[원자력기사 기출풀이] 2021년 2차 핵재료공학 및 핵연료관리 1 ~ 5번

21. 사용 후 핵연료 중간저장시설의 설계 기본요건으로 적합하지 않은 것은?
    ① 사용 후 핵연료를 안전하게 회수할 수 있도록 설계하여야 한다.
    ② 설계 및 건설은 실증된 공학적 적용사례에 기초하여야 한다.
    ③ 예상운전과도 시에도 주변환경으로 유출되는 방사성물질이 기준치 이하로 유지되어야 한다.
    ④ 가능한 한 능동형 설비를 이용하여 설계하여야 한다.

 

 

사용후핵연료를 최종처분하기 전에 임시로 저장하는 것을 중간저장이라고 한다.

 

1, 2, 3번은 당연한 소리다.

 

4번은 틀리다.

능동형 설비란, 냉각펌프 같이 외부에서 전원을 받는 설비를 말한다.

반대로 피동형 설비란, 외부전원 없이도 작동 가능한 설비를 말한다.

정전 등에 영향을 받지 않도록 안전설비는 피동형 설비로 하는 것이 좋다.

 

정답 : 4번

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22. 경수로 및 중수로에서 삼중수소 생성원인에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 경수로에서 삼중수소는 우라늄의 삼중 핵분열로 생성될 수 있다.
    ② 중수로에서 삼중수소는 pH 조절제인 KOH의 중성자 흡수로 생성될 수 있다.
    ③ 경수로에서 삼중수소는 B4C 제어봉의 중성자 흡수로 생성될 수 있다.
    ④ 중수로에서 삼중수소는 냉각재의 방사화로 생성될 수 있다.

 

1. 삼중수소는 아주 미량이지만 핵분열로 생성 가능하다. 보통 핵분열이라 함은, 두 개의 파편으로 분열되는 것을 말하는데, 아주 가끔은 삼중핵분열, 즉 세개의 파편으로 부숴진다. 이 경우 삼중수소가 나온다.

 

2. pH는 알칼리성물질인 LiOH 수산화리튬으로 조절한다.

리튬이 방사화되서 삼중수소가 나온다. 반응식은 아래와 같다.

$$ Li-6 ( n , \alpha ) T$$

 

3. 제어봉의 재질이나, 냉각재에 포함된 B ( 붕소 )가 중성자를 흡수하면 삼중수소가 나온다.

$$ B-10 ( n, T )   3  \alpha $$

 

4. 중수로에서는 냉각재와 감속재로 중수를 사용하는데, 중수의 방사화로 삼중수소가 생긴다.

$$ D( n, \gamma ) T $$

 

이 반응 때문에 삼중수소의 농도는 중수로가 경수로보다 월등히 높다.

 

정답 : 2번

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23. Sr-90의 붕괴사슬(Sr-90 → Y-90 → Z-90r)에서 초기에 Sr-90(붕괴상수 : 2.7e-6 / hr)만 존재했다면, Y-90(붕괴상수 : 1.1e-2 / hr)의 방사능이 최대가 되는 시간은?
    ① 약 800 시간 후    ② 약 1,600 시간 후   ③ 약 2,400 시간 후   ④ 약 3,200 시간 후

 

연쇄붕괴에서 중간핵종, 이경우 Y-90. 의 방사능은 다음 식에 의해 계산된다.

$$ A_2(t) = \frac{\lambda_2}{ \lambda_2 - \lambda_1 } * A_1(0)(e^{- \lambda_1 t} - e^{ \lambda_2 t})$$

 

아랫첨자 2는 중간핵종(Y-90)을 지시하고, 아랫첨자 1은 모핵종(Sr-90)을 지시한다.

 

위 식이 최대가 되는 시간을 구하고 싶으면, 위 식을 미분하여 0이 되는 시간을 구하면 된다.

