[원자력기사 기출풀이] 2021년 1차 원자력기초 1 ~ 5번

1. 삼중수소의 양성자수, 전자수, 중성자 수 및 질량수는?
   ① 1, 1, 2, 3    ② 1, 2, 1, 3    ③ 2, 1, 1, 3    ④ 2, 2, 2, 3

 

 

 

원자핵의 원자번호(Z)는 양성자의 갯수이고, 질량수(A)는 양성자와 중성자를 합한 갯수이다.

원자번호가 같으면 같은 원자이고, 같은 원자 간에, 중성자갯수가 다르면 ( 즉, Z는 같지만, A는 다른 경우) 동위원소 관계이다.

 

일반적인 수소원자핵은 양성자 1개로만 되어 있고, A=1, Z=1 이다.

수소의 동위원소인 삼중수소는, 양성자 1개에 중성자 2개가 붙어있어 A=3 이다.

중성원자의 경우 양성자 갯수와 전자의 갯수는 같으므로, 삼중수소의 경우

양성자 1, 전자 1, 중성자 2, 질량수 3 이다.

 

정답 : 1번

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2. Po-210의 방사성 붕괴 반응에 대한 설명으로 맞는 것은?
   ① 붕괴하는 것은 핵력이 강한 척력을 가지기 때문이다.
   ② 원자핵 속의 양성자에 대한 중성자의 비율이 너무 높아 에너지 상태가 불안정하여 알파붕괴한다.
   ③ 헬륨의 원자핵이 Po-210 원자핵에 의한 쿨롱 포텐셜 장벽을 투과하는 양자터널 효과를 이용하여 설명할 수 있다.
   ④ 원자핵 속의 핵력은 양성자 간의 힘이 중성자와 양성자 간의 힘보다 작다.

 

Po-210은 알파붕괴핵종이다.

 

1번 : 핵력은 양성자와 중성자들을 서로 묶어두는 힘으로 아주 강한 인력이다.

 

2번 : 양성자-양성자 사이에는 양전하에 의한 쿨롱힘에 의해 척력을 띄지만, 중성자-중성자, 양성자-중성자 간에는 쿨롱 척력이 없다. 그래서 양성자가 더 많을수록 더 불안정해지고, 중성자가 많을수록 더 안정해진다. 이것이 원자번호가 커질수록 양성자보다 중성자가 많아지는 이유이다.

 

3번 :  알파붕괴시 나오는 알파입자의 에너지는 대략 4 ~ 6 MeV 정도인데,

이것은 퍼텐셜 장벽 ( 핵력의 인력과 쿨롱의 반발력이 이루는 에너지 장벽)을 넘기에는 부족한 에너지이다.

즉, 4 ~ 6 MeV의 운동에너지를 가진 입자는 핵에서 빠져나올 수 없다는 뜻인데, 실제로는 터널링 현상 덕분에 핵에서 빠져나와 알파붕괴를 할 수 있다. 터널링 현상은 미시적인 입자의 파장이 충분히 길어 넘을 수 없는 포텐셜 장벽 밖에서도 존재할 수 있게되는 현상이다.

어렵지만, 알파붕괴가 가능한 이유는 양자적인 터널링 현상 때문이라고 알아두면 된다.

 

4번 : 핵력은 핵자들끼리 끌어당기는 힘인데, 전하에 독립적이고 중성자든 양성자든 핵력의 크기는 같다.

 

정답 : 3번

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3. 핵분열 생성물에 대하여 바르게 설명한 것은?
   ① 대표적인 핵분열 생성물인 Cs-137, Co-60는 베타붕괴 직후 감마선을 방출하며 안정화 된다.
   ② Sr-90은 감마붕괴하여, 시간이 지남에 따라 Y-90과 영속평형 상태에 놓이게 된다.
   ③ H-3는 주로 내부피폭에 영향을 미치는 핵종이다.
   ④ 핵분열 후 10초부터 1,000시간 사이에 핵분열 당 총 방사능은 핵분열 후 경과시간의 1.2제곱에 반비례하며 감소한다.

 

1번 

Cs-137은 베타붕괴하여 95 %는 Ba-137m 이 된다.

이 Ba-137 m 은 감마선을 방출한 뒤 Ba-137이 된다.

이 "m" 의 의미는 핵이성체,  준안정상태라는 의미이다.

보통 베타붕괴 후, 불안정한 핵들은 곧바로 감마선을 방출하고 안정해진다.

하지만 Ba-137m 같은 준안정상태에 있는 핵들은 어느 정도 시간이 경과해야 감마선을 방출한다.

Co-60은 베타붕괴 직후 감마선을 방출하는 것이 맞지만, Cs-137은 베타붕괴 후 일정시간 후 감마선을 방출한다.

Cs-137의 붕괴도식.

 

 

2번 : Sr-90과 Y-90은 영속평형 관계에 있는 것이 맞지만, Sr-90의 감마붕괴가 아니라 베타붕괴이다.

