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문 1) 거시적 단면적에 대한 기술 중 틀린 것은? ➀ 거시적 단면적은 단위 면적당 중성자가 충돌할 확률이다. ➁ 거시적 단면적은 단위 체적당의 원자수에 비례한다. ➂ 거시적 단면적은 미시적 단면적에 비례한다. ➃ 종류가 다른 혼합물의 경우 각 핵종에 대한 거시적 단면적을 계산한 후 모두 합하면 혼합물의 거시적 단면적이 된다.
★ 키워드: 핵반응단면적
원자 및 핵물리에서 반응단면적(Cross section)은 광자, 하전입자 및 중성자가 물질(핵)과 반응할 빈도 또는 확률을 나타는 개념이다.
① 거시적 단면적은 단위 면적당 중성자가 충돌할 확률이다. - (X) 미시적 단면적에 대한 설명이다. 거시적 단면적은 단위 부피[cm^3]에 포함된 미시적 단면적[cm^2]을 의미한다. ② 거시적 단면적은 단위 체적당의 원자수에 비례한다. - (O) 거시적 단면적은 미시적 단면적(σ)과 원자수밀도(N)의 곱(Σ = σ × N)이다. 원자수밀도(N)는 단위 체적 당 원자수로, 거시적 단면적은 원자수밀도에 비례한다. ③ 거시적 단면적은 미시적 단면적에 비례한다. - (O) 거시적 단면적은 미시적 단면적(σ)과 원자수밀도(N)의 곱(Σ = σ × N)이다. 미시적 단면적은 원자수밀도에 비례한다. ④ 종류가 다른 혼합물의 경우 각 핵종에 대한 거시적 단면적을 계산한 후 모두 합하면 혼합물의 거시적 단면적이 된다. - (⧍) 혼합물이나 화합물의 거시적 단면적은 각 핵종의 거시적 단면적에 질량 분율을 곱한 값의 총 합(Σ = Σ(wi × Σi))으로 구할 수 있다. 엄밀히 따지면 ④번은 정확한 선택지는 아니다.
정답: ①
문 2) 다음 용어의 설명 중 틀린 것은? ➀ 감속재 온도계수: 감속재의 단위 온도 변화에 대한 반응도의 변화량 ➁ 반응도: 원자로 증배계수(k)의 변화값 ➂ 지발 초임계 상태: 즉발 중성자와 지발 중성자 모두 포함해야 원자로가 초임계상태가 되는 것 ➃ 원자로 주기: 원자로의 출력이 e(약 2.714)배 변화하는데 걸리는 시간
★ 키워드: 감속재온도계수, 반응도, 지발 초임계, 원자로 주기
① 감속재 온도계수: 감속재의 단위 온도 변화에 대한 반응도의 변화량 - (O) 감속재 온도 변화에 따른 반응도 변화를 나타내는 값으로, 노심 고유안정성(특히 주기 초)과 관련해서 중요한 상수이다. ② 반응도: 원자로 증배계수(k)의 변화값 - (X) 반응도는 노심의 (임계)상태 변화를 나타내는 상수로, 유한 크기의 원자로에서 다음과 같이 정의할 수 있다.
단순히 증배계수의 변화량(Δk)으로 정의하는 것은 옳지 않다. ③ 지발 초임계 상태: 즉발 중성자와 지발 중성자 모두 포함해야 원자로가 초임계상태가 되는 것 - (O) 핵분열 결과 직접 방출되는 즉발 중성자만으로는 미임계이지만, 핵분열생성물의 방사성붕괴로 방출되는 지발 중성자를 포함하면 초임계가 되는 상태를 의미한다. 이때 반응도는 0보다 크고 유효 지발중성자분율보다 작다.(0 < ρ < βeff) ④ 원자로 주기: 원자로의 출력이 e(약 2.714)배 변화하는데 걸리는 시간 - (O) 원자로 주기는 원자로 출력이 자연상수(e)배로 증가하거나 감소하는데 걸리는 시간이다.
정답: ②
문 3) 중성자 감속에 대한 다음 설명 중 틀린 것은? ➀ 페르미 연령(Fermi Age)은 중성자가 생성되어 열중성자가 될 때까지 이동하는 평균직선거리에 반비례한다. ➁ 경수(H2O)의 감속거리는 중수(D2O)의 감속거리보다 짧다. ➂ 핵분열 확률을 높이기 위해서이다. ➃ 좋은 감속재는 흡수단면적이 작아야 한다.
★ 키워드: 중성자 감속
중성자 감속(Moderation, Slow-down)은 중성자가 핵과 탄성 또는 비탄성산란 반응하여 초기 입사 중성자의 에너지를 잃는 현상이다. 핵분열로 방출되는 즉발중성자와 지발중성자는 고에너지의 속중성자이므로, 핵분열 연쇄반응을 유지하기 위해서는 핵분열단면적이 비교적 큰 열중성자 에너지영역까지 중성자의 에너지를 낮춰야 한다. 감속재가 포함된 노심을 구성함으로써 효과적으로 핵분열 연쇄반응을 유지할 수 있다.
