희귀동위원소 핵반응에 따른 엑스선폭발 광도곡선 변화

박병찬,곽규진,채경육,김아람 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.12

엑스선폭발 (X-ray Bursts)은 중성자별 표면에서 발생하는 열핵반응폭주에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 열핵반응폭주는 중성자별 표면으로 유입되는 물질의 유입율 및 금속함량과 열핵반응폭주에 참여하는 원자핵의 핵반응에 따라 달라진다. 이번 연구에서는 세가지 특정한 반응인 삼중알파, $^{18}\mbox{Ne}(\alpha,p)^{21}\mbox{Na}$, $^{15}\mbox{O}(\alpha,\gamma)^{19}\mbox{Ne}$ 핵반응율에 따라 엑스선폭발의 광도 곡선 모양이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 연구의 결과로 광도 곡선의 형태가 같은 반응의 서로 다른 반응율에 따라 변화하는 것을 확인하였지만 54개 동위원소를 포함한 반응망을 가지고 계산한 광도 곡선 모양은 반응율에 따른 변화를 고려하더라도 여전히 실제 관측된 광도 곡선과 큰 차이를 보였다. 이전 연구에서처럼 광도 곡선의 모양은 열핵반응폭주에 참여하는 원자핵의 갯수에 더 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다. X-ray bursts (XRBs) have been thought to occur via thermonuclear runaway reactions on the surface of a neutron star. The runaway reactions are affected by both the properties of the accreted material, such as the accretion rate and the composition, and the reaction rates of participating nuclei. We investigate how the shape of the XRB light curve changes with specific reaction rates. As a case study, we choose three reaction rates, triple alpha, $^{18}\mbox{Ne}(\alpha,p)^{21}\mbox{Na}$, and $^{15}\mbox{O}(\alpha,\gamma)^{19}\mbox{Ne}$. We find that the shape of the light curve does change with different reaction rates for the same reaction, but the predicted light curves with 54 isotopes do not match the observed ones even when the variations within the different reaction rates are considered. We confirm that the shape of the light curve is more sensitive to the number of isotopes that participate in the runaway reactions.

100 MeV 양성자를 이용한 natW(p,nx)176Re 핵반응의 상대 핵반응단면적 측정에 대한 연구

이삼열(Samyol Lee) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.2

본 연구는 한국원자력연구원에서 보유하고 있는 100 MeV 선형가속기를 사용하여 천연텅스텐과의 핵반응으로 부터 발생시켜 발생되는 감마선을 측정하여 natW(p,nx)176Re 핵반응에 대한 상대핵반응단면적을 도출하였다. 일반적으로 반감기가 짧은 동위원소에 대한 연구는 항상 짧은 시간 내에 방사능의 강도가 급격하게 작아지는 경향을 보이기 때문에 측정자체가 매우 어려운 것이 현실이다. 특히 176Re의 경우는 반감기가 5.3 분으로 상대적으로 매우 짧은 방사성핵종 중의 하나이다. 본 연구에서는 이런 짧은 반감기를 가지는 176Re 동위원소로부터 발생되는 109.08 keV 감마선을 고순도 Ge검출기를 이용하여 측정하였다. 얻어진 상대 측정값들은 1967년에 Richard G.에 의해 발표된 8 ~ 14 MeV 양성자에너지 영역에서의 결과와 이를 기반으로 계산에 의한 핵반응단면적에 대한 평가한 2019년 A. J. Koning의 결과인 TENDL-2019값과 비교분석하였다. 이 연구의 결과는 미래의 에너지원으로 알려져 있는 핵융합로의 설계, 천체 물리학, 핵의학 및 양성자치료 분야에 요긴하게 활용될 것으로 생각된다. This study derives the relative cross-section for the natW(p,nx)176Re nuclear reaction by measuring the gamma rays generated from the nuclear reaction with natural tungsten using a 100 MeV linear accelerator of the Korea Multi-purpose Accelerator Complex in the Korea Atomic Energy Research Institute. In general, research on isotopes with a short half-life always shows a tendency that the intensity of radioactivity decreases rapidly within a short period of time, making it very difficult to measure itself. In particular, 176Re is one of the relatively short radionuclides with a half-life of 5.3 minutes. In this study, 109.08 keV gamma rays generated from the 176Re isotope having such a short half-life were measured using a high-purity Ge detector(HPGe detector). The obtained relative measurements were the results in the 8 to 14 MeV proton energy domain published by Richard G. in 1967, and the TENDL-2019 value, which was the result of A. J. Koning in 2019, which evaluated the nuclear reaction cross-section by calculation based on this comparative analysis was performed. The results of this study are expected to be usefully applied to the design of nuclear fusion reactor which is known as future energy sources, elements ratio for the nuclear synthesis of astrophysics.

