[원자력기사 기출풀이] 2021년 1차 핵재료공학 및 핵연료관리 16 ~ 20번

36. 가압경수로형 원전에서 주로 사용되는 핵연료 피복관 재료에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
    ① 지르코늄(Zr)에서 하프늄(Hf)을 제거한 후 피복관 재료로 사용한다.
    ② 지르코늄(Zr)은 하프늄(Hf)보다 열중성자 흡수단면적이 크다.
    ③ Zircaloy-4는 Zircaloy-2보다 수소흡수현상이 적다.
    ④ 수소흡수는 피복관의 연성을 감소시킨다.

 

핵연료 피복관의 주요 재료는 Zr, 지르코늄이다.

Zr을 사용하는 이유는 다음과 같다.

1. 스테인리스에 비견되는 내식성을 가지고 있음.

2. 열중성자 흡수단면적이 작음

3. 고온에서 기계적 특성을 잘 유지함.

4. 가공이 용이하고 용접이 쉬움

 

하지만 조직의 이방성에 의한 불안정성과 수소를 흡수하면 연성이 감소되 취화되는 단점이 있다.

 

지르코늄과 다른 금속들로 이루어진 합금들을 피복관으로 사용하며 그 배합에 따라 지르칼로이-2, 지르칼로니-4 등 이름이 붙어 있다.

 

지르칼로이 1 은 Zr에 주석을 섞은 것인데 장시간 부식시험을 합격하지 못해 상용화되지 않았다.

지르칼로이 2 는 주석, 철, 크롬, 니켈을 섞은 것이다.

지르칼로이 3은 주석과 철을 섞은 것인데 수소흡수문제로 상용화되지 못하였다

지르칼로이 4는 지르칼로이 2에서 수소흡수가 큰 니켈을 제거하고, 그만큼 철의 함량을 늘리고, 내부식성 향상을 위해 소량의 Si를 첨가한 것이다.

 

 

1번, 2번 : 지르코늄과 하프늄은 화학적 성질이 비슷하여 지르콘 같은 광물에 공존하여 있다. 하프늄은 중성자 흡수가 크기 때문에 제거해주어야지만 경제적인 피복재를 만들 수 있다.

3번 : 지르칼로이 2에서 수소흡수현상을 줄이기 위해 니켈을 줄여 지르칼로이 4를 만들었다.

4번 : 지르코늄이 수소를 흡수하면 연성이 줄어드는 취화현상이 일어난다.

 

 

정답 : 2번

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37. 다음 중 자기장을 이용하여 우라늄 동위원소를 농축하는 공정은?
    ① 기체확산법    ② 원심분리법    ③ 레이저농축법    ④ 이온교환법

 

기체확산법 : 기체 UF6의 확산속도가 U-235, U-238이 미묘하게 다른 것을 이용해 격막으로 분리해내는 것으로 확산속도가 느리고 분배계수가 작고, 전력소모가 큰 단점이 있다.

 

원심분리법 : U-235와 U-238의 원심력 차이를 이용하여 고속으로 회전시켜 분리하는 것으로, 기체확산법에 비해 전력소모가 적지만, 고속회전기술 등 고급기술이 필요하다.

 

레이저농축법 : 레이저로 특정 파장을 쪼여 특정 동위원소만 여기시킨 뒤, 여기된 동위원소만 선택적으로 회수하여 농축하는 것으로, 매우 높은 농축도를 얻을 수 있지만 대규모로 처리할 수 없다.

 

이온교환법 : 동위원소간 진동에너지 차이에 의한 교환반응을 이용하는 것으로 우라늄 용액을 사용하므로 장치가 간단하고 가동기기가 적어 소비에너지가 낮다. 하지만 분리계수가 가스확산법보다도 작고 장시간 시간이 필요하다.

 

 

정답 : 3번

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38. 지하매질 내에서 방사성 핵종의 지연계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
    ① 지연계수는 1보다 작거나 같다.
    ② 매질의 밀도가 증가하면 지연계수는 증가한다.
    ③ 매질의 다공도가 증가하면 지연계수는 감소한다.
    ④ 매질에서 방사성핵종의 분배계수가 증가하면 지연계수는 증가한다.

 

방사성물질을 지하에 처분한다음 오랜 시간이 지나면, 드럼을 뚫고나와 지하수를 통해 움직이면서 환경으로 유출될 가능성이 있다. 

지하수에 있는 용질(방사성폐기물, 오염물)은 주변 다공매질(암반)로 흡착되고 흡수되면서 지하수의 물분자보다 느리게 이동한다. 이렇게 지하수의 물분자에 비해 오염물질이 느리게 흐르는 정도를 지연계수라고 한다.

 

지연계수 RF = 지하수의 유속 / 오염물질의 속도

 

$$RF = 1+\rho K_D / \nu $$

 

$\rho$ : 다공매질(암반)의 밀도

$K_D$ : 분배계수

$\nu$ : 유효공극률

 

분배계수 

$$K_D = \frac{다공매질 질량당 흡착된 오염물질 질량 [g/kg]}{지하수에서의 농도 [g/L]}$$

 

지연계수의 공식에 따라 지연계수는 1보다 작을 수 없다.

매질의 밀도가 크면 지연계수는 크다. 암반의 밀도가 크면 오염물질은 더 느리게 퍼진다는 얘기이다.

