[원자력기사 기출 풀이] 2022년 원자력기초 6 ~ 10번

 

 

6. 중성자 감속재 특성에 대한 설명으로 올바르지 않은 것은?
   ① 감속능보다 감속비가 높은 물질이 선호된다.
   ② 흡수단면적이 작은 물질이 선호된다.
   ③ 대수적 에너지 감쇠율은 감속능이 클수록 1에 가까운 값을 갖는다.
   ④ 충돌 당 에너지 감소량은 중수소가 수소보다 크다.

 

감속능 $SDP = \xi \Sigma_s$

감속비 $MR = \xi \Sigma_s / \Sigma_a$

감속비는 감속능에 중성자 흡수를 고려해준 것.

 

1번 : 감속능이 좋아도 흡수단면적이 크면 그 물질은 감속재로서 역할을 할 수 없습니다. 감속비가 더 중요합니다.

2번 : 흡수가 적을수록 감속비가 커지고 좋은 감속재입니다.

3번 : 가장 감속능이 큰 매질은 수소입니다. 수소와 중성자의 질량이 제일 비슷하기 때문입니다. 위 표를 보시면 수소의 대수에너지 감쇠($\xi$)는 1입니다.

4번 : 충돌당 에너지감소량은 $\xi$ 값을 비교해보면 되는데, 보시다시피 중수소가 더 작습니다.

 

정답 : 4번

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7. 정상상태에 있는 열출력 3,000 MW 원자로에 부(-)반응도가 삽입되어 40초 후 열출력이 300 MW로 떨어졌다면, 2분 후의 원자로 열출력은 대략 얼마인가?
   ① 1MW ② 2MW   ③ 3MW ④ 4MW

 

원자로의 주기가 T이면 t에서의 출력 P(t)는,

$$P(t) = P(0)*e^{-t/T}$$

 

40초 후 출력이 1/10이 되었으므로, 주기 T는 약 17.37 초입니다.

2분 후 출력은

$P(120sec) = 3000 * e^{-120/17.37} = 3 MW$ 

 

정답 : 3번

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8. 다음 중 가압경수로 (Pressurized Water Reactor, PWR)에서 반응도가 낮아질 수 있는 경우에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
   ① 핵연료 온도 감소     ② 냉각재 온도 증가     ③ Xe-135 생성    ④ 제어봉 삽입

 

PWR은 핵연료온도계수가 부(-), 냉각재 온도계수가 부(-) 로 설계됩니다.

  - 핵연료 온도계수 : 핵연료 단위온도 증가당 반응도 변화

  - 냉각재 온도계수 : 냉각재 단위온도 증가당 반응도 변화

 

1번 : 핵연료 온도가 감소하면 반응도는 증가합니다.

2번 : 냉각재 온도가 증가하면 반응도는 낮아집니다.

3번 : Xe-135는 중성자를 많이 흡수하는 독물질이다. 증배계수 인자 중 중성자이용률(f) 가 감소하므로 반응도는 감소합니다.

4번 : 제어봉이 삽입되면 중성자 흡수가 많아지므로 반응도는 감소합니다.

 

 

정답 : 1번

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9. 다음 중 Buckling, $B^2$에 대한 설명으로 올바르지 않은 것은? (단, $B_g$는 기하학적 버클링, $B_m$는 물질버클링을 의미한다.)
   ① $B_g$은 중성자 누설과 관련이 있다.
   ② 높이가 무한인 실린더형 노심에서 $B_g$는 반지름의 제곱에 비례한다.
   ③ $B_m$은 무한한 공간 내에서 중성자의 생성/소멸과 관련있다.
   ④ 초임계 상태에서는 $B_g$가 $B_m$보다 크다.

 

중성자 확산방정식을 쭉 전개하다보면 기하학적 버클링과 물질버클링의 관계를 구할 수 있습니다.

 

기하학적 버클링은 중성자속의 곡률(구배)를 의미합니다.

원자로 중심에서는 중성자속이 높을 것이고, 원자로 가장자리 끝에서는 중성자속이 0일 것입니다.

이렇게 중성자속은 구부러져 있는데 중성자속이 얼마나 가파르게 구부러져있느냐가 기하학적 버클링($B_g$)입니다.

예를들어 무한 평판 원자로에서 중성자속은 무한히 일정하므로 중성자속은 휘어지지 않을 것이고, 기하학적 버클링은 0입니다.

기하학적 버클링이 클수록 원자로 밖으로 누설되는 중성자는 많아집니다.

$k_{eff} = \frac{생성}{누설 + 흡수}$

이므로 $B_g$가 클수록, 누설이 많아지고 미임계가 됩니다.

$B_g$가 어떤 값보다 크면 미임계이고, 어떤 값보다 작으면 초임계일 것입니다.. 그 어떤 값을 물질버클링($B_m$) 이라고 합니다.

$$B_m = \frac{\nu\Sigma_f-\Sigma_a}{D}$$

물질버클링은 재료의 핵적특성에 의해 결정되어 그런 이름이 붙었습니다.

 

즉, 임계상태에서는 $B_g = B_m$

$B_g > B_m$ 이면 누설이 더 많아 미임계.

$B_g < B_m$ 이면 누설이 적어 초임계입니다.

 

2번 : 반지름이 크면 중성자속은 더 평평해질 것이므로, 중성자속의 곡률은 작아질 것이입니다. 그럼 $B_g$ 는 작아질 것입니다.

 

정답 : 4번

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10. 다음 중 고속로 또는 고속증식로 (FBR)와 관련된 설명으로 올바르지 않은 것은?
    ① 핵분열성 물질이 소모되는 것보다 더 많은 핵분열성 물질이 소모된다.
    ② 전환율이 0보다 큰 원자로를 증식로라고 부른다.
    ③ 냉각재로 Na과 같은 액체금속 및 He과 같은 Gas가 사용될 수 있다.
    ④ Np, Am과 같은 장반감기 TRU 원소를 소각하는 데 사용할 수 있다.

 

원자로에서는 핵분열성물질이 핵분열하면서 사라지기도 하지만, 핵원료물질이 중성자를 흡수하여 핵분열성물질로 새로 탄생하기도 합니다. 이렇게 전환되는 정도를 나타낸 것이 전환비( CR, Conversion ratio) 입니다.

 

$$CR = 새로 만들어진 핵분열성물질 수 / 소모된 핵분열성 물질 수$$

 

즉 N개의 핵분열성물질이 소모되면, 다음에 CR * N개의 핵분열성물질이 남아 있는 것입니다.

 

이 CR 값이 1보다 큰 것을 증식로라고 합니다.

경수로의 경우 CR 값은 0.5

중수로는 0.8 ~ 1

고온가스로는 0.6 ~ 0.8

고속증식로는 1.2 ~ 1.3 정도입니다.

 

2번 : 전환율이 1보다 큰 것이 증식로입니다.

 

나머지는 맞는 설명입니다.

 

정답 : 2