2.2.1 단면적의 정의(1) [원자력기사]

2.2.1 단면적의 정의 (거시적, 미시적)

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원자력기사 시험에서 단면적의 정의는 복잡한 계산 보다는 그 의미를 파악하는 것이 중요하다.

기출문제 또한 계산식보다는 정의를 물어보는 문제 위주로 출제되고 있다.

단면적의 의미를 정확히 이해하기 위해서는 먼저 중성자속의 의미를 이해해야 한다.

■ 중성자속(Φ, Neutron Flux )이란?

중성자속은 한자로 中性子束(가운데중; 성품성; 아들자; 묶을속)와 같이 쓰므로, 중성자 묶음을 이야기 한다.

이때 묶음이란, 단위시간에 단위면적을 통과하는 중성자 수를 말한다.

이말은 뜻은 또다시 중성자 방출의 강도를 의미하기도 한다.

단위 시간당 단위 면적을 통과하는 중성자의 수 

따라서, 중성자속 = [중성자수(N)]/[시간(sec) × 통과면적(cm²)]로 나타낼 수 있고, 중성자속의 단위는 N/cm²·sec 가 된다.

■ 미시적 단면적(Microscopic Cross Section) 이란?

핵반응이 일어나는 빈도는 한개의 중성자가 한개의 핵에 충돌하는 확률에 비례한다.

즉, 중성자가 핵에 충돌하는 확률이 높으면 핵반응이 자주 발생한다.

그렇다면 중성자가 통과하는 면적과 핵의 단면적을 이용하여 충돌 확률을 구하면 될것이다.

그러나 중성자와 원자핵 사이에는 핵력, 핵 내부에너지 등에 의해 충돌확률은 복잡해진다.

따라서 중성자 및 핵의 단면적을 직접 사용하여 계산하지 않고, 실험적으로 정해진 단면적을 사용한다.

한개의 중성자가 핵과 반응하는 확률을 나타내는 핵의 유효 표적면적 

위의 미시적 단면적의 정의에서 '유효' 표적면적 이라고 표현한 이유도 실제 핵의 단면적이 아니라 실험값이라는 뜻을 나타낸다.

이러한 미시적 단면적은 σ(시그마)라고 부른다.

■ 미시적 단면적의 단위는?

미시적 '단면적' 이름에서 보듯 단면적의 단위는 cm²이다.

그런데 핵의 직경은 약 10^-12cm로 이를 단면적으로 대략 표현하면  10^-24 cm²이다.

그리고 10^-24 cm²를 barn이란 단위로 사용한다.

따라서1barn = 10^-24 cm² 이다. 

예제1 (2012년 원자력기사 필기 기출)

중성자에 대한 미시적 단면적을 설명한것 중 맞는 것은?

① 핵이 중성자와 반응을 일으키는 확률에 비례한다.

② 미시적 단면적의 단위인 barn은 10²⁴m²의 면적에 해당한다.

③ 미시적 단면적은 실제 핵의 단면적과 동일하다.

④ 미시적 단면적은 산란단면적(sigma scattering)과 포획단면적(sigma capture)로 구성된다.

정답 ①

② 미시적 단면적의 단위인 barn은 10^-24cm²이다.

③ 미시적 단면적은 중성자와 원자핵 사이의 핵력, 핵 내부에너지 등으로 인해 실제 핵의 단면적과 동일하지 않다.

④ 미시적 단면적은 산란단면적과 흡수 단면적으로 구성된다.

예제2 (2018년 원자력기사 필기 기출)

다음 중 용어와 단위가 맞게 연결된 것은?

① 중성자속(Neutron flux, ) : 중성자수/cm³-sec

② 거시적 단면적(Macroscopic cross section, ) : cm^-1

③ 미시적 단면적(Microscopic cross section, ) : cm^-2

④ 중성자류(Neutron current, J) : 중성자수/cm²

정답 ②

① 중성자속(Neutron flux, )의 단위는 중성자수/cm²-sec 이다.

③ 미시적 단면적(Microscopic cross section, )은 cm² 이다.

④ 중성자류는 중성자의 흐름을 정량적으로 나타내며, 단위는 중성자수/cm²-sec 이다.