흐름이 보이는 원자력기사 시험에서 꼭 나오는 요점 요약 정리 9. 방사평형

9. 방사평형

 1. 방사평형

       1) 방사성 동위원소의 붕괴
(1) 방사성 붕괴 법칙

• 방사성 동위원소(Radioactive Isotope)는 분열 가능한 핵으로 특정 전자파를 방출하며 붕괴되는데 이는 핵의 종류에 따른 특정확률에 의해 결정된다.

-> 핵 내부에 알파입자는 핵의 가장자리에 형성된 에너지 장벽으로 인해 내부를 끊임없이 왕복운동하고 있다.

-> 그러나 양자역학에 의하면 높은 에너지 장벽을 벗어날 수 있는 적은 확률이 있기에 알파붕괴할 가능성이 있는 것이다.

• 그러나 전적으로 양자역학적 원리에 지배되기 때문에 이 확률은 고정된 값을 가진다.

-> 알파입자가 상당히 오랫동안 붕괴하지 않고 왕복운동을 하더라도 그 다음에 붕괴확률은 처음 충돌시의 확률과 동일하다.

-> 즉, 방사성 붕괴는 지금까지 붕괴를 시도한 데에 대한 기억을 가지고 있지 않기에 자발적 붕괴는 일정한 확률로 발생한다.
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(2) 핵의 붕괴곡선
① 확률에 의한 반응의 결과로 지수함수의 꼴로 생존한다.
• 하나의 핵이 초당 붕괴할 확률을 (붕괴 상수)라고 한다.
-> 이는 핵이 놓여있는 외부조건에 거의 영향을 받지 않는다.
-> N개의 핵이 있다면이 N개의 핵중 t동안 붕괴되어 남은 핵종의 개수는 다음과 같다.

② 반감기

• 처음 핵종의 개수에 반으로 줄어드는 시간을 반감기(Half Life)라 하며, 이는 잔존하는 핵의 수에 관계없이 일정하다.

 

(3) 우라늄 동위원소 붕괴

① 단위

 

• Ci(큐리)는 초당 붕괴하는 원자의 수 혹은 초당 3.7 x 10^10 번 방사성 붕괴하는 양을 뜻한다. (particle/s)

• Bq(베크렐)는 초당 방사성 붕괴의 횟수를 뜻하며 단위는 Decay/s(dps)라고 한다.

• 비방사능(Specific Activity)이란 단위 무게당 방사능을 뜻한다.

-> Bq/mg , Ci/g , Bq/mol

 

② 우라늄 동위원소

• 우라늄은 천연에서 존재하는 가장 원자번호가 큰 원소이다.

-> 천연에 존재하는 우라늄은 U234, U235, U238이고 각각의 존재비는 0.0056 : 0.7205 : 99.274이다.

-> 그 외 우라늄 동위원소(U233, U236, U237)는 인공 동위원소이다.

 

• 우라늄 중성자 포획반응으로 생성되는 U237은 반감기가 짧아 재처리 이후에도 전부 소멸된다.

-> 그러나 U236은 반감기가 길어 재처리 이후에도 존재하기 때문에 핵연료 원료로서 UF6를 수입하는 경우 U236의 존재여부에 따라 천연우라늄, 재생우라늄으로 구분할 수 있다.

 

③ 우라늄 동외원소 붕괴

 

U235 -> Pb207 (총 7번의 알파붕괴와 4번의 베타붕괴)

U238 -> Pb206 (총 8번의 알파붕괴와 6번의 베타붕괴)

 

2) 방사평형(Radioactive Equilibrium)

(1) 개요

 

(2) 방사성 핵종의 성장

 

(3) 영속 평형(Secular Equilibrium) [영년 평형]

 

• 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 매우 길 때(약 1,000배 이상) 딸핵종의 방사능은 모핵종의 방사능과 같게 된다.

-> 전방사능은 모핵종의 방사능의 2배가 된다.

• 영속평형은 반감기와 평형상수가 매우 크게 차이(1000배) 날 때 성립된다.

(4) 일시 평형(Transient Equilibrium) [과도 평형]

• 모핵종의 반감기가 딸핵종보다 약간 길 때 딸핵종의 방사능이 처음에 0이었던 것이 점차 커져 최대치에 도달한 다음 모핵종과 같은 율로 붕괴 된다.

-> 이 상태에서 딸핵종은 모핵종으로부터 생성률과 동일한 율로 붕괴되는 상태이다.