[원자력기사 기출 풀이] 2022년 원자로 안전과 운전 6 ~ 10번

 

 

66. 가압경수형 노심의 전 수명기간 동안 원자로 반응도 제어에 영향을 주는 장기인자가 아닌 것은?
    ① 연료 연소       ② Pu 축적      ③ 가연성 독물질 생성       ④ 분열생성물 독물질 축적

 

주기가 진행됨에 따라 여러 요소들에 의해 노심의 반응도는 계속 변화한다.

 

어느 요소는 빠른 변화(빠른 피드백)을 주고 어느 변화는 수명기간 전체에 걸쳐 느린 변화(피드백)을 주게 된다.

 

단기 인자 : 수 초 ~ 수 분 내에 영향을 주는 인자들로 핵연료 온도, 감속재 온도, 감속재 밀도, 감속재 압력, 기포량(보이드)이 여기에 속한다. 

흔히 말하는 핵연료 온도계수, 감속재온도계수, 보이드계수 등이 이 단기인자에 의한 반응도계수들이다.

 

중기인자 : 수일에 걸쳐 영향을 주는 인자들로 Xe-135와 Sm-149의 독작용이 여기에 속한다.

독물질이란, 핵분열생성물 중 중성자 흡수가 큰 물질들을 말하며, 노심에 부반응도를 주게 된다.

 

장기인자 : 노심수명 전체에 걸쳐 영향을 주는 인자로 다음과 같은 것들이 있다.

1. 핵연료 연소로 인한 부반응도

2. 플루토늄의 축적(생성)으로 인한 정반응도

3. 가연성독물질의 연소로 인한 부반응도 - 주기 초에 여러가지 이유로 가연성독물질을 노심에 삽입하는데 이는 점차 연소됨.

4. 핵분열생성 독물질의 축적으로 인한 부반응도

 

 

정답 : 3번

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67. 가압경수형 원자로에 제어봉 삽입 수 유효증배계수에 가장 크게 영향을 주는 인자는?
    ① 중성자 생성율      ② 공명이탈확률      ③ 속분열계수      ④ 열중성자 이용률

 

제어봉을 삽입하면 핵연료가 흡수해야할 중성자를 대신 흡수하게 되어 유효증배계수가 감소된다.

이는 열중성자 이용률 (f)가 낮아지는 효과이다.

 

중성자 생성율 : 아마 흡수당(또는 분열당) 생성되는 중성자 갯수를 의미하는 듯 하다. 제어봉과는 상관없고 핵물질의 종류에 따라 달라진다.

 

공명이탈확률 : 열외중성자가 공명흡수되지 않고 무사히 열중성자까지 감속될 확률을 말하는 것으로 제어봉과 무관하다

 

속분열계수 : 속중성자와 반응하여 핵분열을 일으키는 비율로서 제어봉과 무관하다.

 

열중성자 이용률 : 중성자가 핵연료에 얼마나 많이 흡수되냐는 의미로 제어봉 같은 흡수물질이 들어가게되면 열중성자 이용률이 낮아진다.

 

정답 : 4번

 

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 68. 중대사고 현상은 일반적으로 노 내 (In Vessel)와 노 외 (Ex-Vessel) 현상으로 분류한다. 다음 중 노내 In Vessel 현상이 아닌 것은?
    ① Zr 산화        ② 노심 용융물과 콘크리트 반응       ③ 노심 재배치         ④ 원자로 하부헤드 가열

 

중대사고현상은 노내 현상과 노외 현상으로 분류된다.

 

노외 현상은 원자로용기 밖에서 일어나는 현상으로

노심용융물과 콘크리트 반응(MCCI), 격납건물 직접가열(DCH), 수소 축적 및 가연성기체 폭발 등이 있다.

 

노내 현상은 원자로용기 안에서 노심이 손상되는 과정이다.

