01 다음 A와 B는 태양과 원자력 발전소에서 일어나는 핵반응을 순서 없이 나타낸 것이다.

Ⅳ. 에너지 / 1. 에너지의 발생

33. 원자로

소단원 문제

A:[eqn: {} _{1} ^{1} rm H+ _{1} ^{2} rm H -> _{2} ^{3} rm He+ gamma `+약`5.5MeV]

B:[eqn: rm _{````92} ^{235} rm{U}+]

(가)

[eqn: rm -> _{````56} ^{141} Ba+ _{36} ^{92} Kr+3]

(가)

+약200MeV

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. A는 태양 내부에서 일어나는 핵융합 반응이다. ㄴ. (가)는 표준 모형에서 기본 입자에 속한다. ㄷ. B에서의 질량 결손은 특수 상대론으로 설명 가능 하다.

① ㄴ    ② ㄷ    ③ ㄱ, ㄴ    ④ ㄱ, ㄷ    ⑤ ㄴ, ㄷ

02 여러 가지 원자로에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

① 원자로의 핵반응 과정에서 질량이 감소한다.

② 고속 증식로에서는 감속재가 필요 없다.

③ 가압 경수로에서는 [eqn: rm _{````92} ^{235} rm U]을 3% 이상으로 농축시킨 우라늄을 핵연료로 사용한다.

④ 가압 경수로에서는 보통의 물을 감속재로 사용한다.

⑤ 가압 중수로에서는 천연 우라늄을 핵연료로 사용한다.

03 다음은 수소 핵융합 반응식을 나타낸 것이다.

[eqn: rm {}_{1} ^{2} H+ _{1} ^{2} H ->] ( ㉠ ) + ( ㉡ ) +에너지

㉠, ㉡에 들어갈 알맞은 원소 기호를 쓰시오.

04 다음은 원자로의 작동 원리를 소개하는 내용이다.

원자로에서는 우라늄(U) 원자핵이

(가)

을/를 흡수

하여 바륨(Ba)과 크립톤(Kr) 원자핵으로 분열되면

서 발생하는 에너지를 이용합니다.

(나)

은 핵분열 시 방출되는

(가)

을/를 흡수하여

핵분열 반응의 속도를 조절합니다.

이 과정의 핵반응식은 다음과 같습니다.

[eqn: rm _{````92} ^{235} rm U] +

(가)

[eqn: rm -> _{````56} ^{141} Ba+ _{36} ^{92} Kr+3]

(가)

+200MeV

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 중성자([eqn: rm{}^1 _ 0 n])이다. ㄴ. 우라늄([eqn: rm _{92} ^{235} rmU])의 중성자수는 143이다. ㄷ. (나)는 감속재이다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

05 다음은 중수로에 대한 설명과 그 내부에서 일어나는 우라늄([eqn: `_{````92}^235 rmU])의 핵반응을 나타낸 것이다.

중수로는 감속재와 로 중수([eqn: rmD_2 O])를 사용하는 원자로이다. 중수는 경수([eqn: rmH_2 O])에 비해  의 속력을 느리게 하는 감속 작용이 좋기 때문에 [eqn: `_{````92}^235 rmU]의 핵분열이 잘 발생한다.

(가)

(나)

[eqn: ` _{````92``} ^{235} rm U`+` _{0`} ^{1} rm n~` ->]  + [eqn: ` _{37} ^{97} rm Rb`+`2` _{0} ^{1} n`+`에너지]

(다)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 냉각재이다. ㄴ. 물질 (다) 속에 있는 (나)의 수는 137이다. ㄷ. (나)의 속력이 느릴수록 [eqn: rm _{````92} ^{235} rm U]에 흡수될 가능성이 높다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 그림은 원자로 안에서 일어나는 [eqn: rm _{````92} ^{235} rm U]의 핵분열 반응을 모식적으로 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ.(가)의 양성자수는 46이다. ㄴ.(나)의 수를 줄이기 위해 제어봉을 사용한다. ㄷ.핵분열 반응에서 방출되는 에너지는 질량 결손에 의한 것이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

07 다음은 원자력 발전에서 발전 전·후 핵연료봉에 포함된 물질의 비율과 이 발전 과정에서 일어나는 핵반응 중 하나의 반응식을 나타낸 것이다.

