[원자력기사 기출풀이] 2021년 2차 원자력기초 16 ~ 20번

16. 핵연료가 U-235인 원자로의 증배계수가 1에서 1.002로 변경되었을 때의 반응도는?
    (단, U-235의 지발중성자분율은 0.0065이다.)
    ① 0.002 달러     ② 0.2 달러     ③ 0.307 달러    ④ 30.7 달러

 

$$\rho = \frac{1}{k_1} - \frac{1}{k_2} = \frac{1}{1} - \frac{1}{1.002} = 0.001996 = 0.307 dollar $$

 

달러($) : 지발중성자분율(0.0065)로 나눠준 반응도값

 

정답 : 3

 

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17. 열중성자로 외곽에 반사체를 설치했을 때, 예상되는 효과에 대한 설명으로 틀린 것은?
    ① 원자로 외부로 누설되는 속중성자의 수를 감소시킨다.
    ② 원자로의 임계크기와 임계질량을 감소시킨다.
    ③ 원자로와 반사체 경계 부근의 열중성자 분포를 증가시킨다.
    ④ 원자로 내 열중성자속의 평균값에 대한 최대값의 비율을 증가시킨다.

 

반사체 : 노심 외부를 둘러싸고 있어, 누설되는 중성자를 산란(반사)시켜 다시 노심으로 되돌려주는 역할.

 

 

반사체는 누설되는 중성자를 줄이고, 중성자의 경제성을 높여주어 증배계수의 값을 크게한다.

증배계수의 값이 커지므로 원자로의 임계크기와 임계질량은 감소한다. - 더 적은 양의 핵연료로도 임계를 달성할 수 있다는 뜻.

 

위는 반사체가 있는 원자로와 없는 원자로의 열중성자속의 분포를 나타낸다.

반사체가 있으면, 반사체 경계부분에서 열중성자속이 증가하고, 중성자속 분포가 더 평평해진다. 즉, 최대값과 평균값의 차이는 줄어든다.

 

정답 : 4번

 

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18. 원자로의 증배계수를 크게 하기 위한 일반적인 방법이 아닌 것은?
    ① 노심 외곽에 반사체를 설치한다.
    ② 핵연료와 감속재를 균질하게 섞은 노심을 채택한다.
    ③ 중성자 산란단면적이 큰 감속재를 사용한다.
    ④ 중성자 흡수단면적이 작은 냉각재를 사용한다.

 

1. 노심 외곽에 반사체를 두면 누설되는 중성자가 줄어들어 증배계수가 커진다.

2. 핵연료와 감속재를 균질하게 섞은 노심을 균질로 라고하고, 핵연료 영역과 감속재 영역이 명확하게 구분되어 있는 노심을 비균질로 라고 한다. 사용원전 대부분은 비균질로이다. 핵연료는 피복재 안에, 감속재는 피복재 밖에 있다.

 

쉽게 이해하면, 균질로에서는 중성자가 탄생하자마자 감속재와 만나 감속을 시작한다. 비균질로에서는 중성자가 핵연료영역을 빠져나간 다음부터 감속재와 만나 감속을 시작한다.

증배계수를 구성하는 균질로와 비균질에서 여러 요소는 서로 다른 영향을 받는다.

 

속핵분열계수 ($\epsilon$) : 비균질로 > 균질로. 균질로에서는 중성자가 생기자마자 감속하기 때문에 속중성자영역에 더 짧게 머무르고 속핵분열이 적어진다.

 

열중성자이용률 ($f$) : 비균질로 < 균질로.  비균질로에서 열중성자속은 감속재영역이 핵연료영역보다 더 크다. 이는 감속재 영역의 열중성자가 구조물을 뚫지못해 핵연료까지 도달하지 못하기 때문이다. 열중성자이용률은 균질로가 더 크다.

 

공명이탈확률 ($P$) : 비균질로 > 균질로. 균질로에서는 중성자가 태어나자마자 감속을 시작하여 공명영역에 더 빨리 도달한다. 하지만 집중적으로 감속되는 것이 아니라서 공명영역에 머물러있는 시간도 더 길다. 즉, 균질로에서는 중성자가 천천히 넓은 기간동안 감속되는 것이다. 비균질로에서는 짧은시간 동안 집중적으로 감속되어, 공명영역에 머무르는 시간이 짧고, 공명이탈확률이 더 크다.

 

이들은 서로 경쟁적으로 작용하는데 결론적으로 $k_{\infty}$는 비균질로가 더 크다.

 

3. 감속재의 산란단면적이 커야 열중성자가 더 많이 생기고, 공명흡수가 줄어들어 증배계수가 커진다.

 

4. 냉각재의 흡수가 작아야 핵연료에 흡수되는 중성자가 많아져 증배계수가 크다.

