[원자력기사 기출풀이] 2018년 원자력기초 11 ~ 15번

 

 

11. 우라늄(235U)-중성자 핵반응에서 1MW-day의 열에너지를 얻기 위하여 필요한 U-235의 양(g)은?
(단, 우라늄(U-235) 원자 한 개가 핵분열을 할 때 발생하는 열에너지는 190 MeV이며, U-235의 원자량은 235로 가정한다.)
    ① 0.1 g    ② 1.1 g     ③ 2.1 g    ④ 3.1 g

 

 

1MW-day 는 1MW로 1일 동안 운전될 때 생성되는 에너지 양이다.

 

1W = 1 J/s 이므로,

 

1MW-day = 1e6 J/s * 86400 s = 8.46e10 J = 5.28e23 MeV

 

1개가 분열하면 190 MeV를 내므로, 2.78e21 개의 우라늄이 분열해야 한다.

 

우라늄 0.602e24 개의 질량이 235 g 이므로

우라늄 2.78e21 개의 질량은 1.08 g 이다.

 

정답 : 2

 

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12. 액체금속냉각로(Liquid Metal Cooled Reactor)에 대한 설명으로 틀린 것은?
    ① 액체금속냉각로는 냉각재의 최고 온도가 경수로나 중수로에 비해 낮다
    ② 액체금속냉각로는 열전달 성능이 우수하면서도 중성자 감속을 잘 시키지 않는 액체금속이 냉각재로 적합하다
    ③ 액체금속냉각로는 열효율이 경수로나 중수로에 비해 높다
    ④ 액체금속냉각로는 냉각재 압력이 경수로나 중수로에 비해 낮다.

 

액체금속냉각로는 액체금속(소듐, 납 등)을 냉각재로 사용한다.

금속이 액체가 되기위해서는 온도가 높아야하므로, 경수로나 중수로에 비해 운전 시 냉각재 온도는 더 높다.

또 냉각재가 비등하지 않도록 해야하는데, 경수나 중수는 비등점이 액체금속보다 낮다. 즉, 냉각재 최고온도도 액체금속로가 더 높다.

 

액체금속냉각로는 고속로이다. 즉 속중성자를 사용해야하므로 감속시키지 않도록 해야한다. 

 

소듐이나 납 같은 액체금속냉각로 냉각재의 열전달은 물에 비해 더 크다.

 

경수로나 중수로에서 압력이 높아야하는 이유가 냉각재의 비등을 방지하기 위해 비등점을 높여주려고이다.

액체금속은 상압에서도 비등점이 높으므로 가압을 할 필요가 없다. 즉, 압력이 낮다.

 

 

 

정답 : 1

 

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13. 물을 감속재 겸 반사체로 사용하는 구형(Spherical Shape) U-235 균질로의 임계 노심 반지름은 얼마인가?
 (단, 물의 밀도는 $1 g/cm^3$이며 이주면적(Migration Area) ${M_T}^2=30.8 cm^2$, 버클링(Buckling) $B^2 = 2.8*10^{-3} cm^2)$
    ① 53.1 cm    ② 59.4 cm   ③ 61.3 cm    ④ 1.07 m

 

반사체가 없는 경우,

물질버클링과 기하학적 버클링이 같은 경우 임계이다.

 

구형원자로의 기하학적 버클링은

$$(B_g)^2 = (\frac{\pi}{r})^2 = 2.8*10^{-3}$$

 

따라서 임계반지름은 59.4 cm

 

반사체가 있는 경우, 임계반지름은 더 줄어든다. 줄어드는 정도를 반사체이득이라고 하며, 다음 실험식으로 알 수 있다.

 

반사체 이득 $ \delta $

 

$$\delta = 7.2 + 0.1({M_T}^2-40) cm $$

 

문제의 경우 반사체 이득은 6.28 cm 이고,

이만큼의 반지름이 줄어들어

임계반지름은 53.1 cm 이다.

 

위 공식을 몰라도, 반사체를 쓰면 반지름이 더 작아진다는 것을 알면 골라낼 수 있다.

 

정답 : 1

 

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14. 다음 중 원자로에서 중성자의 누설을 줄일 수 있는 방법과 관련이 가장 적은 것은?
    ① 원자로 주위에 반사체(Reflector)를 설치한다
    ② 원자로의 직경과 높이를 크게 설계한다.
    ③ 감속재(Moderator) 온도를 높인 상태에서 원자로를 운전한다.
    ④ 신연료는 노심 안쪽에 장전하고, 연소된 연료는 노심 외곽에 장전한다.

 

반사체를 설치하면, 누설되려던 중성자들이 다시 노심으로 산란되어 들어오므로 누설이 줄어든다.

 

원자로의 크기가 커지면, 밖으로 빠져나가기가 힘들어 누설이 적어진다.

 

새핵연료를 노심 외곽에 장전하면, 발생한 중성자가 더 쉽게 빠져나간다. 반면 중심에 신연료를 장전하면, 누설이 줄어들고 이를 저누설장전모형이라고 한다.

 

감속재의 온도를 높이면 밀도가 줄어들고, 감속이 더 천천히 된다. 빨리 감속되어야 핵연료나 물질에 흡수될텐데, 느리게 감속되면 원자로를 더 잘 빠져나가 누설이 커진다.

 

정답 : 3

 

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15. 가압경수로의 특징에 대한 설명으로 맞지 않은 것은?
    ① 핵연료로 농축우라늄(2 ~ 5 wt%)을 사용한다.
    ② 원자로냉각계통인 1차계통과 증기 및 급수계통인 2차계통이 분리되어 있어 2차계통의 방사능 오염이 상대적으로 적다.
    ③ 원자로 출력이 상승하면 감속재의 중성자 감속 능력은 저하된다.
    ④ 원자로 상부에 여러 개의 안전밸브 및 압력방출밸브(PORV, Power-operated relief valve)가 있어 과압을 방지한다

 

 

1,2,3번은 맞는 설명이다.

 

가압경수로는 농축우라늄을 사용한다. 우리나라 월성에 있는 중수로의 경우, 천연우라늄을 사용한다. 중수의 중성자 흡수가 경수에 비해 훨씬 적기 때문이다.

 

가압경수로는 1차와 2차계통이 분리되어 있다. 일본에는 BWR, 비등형 경수로가 있는데, 이는 1차와 2차계통이 분리되어 있지 않다.

 

원자로 출력이 상승하면 감속재의 온도는 상승하고 밀도는 감소한다. 밀도가 줄어드므로 감속능력은 저하된다.

 

압력방출밸브는 원자로 상부가 아니라 가압기 상부에 달려있어 과압을 방지해준다.

 

 

정답 : 4