경수로의 피복과은 지르칼로이로 되어 있는데, 지르칼로이는 물과 반응하여 산화되면서 수소를 발생시킨다.
$$Zr + 2H_2O \rightarrow ZrO_2 + 2H_2$$
이 산화층은 일정 두께가 되면 떨어져나가면서 피복관의 두께가 줄어들게 한다.
또 같이 발생한 수소는 Zr과 결합하여 $ZrH_2$ , 지르코늄 수소화물을 생성한다. 이 수소화물은 피복재의 연성을 감소시키고, 취성을 크게하여 파손의 원인이 된다.
즉, Zr의 산화는 피복관은 얇아지게 하고, 수소화를 시켜 취성을 약화시킨다.
1번식 : 변환이나 재변환 과정에서 발생하는 불화수소(HF) 생성 과정이다. HF는 화학적 독성이 강하여 이를 흡입할 경우 장해를 유발할 수 있기 때문에 UF6 취급공정에서는 습도 관리가 중요하다.
2번식 : U-235의 핵분열식으로 피복관 파손기구와는 관련이 없다.
정답 : 4번
27. U-235의 농축도가 0.72%인 천연 우라늄 1 kg의 45억년 전 농축도는? (단, U-238의 반감기는 4.5 e9년이고 U-235의 반감기는 7 e8년이다.) ① 약 4% ② 약 12% ③ 약 31% ④ 약 54%
우라늄은 지구 탄생 시 부터 존재하는 시원방사성핵종이다. 동위원소 반감기를 이용하여 역산해보면, 지구 생성시 농축도를 구할 수 있다.
(아래첨자 5는 U-235를, 8은 U-238을 의미함)
계산해보면 농축도는 약 24 %인데, 답에는 3번 31 %라고 되어있다. 복원이 잘못된 듯??
(지구 생성 당시 U-235의 농축도는 약 24 %가 맞음.)
정답 : 24 %
28. 우라늄 채광 과정에서 우라늄의 화학적 조성으로 올바른 것은? ① UO2 ② UF6 ③ U3O8 ④ UC2
우라늄 광산에서 채광한 우라늄정광은 U3O8 형태이다. 이를 Yellow Cake 라고 부른다.
UO2는 경수로의 경우, 재변환 공정에서 생산물이고, 중수로의 경우 변환공정에서의 생산물이다.
UF6는 경수로 핵연료의 경우, 변환 공정에서의 생산물이다. 농축하기 위해서는 기체상태로 만들어야 하는데, UF6의 기화점이 낮고, 또 자연 중 F의 동위원소는 F-19밖에 없어 UF6의 질량 차이는 U 의 질량차이에만 의존하여 농축에 유리하다.
UC는 탄화물핵연료에 사용된다.
정답 : 3번
29. 경수로의 핵연료봉 내부에 약 3 MPa의 He 기체를 충진하는 이유로 올바른 것은? ① 연료 연소에 따른 고밀화를 보상하기 위해 ② 연료 연소에 따른 팽윤을 보상하기 위해 ③ 핵연료 피복재의 부식에 따른 영향을 최소화하기 위해 ④ 핵분열생성물의 생성을 줄이기 위해
핵연료펠렛과 피복관 사이의 빈공간(gap)을 헬륨으로 채운다.
이는, 연소에 따른 고밀화를 보상하고, 피복관 안과 밖의 압력 차이를 줄여 크립을 줄이고, 헬륨으로 열전달을 하기 위해서이다.
정답 : 1
30. 핵연료 연소에 따라 피복재의 손상 가능성이 증가한다. 이러한 피복재의 손상과 관련이 적은 것은? ① 피복재 소성변형 ② 소결체 Creep ③ 핵분열 생성기체 ④ 소결체 피복재 상호작용
Creep : 항복강도 이하의 응력이 지속적으로 가해졌을 때 재료가 천천히 소성 변형하는 것
피복재의 소성변형 = 피복재의 Creep 을 의미한다.
1번과 2번 : 피복재의 크립에는 두 종류가 있다.
열 Creep : 융점 이하의 온도에서 재료가 받는 하중에 의해 재료의 성질이 변함
조사 Creep : 열 Creep이 무시될 정도로 낮은 온도에서 중성자 조사에 의해 크립이 가속되는 현상.
연소가 어느정도 진행되면, 이 크립에 의해 피복재와 소결체가 서로 접촉하고, 이어 소결체의 팽윤에 의해 PCI가 유발된다.
3번 핵분열생서기체 방출 : Xe, Kr 등 불활성기체가 생기고, 이들이 소결체 경계까지 확산하여 소결체를 이탈하게 된다. 이들은 연료봉의 내압을 증가시키고, 소결체와 피복관 사이의 열전달을 저하시킨다.
4번 : PCI , 소결체 -피복관 상호작용 : 소결체와 피복관이 맞닿아서 손상되는 것을 의미함. 화학적 상호작용 (PCCI), 물리적 상호작용(PCMI) 로 구분됨.
PCCI : 핵분열기체생성물( 아이오딘) 분위기 하에서 피복재에 응력이 가해질 때 항복강도 이하에서도 피복재가 파손됨.
PCMI : 소결체의 과도한 팽윤으로 피복재에 항복강도 이상의 응력이 가해져 피복재가 파손됨.
