16. 무한증배계수(k∞)를 구성하는 4인자에 대한 설명으로 틀린 것은? ① 속핵분열 인자(ε)는 열중성자 핵분열에서 생성되는 증성자수에 대한 전체 핵분열에서 생성되는 중성자수의 비로 나타낸다. ② 일정량의 중성자는 열에너지 영역에 도달하기 전에 공명영역에서 흡수되며, 공명흡수 확률(p)로 표시한다. ③ 열중성자이용률(f)은 전체 흡수반응률에 대한 핵연료에서의 흡수반응률로 정의된다. ④ 핵연료에 흡수되는 열중성자 1개 당 생성되는 핵분열 중성자의 평균수를 재생계수(η)로 표시한다.
무한증배계수는 누설이 없는 무한한 크기의 원자로에서 중성자 1개가 사라질 때 몇개의 중성자를 생성하느냐를 나타내는 인자이다.
나머지 세가지 인자에 대한 설명은 모두 맞는데
2번, 공명이탈확률 p는 설명이 반대로 되었다.
열외중성자가 공명영역에서 흡수되지 않고 무사히 열중성자까지 감속될 확률이다.
정답 : 2번.
17. Fick’s law( J = - D∇Φ)에 대한 설명 중 틀린 것은? 단, J:중성자류, D:확산계수, Φ: 중성자속 ① 기체 확산과 유사하게 중성자 확산을 설명하기 위해 사용한다. ② 감속재 영역에 적용하면 큰 오차가 발생한다. ③ 원자로 내의 중성자 흐름은 용액 내의 용질과 유사하게 거동한다. ④ 중성자류의 크기는 중성자속의 차이에 비례한다.
중성자의 확산을 용액의 용질이 확산하는 것처럼 생각하여 픽의 법칙으로 표현할 수 있다.
중성자도 농도가 진한쪽에서 낮은쪽으로 흘러갈 것이라고 보는 것이다.
식을 보면, 중성자속구배에 중성자류가 비례함을 알 수 있다.
부호가 - 인 것은, 구배가 양이면, 반대로 중성자가 확산됨을 나타낸 것이다.
이 픽의법칙에는 몇가지 가정과 한계점이 있다.
픽의 법칙의 가정(전제조건)
1. 무한, 균일 매질
2. 중성자 생성이 없는 곳
3. 모든 위치에서 반응단면적 일정
4. 중성자는 등방산란함
5. 정상상태 ( 시간에 따른 변화 없음)
픽의 법칙을 적용할 수 없는 곳 : 편향된 중성자속 분포가 있는 곳
1. 중성자 선원 근처, 연료 근처
2. 강한 중성자 흡수체 근처
3. 원자로 외각 경계
4. 서로 다른 두 물질의 경계
5. 중성자 산란이 비등방성인 곳
2번 : 감속재영역은 연료 근처도, 제어봉 근처도 아니므로 픽의 법칙을 적용하는데 무리가 없다.
정답 : 2번
18. 고속로에 대한 설명 중 틀린 것은? ① 감속재가 필요 없고, 증식(Breeding)이 용이하다. ② 높은 중성자에너지 영역에서는 공명흡수 구간이 서로 중첩되어 구분하기 어렵다. ③ 공명영역에서 흡수반응률은 중성자 스펙트럼 Φ(E)에 의존한다. ④ 안전한 운전을 위해 도플러계수(α_prompt)를 양(+)이 되도록 해야 한다.
고속로는 속중성자의 분열을 활용하는 노형이다.
1. 속중성자를 그대로 사용하므로 감속재가 필요없다. 또한 열중성자에 비해 재생계수가 커서 증식이 더 잘된다.
2. 공명영역보다 더 큰 에너지에서 공명흡수들이 서로 중첩되어 구분하기 어려워진다.
3. 공명흡수반응률은 공명흡수단면적과 중성자속의 곱이다. 따라서 중성자스펙트럼에 의존한다.
4. 도플러계수(핵연료온도계수)는 음이되어야 한다.
