11. 원자력과 관련된 입자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 전자소멸이란 양전하와 음전하가 충돌하면서 발생하며, 소멸방사선을 방출하는 것이다.
② 양성자의 정지질량은 전자보다 약 1,836배 높으며, 전하가 음(-)인 양성자도 존재한다.
③ 중성자는 양성자보다 약간 더 무거우며, 자유중성자는 안정한 입자이다.
④ 광자는 전자파와 관련된 입자로 정지질량은 0이고, 진공에서 하나의 속도만을 갖는다.
1. 입자와 반입자가 만나면 소멸하고, 질량에 해당하는 에너지를 방출합니다. 양전자와 음전자가 만나면 소멸하고 두개의 감마선(E=0.511 MeV)을 180도 방향으로 방출하는데, 이를 소멸감마선이라고 합니다.
2. 양전자가 존재하는 것처럼, 전하가 음인 반양성자도 존재합니다.
3. 중성자는 1.008665 amu, 양성자는 1.007277 amu로 중성자가 약간 더 무겁습니다. 자유 중성자는 10분의 반감기로 양성자로 붕괴합니다.
$$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}$$
이는 중성자가 양성자보다 무겁기 때문에 가능한 현상입니다. 이 반대 현상(양성자 $\rightarrow$ 중성자)은 일어나지 않습니다. 양성자가 더 가볍기 때문입니다.
4. 광자의 속도는 광속으로 일정하고, 정지질량은 0입니다. 광자의 에너지는 속도가 아닌 파장에 의해 결정됩니다.
정답 : 4번
12. 원자로 내에서 핵분열 과정을 통해 생성된 물질의 에너지 중 회수되는 것이 아닌 것은?
① 즉발중성자 ② 중성미립자 ③ 감마선 ④ 지발중성자
우라늄의 핵분열 시 약 200 MeV의 에너지가 발생하고, 이는 핵분열생성물의 운동에너지를 비롯한 여러 형태로 방출됩니다. 이 중 대부분은 회수가 가능합니다. 즉 열에너지로 전환시켜 냉각재로 전달시킬 수 있습니다.
하지만 중성미자의 경우 회수 불가능한 에너지로 분류합니다. 중성미자는 물질과의 상호작용이 극히 낮아, 냉각재를 비롯한 원자로 구성물과 반응하지 않고 그대로 빠져나가기 때문입니다.
이 중성미자 에너지 약 10 MeV를 제외한 190 MeV 정도만 활용할 수 있습니다.
정답 : 2번
13. UO2 핵연료(농축도 2.5 w/o) 90톤이 장전된 원자로가 600일 동안 3,300 MW 출력 수준으로 운전하였을 때 비연소도(MWd/t)는?
① 약 19,000 MWd/t ② 약 22,000 MWd/t ③ 약 25,000 MWd/t ④ 약 28,000 MWD/t
메가와트일 : 1MW의 출력으로 하루동안 발생한 에너지, $1MWd = 1MW * 1day$
문제에서는 무게단위가 그냥 t(톤) 으로 나와있는데, 좀더 정확하게는 MTU ( metric ton of uranium, 톤 단위로 나타낸 우라늄의 양) 이라고 표기해야 할듯 합니다.
보통 연소도는 MWD/mtu 단위로 표기합니다.
우선 농축우라늄의 유효원자량을 구하면
$$\frac{1}{A_{eff}} = \Sigma_i \frac{w_i}{A_i} = \frac{0.025}{235} + \frac{0.975}{238}, A_{eff} = 237.92$$
UO2 핵연료 90톤 중 우라늄의 양은
$$M_U=90* \frac{237.92}{237.92 + 2*16} = 79.33 t$$
따라서 연소도는
$$3300MW * 600Day / 79.33 tu = 25000 MWd/MTU$$
입니다.
정답 : 3번
14. 지발중성자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 핵분열을 통해 방출되는 중성자의 1% 이하이다.
② 지발중성자선행핵은 6개 그룹으로 나눌 수 있다.
③ 핵분열생성물이 베타붕괴를 하여 생성된 핵종들이 중성자를 방출하며 붕괴할 때 생성된다.
④ 원자로주기를 짧게 하여 원자로 제어를 쉽게 할 수 있다.
핵분열 시 대부분의 중성자는 분열과 동시에 발생하고, 이를 즉발중성자라고 합니다.
아주 낮은 비율로 늦게 나오는 중성자가 있는데 이를 지발중성자라고 합니다. U-235의 경우 지발중성자는 평균 12.5 초 후에 발생합니다.
이들은 핵분열로 인하여 직접 나오는 것이 아닙니다. 어떤 핵분열생성물은 베타붕괴한 후, 중성자를 방출합니다. 이런 핵분열생성물들을 지발중성자의 선행핵이라고 하고, 반감기가 비슷한 핵종끼리 크게 6그룹으로 묶어두었습니다.
지발중성자분율은 보통 $\beta$ 로 표시합니다. U-235의 지발중성자분율은 0.65%이고, Pu-239 0.2% 입니다.
정답 4번.
지발중성자는 원자로의 주기를 길게 해줍니다.
이 0.65% 밖에 되지 않는 지발중성자는 원자로의 주기를 매우 크게 늘려주어 우리들이 원자로를 제어할 수 있도록 해줍니다. 이 세상에 즉발중성자만 있다면 원자력발전은 불가능하였을 겁니다.
15. 중수로에 대한 설명으로 옳은 것은?
① 원자로가 수평이어서 운전 중 연료 교체가 가능하다.
② 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있는 이유는 중수의 열중성자 흡수단면적이 대단히 높기 때문이다.
③ 감속재로 중수를 사용하나, 열전달을 위해 냉각재는 경수를 사용한다.
④ 중수소가 수소보다 무거워 중성자가 잘 감속되기 때문에 원자로를 경수로에 비해 상대적으로 작게 만들 수 있다.
우리나라 원전 중 이미 폐로한 월성 1호기와, 현역인 월성 2 ~ 4호기가 중수로입니다.
1. 경수로에 비해 짧은 핵연료집합체를 노심에 수평으로 장전합니다. (경수로는 노심에 수직으로 장전함). 경수로와 다르게 중수로는 핵연료를 운전 중에 교체할 수 있습니다. 이덕분에 가동률이 높습니다. 연료교체를 위해 원자로를 정지할 필요가 없기 때문이지요.
2. 중수로는 천연우라늄을 연료로 사용합니다. 경수에 비해 중수의 흡수단면적이 낮기 때문에 굳이 농축우라늄을 사용하지 않아도 됩니다.
3. 우리나라 중수로는 감속재와 냉각재 모두 중수를 사용합니다. 우리 경수로와 달리 중수로는 냉각재와 감속재가 구분되어 있는데, 둘 모두 중수입니다. 감속재와 냉각재가 꼭 같은 물질일 필요는 없으나, 감속재와 냉각재가 섞일 경우 손실이 커 같은 물질을 사용합니다.
4. 중수소가 수소보다 무겁기 때문에 중성자 감속이 잘 안됩니다. 중수를 사용하는 이유는, 감속에서 불리하지만, 그를 상회할 정도로 흡수가 적기 때문입니다.
정답 : 1번
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