(가)

+[eqn: {} _{0} ^{1}rm n][eqn: rm -> _{````56} ^{141} Ba+ _{36} ^{92} Kr+3]

(나)

+에너지

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 5%로 농축시킨 [eqn: rm _{````92} ^{235} rm U]이다. ㄴ. (나)의 속력을 빠르게 할수록 위 핵반응은 더 빠 르게 나타난다. ㄷ. 핵연료봉의 질량은 핵분열 생성물로 인해 발전 후가 발전 전보다 크다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

08 다음은 핵융합 반응식을, 그래프는 반응식의 입자 A, B, C의 양성자수와 중성자수를 나타낸 것이다.

[eqn: rm{A+B rarrowC+]

(가)

+에너지

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 질량수는 C가 (가)의 2배이다. ㄴ. C는 [eqn: alpha] 입자이다. ㄷ. B는 A의 동위 원소이다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

09 철수는 다음과 같은 핵연료 재처리 문제를 다룬 신문 기사를 읽고 관련된 자료를 찾아보았다.

신문 기사	… 원자로에서 사용된 핵연료봉에서 플루토늄([eqn: ` _{`````94} ^{239} ` rm Pu])을 추출할 때 분출되는 크립톤85([eqn: {} _{36} ^{85} ` rm Kr])의 수치가 상승하고 있음을 …
자 료	․ 핵연료봉의 주재료는 [eqn: ` _{`````92} ^{235} ` rm U]과 [eqn: ` _{`````92} ^{238} ` rm U]이다. ․[eqn: ` _{`````92} ^{235} ` rm U]이 느린 중성자를 흡수하여 핵분열을 한다. ․[eqn: ` _{`````92} ^{238} ` rm U]이 중수소를 흡수하거나 빠른 중성자를 흡수하면 플루토늄으로 변한다.

위 기사와 자료를 근거로 철수가 원자로에서 일어나는 핵반응에 대해 설명한 것으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. [eqn: ` _{36} ^{85} ` rm Kr]과 [eqn: ` _{`````56} ^{148} ` rm Ba]의 질량의 합은 [eqn: ` _{```92} ^{235} ` rm U]의 질량보다 크다. ㄴ. [eqn: ` _{```92} ^{238} ` rm U]이 중성자를 흡수하여 베타(β) 붕괴를 두 번 하면 플루토늄이 생성된다. ㄷ. 경수로 방식의 핵발전 과정에서 플루토늄이 생 성될 가능성이 높다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

10 그림은 우라늄이 [eqn: ` ^238 rm U]→A→B→C→D→[eqn: ` ^226 rm Ra]으로 붕괴하는 과정에서 각 원소의 양성자수와 중성자수를 나타낸 것이다.

그래프에서 [eqn: alpha]붕괴와 [eqn: beta]붕괴가 각각 몇 회 일어났는지 쓰시오.

11 다음 (가)와 (나)는 He 원자핵을 생성하며 에너지를 방출하는 두 가지 핵반응식이다. X는 어떤 원자핵이며, Y는 어떤 핵자이다. 표는 원자 번호와 질량수에 따른 원자핵의 질량을 나타낸 것이다.

(가) 2

X

→ [eqn: rm {} _{2} ^{4} He]

(나)

X

+ [eqn: rm {} _{1} ^{3} H rarrow][eqn: rm {} _{2} ^{4} He] +

Y

원자 번호	질량수	원자핵의 질량
1	1	[eqn: M_1]
	2	[eqn: M _{2}]
	3	[eqn: M _{3}]
2	3	[eqn: M _{4}]
	4	[eqn: M _{5}]

⑴ X의 원자핵과 Y의 핵자를 포함한 (나)의 핵반응식을

완성하시오.

⑵ (가)의 핵반응에서 결손된 질량이 [eqn: 2M _{2} -M _{5}]일 때,

(나)의 핵반응에서 결손된 질량을 구하시오.(단, 중성

자의 원자핵 질량은 [eqn: M _{0}]이다.)