중이온가속기 KoRIA와 천체핵물리학

문창범,한인식,권영관,문준영,이주한,천명기,김용균,박세환,이영욱,하장호,정순찬 한국물리학회 2010 새물리 Vol.60 No.8

We discuss topics of thermonuclear reactions for unstable nuclei in nuclear astrophysics at KoRIA (Korea Rare Isotopes Accelerator) facility, which will be built in the near future. Various experimental methods with rare isotope beams (RIB) have been proposed for understanding the formation of the elements following fusion reactions and neutron captures inside and on the surfaces of stars: hydrogen-helium burning processes CNO cycle and chains rapid proton capture reactions (rp-process) slow neutron capture reactions (s-process) and rapid neutron capture reactions (rprocess). We give special emphasis to obtaining reaction rates for the reactions that create and destroy long-lived nuclei, such as 22Na, 26Al and 44Ti, that are targets for γ-ray line astronomy. We also focus on the r-process by which neutron-rich nuclei with neutron magic numbers of 82 and 126 are synthesized. Our proposal will lead the way to solving key issues in astrophysics: the structure and evolution of stars (neutron stars, pulsars, and black holes) the generation of energy in stars and the synthesis of the elements in stars the structure and formation of the solar system and our galaxy. The KoRIA facility is anticipated to play a leading role in developing and promoting nuclear astrophysics research around the world. 한국에서 계획 중인 중이온가속기시설 KoRIA(Korea Rare Isotope Accelerator)의 활용 분야 중 천체핵물리학과 관련된 연구 주제들을 논하였다. 우리는 여기서 우주에서 관측되는 감마선의 생성, 폭발성 천체들에서 일어나는 수소-헬륨 태움반응과 이에 따른 C·N·O 순환, 철 이상의 양성자 과잉 핵종 합성에 관여되는 빠른 양성자 포획과정(rp-process) 등에 대한 다양한 핵반응 실험들을 제안하였다. 또한 느린중성자포획 과정(s-process)과 빠른중성자포획과정(r-process)에 의한 원소합성에 관여되는 중성자 과잉핵종들의 핵반응들에 관한 연구주제들을 논하였다. 특히 중성자 마법수 N = 82, N = 126을 갖는 초 중성자과잉 핵종들을 중요 연구주제로 삼았다. 여기에서 제안된 연구과제들은 새로운 동위원소들의 발견으로 이어지는 것은 물론 새로운 초중핵의 합성 연구에 필수적인 길잡이로 안내할 것으로 믿는다. KoRIA를 이용한 이러한 천체물리학적 연구들은 별들의 생성과 진화과정, 에너지 원천, 은하 생성과 구조의 규명 연구에 세계적인 성과를 올릴 수 있을 것으로 기대된다.

중이온가속기와 핵데이터

이영욱,길충섭,김도헌,김형일,문명환,송태영,양성철,이종화,조영식,박태선,홍승우,김재천 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.12

