를 넘어선다면 핵분열이 되는 것이다.

 

아래 표를 보면, Th-232와 U-238은 마지막 중성자의 결합에너지가 임계에너지보다 작다. 즉, 이 둘은 열중성자를 흡수해서 분열할 수 없다. 하지만 운동에너지가 더 큰 중성자가 흡수된다면, 결합에너지에 추가로 운동에너지가 더해져서 임계에너지를 넘을 수 있게 되고, 그럼 핵분열할 수 있다.

 

핵분열성핵종인 U-235, U-233, Pu-239는 표에서 보면, 마지막 중성자의 결합에너지가 임계에너지보다 큰 것을 볼 수 있다. 이들은 열중성자가 흡수되어도 핵분열이 가능하다.

 

 

 

 

정답 : 4

 

---

4. 핵연료 온도가 증가할 경우에 대한 설명 중 틀린 것은?
   ① 공명흡수 구간이 넓어진다.
   ② 공명흡수 첨두치가 커진다.
   ③ 공명흡수되는 중성자의 수가 많아진다.
   ④ 공명이탈확률이 작아진다.

 

 

 

 

도플러 확장에 대한 문제이다.

 

도플러확장 : 열외중성자 영역에서, 공명흡수현상이 있는데, 핵연료 온도가 상승하면 공명흡수단면적의 첨두치가 낮아지고 옆으로 퍼지는 현상

 

위 그림에서 핵연료 온도가 높아질수록 피크는 낮아지고 옆으로 퍼짐을 볼 수 있다.

결과적으로 아래면적은 동일하지만 중성자속 스펙트럼의 영향으로, 공명흡수되는 중성자 수는 더 많아져 공명이탈확률은 감소하고, 따라서 부반응도 효과를 준다.

 

 

정답 : 2

 

 

---

5. 핵연료 연소에 따른 변화에 대한 설명 중 옳은 것은?
   ① 노심 내 반응도는 증가한다.
   ② 거시적 분열단면적은 시간에 따라 감소한다.
   ③ 일정한 출력을 유지하기 위해서는 중성자속이 일정해야 한다.
   ④ 시간이 지남에 따라 주기초보다 축방향 중성자속 분포의 굴곡이 커진다.

 

 

핵연료가 핵분열하면서 열을 내는 과정을 핵연료 연소라고 한다.

핵연료가 연소되면 U-235 같은 핵분열성 물질이 소모된다.

 

1. 핵분열성물질이 소모되므로 노심의 반응도는 감소한다. 물론 원자로에서는 감소되는 반응도를 보상시켜 반응도가 딱 0을 유지하도록 제어되고 있다.

 

2. 거시적 단면적은 미시적 단면적과 원자밀도의 곱이다. 연소될수록 핵분열성물질의 원자밀도는 감소하므로 자연스레 거시적 단면적도 감소한다.

 

3. 일정한 출력을 유지하기 위해서는 단위시간, 단위부피당 핵분열 수, 즉 핵분열 반응률이 일정해야 한다.

핵분열반응률은 중성자속과 거시적 단면적의 곱니다. 거시적단면적이 감소하므로 중성자속은 증가해야 한다.

 

4. 노심은 축방향의 중심 부분에서 중성자속이 높다. 즉, 중앙부분의 핵연료가 더 많이 소모되고, 외곽은 천천히 소모된다. 시간이 지날수록, 중앙부분은 많이 소모되니까, 중성자속은 낮아져서 더 평탄해진다. 즉, 축방향 중성자속분포의 굴곡은 점점 작아진다.(평평해진다)

 

 

정답 : 2