정답과 해설

01 ④   02 ③  03  ㉠ [eqn: rm{}^4 _2 He], ㉡ [eqn: rm{}^1 _0 n] 04 ③  05 ④   06 ④    07 ①    08 ④   09 ②  10 해설 참조

11 (1) [eqn: rmpile{1#1} H``+ pile{3#1} H`` -> ` pile{4#2} He`+ pile{1#0} n] (2) [eqn: M _{1}]+[eqn: M _{3}]-([eqn: M _{4}]+[eqn: M _{0}])

01

ㄱ. A는 태양 일어나는 핵융합 반응, B는 원자력 발전소에서 일어나는 핵분열 반응이다.

ㄷ. B에서의 질량 결손은 [eqn: E``= DELTA mc ^{2}]에 의한 것이므로 특수 상대론의 질량·에너지 동등성으로 설명 가능하다.

ㄴ. (가) 중성자로 udd쿼크의 조합으로 이루어져 있다. 따라서 표준 모형에서 기본 입자에 속하지 않는다.

오답 체크

양성자와 중성자를 핵자라고 부르며, 쿼크와 렙톤을 기본 입자라고 부른다.

02

가압 경수로에서는 [eqn: rm{}^235 _92 U] 3% 이상으로 농축시킨 우라늄을 핵연료로 사용한다. 자연 상태의 우라늄 속에는 [eqn: rm{}^238 _92 U]의 비율이 99% 이상이다.

03

중소수와 삼중수소가 결합하여 헬륨 원자핵이 만들어진다.

㉠은 [eqn: rm{}^4 _2 He]이고 ㉡은 중성자이다. ㉠과 ㉡의 순서는 바뀌어도 된다.

04

ㄱ. (가)는 핵분열에 사용되는 느린 중성자([eqn: rm{}^1 _ 0 n])이다.

ㄴ. 우라늄([eqn: rm _{92} ^{235} rmU])에서 아래첨자 92는 원자번호, 즉 양성자의 수를 나타내고, 위첨자 235는 질량수, 즉 ‘양성자+중성자수’를 나나낸다. 따라서 우라늄([eqn: rm _{92} ^{235} rmU])에서 중성자수는 235-92=143이다.

ㄷ. (나)는 중성자의 수를 조절해 핵분열 속도를 제어하는 제어봉이다. 감속재는 중성자의 속도를 줄이는 것으로 경수 또는 중수가 사용된다.

오답 체크

05

ㄱ. 중수로는 감속재와 냉각재로 중수를 사용한다. (가)는 냉각재이다.

ㄷ. [eqn: `_{````92}^235 rmU]원자핵은 빠른 중성자보다는 느린 중성자를 흡수할 확률이 더 크다. 그래서 감속재를 사용하여 중성자의 속도를 늦춰 준다.

ㄴ. (다)는 양성자수가 92-37=55, 질량수가 236-99=137인 [eqn: rmpile{137#55} Cs]으로 이 물질을 구성하는 (나)의 수, 즉 중성자의 수는 137-55=82 이다.

오답 체크

06

ㄴ. (나)는 고속의 중성자이다. 감속재는 중성자의 속력을 느리게 하고 제어봉은 중성자를 흡수한다. 즉, 핵분열의 효율을 높여 주는 것은 감속재이고, 핵분열의 속도를 줄여주는 것은 제어봉이다.

ㄷ. 핵분열 반응과 핵융합 반응은 [eqn: E``= DELTA mc ^{2}]에 의해 에너지를 방출한다. 이때 [eqn: DELTA m]은 질량 결손을 가리킨다.

ㄱ. 반응 전의 질량수=반응 후의 질량수

오답 체크

⇒ 1+235=92+3+(가)의 질량수 ⇒ (가)의 질량수=141

반응 전의 양성자수=반응 후의 양성자수

⇒ 0+92=36+0+(가)의 양성자수 ⇒ (가)의 양성자수=56

07

ㄱ. [eqn: `_{````92} ^235 rm U]을 사용하는 중수로 방식의 핵발전소에서는 5%로 농축시킨 [eqn: `_{````92} ^235 rm U]을 사용하다.