소듐을 사용하는 고속로의 경우, 과도사고 시, 열전달이 빠른 소듐의 상실이 매우 빠를 수 있다. 또 노심의 구조물이 변형되어 핵연료들이 중앙으로 밀집될 수 있는데, 이런 이유로 즉발임계의 우려가 있다. 즉발임계에 도달하면, 제어봉 낙하조차도 이 반응도를 제어하기에 시간이 충분하지 않다.
금속핵연료의 열전달은 매우 빠르므로 핵연료 온도는 제일 빠르게 변화하고, 핵연료온도계수가 음이라면, 즉발임계 상황을 맞아도 반응도 제어가 가능해진다.
정답 : 4번
19. 다음 식은 원자핵의 결합에너지에 대한 Wiezsäcker의 반경험적 질량 공식(액적모델 또는 Liquid drop model)을 나타낸다. 이 공식에 따르면 주로 질량수가 작은 핵종들에 대해 핵자 당 결합에너지의 오차가 발생하는데, 이러한 오차를 발생시키는 데 가장 큰 영향을 주는 것은 어느 항과 관련이 있는가? ① (가) 부피(Volume) 항 ② (나) 표면(Surface) 항 ③ (다) 쿨롱(Coulomb) 항 ④ (라) 대칭(Symmetry) 항
결합에너지를 예측하는 물방울 모형은 원자번호 20 이상의 핵종에 대해서는 잘 예측하나, 가벼운 핵종들에서는 오차가 생긴다.
이 오차는 표면적 항 때문이다
핵자들은 똘똘뭉쳐있을 때 강력을 형성하면서 서로 달라 붙고 결합에너지를 크게 한다.
서로 인접한 인자들끼리 강력을 형성할테니까, 강력은 부피에 비례한다고 보고 처음 시작을 부피항에서 시작한다.
근데 부피항은 결합에너지를 과대평가하는데, 표면에 있는 핵자들은 강력을 더 적게 받기 때문이다.
이를 고려하여 부피항에서 표면적항을 빼준다.
이후, 서로의 쿨롱반발력과, 에너지준위의 비대칭, 페어링항까지 보정하면 식이 완성된다.
가벼운 핵종에서는 표면적이 부피에 비해 더 크기 때문에, 위 식은 오차가 생긴다.
정답 : 2번
20. 중수로에 대한 설명으로 틀린 것은? ① 중수를 냉각재와 감속재로 사용하는 열중성자로이다. ② 정상운전 시 노심에서의 비등을 허용하지 않는다. ③ 중수는 열중성자 흡수단면적이 매우 작아서 핵연료로 천연우라늄을 사용해도 임계에 도달할 수 있다. ④ 잉여반응도가 작아 가동 중 신연료 장전을 수행한다.
우리나라 월성에는 중수로 CANDU가 있다.
CANDU 노형을 기준으로 문제를 풀겠다.
1.
CANDU는 냉각재와 감속재 모두 중수를 사용한다.
우리나라의 가압경수로에서는 냉각재와 감속재가 구분되어있지 않지만,
CANDU에서는 냉각재와 감속재는 격리되어 있다. 둘 모두 중수이다.
2.
가압중수로라 하더라도 정상운전 중 핵비등은 허용한다. 이는 가압경수로도 마찬가지이다.
3.
중수를 사용하는 이유는 중수의 흡수단면적이 경수에 비해 많이 작기 때문이다.
충돌당 감속시키는 능력 자체는 경수가 더 좋지만, 중성자 흡수가 더 적기 때문에 감속비는 중수가 더 크다.
중성자 흡수가 적으므로 천연우라늄을 사용해도 임계에 도달할 수 있다.
4.
농축우라늄을 사용하지 않기 때문에 잉여반응도가 작다.
핵연료가 연소됨에 따라 증배계수가 감소할텐데, 감소해도 임계를 유지할 수 있도록, 맨 처음에 증배계수가 1보다 크게 장전한다. 얼마나 크게 장전하냐가 잉여반응도이다.
중수로는 잉여반응도가 작기 때문에 경수로처럼 1년반씩 운전할 수 없다. 중수로는 운전 중에도 연료를 교체할 수 있도록 설계되어 있어, 매일매일 새 연료를 집어넣고 폐연료를 꺼낸다.
