17. 다음 중 증배계수를 구성하는 인자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 재생계수는 노심초기와 노심말기의 값이 다르다. ② 속핵분열계수를 정확히 계산하기 위해서는 모든 에너지 영역에서의 단면적을 고려하여 중성자 수송방정식을 풀어야 한다. ③ 노심말기로 갈수록 공명이탈확률은 감소한다. ④ 연료에 대한 감속재의 비(Nm/Nf)가 증가하면, 재생계수는 증가한다.
1. 재생계수는 핵연료에 흡수된 중성자 1개당 새로이 생성되는 중성자의 갯수이다.
이는 핵분열성물질의 핵종마다 다르다.
예를들어 U-235는 2.08, Pu-239는 1.91 이다.
노심 말기로 갈수록 핵연료의 조성이 변화하므로, 즉, U-235는 줄어들고 Pu-239가 많아지므로 재생계수는 노심 수명에 따라 변한다.
2.
속핵분열계수 = (열중성자에 의한 핵분열 + 속중성자에 의한 핵분열) / 열중성자에 의한 핵분열
중성자의 에너지에 따라 단면적이 바뀌고, 그에 따라 중성자속이 바뀐다.
수송방정식으로 풀어 각 에너지구간별로 단면적*중성자속을 산출하여 속분열계수를 구할 수 있다.
3.
노심말기로 갈수록 Pu-240이 많아지는데, Pu-240 이나 다른 독물질들은 큰 공명흡수 단면적을 가지고 있다.
즉, 노심말기로 갈수록 공명이탈확률은 감소한다.
4.
감속재와 연료의 비율과 재생계수는 무관하다.
재생계수는 핵연료에 흡수된 중성자들만 고려하기 때문에, 연료의 비율이 어떠하든, 핵연료에 흡수된 중성자 1개당 생성되는 중성자 수는 차이가 없다.
정답 : 4
18. 원자로에서 생성되는 독물질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 원자로 운전에서 중요하게 고려되는 핵분열 생성 독물질로는 Xe와 Sm이 있다. ② Xe 평형 농도는 출력에 정비례한다. ③ 원자로 정지 후, 제논으로 인해 원자로의 작동불능시간이 존재한다. ④ 원자로 정지 후, Sm의 농도는 일정시간 동안 증가하다가 일정하게 유지된다.
독물질 : 중성자흡수단면적이 커서 핵연료에 흡수되어야 할 중성자를 흡수해버리는 핵종들.
노심의 주기가 진행되면 핵분열로 인해 여러가지 독물질이 생긴다.
그 중 가장 주요한 핵종은 Xe-135와 Sm-149 이다.
두 핵종의 생성과 소멸 과정은 아래 그림과 같다.
Xe-135의 생성원
- 핵분열로 인한 직접 생성
- I-135의 베타 붕괴
Xe-135의 제거원
- 중성자를 흡수하여 단면적이 작은 Xe-136으로 변환
- 베타붕괴를 통해 단면적이 작은 Cs-135로 변환
Sm-149의 생성원
- 핵분열료 인한 직접 생성 ( 매우 작은 비율)
- Pm-149의 베타붕괴
Sm-149의 제거원
- 중성자를 흡수하여 단면적이 작은 Sm-150으로 전환
Sm-149는 안정핵종이라 방사성붕괴로 제거되지 않는다는 것이 중요한 특징이다.
두 핵종의 제거반응 중에 중성자흡수로 인한 제거는 원자로가 운전되어야지만 있는 반응이다.
Xe-135는 원자로가 정지되어 중성자흡수반응이 없더라도 베타붕괴를 하여 스스로 제거된다.
하지만 Sm-149는 원자로가 정지되면 제거반응이 없어져 소멸하지 않는다.
2. 평형상태에서 Xe의 농도는 출력의 함수이긴 하지만 정비례하지는 않는다.