Nuclear data, as bridges between nuclear physics and its applications, serve as a basis for the research and development efforts regarding nuclear energy and radiation applications. Nuclear data production requires measured data and theoretical nuclear reaction models, but still available measured data are not sufficient. Fast reactor systems maximizing the utilization of fast neutrons have been proposed worldwide as candidates for future sustainable nuclear energy systems that can solve the problem of spent nuclear fuels and provide enhanced deterministic safety. Accelerator-driven systems (ADSs), which can be used to transmute long-lived radioisotopes to shorter-lived ones, also require the fast neutron data. The RAON heavy-ion accelerator complex plans to provide the first primary beam into the Neutron Science Facility (NSF) in late 2021, producing fast neutrons covering the energy range from 1 to 100 MeV with a high intensity, as well as a mono-energetic, neutron source. 핵물리와 그 응용분야의 가교 역할을 담당하고 있는 핵데이터는 원자력 및 방사선응용 연구 및 개발의 기반이 되는 중요한 데이터이다. 핵데이터 생산을 위해서는 이론적인 핵반응모사모형뿐만 아니라 실제 측정값도 필요하지만, 제반 여건의 미비로 인해 충분한 측정값이 확보되지 않은 상황이다. 현재 높은 에너지의 고속 중성자를 활용하는 고속로가 지속 가능하고 사용후핵연료 문제를 해결할 수 있는 차세대원자로로 급부상하고 있다. 또한 핵연료의 반감기를 획기적으로 감소시킬 수 있는 가속기구동시스템 (ADS)의 수요도 증가하고 있는데, 이러한 시설들을 구축하고 운영하기 위해서는 고속중성자에 대한 정밀한 핵데이터가 필수적이다. 현재 2021년 완공을 목표로 추진 중인 중이온가속기는 최대 100 MeV 에 이르는 고속중성자 빔을 공급하는 중성자 과학시설을 구축함으로써 다양한 분야에서 필요로 하는 고속중성자 실험 기반을 제공할 예정이다.

⁹Be 입사핵의 직접반응에 대한 분리 반응의 영향

김경식,소운영 한국물리학회 2012 새물리 Vol.62 No.4

We investigate the effect of the breakup reaction, especially a α-α coincident measurement reaction, on the direct reaction (DR) for ^9Be. In order to study this effect, we introduce the semi-experimental ratio factors,R^(semi-exp). The values of R^(semi-exp) above the barrier region are gradually suppressed because the α particles above the Coulomb barrier-energy are able to fuse easily to the target. Below the Coulomb barrier-energy, however, we can see that a large portion of the DR cross section comes from the α-α coincident measurement cross section because the semi-experimental ratio factor is 0.8 or larger. 우리는 ^9Be 입사핵의 직접반응 (Direct Reaction; DR)에 대한분리반응 (breakup reaction) 특히, 알파-알파 동시 측정 (alpha-alpha coincident measurement)반응의 영향에 대해 살펴보았다. 이 효과를살피기 위해, 우리는 준실험적 비례인자, R^(semi-exp),를도입하였다. 그 결과 쿨롱 장벽 에너지를 기준으로 장벽보다 큰에너지영역으로 갈수록 준실험적 비례인자가 서서히 감소하는 것을 볼 수있었다. 하지만, 쿨롱 장벽 에너지보다 낮은 영역에서는 여전히알파-알파 동시 측정 반응의 준실험적 비례인자가 0.8 이상이므로 직접반응에 있어 알파-알파 동시 측정 반응의 기여가 상당 부분 차지하고있음을 볼 수 있다.

Conceptual Geochemical Modeling of Long-term Hyperalkaline Groundwater and Rock Interaction

Byoung Young Choi,Si Won Yoo,Kwang Soo Chang,Geon Young Kim,Yong Kwon Koh,Jong Won Choi 한국방사성폐기물학회 2007 방사성폐기물학회지 Vol.5 No.4

본 연구에서는 핵폐기물 매립장의 인공 방벽으로 사용되는 시멘트 물질들과 주변 지하수 반응 결과로 형성되는 강알칼리성 지하수와 주변 암과의 반응을 통해 변화되는 지하수 특성을 지구화학 모델링을 통해 예측하고자 하였다. 연구 결과 시멘트 수화반응을 통해서 pH는 13.3를 나타내었으며 이때 생성되는 광물들은 Brucite, Katoite, Calcium Silicate Hydrate(CSH 1.1), Ettringite, Hematitie, Portlandite였다. 이들 광물들과 경주 지역에서 채취된 지하수의 반응 모델링에서는 지하수의 pH가 12.4로 예측되었다. 이러한 강알칼리성 지하수와 주변 화강암과의 반응은 년 동안 반응속도 모델링을 통해 모사하였다. 그 결과 지하수의 최종 pH는 11.2였으며 pH는 규산염 광물과 CSH 광물들의 용해 침전에 의해 조절되고 있었다. 또한 지하수 수질도 이들 광물들과 점토광물 및 산화광물들의 용해 침전에 의해 결정되고 있었다. 본 연구 결과는 장기간 동안의 강알칼리성 지하수와 주변 암과의 반응 모델링을 통해 지구화학 및 수질 변화를 예측함으로서 인공 방벽의 안정성 평가에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. Hyperalkaline groundwater formed by groundwater-cement components and its reaction with bedrock in a nuclear waste repository were simulated by geochemical modeling. The result of groundwater-cement components reaction showed that the pH of water was 13.3 and the precipitated minerals were Brucite, Katoite, Calcium Silicate Hydrate(CSH1.1), Ettringite, Hematite, and Portlandite. The result of interaction between such minerals and groundwater sampled in Gyeongju area also showed that the pH of groundwater reached 12.4. Interaction between such hyperalkaline groundwater and granite was simulated by kinetic model during years. This result showed that the final pH of groundwater reached 11.2 and the variation of pH was controlled by dissolution/precipitation of silicate and CSH minerals. Groundwater quality was also determined by dissolution/precipitation of silicate, CSH, oxide minerals. Our results show that geochemical modeling of long-term hyperalkaline groundwater and rock interaction can contribute to the safety assessment of engineered barrier by predicting geochemical condition in repository site.