ㄴ. [eqn: `_{````92} ^235 rm U]은 느린 중성자와 반응해 핵분열 하므로 중성자 속력을 빠르게 할수록 위 핵반응은 잘 일어나지 않는다.

오답 체크

ㄷ. 핵분열 후 질량 결손이 발생하므로 핵연료봉의 질량은 핵분열 생성물로 인해 발전 후가 발전 전보다 작다.

08

ㄴ. 그래프에서 A=[eqn: rm _{1} ^{2} rm H], B=[eqn: rm _{1} ^{3} rmH```], C=[eqn: rm _{2} ^{4} rmHe`]이다. 헬륨 원자핵을 [eqn: alpha]입자라고도 부른다.

ㄷ. 중수소와 삼중수소는 동위원소 관계이다.

ㄱ. 핵반응 전후에 전하량과 질량수가 보존되므로 핵반응식은 『[eqn: rm _{1} ^{2} rm H+ _{1} ^{3} H``` -> `` _{2} ^{4} He+ _{0} ^{1} n+]에너지』이고, (가)는 중성자([eqn: rm{}^1 _ 0 n])이다. 따라서 C의 질량수는 (가)의 4배이다.

오답 체크

09

ㄴ. 우라늄238이 빠른 중성자를 흡수하면 다음의 반응식을 통해 플루토늄239가 생성될 수 있다.

ㄱ. 핵분열 과정에서 발생하는 열에너지는 질량 결손에 따른 것이므로 생성 물질의 질량 합은 우라늄의 질량보다 작아야 한다.

오답 체크

ㄷ. 우라늄238이 중수소([eqn: ` _{`1} ^{2} ` rm H])를 흡수하면 다음의 반응식을 통해 플루토늄238이 생성될 수 있다.

경수로 방식의 원자로에서는 물을 감속재로 쓰고 중수로 방식의 원자로에서는 중수를 감속재로 쓰므로 중수로 방식의 핵발전 과정에서 플루토늄이 생성될 가능성이 높다.

10

정답 키워드

핵붕괴

모범답안_ 그래프에서 α붕괴에 해당하는 것은 총 3회([eqn: ` ^238 rm U]→A, C→D, D→[eqn: ` ^226 rm Ra])이다.

그래프에서 β붕괴에 해당하는 것은 총 2회(A→B, B→C)이다.

해설_

α붕괴는 핵변환 시 α입자([eqn: rm{4} over {2} He] 원자핵)를 방출되는 것으로, 이 과정에서 중성자수(2개)와 양성자수(2개)가 각각 감소한다.

β붕괴는 핵변환 시 중성자가 양성자로 변화면서 β입자( [eqn: pile{0#-1} e])가 방출되는 것으로, 이 과정에서 양성자수 1개가 증가하고 중성자 1개가 감소한다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	[eqn: alpha]붕괴의 횟수, [eqn: beta]붕괴의 횟수를 모두 맞힌 경우	100
B	둘 중 한 가지만 맞힌 경우	50

11

정답 키워드

핵반응식

모범답안_ (1) [eqn: rmpile{1#1} H``+ pile{3#1} H`` -> ` pile{4#2} He`+ pile{1#0} n] (2) [eqn: M _{1}]+[eqn: M _{3}]-([eqn: M _{4}]+[eqn: M _{0}])

해설_ (1) (가)의 핵반응식은 [eqn: rm2 pile{2#1} H`` -> ` pile{4#2} He]이고  (나)의 핵 반응식은 [eqn: rmpile{1#1} H``+ pile{3#1} H`` -> ` pile{4#2} He`+ pile{1#0} n]이다.

(2) 표에서 [eqn: rmpile{1#1} H] 원자핵의 질량은 [eqn: M _{1}]이고, [eqn: rmpile{2#1} H] 원자핵의 질량은 [eqn: M _{2}]이다. (나)의 핵반응식과 표의 질량을 비교해 보면 (나)의 질량 결손은 [eqn: M _{2}]+[eqn: M _{3}]-([eqn: M _{5}]+[eqn: M _{0}])이다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	⑴과 ⑵를 둘 다 정확하게 맞힌 경우	100
B	둘 중 한 가지만 정확한 경우	50