석사: 붕괴 사슬의 방사능을 안정적으로 계산하는 방법
방사성 동위원소는 대개 한 번에 안정해지지 않고 여러 세대에 걸쳐 차례로 붕괴합니다. 이런 붕괴 사슬에 놓인 물질의 방사능은 처음 양뿐 아니라 사슬 안의 모든 핵종을 함께 계산해야 얻을 수 있습니다. 사용후핵연료에는 악티늄족처럼 가지가 갈라지는 긴 사슬이 많고 반감기도 수 초에서 수십억 년까지 섞여 있어 시간 간격을 촘촘히 나눠야 하므로, 세대 수와 곡선의 점 수가 늘수록 계산량이 급격히 늘어납니다.
비교 대상은 베이트만 방정식, 행렬지수 함수, 수치적분 같은 전통적인 방법이었습니다. 제안한 스플라인 보간은 핵종 하나의 방사능-시간 곡선에서 제어점 몇 개(곡선의 시작과 끝, 방사능이 가장 커지는 시점)만 값과 기울기를 계산하고 그 사이를 3차식으로 이어 곡선을 채웁니다. 컴퓨터 그래픽에서 매끄러운 곡선을 그리는 방법을 옮겨 온 것으로, 제어점에서만 계산하므로 곡선 전체를 촘촘히 계산할 때 생기는 수치 오류를 피할 수 있습니다. 입력은 한국형 가압경수로의 사용후핵연료 조성으로 만든 악티늄족 17종과 핵분열 생성물 6종이었고, 공개 보고서의 조성을 환산한 가상 핵물질이라 실측값은 아닙니다.
계산은 Python(NumPy, SciPy)으로 했고 핵종 정보를 다루는 Python 패키지를 직접 만들었습니다. 기존 패키지가 Python 2.5까지만 지원하고 Windows 에서 쓸 수 없으며 자료도 오래됐기 때문입니다. 핵구조 평가 자료(ENSDF) 18,547개 카드로 파서를 시험했고, 붕괴 모드 56종은 정규식과 문자열 자르기 두 방식으로 읽은 결과를 서로 대조했습니다. 계산 결과는 값이 유효한지(NaN·음수·초기 총량 초과가 아닌지)를 세어 방법별로 비교했습니다.
학위논문의 결론은 스플라인 방법이 수치 오류를 일으키지 않고, 곡선의 점이 130개 이상이면 전통적인 방법보다 계산 시간이 짧다는 것입니다. 점이 50~110개인 구간에서는 오히려 느렸고, 초기화에 걸리는 시간과 첫 세대 핵종은 전통적인 방법으로 계산한다는 한계도 함께 적었습니다. 핵종마다 제어점을 미리 계산해 자료에 저장해 두면 이 시간을 줄일 수 있다고 제안했습니다.
이 연구는 2016년 2월 한국물리학회에서 국내 노형별 사용후핵연료의 방사능 곡선 계산으로 먼저 발표했고, 2017년 4월 한국물리학회 충북지부 학술회의에서 스플라인 방법을 발표했습니다. 같은 해 8월 학술지 새물리에 제1저자로 논문을 냈고 석사 학위를 받았습니다.
학부: 방사성 시료의 에너지 스펙트럼 측정
학부 졸업논문에서는 CsI(Tl) 섬광검출기로 방사성 시료가 방출하는 입자의 에너지를 재고, 여러 동위원소가 섞인 시료에서 구성 원소를 구분하는 방법을 살폈습니다. 방사선이 결정에 닿을 때 나는 빛을 광전증배관이 전기 신호로 증폭하고, 분광증폭기와 다중채널분석기를 거쳐 신호 크기별로 세어 스펙트럼을 만듭니다.
측정 대상은 세슘-137, 탈륨-204, 스트론튬-90, 폴로늄-210, 코발트-60 다섯 종이었고 계수 시간은 30분이었습니다. 빛이 들어오지 않게 검은 납 상자로 가렸고, 배경 계수는 피크 영역 양끝을 각각 3개 채널 평균으로 잡아 이은 직선 아래 면적을 전체 면적에서 빼는 방식으로 제거했습니다. 감마선은 뾰족한 선으로, 베타선은 에너지가 전자와 중성미자에 나뉘어 넓은 분포로 나타나 피크의 모양이 다릅니다. 스펙트럼에서는 피크 다섯 개를 관찰했습니다.