[원자력기사 기출풀이] 2021년 2차 핵재료공학 및 핵연료관리 6~10번

26. 원자력발전소 1차 계통 냉각재에 주입하는 물질에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 원자로 반응도를 제어하기 위해 붕산 주입
    ② pH를 낮추기 위하여 수산화리튬 주입
    ③ 신연료 장전의 높은 잉여반응도를 낮추기 위해 붕산 주입
    ④ 핵분열성 핵종인 U-235의 함량 감소 시 붕산 주입

 

붕산 : $H_3BO_3$. 중성자흡수가 큰 B-10을 함유하고 있어, 냉각재에 주입하여 부반응도를 제공함. 핵연료가 연소됨에 따라 잉여반응도는 점차 줄어들테고, 붕산농도를 묽게하며 임계를 유지해나감.

 

수산화리튬 : 1차계통의 pH를 조절하기 위해, 약알칼리로 유지하기 위해 주입함. pH를 높여주기 위함임. pH가 낮은 경우, 즉 산성인 경우, 증기발생기의 전열관에서 균열이 발생하고  피복재의 부식 증가, 크러드 증가, 계통 방사능 준위 증가 등 안좋은 점이 있음.

 

잉여반응도를 억제하기 위해 붕산을 주입함.  "낮추기 위해서 " 라는 표현도 약간 부정확해 보인다. 잉여반응도를 낮추려면 그냥 초기에 장전된 핵연료 양을 줄이거나 노심의 구조를 변경시키는 방법밖에 없을 것이다. 잉여반응도를 억제하여 임계 또는 미임계로 유지하기 위해 적절한 농도의 붕산을 첨가하는 것이다.

 

U-235가 감소한다면 ( 연소됨에 따라) 노심의 잉여반응도가 줄어들고 붕산을 줄여줘야 임계를 유지할 수 있다.

 

2번, 4번 둘다 틀렸다. 3번도 명쾌하지 않다.

 

정답 : 2번, 4번

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27. 가압경수로 화학체적제어계통의 기능에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① RCS 붕산 농도 제어
    ② 원자로냉각재 총량 조정
    ③ 재료의 산화억제를 위한 수소 제거
    ④ 크러드(CRUD) 등 방사성 불순물 제거

 

화학 및 체적제어계통 : CVCS. 1차냉각재의 수화학 및 붕산농도, 재고량 관리를 위한 계통으로 주요 기능은 아래와 같다.

 

1. 1차냉각재 재고량 유지 : 손실되는 1차냉각재를 보충하여 가압기 수위를 일정하게 유지해 줌

 

2. 냉각재 붕산농도 조절 : 붕산농도를 조절하여 임계를 유지시킴

 

3. 가압기 분무 유량을 제공하여 압력 조절을 보조함

 

4. 1차냉각재펌프 (RCP)의 축밀봉수를 제공함.

 

5. 1차냉각재 수질 관리 : 하이드라진과 수소를 주입해 용존산소를 제거함. 리튬농도를 조절해 pH를 조절함. 이온교환기와 여과기로 정화를 함.

 

수소가 없으면 산화분위기가 되어 오히려 부식이 증가한다.

 

정답 : 3번

 

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28. 경수로 원전의 선행 핵연료주기에 대한 순서로 올바르게 나열된 것은?
    ① 채광 → 정련 → 변환 → 농축 → 재변환 → 가공
    ② 채광 → 정련 → 재변환 → 농축 → 변환 → 가공
    ③ 채광 → 변환 → 농축 → 재변환 → 정련 → 가공
    ④ 채광 → 재변환 → 농축 → 변환 → 정련 → 가공

 

채광 : 우라늄광산에서 우라늄을 채광함

 

정련 : 채광한 우라늄 원광은 품위가 낮아서 사용할 수 없음. 우라늄의 품위를 높여주는 과정을 정련이라고 함. 즉, 광석에 포함된 우라늄의 비율을 높여주는 것임. Yellow Cake라고 불리는 U3O8 가 생산됨.

 

변환

   - 경수로의 경우, 농축에 용이하도록 U3O8을 UF6로 변환시켜주는 것.  

   - 중수로의 경우는 농축이 필요 없다. 따라서 변환과정에서 바로 UO2로 변환시킨다.

 

농축 : U-235의 비율을 높여주는 것

 

재변환 : 농축된 UF6를 다시 이산화우라늄 UO2로 변환시키는 것.

 

가공 : UO2를 실제 핵연료집합체로 제조하는 것.

