51. 펌프 설계에 사용되는 유효흡입수두(NPSH)에 대한 설명으로 맞지 않는 것은?
① NPSH는 펌프 입구 유체의 압력이 높을수록 커진다.
② NPSH는 펌프 입구 유체의 온도가 높을수록 커진다.
③ NPSH가 클수록 펌프 내 공동현상이 일어날 확률이 작다.
④ NPSH는 펌프의 위치를 결정할 때 필수로 고려해야 한다.
유효흡입수두 : 모든 수두손실을 고려했을 때, 펌프로 물을 흡입할 수 있는 높이.
이를 필요흡입수두와 비교하여 펌프공동화(캐비테이션) 현상이 발생하는가를 판단하는데 사용한다.
대기압에 해당하는 수두는 약 10.33 m 정도이다. 아무런 압력손실이 없다면 수조에 박힌 배관을 통해 물은 10.33 m 까지 올라갈 것이다. 여기에 배관의 마찰손실, 펌프의 높이에 해당하는 수두, 포화증기압을 고려해준다면,
$$Pa \pm Hs - Hf - Pv - NPSH = 0 $$
$$ NPSH = Pa \pm Hs - Hf - Pv $$
Pa : 대기압
Hs : 수조와 펌프의 높이 차이에 의한 수두.
Hf : 배관 내에서의 압력손실에 의한 수두
Pv : 물의 포화증기압에 해당하는 수두, 온도에 의해 달라짐.
여기서 펌프가 수조보다 높다면, 대기압 입장에서는 그만큼 손실을 보는 것이니까 빼주고, ( - Hs )
펌프가 더 낮다면, 그 높이만큼 대기압에 더해지는 것이니까 더해준다. ( + Hs )
이 유효흡입수두가 필요흡입수두보다 커야 펌프 공동화현상이 방지될 수 있다.
(필요흡입수두 : 펌프 자체의 특성으로, 유체가 펌프 흡입 후 가압되기 전까지 강하되는 압력의 정도)
1. 펌프 입구 유체의 압력 (Pa - Hs - Hf - Pv) 가 곧 유효흡입수두이므로 맞다.
2. 유체의 온도가 높을수록 포화증기압(Pv)은 커져서 유효흡입수두는 작아진다.
3. 유효흡입수두가 필요흡입수두보다 크면 공동화현상이 방지된다. 필요흡입수두는 펌프 자체의 고유한 능력이므로 고정되어있다고 보면, 유효흡입수두가 클수록 공동화현상을 더 잘 방지할 수 있다고 볼 수 있다.
4. 유효흡입수두를 크게할 수 있는 가장 쉬운 방법은 펌프를 수조보다 아래쪽에 설치하는 것이다.
정답 : 2
52. 대기압에서 물 수조의 바닥면을 가열할 때 발생하는 풀 비등(Pool Boiling)에 대한 설명으로 틀린 것은?
① 가열면에서 비등이 발생하지 않을 때는 자연대류에 의해 열이 전달된다.
② 핵비등 영역에서는 기포가 생성되면서 열전달이 매우 효율적으로 일어난다.
③ 임계열유속(CHF)은 천이비등영역에서 막비등으로 전환되는 지점의 열유속이다.
④ 막비등 영역에서 열전달은 증기막을 통한 전도, 대류, 복사 등에 의해 이루어진다.
풀 비등 : 멈춰 있는 물이 고체 가열면에 접촉하면서 비등하는 것.
핵비등 : 아래 그림에서 A ~ C 영역, Nucleate boiling.
- 전열면에서 기포가 생겨, 기포에 의해 열전달이 되는 구간.
- A ~ B 구간에서는 물이 포화온도 아래이기 때문에, 기포는 다시 물에의해 응축되는 과냉핵비등 영역. 가압경수로의 정상운전 범위
- B ~ C 구간은 물과 기체가 공존하는 포화핵비등 영역.
천이비등영역
- 기포가 많이 생겨서 기포끼리 합쳐져 전열면을 뒤덮는 막을 생성하기 시작하는 영역. C ~ D
- 증기막의 열전달이 작기 때문에 열유속은 급감하고 전열면의 온도가 상승한다.
막비등 : 천이영역 후, 전열면 전체를 덮어버리면 막비등이 시작된다. D ~ E
아래에서 C 점이 핵비등 이탈점이고, 이 때 열유속이 임계열유속이다. 즉, 임계열유속은 핵비등에서 천이비등으로 전환되는 순간의 열유속이다.
(세로축 : 열유속, 가로축 = 고체가열면 온도 - 물의 포화온도, 끓는점)
1 : 위 그림에서 ~ A 까지 영역은 자연대류에 의해 열전달이 되는 지점이다.
