[원자력기사 기출 풀이] 2022년 핵재료공학 및 핵연료관리 11 ~ 16번

31. 중수로 핵연료에 대한 설명으로 올바르지 않은 것은?
    ① 천연우라늄 UO2 형태의 세라믹 연료를 사용한다.
    ② 연소도는 7.5 MWD/kg-U 이다.
    ③ Zr Tube 내 소결체를 담은 Bundle로 구성된다.
    ④ 핵연료는 약 1/3 Batch 별로 재장전된다.

 

사견이지만 문제를 좀 더 명확히 출제했으면 좋겠다.

문제에서 중수로라고 했지만, 우리나라 월성 2 ~ 4호기 (1호기는 폐로됨) 에 해당하는 CANDU의 핵연료에 대한 질문으로 보는 것이 더 정확하다. 중수만 쓰면 다 중수로이고, 중수감속재에 농축우라늄을 못쓸 이유도 없기 때문이다. 연소도도 노심설계에 따라 충분히 달라질 수 있고, 피복재를 Zr이 아닌 다른 것을 써도 되기 때문이다.

 

CANDU 핵연료에 대한 설명이라고 보고 문제를 보면,

 

1번 : CANDU는 천연우라늄을 사용한다. 중수의 흡수가 경수보다 낮기 때문에 농축을 하지 않아도 충분히 연쇄반응을 유지할 수 있다.

 

2번 : 중수로의 방출연소도(핵연료가 노심에서 인출되어 사용후핵연료가 될 때까지의 연소도)는 경수로에 비해 낮다. 천연우라늄을 사용하고, 노심에 머무는 기간이 짧기 때문이다.

중수로의 방출연소도 : 약 7,500 MWD/MTU = 7.5 MWD/kg-U.

경수로의 방출연소도는 약 45,000 MWD/MTU

 

3번 : 중수로의 핵연료집합체는 핵연료봉들을 다발로 동그랗게 모아놓은 형태이다.

 

4번 : 중수로 핵연료는 매일매일 일정량 씩 교체된다. 1/3 배치별로 재장전되는 것은 경수로에 대한 설명이다.

경수로는 운전 중 노심에 접근이 불가능하고, 핵연료 재장전은 원자로가 정지시킨 후 할 수 있다. 그래서, 약 1년 반 정도 운전을 한 뒤, 원자로를 멈추고, 전체 핵연료의 1/3을 새 핵연료로 바꾸어준다. 즉 새 핵연료는 4년정도는 노심안에 있게 된다. 재장전을 위해 불가피하게 정지를 하여야 하므로 가동률은 중수로 보다 낮다.

 

중수로는 운전 중 핵연료를 교체할 수 있다. 수평 관에 장전하는 형태이기 때문에 한쪽에서 새 핵연료를 밀어넣으면서 반대쪽에서 사용후핵연료를 빼낸다. 정지하지 않고 계속 운전이 가능하여 이론상으로 가동률이 좋다.

 

- 경수로와 중수로 핵연료의 비교 ( 출처 : 대한민국 정책브리핑)

https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148818831#policyNews

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32. 핵연료 피복재 외부 표면의 CRUD 생성에 미치는 주요 인자와 거리가 먼 것은?
    ① pH    ② Li 농도    ③ 온도    ④ 압력

 

냉각재에 존재하는 Mn, Fe, Cr, Co 등 방사화부식생성물을 크러드라고 한다.

 

크러드는 기기의 미세한 틈새에 침적하여 기기를 손상시키고, 냉각재 중 방사능을 높인다. 피복재에 침적하여 피복재의 열전달을 국부적으로 감소시켜 손상을 야기한다.

크러드는 산성 분위기일수록, 중성자속이 높을수록, 열속이 높을수록, 유량이 약할수록 더 많이 생긴다.

 

결국 부식 생성물이기 때문에 Crud의 생성은 부식생성과 큰 관련이 있다.

Li은 계통의 부식을 야기하므로 크러드 생성에 영향을 미친다.

압력은 크러드와 무관하다.

 

정답 : 4번

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33. 자체처분 대상 폐기물에서 Sr-90과 Cs-137이 검출되었는데, Sr-90의 방사능 농도가 0.6 Bq/g이었다. 이 폐기물을 원자력안전위원회 고시에 따라 자체처분할 수 있는 Cs-137의 방사능 농도 Bq/g은?
단, Sr-90의 자체처분 허용농도는 1 Bq/g이고 Cs-137의 자체처분 허용농도는 0.1 Bq/g이다.)
    ① 0.03    ② 0.06     ③ 0.08    ④ 0.1

 

자체처분 : 자체처분 허용농도 미만임이 입증된 방사성폐기물을 더이상 방사성폐기물로 관리하지 않고 일반폐기물로서 취급하는 것. 즉 규제해제 개념임.

 

혼합선원의 경우, 각 핵종에 대한 분율의 합이 1 이하이면 자체처분이 가능하다.

Cs-137의 농도를 x Bq/g 이라고 하면

 

$$\frac{0.6}{1} + \frac{x}{0.1} \leq 1$$

 

x = 0.4 Bq/g 이하이면 자체처분 가능하다.

 

정답 : 1번

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34. 사용 후 핵연료 중간저장시설에 대한 설계기본요건, 미임계 및 사용 재료 관련 기준으로 올바르지 않은 것은?
    ① 미임계 유지 위해 고정식 중성자 흡수체를 사용할 수 있다.
    ② 필요 시 저장된 사용 후 연료를 안전하게 회수할 수 있어야 한다.
    ③ 가능한 한 능동형 설비를 이용하여 사용 후 연료를 안전하게 저장할 수 있도록 설계해야 한다.
    ④ 가능한 한 불연성 재료를 사용하여야 한다.

 

사용후핵연료는 핵분열 가능성이 있고, 방사능이 높고, 붕괴열이 지속적으로 방출된다.

이를 위해, 미임계 보장, 잔열 제거, 방사선 차폐, 수질 관리, 도난 방지 등의 관리가 필요하다

 

능동형 설비라는 것은, 펌프처럼 전기가 있어야되는 설비를 말하는 것인데, 가능하면 수동형 설비(외부 전원 없이도 작동하는 것)로 관리하는 것이 좋다.

 

정답 : 3번

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35. 정격출력 1,000 MWe, 열효율 40%, 가동율 98%, 운전일수 365일인 어떤 경수로의 핵연료 연소도가 11,178 MWD/MTU 이었다. 이 원자로에 장전된 우라늄 MTU은?
    ① 약 80 ② 약 90    ③ 약 100 ④ 약 110

 

이 원자로의 출력량은

$$ 1000 * \frac{1}{0.4} * 0.98 * 365  = 894,250 MWD $$

 

연소도가 11,178 MWD/MTU 이므로 

우라늄의 질량은 80 Ton 이다.

 

정답 : 1