[원자력기사 기출 풀이] 2023년 핵재료공학 및 핵연료 관리 6 ~ 10번

 

 

 

26. 이산화우라늄 핵연료의 특징으로 옳지 않은 것은?     
 ① 결정은 형석형입방정이며 융점은 2,850 ℃, 밀도는 10.96 $g/cm^3$이다.
 ② 열전도도가 상온에서 약 1,500 ℃까지는 증가하다가 그 이상 온도에서는 감소한다.
 ③ 연소 시 핵분열기체 방출은 소결체의 팽창을 유발하며 연소도가 증가할수록 커진다.
 ④ 소결체는 연소 초기 조사에 의해 고체 내 결함이 증가하며 공극, 기포를 흡수하여 고밀화가 생긴다

 

1, 3, 4번은 맞는 설명입니다.

 

3번

팽윤 - Swelling. 연소가 진행되면, 고체 핵분열생성물 2개의 평균밀도는 우라늄 1개의 밀도보다 작아서, 부피가 늘어나게 됩니다. 또, 기체 핵분열생성물이 확산하여 기포를 형성하게 되어 부피가 증가하게 됩니다.

이런 연소(핵분열)와는 별개의 팽윤도 일어나는데, 중성자조사에 의해 격자간 원자가 생기고, 이들이 구상결함(void)를 생성하며 부피가 증가합니다.

 

4번

고밀화 - Densification. 소결체에 약 5 % 정도의 기공이 존재하는데, 이들이 격자간 원자와 만나 사라지거나, 핵분열 파편과 충돌해 축소, 소멸되어 부피가 감소하게됩니다. 

 

아래 그림처럼, 연소초기에는 고밀화가 지배적이여서 부피가 줄어들다가, 이후 팽윤 이 더 커져 부피가 늘어나게 됩니다.

 

연소도-소결체 부피 곡선

 

 

 

2번 : UO2의 열전도도는 1500 ℃ 까지 감소하다가 그 이후 다시 증가하는 특성을 보입니다.

   - phonon의 격자진동에 의해 열전달이 되는데, 온도가 상승할수록 열진동이 증가하여 열전달이 방해되어 열전도도가 감소합니다. 그러다 더 고온이 되면 전자에 의한 열전달이 추가되어 다시 증가합니다.

 

UO2의 온도 - 열전달 곡선

 

정답 : 2

---

27. 핵연료 피복재로 사용되는 지르칼로이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
  ① 중성자 흡수단면적이 상대적으로 작다.
  ② 고온에서 기계적 강도가 좋으므로 팽창은 고려하지 않아도 된다.
  ③ 내부식성이 좋다.
  ④ 1,200 ℃ 이상에서는 물과 화학반응을 일으켜 수소를 발생한다.

 

1, 3, 4는 맞는 설명입니다.

1, 3 : 지르칼로이는 중성자 흡수가 적고, 스테인리스 스틸 수준의 내식성을 가지고 있습니다. 이런 성질은 가공이 용이하다는 점과 함께 핵연료의 피복재로 널리 사용되고 있는 재료입니다. 단점으로는, 조직의 이방성이 있고, 열전도도가 낮다는 것 입니다.

4 : $Zr + H_2O \rightarrow ZrO_2 + H_2$ 로 수소를 발생시킵니다. 이렇게 생성된 수소는 $ZrH_2$를 형성하여 피복관의 연성을 낮추고 취성파괴를 가속시키는데, 이를 수소화(hydriding) 이라고 합니다.

 

2 : 지르코늄은 1000 ℃ 정도에서 상전이(단사정계 $\rightarrow$ 정방형계)를 일으켜 부피가 급격히 팽창하게 됩니다.

 

정답 : 2

---

28. 사용후핵연료의 재처리 목적이 아닌 것은?
   ① 유용한 핵분열성 물질의 회수
   ② 방사성 핵분열 생성물의 제거
   ③ 방사성 물질의 장기보관을 위한 형태 변화
   ④ 장 반감기 핵분열 생성물의 핵종 변환

 

사용후핵연료의 재처리 : 사용후핵연료를 물리, 화학적으로 변화시켜, 유용한 핵물질을 재사용할 수 있도록 회수하고, 핵분열생성물들을 분리하여 향후 더 효과적으로 처분할 수 있도록 하는 것.

 

4번은 소멸 처리( Transmutation), 파쇄 ( spallation) 에 대한 설명입니다.

사용후핵연료에 중성자나 양성자, 고에너지 감마선을 조사시켜 반감기가 작은 핵종으로 변환시켜 폐기물의 관리기간을 줄이는 기술입니다.

예를들어

  - 사용후핵연료의 초우라늄 핵종인 Np, Am 등을 고속로에서 고속중성자로 핵분열시켜 반감기를 짧은 핵종으로 변환시킴

  - 장반감기 핵분열생성물인 I-129 와 Tc-99를 열중성자로에서 방사화시켜 단반감기 핵종으러 변환시킴.

 

답지에는 정답이 4번으로 되어있는데, 약간 애매해보입니다.

예를들어 파이로프로세싱의 주 목적은, 사용후핵연료에서 초우라늄핵종들을 추출하여, 이를 고속로에서 소멸처리하기 위함이기 때문입니다.

즉, 고속로에서 소멸처리를 하려면 파이로프로세싱이 선행되어야 하는 것이지요. 소멸처리와 재처리는 함께입니다.

 

저에게 3번은 재처리에 대한 설명이 아닌, 고화처리에 대한 설명으로도 읽혀집니다. 

 

정답 : 4?? 3??

---

29. Co-60이 포함된 고체 방사성폐기물(단일핵종 오염)이 발생하 였다. 이 폐기물이 극저준위방사성폐기물에 해당하는 농도 범위는? (단,  Co-60 자체처분 농도 기준은 0.1 Bq/g이다.)
  ① 0.1 ~ 1 Bq/g    ② 0.1 ~ 10 Bq/g       ③ 0.5 ~ 5 Bq/g    ④ 0.5 ~ 50 Bq/g

 

우리나라 법령 상 방사성폐기물 분류기준은 아래와 같습니다.

 

극저준위에 해당하는 농도는, 자체처분 농도 ~ 자체처분 농도 100배에 해당하는, 0.1 ~ 10 Bq/g 입니다.

 

정답 : 문제 오류로 전원정답 처리되었다고 합니다. 

---

30. 국내 경수로 원전에서 액체방사성폐기물 배출(단위:TBq) 시, 가장 많이 배출되는 방사성핵종은? 
   ① H-3    ② Co-60     ③ I-131     ④ Cs-137

 

원자력발전소에서 삼중수소의 생성은 다음과 같습니다.

  - PWR : Li-6와 B-10의 방사화, 삼중핵분열, 미량의 중수소의 방사화,

  - 중수로 : 삼중핵분열과 중수소의 방사화

  - BWR : 삼중핵분열과 미량의 중수소의 방사화

 

PWR에서 삼중수소의 환경방출량은 다른 입자상 핵종보다 1000 많습니다.

중수로의 경우, 감속재와 냉각재로 중수를 사용하기 때문에 $D(n,\gamma)T$ 반응으로 인하여 PWR보다 70배 이상 삼중수소 농도가 높습니다.

 

I-131과 Cs-137은 핵분열생성물들로서, 원전 사고시 대량으로 방출되는 물질이긴 하나, 이들은 기체 유출물로 방출됩니다.

Co-60도 대표적인 방사화부식생성물인데, 주로 부유입자 형태로 기체유출물로 방출됩니다.

 

정답 : 1번