제논 농도변화율 = 생성률 - 제거율 = 핵분열로 인한 생성 + I의 붕괴로 인한 생성 - 중성자 흡수로 인한 제거 - 베타붕괴로 인한 제거
제논의 생성반응 중 핵분열로 인한 생성은 즉시 멈추지만, 아이오딘의 붕괴로 인한 생성은 계속된다.
또 제거 중 중성자 흡수로 인한 제거는 중단되지만 베타붕괴로 인한 제거는 계속된다.
정지 직후에는 아이오딘의 생성으로 인한 영향이 더 커서 제논의 농도는 오히려 더 커진다.
그러다가 제논이 점차 쌓이고 아이오딘은 줄어들어서, 아이오딘의 붕괴 < 제논의 붕괴가 되면 제논은 다시 감소한다.
정지상태가 지속되면 아이오딘은 결국 전부 붕괴될 것이고, 제논도 전부 붕괴될 것이다.
위 그림에서 원자로가 정지된 직후,
Xe의 농도는 증가하다가 다시 감소하여 0이 되는 것을 볼 수 있다. ( 위쪽그림의 빨간 점선)
제논은 독물질이므로 부반응도를 주는데, 제논으로 인한 부반응도 영향은 아래 그림의 빨간 실선과 같다.
제논이 많이 쌓인 상태에서 노심에서 모든 제어봉을 다 뽑고 붕산수를 전부 희석한다 하더라도 임계에 도달할 수 없을 때,
즉,
제논의 부반응도 > 제어봉 인출 + 붕산수 희석으로 인한 정반응도
일 경우
원자로는 원천적으로 임계에 도달하지 못해 기동될 수 없다.
이를 제논으로 인한 dead time 이라고 부른다.
4.
반면 Sm-149는 방사성붕괴하지 않으므로 원자로가 정지하면 제거 반응이 완전 사라진다.
선행핵종들의 붕괴에 의해 점차 쌓이기만 할 뿐 제거는 되지 않아 점차 증가되다가 선행핵종이 전부 붕괴되면 일정한 값을 유지한다.
핵연료를 제거하지 않는 이상 Sm-149는 정지기간 중 없앨 수 없다.
정답 : 2
19. 다음 중 원자로의 동특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 중성자 평균수명은 중성자가 생성될 때부터 최종적으로 흡수 또는 누설되기까지 평균적으로 소요되는 시간이다. ② Pu-239을 핵연료로 사용하는 원자로는 U-235를 사용하는 원자로에 비해 반응도 삽입에 대한 허용한계가 작다. ③ 원자로의 기동율(SUR)은 원자로 출력의 변화율을 나타내는 지표로써, 분당 출력변화율을 10의 승배 t수($10^{SUR}$)형태로 나타낸 것이다. ④ 원자로 주기는 원자로 출력이 2배 증가 또는 감소하는데 걸리는 시간으로, 주기가 짧을수록 출력 변화가 급격하고 주기가 길수록 출력 변화가 완만하다.
2.
Pu-239의 지발중성자분율은 U-235 보다 작다. 그래서 U-235에 비해 작은 반응도만 삽입해도 원자로의 주기가 크게 짧아질 수 있어서 반응도 삽입 한계가 작다.
3.
원자로의 기동률은 주기와 비슷한 개념인데, 출력이 변하는 정도를 10의 거듭제곱으로 나타낸 것이다.
즉, 주기를 T, 기동률을 SUR 이라고하면 원자로 출력 P(t)는
$$P(t) = P_0 e^{-t / T} = P_0 10^{SUR * t}$$
4.
원자로 주기는 출력이 e 배 증가 또는 감소하는데 걸리는 시간이다.
주기가 길면, e 배로 변하는데 그만큼 오래걸리므로 출력 변화가 완만하다.
정답 : 4
20. 핵분열이 일어나지 않는 매질에서 무한 평판형태의 중성자 선원이 다음 그림과 같이 놓여 있을 때, 거리 a만큼 떨어진 점 P에서의 중성자속은? (단, 중성자 확산 거리는 L, 중성자 확산계수 D, 중성자 선원의 세기는S이다.)
