[원자력기사 기출풀이] 2017년 핵재료공학 및 핵연료관리 16 ~ 20번

 

 

36. 천연 우라늄을 연료로 하는 임계 원자로에서 전환비(Conversion Rate)가 0.9라고 하면 1 kg의 U-235가 소비될 때 생성되는 Pu-239의 양은?
    ① 0.006kg    ② 0.885kg    ③ 0.915kg    ④ 127.7kg

 

전환, 변환 , conversion : 핵원료성핵종(fertile)이 중성자를 흡수하여 핵분열성 핵종이 되는 것으로

U-238이 중성자를 흡수한 뒤, 두번 베타붕괴하여 Pu-239가 되는 과정이다.

 

전환비 C : 소모되는 핵분열성 원자당 생성되는 핵분열성 원자의 평균 갯수

U-235 1개가 소모될 때마다 0.9개의 Pu-239가 생성된다는 얘기이다.

 

U-235 1kg의 원자갯수는 1/235 * 0.602*10^24 = 2.56*10^21 개이다.

 

Pu-239의 생성량은 여기에 0.9를 곱한 2.306*10^21 개이고, 이것을 질량으로 환산하면 0.915 kg 이다.

 

 

정답 : 3

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37. 중간저장시설과 관련한 다음 설명 중 틀린 것은?
    ① 사용후연료는 붕괴열 및 방사선 피폭의 위험이 있어 소내에만 저장한다.
    ② 소내 중간저장시설의 목적은 사용후연료를 처리 또는 영구처분하기 전에 충분한 냉각기간을 제공하기 위함이다.
    ③ 중간저장시설에서 베타 및 감마선은 충분히 감쇠되고 일부 무거운 핵종들은 재처리시 분리될 수 있는 핵종으로 변하게 된다.
    ④ 소내 중간저장시설에는 신연료가 저장될 수 있다.

 

사용후핵연료를 영구처분하기 전에 임시로 저장하는 것을 중간저장이라고 한다.

 

2,3,4번은 맞다.

 

사용후핵연료는 노심에서 인출 직후 수년동안은 소내에서만 저장되어야 한다.

하지만 한 5년정도가 지나면 소외에도 저장할 수 있다. 우리나라 월성원전에서는 소외저장시설에서 저장하고 있다.

 

정답 : 1

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38. 선행 핵주기에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?
    ① 정련은 우라늄 원광에서 우라늄 정광을 분리해내는 공정이다.
    ② Yellow Cake는 U3O8분말을 의미한다.
    ③ 국제시장에서의 우라늄 거래는 우라늄 원광으로부터 이루어지고 있다.
    ④ 정련공정은 우라늄의 분쇄, 침출, 정제, 화학적 침전, 여과, 건조 등의 단계로 이루어져 있다.

 

정련 : 우라늄원광에서 정광을 분리해냄.

 

정련 과정

1. 원광을 분쇄

2. 침출 : 산이나 알칼리에 용해시켜 침출시킨다.

3. 정제 : 용매추출이나 이온교환법으로 정제함

4. 침전 : NaOH등을 첨가하여 정광을 침전시킨다.

5. 여과 및 건조 : 침전물을 여과하고 건조시킨다.

 

이 정광을 Yellow Cake 라고 하고, $U_3O_8$을 의미한다.

우라늄의 거래는 원광이 아닌 정광으로 이루어진다.

 

 

 

정답 : 3

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39. 가압경수로 냉각재계통에 존재하는 동위원소 N-16에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 냉각재 중에 존재하는 산소원자가 고에너지의 감마선에 조사된 후 생성된다.
    ② N-16은 반감기가 매우 짧아 빨리 붕괴된다.
    ③ N-16은 고에너지의 감마선을 수반하면서 붕괴되므로 냉각재가 흐르는 기기 주위에는 차폐가 필요하다.
    ④ N-16은 방어대책으로서 원자로 출구 측 시료채취관에 붕괴코일(Delay Coil)을 설치하여 작업자를 보호한다.

 

 

$ ^{16}N$ 은 냉각재 중 산소-16이 중성자에 방사화되어서 생긴다.

$$ ^{16}O (n,p)  ^{16}N$$

 

N-16이 중요한 이유는 감마선의 에너지가 6 MeV 이상으로 매우 높기 때문이다.

다행히 반감기가 7초로 매우 짧다. 약간만 지연시켜도 충분히 감쇠시킬 수 있다. 원자로 출구 쪽에 붕괴코일을 설치하면 충분히 붕괴되는 시간을 벌 수 있어 작업자의 피폭을 저감할 수 있다.

 

정답 : 1

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40. 가압경수로에서 펠렛과 피복재 상호작용에 의한 연료 손상을 방지하는 방안으로 적당하지 않은 것은?
    ① 출력상승률 제한
    ② 선출력밀도 제한
    ③ 연료집합체 지지격자 재질강화
    ④ Chamfered Pellet 사용

 

펠렛-피복재 상호작용 : 펠렛이 과도하게 팽윤되어 피복재와 물리적으로 접촉하거나, 기체핵분열생성물 분위기 하에서 응력부식균열이 일어나 피복재가 손상되는 현상. 전자를 물리적 상호작용, 후자를 화학적 상호작용이라고 한다.

 

이에 대한 대책은 다음과 같다.

1. 출력상승률 제한

2. 선출력밀도 제한 - 연료봉 수를 증가시킴

3. 펠렛 모양 개선 ( 가운데가 뚫린 Annular 펠렛, 모서리를 깍은 Chamfering)

아래 그림은 chamfering 된 펠렛이다. 모서리를 깍아 펠렛-피복재 상호작용도 줄이고 펠렛 장입 시 손상도 방지해준다.

 

 

 

중수로에서는 피복재 내부에 흑연을 도포하여 방지하기도 한다.

 

이 현상은 펠렛과 피복재에서 일어나는 현상으로 지지격자와는 무관하다.

 

정답 : 3