 

여기까지가 선행핵주기이다. 이후 원자로에 들어가서 연소되고, 그 이후는 후행핵주기로 분류되는데, 저장, 처분 또는 재처리가 포함된다.

 

경수로핵연료의 경우, "변환 - 농축 - 재변환 - 가공" 과정을 거치며

중수로핵연료의 경우, "변환 - 가공" 으로 바로 넘어간다.

 

 

정답 : 1번

 

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29. 핵연료 건전성에 영향을 미치는 요인 중 외부적 원인에 의한 결함이 아닌 것은?
    ① 연료봉 접촉
    ② 부식
    ③ 취급손상
    ④ 펠렛 – 피복재 상호작용(PCI)

 

연료봉 접촉, 부식, 취급손상은 모두 외적인 요인에 의해 발생하는 결함이다.

 

펠렛-피복재 상호작용은, 내부적인 요인으로 생기는 결함으로 크게 아래 두가지로 분류될 수 있다.

PCCI : 펠렛-피복재 화학적 상호작용. 기체핵분열생성물 ( 아이오딘 ) 분위기 하에서 피복재의 항복강도 이하에서 피복재가 파손되는 응력부식균열. 

PCMI : 펠렛-피복재 기계적 상호작용. 펠렛이 과도하게 팽윤하여 피복재와 물리적으로 접촉하여, 항복강도 이상의 응력이 가해져 피복재가 파손되는 것.

 

* 외부적인 결함기구

1. 연료봉 간 접촉 ( Rod to Rod Contact) : 핵연료봉이 휘어져 연료봉간의 물리적 접촉으로 파손

 

2. 마모 ( Fretting)

  - 연료봉 - 이물질 간 마모 : 냉각재 내 이물질 (debris) 에 의한 마모

  - 연료봉 - 지지격자 스프링/딤플 간 마모 : 그리드 스프링의 약화로 피복재와 그리드 사이에서 진동이 발생

 

3. 부식 : 피복재의 과도한 부식으로 기계적인 힘을 상실함

 

4. 배플 제팅 ( Baffle Jetting) : 손상된 Baffle을 통해 분사되는 냉각재에의해 Baffle 근처의 연료봉이 파손됨

 

5. 취급손상 : 핵연료를 취급하는 과정에서 손상됨.

 

 

* 내부적인 결함기구

1. 펠렛-피복재 상호작용

 

2. 수소화

  - 1차 수소화 : 온도상승에 따라 이산화우라늄으로부터 방출된 수분이 피복재와 반응하여 Zr 수소화합물 형성. 이 것이 피복재의 연성을 낮춰 연료봉이 취성파괴됨 - 펠렛밀도 증가, 수분합유량 감소로 대처

  - 2차 수소화 : 작은 결함이 피복재 표면에 생기면 내압과 외압의 차이로 증기가 연료봉 내로 들어가게 됨. 이 증기가 수소화합물을 형성

 

3. 제작결함 : 피복재료 결함, 용접결함, 봉단마개 공극 등

 

4. 피복재 평탄 : 펠렛의 고밀화에 따른 축방향 재배열과 피복재 크립에 의해 발생

 

 

 

정답 : 4

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30. U-235  붕괴하여 Pb-207 이 될 때까지, 알파 및 베타 붕괴 횟수가 맞는 것은?
    ① 알파붕괴 : 5회, 베타붕괴 : 0회
    ② 알파붕괴 : 6회, 베타붕괴 : 2회
    ③ 알파붕괴 : 7회, 베타붕괴 : 4회
    ④ 알파붕괴 : 8회, 베타붕괴 : 6회

 

U-235는 계열붕괴하는 핵종으로, 최종적으로 Pb-207이 된다. 

 

알파붕괴는 원자량이 -4, 원자번호가 -2 가 되고, 

베타붕괴는 원자량은 그대로고 원자번호가 +1이 된다.

 

우라늄의 원자번호는 92이고, 납의 원자번호는 82이다.

우선 원자량이 235 - 207 = 28 감소하였으므로, 알파붕괴는 7번 되어야 한다.

알파붕괴가 7번되면, 원자번호는 7 * 2 = 14가 감소하여서 78이 되어야 한다.

4번의 베타붕괴가 있어야 납의 원자번호 82가 된다.

 

순서는 일정치 않다. 계열을 이루며 붕괴하기 때문

아래 그림처럼 여러 루트를 통해 최종적으로 Pb-207이 된다. 한 루트씩 잘 따라가보면 모두 알파붕괴 7번, 베타붕괴 4번임을 확인할 수 있다.

Basic characterization of uranium by high-resolution gamma spectroscopy, H D Choi

정답 : 3번