저에너지 중핵반응에 대한 결합채널 및 광학모델 방법의 소개

소운영,김태형,김경식,최기석,천명기 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.12

We describe theoretical backgrounds for the coupled channel and the optical model approaches for explaining low-energy heavy-ion reactions. In order to explain the physics behind the reactions, first, we extract the total fusion cross-sections for the $^{9}$Be + $^{208}$Pb system by using the coupled channel method in which both projectile and target excitations can be included. Also, for a more intuitive understanding, we introduce the optical model method and apply it to the elastic scattering for the ${}^{11}$Be+${}^{64}$Zn system when ${}^{11}$Be nuclei are weakly-bound neutron-rich nuclei. The Coulomb dipole excitation and the long-range nuclear potentials turn out to be effective for describing the heavy-ion reactions for neutron-rich nuclei. Finally, we introduce a nuclear reaction experiment that can be performed using the RAON accelerator. 저에너지 중핵반응을 설명하기 위한 결합채널 및 광학모델 방법에 대한 이론적 배경과 관련데이터를 설명하였다. 구체적인 계산 방법을 설명하기 위해, 우선, 결합채널 방법을 이용하여 $^{9}$Be + $^{208}$Pb계의 총 핵융합 단면적 $\sigma_{TF}$을 계산하였다. 또한, 느슨하게 묶인 중성자 과잉 핵종인 ${}^{11}$Be을 이용하여 광학모델 방법으로부터 ${}^{11}$Be+${}^{64}$Zn계의 탄성산란 단면적을 잘 설명하였다. 이 결과로부터 우리는 중성자 과잉 핵종의 중핵반응을 설명하기 위해서는 쿨롱 쌍극자 들뜸 및 원거리 핵퍼텐셜을 고려해야함을 알 수 있었다.

희귀동위원소빔을 이용한 전달핵반응 측정 다중 검출기 체계 연구

문창범 한국물리학회 2010 새물리 Vol.60 No.9

We present the design of a multi-detector system for measuring nuclear transfer reactions on unstable nuclei in inverse kinematics, along with a survey on nuclear physics programs with rare isotope beams, and we address a variety of questions in nuclear structure and nuclear astrophysics. The system aims at measuring angular differential cross sections by identifying recoiled particles with ΔE − E telescopes consisting of Si detectors with double-sided stripes, Si detectors, and plastic scintillator counters. We give some results of Monte Carlo simulations, which illustrate the possibility of using our detector system to study the p(11Li,t)9Li reaction at Elab = 50 MeV/nucleon. 우리는 불안정핵종을 사용한 핵구조 및 천체핵물리학의 최근 연구 동향을 논의하면서 이러한 연구를 위한 역동력학 체계에 따른 전달핵반응에 적합한 다중검출 체계 설계를 소개하였다. 검출 체계는 줄무늬형실리콘 검출기, 실리콘 검출기 및 플라스틱 검출기 등으로 구성되었고 전달핵반응으로부터 나오는 입자들의 ΔE − E 판별과 함께 각분포 측정이 가능하도록 설계되었다. 우리는 핵자당 빔 에너지 50 MeV에서의 p(11Li,t)9Li 반응을 선택하여 이러한 검출기 체계에서의 실험 가능성을 몬테-칼로 시늉내기를 통하여 확인하였다.