 

정답 : 2번

 

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19. 열중성자로에서 핵분열생성물인 Xe-135에 대한 설명으로 틀린 것은?
    ① 원자로 운전 중 Xe-135은 방사붕괴와 핵분열로부터 생성된다.
    ② 임계붕소농도는 핵연료 온도와 Xe-135의 영향으로 주기 초에 급격히 증가하다가 서서히 감소한다.
    ③ Xe-135의 부반응도로 인해 원자로 정지 후 일정기간 동안 원자로 재기동이 불가능할 수 있다.
    ④ 원자로 정지 후 생성되는 Xe-135의 양은 원자로 운전 중 중성자속이 클수록 증가한다.

 

Xe-135는 Sm-149와 더불어 대표적인 독물질이다.

1. Xe-135는 I-135의 베타붕괴로도 생기기도 하고, 직접적으로 핵분열로 인해 생기기도 한다.

 

2. 주기초. 주기 시작 전에 Xe-135는 아예 없다. 주기운전이 시작되면 주기초 Xe-135는 급증한다. 따라서 이로인한 부반응도가 급증하고, 이를 보상해주기 위해, 냉각재 중 붕소의 농도를 낮춰주어야 임계를 유지할 수 있다. 따라서 임계붕소농도는 주기초 감소하다가 증가할 것이다.

 

3. 원자로가 정지하면, Xe-135의 농도는 증가하다가 감소한다. Xe-135가 많아짐에 따라 부반응도가 점점 커지고, 제어봉을 전부 인출하여도 노심의 반응도가 0보다 작아질 수가 있다. 이때는 원자로를 기동할 수 없고, 이를 Dead Time 이라고 한다.

 

4. Xe-135의 양은 중성자속에 따라 증가한다. 정확히 정비례하는 것은 아니지만, 중성자속이 커질수록, Xe-135의 양이 커진다.

 

 

원자로 출력에 따른 Xe-135의 농도 변화를 나타낸 그래프

 

원자로가 일정출력으로 장시간 유지되면 제논 농도는 평형농도가 된다. 이 평형농도는 출력이 크면 크다. 즉 출력 50%의 평형제논농도보다 출력 100%의 평형제논농도가 더 크다.

그런데, 출력을 50 %에서 100%로 증가시키면 잠깐동안 (수십시간) 은 제논농도가 오히려 더 낮아진다. 이는 제논의 생성과 붕괴 메커니즘에 대해 알아야 이해할 수 있다. 제논농도는 낮아지다가, 다시 상승하여 출력 100 % 의 평형농도를 찾아가게 된다.

 

출력을 100 % $\rightarrow$ 50 % 로 감발할 때에는 반대로, 제논농도가 증가하다가 감소한다.

원자로를 정지시키는 경우도 100 % $\rightarrow$ 0 % 로 감발한다고 생각하면 된다. 제논농도가 증가하다가 0으로 감소한다.

 

정답 : 2번

 

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20. 액체금속냉각고속증식로(LMFBR)에 대한 설명으로 맞지 않는 것은?
    ① 핵연료 피복재로 주로 스테인리스강을 사용한다.
    ② 블랭킷으로 천연우라늄 또는 토륨을 사용한다.
    ③ 중성자 감속재로 Na, Pb, Pb-Bi등을 사용한다.
    ④ 중간열교환기를 설치하여 방사성물질에 의한 오염을 방지한다.

 

 

 

액체금속냉각고속증식로

 

액체금속냉각 : 액체금속을 냉각재로 사용한다. 주로 액체 소듐(Na)를 사용함.

고속 : 열중성자가 아닌 속중성자의 핵반응을 이용함. 따라서 감속재가 필요 없다.

증식로 : 핵원료성물질이 고속중성자를 흡수하면 핵분열물질이되어 핵연료가 증식된다. U-238 이 중성자를 흡수하여 Pu-239로 전환됨. 이 때문에 속중성자를 사용한다.

 

1. Na의 부식을 견디기 위해 내식성이 강한 스테인리스강을 피복재로 사용한다.

 

2. 블랭킷 : 노심외부에 두는 핵원료성물질들. 이 블랭킷에 고속중성자가 흡수되어 핵분열성물질을 생성한다. Th-232와 U-238은 대표적인 핵원료성물질( Fertile material) 이다.

 

3. 고속로이기 때문에 감속재는 없다. 보기에 나와있는 Na, Pb, Pb-Bi 는 액체금속로에서 주로 사용하는 냉각재이다.

 

4. Na와 물은 접촉하면 폭발적으로 반응하기 때문에 가운데에 중간열전달계통을 둔다.

 

정답 : 3번