매질에 다공도가 크면, 즉, 매질에 빈공간이 많으면 오염물질은 더 빨리 흘러 지연계수는 작다.

핵종의 분배계수가 증가하면, 암반에 더 잘 흡착되어 지연계수도 증가한다.

 

정답 : 1번

 

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39. PUREX 공정의 용매추출과정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
    ① 유기용매인 TBP를 이용한 용매추출로 U, Pu를 따로 분리한다.
    ② Pu는 Pu(III), Pu(IV)으로 산화된다.
    ③ 우라늄은 U(VI)이 U(IV)으로 환원된다.
    ④ 환원제를 첨가하면 U은 유기용매 상에 남고 Pu은 수용액 상으로 추출된다.

 

PUREX : 습식재처리 공정. 사용후핵연료를 TBP를 이용하여 용매추출하여 U와 Pu를 분리해내는 기술

 

공정의 순서는 다음과 같다.

 

1. 전처리 : 연료봉을 절단하고 탈피복을 한다. 질산에 녹이고 배기체와 핵분열생성물을 제거한다. Pu를 +4가로 만들고 U와 질산의 농도를 조절한다.

2. 용매추출 : TBP로 용매추출을 한다.

  2-1 : U와 Pu를 공추출하여 핵분열생성물과 분리한다. 수용상에는 핵분열생성물이, 유기상에는 U와 Pu가 같이 추출된다.

  2-2 : U와 Pu를 분리한다. 4가의 Pu를 3가로 환원시키면 질산수용액에 역추출되어 수용상에 Pu, 유기상에 U가 남는다. 유기상에 잔존하는 U를 수용상에 역추출하고, 유기상에 잔존하는 TBP를 회수한다. 이 때 수용상에는 U, 유기상에는 TBP가 있다.

  2-3 : 정제. U를 추출, 세정, 역추출하여 순도를 높이고, Pu를 4가로 전환시켜 추출, 세정, 역추출한다.

 

3. 정밀정제 : U는 실리카겔 충진탑을 통과시키고 Pu는 이온교환수지를 통과시킨다.

 

4. 탈질산하여 UOX, MOX 분말로 변환

 

 

1번 : TBP를 이용한 용매추출공정으로 U와 Pu를 분리한다.

2번 : Pu는 3가, 4가, 6가 형태로 존재하는데 3가와 6가를 각각 산화, 환원시켜 Pu 4가로 만들어준다. 4가 Pu가 분배계수가 커 추출이 잘되기 때문이다.

3번 : U는 4가와 6가 형태로 존재할 수 있다. 이 중 6가 U가 분배계수가 크다.

4번 : U와 Pu를 공출한 뒤, Pu를 환원시켜주면 U는 유기상에, Pu는 수용상으로 추출된다.

 

2번과 3번 보기는 복원이 제대로 안된 것인지, 애매한 면이 있다.

 

일단 Pu는 전처리 공정에서 3가를 산화시키고 6가를 환원시켜 4가로 만들어 준다.

2번 보기에서 말하는 Pu가 3가와 6가로 산화된다는 것이 무슨 소리인지 모르겠다.

 

3번 보기도 이상한데, U는 4가와 6가 상태로 존재하는데, 6가 가 4가로 되려면 환원이 되어야 하는 건 맞다.

그냥 6가가 4가로 되는 것은 산화인지 환원인지를 물어보는 문제인가?

 

일단 정답은 2번으로 하겠다.

 

 

 

정답 : 2번

 

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40. 가압경수로형 원전 1차 냉각재의 삼중수소 재고량을 저감하기 위한 방법으로 옳지 않은 것은?
    ① pH 조절제로 Li-7 화합물을 사용한다.
    ② 핵연료 피복관의 건전성을 개선한다.
    ③ 제어봉 피복관의 건전성을 개선한다.
    ④ B-10이 농축된 붕산을 반응도 조절제로 사용한다.

 

 

가압형경수로에서 냉각재 내 삼중수소는 여러 과정으로 생긴다.

1. 삼중핵분열로 생긴 삼중수소가 피복재 밖으로 빠져 나옴

2. pH 조절용 리튬의 방사화 , $ ^6Li (n , \alpha ) T $

3. 반응도 조절용 붕소의 방사화 , $ ^{10}B (n, 2\alpha ) T $ 

4. 냉각재 내 미량의 중수소가 방사화

 

비등형 경수로에서는 리튬과 붕소를 사용하지 않기 때문에 PWR보다 1/10정도 밖에 나오질 않는다.

중수로의 경우 중수가 방사화되어 생기는 양이 막대하다. 경수로보다 70배 이상 많이 발생한다.

 

1번 : Li-6이 방사화되어 삼중수소가 생기기 때문에 Li-7이 농축된 리튬을 사용하면 저감할 수 있다.

2번 : 피복관을 더 튼튼하게 하면 핵분열로 생긴 삼중수소가 냉각재로 빠져나오지 못해 저감된다.

3번 : 문제에서는 제어봉에 포함된 붕소를 생각한 것 같다. 제어봉 속의 흡수물질인 붕소가 방사화되어 삼중수소가 생길 수 있으므로 제어봉 피복재를 튼튼하게 하면 저감할 수 있다.

4번 : B-10은 삼중수소를 더 많이 만들기만 할 뿐 저감해주지 못한다.

 

 

정답 : 4번