1. 노심 노출과 가열

2. 피복재 산화 및 수소생성  $Zr + 2 H_2O \rightarrow ZrO_2 + 2H_2$

3. 노심물질 용융 (Melting)

4. 용융물의 이송( 원자로 하부로의 재배치)

5. 노심용융물과 원자로용기 하부의 기계적, 재료적, 화학적 반응

5. 원자로용기의 파손

등이 있다.

 

 

정답 : 2번.

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69. 가압경수형 원자로의 가연성 독물질봉 사용 목적에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 가연성 독물질량 변화를 이용한 신속한 반응도 제어
    ② 임계질량 이상의 연료로 인한 반응도 억제
    ③ 수용성 붕소농도 감소로 인한 감속재온도계수의 부(-)값 유지
    ④ 중성자속 반경방향 출력분포 평형 유지

 

가연성독물질은 주로 붕소, 가돌리늄 등 흡수단면적이 큰 물질로 이루어진 고체물질로서, 연소될수록, 즉 중성자를 흡수하면서 흡수가 작은 물질로 전환되는 특징을 가지고 있다. 그래서 "가연성" 독물질이라고 한다. 즉, 핵연료가 점점 정반응도가 약해지듯이, 가연성독물질도 점점 흡수능력이 약해진다.

 

주기 초에 다음과 같은 이유들로 가연성 독물질봉을 노심에 삽입한다.

 

1. 잉여반응도(초과반응도) 보상

     노심에 딱 임계질량만큼의 연료를 장전하면 연소를 진행시킬 수가 없다. 즉, Keff 값이 딱 1이면, 우라늄 1g 이라도 연소되었을 때 Keff < 1이 되어 미임계가 되어버린다. 이 때문에 처음에 Keff > 1 이 되도록 핵연료를 장전해주고, 이 초과분의 반응도를 초과반응도라고 한다. 이렇게 1보다 크게 핵연료를 장전한 뒤, 여러가지 흡수물질(제어봉, 수용성독물질, 가연성독봉) 등으로 임계를 유지하며 운전해준다. 연료의 연소가 진행되면 초과반응도는 점점 줄어들고, 그에맞추어 흡수물질들을 줄여주면서 계속 임계를 유지해나가는 것이다. 노심의 주기는 이 초과반응도가 0일 때 끝난다. 모든 흡수물질을 제거했음에도 Keff < 1이 되면 더이상 임계를 유지할 수 없기 때문에 이 때가 주기말이 된다.

 

   가연성독물질은 이 잉여반응도를 보상(억제)해준다. 가연성독물질은 처음에 큰 초과반응도를 상쇄시켜주다가, 핵연료가 연소됨에 따라 잉여반응도가 점차 줄어들면, 이 가연성독물질의 부반응도도 점차 줄어들면서 임계를 유지시켜주려고 한다.

 

2. 반경방향 출력분포를 균일하게 해준다. 반경방향의 출력분포는 중심부가 크고 가장자리가 약한 볼록한 모양인데, 노심을 균질하게 연소시키고 열수력계수를 낮게 하기 위해서는 이 분포를 평탄하게 해줄 필요가 있다. 가연성독물질을 삽입한 곳 부근에는 출력이 줄어드므로 이를 이용해 반경방향 출력분포의 모양을 변화시켜줄 수 있다. 이는 제어봉도 마찬가지이다. 하지만 수용성독물질(붕산수)는 노심 전체적으로 균질하게 퍼져있기 때문에 특정부분의 출력만을 골라서 줄여줄 수는 없다.

 

3. 주기초에 수용성독물질(붕산수)의 농도를 낮게 할 수 있다. 이는 감속재온도계수를 부(-)로 만들어준다.

 

잉여반응도를 억제하기 위해서는, 제어봉 + 붕산수 + 가연성독물질로 같은 크기만큼의 부반응도를 주어야 한다. 가연성독물질 없이 제어봉과 붕산수로만 억제하려한다면 붕소의 농도가 높아질 것이다. 이렇게 되면 감속재온도계수가 정(+)가 되는 문제점이 발생한다.

