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문 1) 가압경수로에서 사용하는 가연성 독물질의 기능 중 틀린 것은? ➀ 가연성 독물질이 점차 연소되어 연료연소로 줄어드는 노심의 반응도를 부분적으로 보상한다. ➁ 더 많은 신연료를 장전할 수 있게 한다. ➂ 노심의 수직방향 출력 분포를 균일화한다. ➃ 주기 초 붕소농도가 높을 때 감속재 온도계수가 정(+)이 되는 것을 방지한다.
★ 키워드: 가연성 독물질
가압경수로에서 노심의 반응도를 제어하기 위해서 사용되는 것은 제어봉(Control Rod), 붕산수(Chemical Shim), 그리고 가연성 독물질봉(Burnable Poison Rod)이다.
➀ 가연성 독물질이 점차 연소되어 연료연소로 줄어드는 노심의 반응도를 부분적으로 보상한다. - (O) 주기 초 핵연료의 잉여반응도를 보상하기 위해 가연성 독물질(봉)이 연료봉과 함께 노심에 장전된다. 가연성 독물질은 중성자를 흡수(연소)하고 그 양이 감소되어 연료연소에 따른 부 반응도를 부분적으로 보상한다. ➁ 더 많은 신연료를 장전할 수 있게 한다. - (O) 핵분열반응을 유지하기 위해서 주기 초 원자로 임계 유지에 필요한 핵연료량 보다 더 많은 핵연료를 장전하는 경우 잉여반응도가 주입되는데, 이를 주기 말까지 효과적으로 제어하기 위해서 가연성 독물질이 사용된다. ➂ 노심의 수직방향 출력 분포를 균일화한다. - (X) 수직방향이 아니라 반경방향 출력 첨두치를 제어하여 반경방향 출력 분포를 균일화한다. ➃ 주기 초 붕소농도가 높을 때 감속재 온도계수가 정(+)이 되는 것을 방지한다. - (O) 주기 초 핵연료의 잉여반응도 보상을 위해 붕소농도를 높이면 감속재온도계수(MTC)가 정(positive)이 되어 안전 측면에서 좋지 않다. 따라서 붕소농도를 낮추기 위해 가연성 독물질을 사용함으로써 주기 초 MTC를 부(negative)로 유지할 수 있다.
정답: ③
문 2) 중성자에 대한 거시적 단면적을 설명한 것 중 옳은 것은? ➀ 거시적 단면적의 단위는 Barn으로 나타내며, 10-24 cm2에 해당한다. ➁ 총 거시적 단면적은 거시적 산란단면적과 거시적 방사포획 단면적의 합을 의미한다. ➂ 거시적 단면적은 중성자가 단위길이 진행 동안 해당 원자핵들과 반응할 확률을 의미한다. ➃ 거시적 단면적은 중성자가 해당 원자핵들과 단위부피 당 단위시간 당 반응한 개수를 나타낸다.
★ 키워드: 거시적 단면적
단면적(Cross section, XS)은 방사선이 물질과 상호반응할 확률을 면적으로 나타낸 개념으로. 미시적 단면적(microscopic XS)과 거시적 단면적(Macroscopic XS)이 있다.
➀ 거시적 단면적의 단위는 Barn으로 나타내며, 10-24 cm2에 해당한다. - (X) 거시적 단면적의 단위는 cm^-1이다. (barn은 미시적 단면적의 단위) ➁ 총 거시적 단면적은 거시적 산란단면적과 거시적 방사포획 단면적의 합을 의미한다. - (X) 총 거시적 단면적은 거시적 산란단면적과 거시적 흡수단면적의 합이다. ➂ 거시적 단면적은 중성자가 단위길이 진행 동안 해당 원자핵들과 반응할 확률을 의미한다. - (O) 거시적 단면적은 미시적 단면적과 원자수밀도의 곱(Σ〓σN)으로 구할 수 있다. 이때 미시적 단면적의 단위는 cm^2이고, 원자수밀도의 단위는 #/cm^3이므로 거시적 단면적은 1/cm가 된다. 이는 중성자가 단위길이 당 원자핵과 반응할 확률이라고 말할 수 있다. ➃ 거시적 단면적은 중성자가 해당 원자핵들과 단위부피 당 단위시간 당 반응한 개수를 나타낸다. - (X) 단위부피, 단위시간 당 반응 수[#/cm^3·sec]는 거시적 단면적과 중성자 플럭스의 곱으로 나타나는 (중성자)반응률(R=Σφ)이다.