Sr-90는 29년의 반감기로 베타붕괴하여 Y-90이 된다. Y-90은 64시간의 반감기로 베타붕괴하여 Zr-90이 된다.

모핵종(Sr)과 딸핵종(Y)의 반감기 차이가 매우 크기 때문에 오랜 시간이 경과하면 두 핵종의 방사능이 같아지는 "영속평형" 상태에 도달하게 된다.

 

 

3번

H-3 , 삼중수소는 최대에너지 18 keV의 약한 베타선만을 방출하는 순베타방출체이다.

베타선의 에너지가 너무 낮아 비정이 짧고, 우리의 피부를 뚫을 수 없기 때문에 외부피폭은 무시할만 하다.

하지만 호흡, 섭취나 피부를 통해 우리 인체 내부로 침투한다면, 짧은 비정 때문에 인체 내부의 장기들을 피폭시킬 수 있다.

즉, 삼중수소는 약한 베타선만 내기 때문에 외부피폭은 없고, 내부피폭에 영향을 미친다.

 

 

4번

보기가 조금 이상하게 표현되어 있는데, 핵분열된 다음에 방사능이 어떻게 감소하냐를 물어보는 듯 하다.

아래는 노심에서 인출된 사용후핵연료의 시간경과에 따른 방사능 변화를 나타내는 식이다.

경과시간의 0.2 제곱에 반비례함을 볼 수 있다.

 

정답 : 3번

 

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4. 중수소(D)-삼중수소(T) 핵융합 반응으로부터 1 MW-day의 열에너지를 얻기 위해 필요한 삼중수소의 양(g)은? (단, 핵융합 반응 한번 당 발생되는 열에너지는 17.6 MeV이다. )
   ① 약 0.10   ② 약 0.15    ③ 약 0.20   ④ 약 0.25

 

1 MWday 는 1 MW의 출력으로 1일동안 생산한 에너지이다.

1 MWD = 1 MJ / s * 86400 sec / day * 1day = 86400 MJ

 

1 MeV = 1.602 E-13 J 이므로,

 

86400 MJ = 5.4 E+23 MeV 이다.

 

핵융합 한번 당 17.6 MeV의 에너지가 생기므로,

5.4 E+23 MeV의 에너지를 얻기위해서는 

3.065 E+22 번의 핵융합반응이 필요하다.

핵융합 한번에 삼중수소 원자 1개가 필요하다.

 

즉, 3.065 E+22개의 삼중수소가 필요한데 이는,

(3.065 E+22 / 0.602 E+24) * 3 g = 0.15 g 이다.

 

정답 : 2번

 

 

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5. 중성자 감속에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?
   ① 감속능은 대수적 에너지감쇠율과 거시적 흡수단면적을 곱한 값이다.
   ② 페르미연령이 작은 값을 가진 물질 내에서는 속중성자 누설이 적다.
   ③ 탄소는 물보다 감속능이 크지만, 감속비는 더 작다.
   ④ 물, 중수, 탄소 중 감속능이 가장 큰 것은 중수이다.

 

정답 : 4번

 

대수에너지감쇄 $\xi = {lnE_0 - lnE}$

감속능 $SDP = \xi * \Sigma_{s}$

감속비 $MR = SDP / \Sigma_{a}$

 

대수에너지 감쇄는 중성자가 매질과 1회 충돌할 때마다 얼마나 많은 에너지를 잃느냐. 즉, 얼마나 감속이 잘되느냐를 나타낸다. 

중성자와 매질의 질량이 비슷할수록, 즉, 매질의 원자량이 1에 가까울수록 대수에너지감쇄는 크다.

 

감속능은 대수에너지감쇄에 단위거리당 산란확률을 곱해준 것으로, 1회충돌 당 감속이 크고, 충돌도 잦을수록 이 값이 크다.

 

하지만 감속능은 크더라도 감속재로서의 효율은 안좋을 수가 있다. 중성자를 산란시키지 않고 아예 흡수해버리면 감속재로서의 기능이 떨어질 것이다.

따라서 감속비는, 감속능을 단위거리당 흡수확률으로 나눠준 것으로, 흡수를 적게할수록 이 값이 크다.

 

경수가 중수보다는 대수에너지감쇄와 감속능이 더 크다. 중수소보다는 수소(H-1)이 중성자와 더 비슷한 질량을 가지기 때문이다.

하지만 경수는 중수보다 중성자 흡수가 훨씬 크기 때문에 중수의 감속비가 더 우수하다. 그래서 중수를 감속재로 사용하는 중수로에서는 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있는 것이다.

 

페르미연령은 고속확산거리의 제곱에 비례한다. 고속확산거리는 속중성자가 열중성자가 될 때까지의 직선거리를 의미한다. 즉, 페르미연령이 짧을수록 속중성자가 빨리 열중성자가 되어 누설이 적어진다.

 

 

 

문제에서 옳지 않은 것을 고르라고 했는데, 

1번, 3번, 4번 모두 틀리고

2번만 옳은 보기이다.