양성자 에너지 변화에 따른 핵반응 생성핵종 분석

이삼열 한국방사선학회 2019 한국방사선학회 논문지 Vol.13 No.5

본 연구에서 서로 다른 양성자 에너지를 사용하여 핵반응에 의해 생성된 감마선의 차이를 통해 고에너지 양성자 Pb(p, nx) 핵반응에서 생성된 동위원소를 식별하는 방법을 제안했다. 한국원자력연구원의 100-MeV 양성자 선형 가속기에서 생성된 고 에너지 양성자를 이용하여 실험을 수행 하였다. 양성자 핵반응을 통해 생성된 다양한 핵종에 의해 생성된 감마선은 HPGe 검출기로 구성된 감마선 분광법 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 감마선 표준선원은 감마선 검출기의 정확한 에너지교정 및 효율측정을 위해 사용되었습니다. 제안한 방법을 위하여 동일한 천연 납 시료에 서로 다른 100 및 60 MeV 양성자 에너지빔을 사용하였다. 이 방법은 동일한 시료에서 발생되는 감마선들을 서로 비교함으로써 생성된 핵종들을 확인하는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 이 연구의 결과는 향후 다른 양성자 핵반응 결과를 얻는데도 매우 효과적으로 적용될 것이라 생각된다. In this study, we proposed a method for identifying isotopes generated from high-energy proton natPb(p,xn) nuclear reactions through the difference of gamma rays generated through nuclear reactions using different proton energies. The experiment was performed by using a high energy proton generated from a 100 MeV proton linear accelerator of the Korea Atomic Energy Research Institute. Gamma rays generated by various nuclides generated through proton nuclear reactions were measured using a gamma-ray spectroscopy system composed of HPGe detectors. Gamma-ray standard sources were used for accurate energy calibration and efficiency measurements of HPGe gamma-ray detectors. For the proposed method, 100 and 60 MeV proton energy beams were used for the same natural lead samples. This method was found to be very effective in identifying nuclides produced by comparing gamma rays generated from the same sample with each other. The results of this study are expected to be very effective in obtaining other proton nuclear reaction results in the future.

In-flight 법을 이용한 26Si 방사성 핵종빔 생성에 관한 연구

권영관,정효순,윤종철,문준영,이춘식 한국물리학회 2010 새물리 Vol.60 No.4

High-purity and high-intensity radioactive ion (RI) beams are definitely needed for investigating nuclear reactions in explosive nuclear synthetic processes under various stellar environments, such as nova explosions and X-ray bursts. We investigated the production of a 26Si radioactive ion beam for studying the astrophysically-important nuclear reaction, 26Si(p)27P. The beam was produced in the CRIB (Center for Nuclear Physics (CNS) Radioactive Ion Beam Separator), which was been designed to the provide low-energy radioactive ion beams of 5-10 MeV/u and to study nuclear physics and nuclear astrophysics and where was installed at study CNS, the Universtiy of Tokyo in RIKEN. To increase the beam quality, we used a cryogenic primary gas target and a Wein filter. Finally, the beam purity and the intensity of the 26Si radioactive ion beams were 0.48% and 2×10⁴ pps, respectively. 고전류 및 고순도의 방사성 핵종빔은 천체핵합성 과정에 수반되는 핵반응 연구에 적합하며, 특히 신성폭발과 엑스선 폭발 (X-ray bursts)와 같은 극한적인 천체환경에서 일어나는 핵반응 연구에 필수적이다. 본 논문은 최근 천체핵물리학적으로 그 중요성이 부각되고 있는 26Si(p)27P 핵반응연구를 위해 방사성 핵종빔인 26Si 빔의 생성에 관한 연구이다. 26Si 방사성 핵종빔은 동경대 부설 핵과학연구소 (Center for Nuclear Study, 이하 CNS)의 in-flight 분리법을 이용한 저에너지 방사성 핵종분리장치인 CRIB (CNS Radio-Isotope Beam separator)을 통하여 생성하였다. 방사성 핵종의 생성율을 높이기 위해 액체질소 온도로 냉각한 극저온 1차 기체 표적 (cryogenic primary gas target)을 사용하였고 또한 빔 순도를 높이기 위해 속도분리장치인 Wien filter를 사용하였다. 그 결과 순도 0.48%, 빔 세기 2 × 10⁴pps의 26Si을 얻었다.