그 결과는,

 

$$ T_{MAX} = \frac{ln( \lambda_2 )-ln( \lambda_1 )}{ \lambda_2 - \lambda_1 } = 755.9 hr$$

 

정답 :  1

 

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24. 사용 후 핵연료 재처리에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 재처리 공정을 통해 핵분열성 물질을 회수할 수 있다.
    ② 중성자를 흡수하는 방사성 핵분열생성물을 생성하는 공정을 통해 핵연료를 재이용하는 기술이다.
    ③ 건식 재처리공정은 일반적으로 U과 Pu을 동시에 회수하므로 핵비확산 측면에서 장점을 가진다.
    ④ 습식 재처리공정은 기술성이 입증되어 오랜 운전경험을 가짐에 따라 대부분의 처리시설이 채택되고 있다.

 

재처리란, 사용후핵연료를 화학적으로 처리하여 유용한 자원을 회수하고, 독성이 높은 것들을 분리하여 향후 폐기물관리에 용이하도록 하는 것이다.

 

3번에서 말하는 건식 재처리공정은 우리나라에서 개발중인 Pyro (파이로) 프로세싱을 말하는 것인데, 파이로프로세싱은 우라늄과 플루토늄을 동시에 공회수한다. 플루토늄을 단독회수할 수 없어서 핵비확산 측면에서 장점이 있다.

 

4번 : 현재 상용화된 모든 재처리 기술은 습식재처리이다. 대표적인 방법이 Purex 방법인데, 이는 사용후핵연료를 질산에 녹인 후 TBP로 용매추출을 하는 것이다. 2 단에 걸쳐 용매추출을 하는데, 첫번째에는 U와 Pu를 같이 추출하지만 두번째에는 U와 Pu를 서로 분리해낸다. 이 것이 문제가 되어 극히 제한된 몇 국가만이 재처리를 하고 있다.

 

2번은 무슨말인지 모르겠다. 전혀 관련 없는 소리다.

 

정답 : 2번

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25. 원자력발전소에서 발생하는 방사화 생성물에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 냉각재의 방사화로 인한 N-16은 짧은 반감기로 인해 원자로 정지 후 신속하게 소멸된다.
    ② 핵연료 자체의 방사화로 인한 방사능은 핵분열생성물의 방사능에 비해 매우 크다.
    ③ 핵연료 자체의 방사화로 인한 생성물은 장수명의 악티나이드를 포함하기 때문에 고준위방사성폐기물 처분에서 중요하다.
    ④ 냉각수 자체의 방사화는 피할 수 없지만, 함유된 불순물의 방사화는 수질관리를 통해 감소시킬 수 있다.

 

1.

냉각재 중 $O-16 ( n , p ) N-16 $ 반응으로 생기는 N-16은 7 MeV가 넘는 이례적으로 큰 감마선을 방출하지만, 반감기가 7초정도로 매우 짧다. 원자로가 정지하면 빠르게 소멸한다.

 

2.

핵연료 자체의 방사화로 인한 방사능이라 함은, 초우라늄핵종(TRU)을 말하는 것이다. U-238이 중성자를 계속 흡수하여 우라늄보다 원자번호가 큰 물질들이 생성되는데, Pu 동위원소들, Am-241, Cm-242, Cm-244가 대표적이다.

초기에는 이들의 방사능은 핵분열생성물보다 작다. 하지만 반감기가 매우 길기 때문에 100년 이상이 지나면, 초우라늄핵종의 방사능이 더 커지게 된다.

 

3.

초우라늄핵종은 장수명의 악티나이드 핵종을 포함하기 때문에 고준위폐기물로 분류된다.

악티나이드 : 원자번호 89 ~ 103 번의 악티늄족. 이 중 U와 Pu를 제외한 나머지를 마이너 악티나이드 (MA)라고 함

 

4. 냉각재의 방사화는 수질관리를 통해서 줄일 수 있다. 부식을 줄이고, 불순물을 줄이면 된다.

 

정답 : 2번