① 페르미 연령(Fermi Age)은 중성자가 생성되어 열중성자가 될 때까지 이동하는 평균직선거리에 반비례한다. - (X) 중성자가 생성되어 열중성자가 될 때까지 이동한 평균직선거리는 속확산거리이다. 페르미연령은 속확산거리 제곱에 비례한다.
② 경수(H2O)의 감속거리는 중수(D2O)의 감속거리보다 짧다. - (O) 감속거리는 핵분열이 일어나 속중성자가 방출된 곳으로부터 감속하여 열중성자가가 되는 곳까지의 거리를 의미한다. 페르미연령의 제곱근에 비례하므로 감속능이 큰 경수가 중수보다 감속거리가 짧다. ③ 핵분열 확률을 높이기 위해서이다. - (O) 핵분열성물질의 열핵분열 확률을 높이기 위해서 중성자의 에너지를 감소시키는 것이 감속이다. ④ 좋은 감속재는 흡수단면적이 작아야 한다. - (O) 좋은 감속재는 산란단면적이 크고 흡수단면적이 작다.
정답: ①
문 4) U-235의 중성자 평균 세대시간은?
➀ 약 0.02 초 ➁ 약 0.04 초 ➂ 약 0.06 초 ➃ 약 0.08 초
★ 키워드: 세대시간
중성자 세대시간이란 중성자가 핵분열을 일으키기 위하여 핵에 흡수될 때부터 핵분열을 일으킨 후 소멸될 때까지 걸리는 시간이다. 즉발중성자 및 지발중성자 세대시간과 각 분율을 곱한 값들의 합으로 구할 수 있다. 이때 즉발중성자의 세대시간은 핵분열시간과 즉발중성자의 수명을 더한 값이고, 지발중성자의 세대시간은 핵분열시간과 모핵종(핵분열생성물)의 평균 수명, 지발중성자의 수명을 더한 값과 같다.
전체 중성자의 0.65%밖에 되지 않은 지발중성자에 의해 세대시간이 비약적으로 증가한다는 것을 의미한다.
정답: ④
문 5) Xe-135에 대한 다음 설명 중 틀린 것은? ➀ I-135로부터 생성된다. ➁ I-135의 반감기는 6.7 시간이며, Xe-135은 9.2 시간이다. ➂ 원자로 정지 후 약 9~10 시간 후 Xe-135가 최대값을 가진다. ➃ Xe-135는 β 변환하여 Ba-135가 된다.
★ 키워드: 제논(Xe)
핵분열생성물 중 하나인 제논(Xe-135)은 강력한 중성자 흡수물질이다. 우라늄의 핵분열로 직접 생성될 수도 있고, 제논의 모핵종인 Sb-135, Te-135, I-135의 방사성붕괴에 의해 간접적으로 생성된다.
① I-135로부터 생성된다. - (O) 핵분열생성물인 Sb-135의 방사성붕괴(β-)로 생성되는 I-135가 붕괴하여 간접적으로 생성된다. ② I-135의 반감기는 6.7 시간이며, Xe-135은 9.2 시간이다. - (O) Xe의 간접생성과 관련된 핵종과 반감기를 붕괴 순서대로 나열하면 다음과 같다. Sb-135(1.7 초), Te-135(11 초), I-135(6.7 시간), Xe-135(9.2 시간)이고, I-135와 Xe-135의 반감기에 비해 Sb-135와 Te-135의 반감기가 상대적으로 짧아서 시간에 따른 핵종(I, Xe) 농도에 대한 식을 세울 때 무시할 수 있다. ③ 원자로 정지 후 약 9~10 시간 후 Xe-135가 최대값을 가진다. - (O) 원자로 정지에 따라 Xe 평형이 깨지면, Xe의 직접 생성은 즉시 중단(우라늄 핵분열 중지)되지만, 생성된 모핵종의 방사성붕괴에 따른 간접생성은 I-135가 전부 붕괴하여 없어질 때까지 지속된다. 원자로 정지 직후 Xe의 농도는 간접생성이 중성자 흡수보다 클 때까지 증가하다가 9~10 시간 후 최대가 된 후 간접생성이 흡수보다 작아지면서 Xe 농도도 감소한다. ④ Xe-135는 β 변환하여 Ba-135가 된다. - (⧍) Xe-135는 방사성붕괴(β-)하여 Cs-135이 된다. 다만 Cs-135 또한 약 230만 년(2.3×10^6 년)의 반감기로 베타붕괴하여 안정 동위원소인 Ba-135가 되기 때문에 Xe-135가 Ba-135가 된다는 말은 옳다고 볼 수 있는 여지가 있다.
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