 

감속재 온도 상승 -> 감속재 밀도 감소 -> 감속재 속에 포함된 붕소의 밀도 감소 -> 붕소로 인한 흡수 저하 -> 정반응도 주입

 

이런 현상을 막기위해 주기 초 붕산수의 농도를 어느정도 이하로 낮춰야 한다. 그러기 위해서 붕산수와 더불어 흡수작용을 해주는 가연성독물질을 사용하는 것이다.

 

아래 그림을 보면, 원자로는 과소감속구간에서 운전되도록 해야한다. 가로축은 감속재의 밀도를 나타내는데, 감속재온도가 오를수록 감속재 밀도는 낮아지니까, 가로축은 왼쪽으로 가게 된다. 이 때 반응도가 낮아져야 안전한 것이므로 최고점을 기준으로 왼쪽 영역에서 운전되어야 한다. (왼쪽 영역은 감속재온도계수가 부, 오른쪽영역은 양 이다.) 

1200 PPM, 600 PPM 은 붕산수의 농도를 의미하는데, 농도가 낮을수록 과소감속구간이 더 넓어지는 것을 볼 수 있고 이것이 바람직하다.

감속재 온도가 올라가면 세로축은 왼쪽으로 이동하게 된다.

 

정답 : 1번. 

가연성독봉은 노심에 고정되어 삽입되어 있는 형태이기 때문에 주기가 끝날 때까지 제거할 수 없다. 즉, 이를 변화시켜 노심의 신속한 변화를 줄 수 없다.

 

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70. 중수형 원자로가 출력운전 중 정지 시 원자로 재기동 불능시간과 가장 관련이 있는 독물질은?
    ① Sm      ② Xe      ③ Iodine      ④ Boron

 

문제에서는 중수형이라고 하였지만, 경수형 원자로도 동일하다.

재기동 불능시간이란, 원자로를 정지하였을 때 독물질(Xe-135)의 부반응도가 노심의 잉여반응도를 초과해, 원자로를 다시 기동할 수 없는 시간을 의미한다.

 

즉, 원자로가 100 %로 운전되고 있다가 정지하게 되면, Xe-135 농도는 일시적으로 증가하다가 2~3일에 걸쳐 서서히 감소한다. Xe-135의 농도가 증가하면, (독물질이므로) 부반응도가 엄청 생기고, 이게 핵연료의 잉여반응도보다 크다면, 제어봉을 모두 제거해도 노심은 임계에 도달할 수 없다. 따라서 Xe-135가 다시 사라질 때까지 어쩔 수 없이 기다려야 한다.

 

아래 그림은 원자로 기동 후, 40 시간에서 원자로를 정지하였을 때 Xe-135의 농도 거동을 나타내는 그래프이다.

원래 정상운전 중 Xe-135 의 생성원과 제거원은 다음과 같다.

 

40 시간에서 원자로를 정지하였을 때 제논의 농도 변화

 

생성원 : 핵분열로 인한 직접생성 + I-135의 베타붕괴로 인한 생성

제거원 : Xe-135의 베타붕괴 + 중성자 흡수로 Xe-136로 전환

정상운전 중에는 제논농도변화율 = 생성원 - 제거원 = 0 을 유지하면서 평형제논농도를 유지하게 된다.

 

그러다가, 원자로의 출력이 0이 되면

생성원에서 핵분열로 인한 직접 생성은 중단되고, 제거원에서 중성자 흡수로 인한 전환도 중단된다.

 

그러면 제논농도변화율 = I-135의 베타붕괴 - Xe-135의 베타붕괴 > 0 이 되어 일시적으로 Xe-135의 농도는 증가한다.

(이는, I-135의 반감기가 Xe-135의 반감기보다 더 짧기 때문임)

무한정 증가하지는 않는다. I-135의 양이 점차 줄어듦에 따라 생성이 줄어들게 되고, 결국 모든 I-135가 Xe-135로 변환되면 생성이 중단되어 점차 소멸된다.

 

 

결국 일시적으로 제논농도가 노심에 줄수 있는 정반응도보다 더 커지는 구간이 존재하고, 그 때가 원자로기동불가시간(Dead Time)이다.

 

정답 : 2번