2 : 핵비등 영역에서는 기포의 교란효과에 의해 효율적인 열전달이 일어나고, 전열면의 온도상승은 작다.
3 : 임계열유속은 핵비등에서 천이영역으로 변하는 순간이다.
4 : 막비등에서는 전도, 대류, 복사에 의한 열전달이 일어난다.
정답 : 3
53. 가압경수로형 원전의 원자로 열 설계에 대한 설명으로 맞지 않는 것은?
① 핵연료 최고온도는 용융점보다 낮아야 한다.
② 연료봉 표면에서 기포가 발생하지 않아야 한다.
③ 핵비등이탈률(DNBR)은 정해진 값보다 크게 해야 한다.
④ 원자로 내에서 수력학적 불안전성이 발생하지 않아야 한다.
1 : 핵연료의 최고온도는 핵연료의 융점보다 낮아야한다. 핵연료가 용융되는 것이 최악의 상황이다.
2 : 연료봉 표면에서는 기포 발생을 허용한다. 앞선 문제에서 언급하였듯이, 가압경수로의 정상운전범위는 과냉핵비등 영역이다. 과냉핵비등에서는 가열면 표면에서 기포가 생성되는데, 그 기포는 유체 속에서 다시 응축된다.
3 : 핵비등이탈율 DNBR = 임계열유속 / 국부최대열유속.
이 값이 정해진 값( 1.3 ) 보다 항상 크도록 운전을 해야한다. 위 문제에서 C 점이 임계열유속이다.
C의 왼쪽 영역에서 운전이 되야 하는데, 국부 최대 열유속이 C 값에 접근할수록, 오른쪽으로(천이막비등) 전환될 우려가 커지므로 이를 방지하기 위해서, 핵비등 이탈율을 기준값보다 크게 해야한다.
정답 : 2
54. 가압경수로형 원전의 원자로압력용기 및 내부구조물에 대한 설명으로 틀린 것은?
① 원자로압력용기는 핵분열생성물의 유출을 방지하는 방호벽으로의 안전기능을 수행한다.
② 원자로압력용기 감시시편은 노심지지통에 설치된다.
③ 유량분배환은 노심 내로 유입되는 유량을 균일하게 분배하도록 한다.
④ 상부안내구조물 집합체는 핵연료집합체를 눌러주어 사고 시에 핵연료집합체가 들리지 않도록 한다.
1. 원자로압력용기는 노심을 격납하여 핵분열생성물의 유출을 방지한다.
2. 감시시편은 노심 지지통 바깥. 즉, 원자로압력용기와 노심 지지통 사이에 설치된다.
3. 하부헤드를 둘러쌓고 있는 유량분배환은 유량을 균일하게 배분한다.
4. 상부안내구조물 집합체는 핵연료집합체가 들리지 않도록 해준다.
정답 : 2
55. 가압경수로형 원전에서 냉각재 상실사고(LOCA) 시 비상노심냉각계통의 성능기준에 대한 설명으로 틀린 것은?
① 최소 핵비등이탈률은 1 이상이어야 한다.
② 첨두 피복재 온도 제한치는 1,204℃이다.
③ 노심형상의 변화는 노심이 냉각상태를 유지할 수 있어야 한다.
④ 국부최대피복재 산화도는 피복재 두께의 17% 이내이다.
공학적 안전설비는 최악의 사고 시에 동작하여 핵분열 생성물의 누출을 최대한 억제하여 발전소 종사자 및 주변 주민의 방사선 피폭을 최소화하는 기능을 가진다.
냉각재 상실 사고 시, 냉각수를 주입해주는 비상노심냉각계통도 공학적안전설비에 포함되는데, 공학적안전설비의 설계 기준은 다음과 같다.
- 핵분열 생성물의 방출에 의한 주민의 방사선 조사선량은 10 CFR 100 제한치 초과하지 않도록.
- 핵연료 피복재 보호 : 핵연료봉 중심선 온도 2593 'C 이하, 핵연료 피복재 표면온도 1204 'C 이하.
- 노심 핵비등 이탈 (DNBR) 1.3 이상으로 유지
- 노심의 기하학적인 위치 변형이 일어나지 않도록. 즉, 노심의 용융을 방지.
- 격납용기 내부 가연성 기체인 수소 농도를 무게 비 4 % 이내로 유지
- 원자로 노심에서 수소 생성률을 발생가능한 가상 전체량의 1 % 이내로 제한
- 핵연료 피복재 산화율을 피복재 두께의 17 % 이내로 제한
- 장기간에 걸쳐 노심이 계속적으로 냉각되어야 함.
정답 : 1
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