4. 질량과는 무관합니다. 혹시, 질량이 원자번호를 의미한다면, 원자번호가 작을수록 충돌당 감속효과가 크므로 질량이 작을수록 좋습니다.
정답 : 4.
감속재의 역할 : 중성자가 핵연료와 잘 반응할 수 있도록 중성자의 에너지를 낮추어줌(즉, 속도를 줄여줌)
이를 위해,
- 산란단면적이 커야, 감속재와 중성자의 충돌횟수가 많아짐.
- 감속재의 입자당 질량이 중성자와 비슷해야 ( 즉, 원자번호가 1에 가까울수록) 충돌당 많은 에너지를 잃음.
- 흡수단면적이 크면, 중성자가 핵연료까지 도달하지 못하고 손실되므로 좋지 않음.
- 이외에도 방사선에 강해야하고, 열제거가 잘되어야함.
우리나라의 가압경수로의 경우 경수(H2O)를, 중수로의 경우 중수(D2O)를 감속재로 사용하고 있음.
원자로가 아래의 그림과 같이 100% 출력으로 운전하던 중 $t_0$에서 정지한 경우, 원자로 정지 후 제논(Xe-135)의 거동으로 적절한 것은? (단, 원자로는 $t_0$ 에서 정지 이후 재기동을 하지 않는다.)
정답 : 1
Xe-135 : 핵분열로 발생하는 불활성기체로, 중성자 흡수단면적이 커 Sm-149와 함께 대표적인 독물질입니다.
Xe-135은
1. 우라늄의 핵분열로 직접생성되거나,
2. I-135가 베타붕괴하여 생성됩니다.
Xe-135의 제거는
1. 중성자를 흡수하여 제거되거나
2. Cs-135로 베타붕괴하여 제거됩니다.
원자로의 출력이 일정하게 유지되는 경우, 위의 생성과 제거가 균형을 이루 Xe-135의 농도(양)은 일정하게 유지됩니다.
그러던 중, 원자로가 급격히 정지되면,
생성원 중 "1. 우라늄의 핵분열" 은 즉시 사라지고, 2번만 남습니다.
제거원 중 "1. 중성자 흡수"도 즉시 사라지고, 2번만 남습니다.
그럼 I-135 -> Xe-135 -> Cs-135의 연쇄붕괴에 따라 Xe-135의 양이 결정됩니다.
위에 보이듯이, Xe의 반감기가 더 길어, 처음에는 Xe-135의 양이 증가합니다. 그러다가 I-135의 양이 점차 줄어들어 Xe-135의 생성이 줄어들어 Xe-135의 양은 감소하게 됩니다.
충분히 긴 시간이 흘러 최종적으로 I-135가 전부 붕괴되면, 생성원이 없기 때문에, Xe-135도 전부 사라지게 됩니다.
※ 출력을 증발하게 된다면, 출력 감발과 반대현상이 일어나, 처음에는 Xe-135가 줄어들었다가, 더 많은 농도에서 평형을 이루게 됨
출력 증발 시 Xe-135 변화
3. 원자핵의 결합에너지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 원자량이 큰 원소일수록 총 결합에너지는 증가한다. ② 핵자당 결합에너지는 원자량의 크기에 관계 없이 일정하다. ③ 결합에너지란 각 핵자를 완전히 분리하는 데 필요한 에너지이다. ④ 핵자당 결합에너지는 원자량이 증가함에 따라 급격히 증가하다가 서서히 떨어지는 경향이 있다.
결합에너지 : 원자핵을 이루는 핵자들(중성자와 양성자)를 따로 떼어내는데 필요한 힘. 핵자간 결합을 끊는데 필요한 힘. 따로 떨어진 핵자끼리 결합할 때, 방출하는 에너지.
원자량에 따른 핵자 1개당결합에너지는 아래와 같습니다.
핵자당 결합에너지
- 이 그래프는 핵자 1개당 결합에너지입니다. 즉, Fe-56의 총 결합에너지는 8.8 MeV * 56 = 493 MeV 입니다.
- Fe-56이 가장 큰 핵자당 결합에너지를 가집니다.
- 즉 Fe-56이 가장 안정하다는 것을 의미하므로, Fe-56보다 무거운(오른쪽) 핵들은 핵분열을 할 것이고, 더 가벼운(왼쪽) 핵 들은 핵융합을 할 것입니다.
- 핵자당 결합에너지는 대부분의 핵종에서 7 ~ 9 MeV 사이입니다.
1, 3, 4번 보기는 모두 맞는 말입니다.
2번. 핵자당 결합에너지는 원자량에 따라 변합니다.
답 : 2번
4. U-235가 핵분열을 일으킬 때 방출되는 에너지 중 가장 큰 것은? ① β 선 ② γ 선 ③ 핵분열중성자 운동에너지 ④ 핵분열 파편 운동에너지
답 : 4번
우라늄의 핵분열 시, 약 200 MeV의 에너지가 방출됩니다.
이 에너지의 대부분은 두 핵분열생성물의 운동에너지 형태로 방출되게 됩니다.
이 핵분열파편이 멈추면서 운동에너지를 주변 원자들에게 전달하면, 온도가 상승하게 되고, 이 열에너지를 냉각재가 넘겨받아 최종적으로 우리가 사용할 전기에너지로 바뀌는 것입니다.
분류
에너지 [ MeV ]
핵분열생성물 운동에너지
167
중성자 운동에너지
5
즉발 감마에너지
7
핵분열생성물의 베타붕괴
7
핵분열생성물의 감마선
6
중성미자
11
총합
203
다른 것들은 중요하지 않고 아래 두 가지가 중요합니다.
- 핵분열생성물의 운동에너지가 가장 크다는 것 ( 약 80 % 정도)
- 약 10 MeV 정도의 중성미자가 나온다는 것.
중성미자는 물질과 상호작용이 극히 낮아, 이 10 MeV는 우리가 사용할 수 없고, 원자로에서 벗어나게 됩니다.
즉, 우리는 200 MeV의 핵분열에너지 중 190 MeV만 회수 가능합니다.
감속재에 관한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 물의 감속능이 좋은 이유는 물은 대수적 에너지 감쇠율이 크기 때문이다. ② 탄소는 열확산거리가 경수보다 짧으므로 고온 기체냉각로에 감속재로 사용된다. ③ 탄소의 감속비는 경수의 감속비보다 크다. ④ 경수는 중수에 비해 대수적 에너지 감쇠율 및 거시적 산란 단면적이 모두 크다.
감속능 (SDP, Slowing Down Power) : 단위거리진행당 충돌확률과 충돌당 대수에너지 감쇠( $\xi$) 에 비례함.