정답: ③
문 3) 원자로 제어에서 중요한 역할을 하는 지발중성자는 핵분열 즉시 방출되는 즉발중성자와 달리 핵분열 시 지연 방출된다. 다음 중 그 이유로 맞는 것은? ➀ 핵분열 시 감속재에 따른 지연 감속으로 인해 방출되기 때문이다. ➁ 핵분열 즉시 방출되는 중성자로서 중성자의 방출 에너지가 낮기 때문이다. ➂ 핵분열 시 생성되는 중성자의 평균수명이 약 10^-5 초로서 길기 때문이다. ➃ 핵분열 후 분열생성물이 방사성 붕괴를 해가는 과정에서 방출되기 때문이다.
★ 키워드: 지발중성자
불안정한 핵분열생성물(Fission product)의 방사성붕괴로 방출되는 지발중성자는 원자로 제어 측면에서 시간 지연 효과의 원인으로 작용한다. 핵분열 반응 결과 핵분열생성물과 함께 즉시 방출되는 즉발중성자와 달리 지발중성자는 핵분열 생성물의 방사성붕괴로부터 방출되므로, 평균 중성자 세대시간(즉발중성자와 지발중성자를 모두 고려한)을 비약적으로 증가시켜 원자로 제어장치 및 운전원의 통제의 시간적 여유를 보장한다.
정답: ④
문 4) 아래의 중성자 확산 방정식에서 D∇^2φ의 물리적 의미는? ➀ 단위 면적 당, 단위 시간 당 확산되는 중성자 수 ➁ 단위 길이 당, 단위 시간 당 확산되는 중성자 수 ➂ 단위 부피 당, 단위 시간 당 확산되는 중성자 수 ➃ 단위 시간 당 확산되는 중성자 수
★ 키워드: 중성자 확산방정식
개별 중성자 거동을 추적하는 수학적 모델링은 쉽지 않다. 만약 중성자가 기체가 확산하는 것처럼 밀도가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 이동하는 성질을 가진다면, Fick's law(Fick의 법칙)을 적용하여 비교적 간단한 수식으로 설명할 수 있을 것이다.
중성자 확산방정식의 각 항의 단위는 반응률(단위 부피, 단위 시간 당 반응하는 중성자 수[#/cm^3·sec])이다. Fick의 법칙에 따라 확산계수(D)가 있는 항은 중성자의 누설 또는 확산을 나타내는 항이므로, 단위 부피 당 단위 시간 당 확산되는 중성자의 수를 의미한다.
정답: ③
문 5) 다음 중 운전 중인 원자로의 정지여유도(Shutdown Margin)를 감소시키는 것은? 단, 붕소농도는 일정하다고 가정한다. ➀ 원자로 운전 중 연료의 연소 ➁ 원자로 운전 중 가연성 독물질 연소 ➂ 원자로 출력 변동에 따른 Sm-149 축적 ➃ 원자로 출력 변동에 따른 Xe-135 축적
★ 키워드: 정지여유도
정지여유도(Shutdown Margin)는 모든 제어봉집합체 중 제어능(Rod worth)가 가장 큰 집합체가 완전히 인출되고, 나머지 집합체가 완전 삽입되었다고 가정할 때, 원자로가 미임계 또는 현재로부터 미임계일 수 있는 순간 반응도 변화량을 의미한다. 원자로가 안전하게 정지하기 위해서 필요한 부반응도의 여유분(margin)이라고 생각한다면 어렵지 않게 접근할 수 있다. 붕소 농도가 일정하다고 가정할 때 정지여유도를 감소시키는 원인을 찾는 문제입니다.
➀ 원자로 운전 중 연료의 연소 - (X) 연료가 연소되면 노심 내 핵분열성물질이 줄어들어 부반응도가 삽입되는 효과를 나타낸다. 그만큼 원자로정지를 위해 필요한 부반응도가 작아지므로 정지여유도는 증가한다고 볼 수 있다. ➁ 원자로 운전 중 가연성 독물질 연소 - (O) 가연성 독물질은 중성자를 흡수하는 물질로 노내 부반응도를 삽입한다. 따라서 이러한 가연성 독물질의 연소는 정반응도를 삽입하는 효과를 가져오므로 원자로정지를 위한 정지여유도를 감소시킨다. ➂ 원자로 출력 변동에 따른 Sm-149 축적 - (X) 사마리움은 핵분열 생성 독물질로 출력 변동에 따라 사마리움이 축적되면 부반응도 효과를 가져오므로 정지여유도는 증가한다. ➃ 원자로 출력 변동에 따른 Xe-135 축적 - (X) 제논은 사마리움과 마찬가지로 핵분열 생성 독물질이다. 제논의 축적은 정지여유도를 증가시킨다.
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