2013년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

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2013년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

 

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문 21) 금속면에서 비교적 화학적 활성이 큰 부위부터 부식이 집중적으로 진행되는데 비균질 부위나 부분적으로 파괴 부위에서 일어나는 부식은?
➀ 마모부식(Corrosion - Erosion)
➁ 점식(Pitting Corrosion)
➂ 응력부식(SCC)
➃ 틈새부식(Crevice Corrosion)

★ 키워드: 부식

 

부식은 금속이 외부로부터의 전기화학적 작용에 의해 소모되어 가는 현상으로, 원전에서는 핵연료 및 배관 등의 손상 유발의 원인이 되기 때문에 계통수의 수화학 관리가 필수적이다. 

① 마모부식 - (X) 부식성 유체와 금속 사이의 상대적 움직임 및 충격으로 금속이 훼손되는 부식
② 점식 - (O) 보호 피막의 부분적 파괴 또는 비균질 재질 등에서 화학적 활성이 큰 부위부터 진행되는 부식
③ 응력부식 - (X) 고온 고압의 환경에서 인장응력과 부식성 매질로 인해 균열을 일으키는 부식
④ 틈새부식 - (X) 금속 표면 상 갈라진 틈 부위에서 발생하는 부식

정답: ②

 

문 22) 가압경수로형 원전의 1차계통 수화학 관리에 관한 설명으로 가장 맞는 것은?
➀ 원자로의 출력운전 시 냉각재를 약산성 조건으로 유지한다.
➁ 냉각재에 존재하는 방사화된 부식생성물은 주로 망간 페라이트 형태이다.
➂ 원자로를 정지하기 전에 냉각재의 부식생성물을 용해시키기 위해 수산화리튬을 첨가한다.
➃ 원자로의 기동운전 시 냉각재의 용존산소 제거를 위해 하이드라진을 첨가한다.

★ 키워드: 원자로 수화학관리

 

원전 계통의 부식 방지를 위해 수화학 관리가 필요하다. 특히 1차계통은 고온 고압의 극한 환경에서 운전되므로 pH, 용존산소, 부식생성물 등을 관리하여 계통 건전성을 확보할 수 있다.

① 원자로의 출력운전 시 냉각재를 약산성 조건으로 유지한다. - (X) 약산성이 아니라 약알칼리로 유지해야 한다. (1차측: pH 6~8, 2차측: pH 9~10)
② 냉각재에 존재하는 방사화된 부식생성물은 주로 망간 페라이트 형태이다. - (X) 1차측 방사화 부식생성물은 주로 코발트(Co-58, Co-60) 산화물이다.
③ 원자로를 정지하기 전에 냉각재의 부식생성물을 용해시키기 위해 수산화리튬을 첨가한다. - (X) 부식생성물 용해는 과산화수소를 사용한다.
④ 원자로의 기동운전 시 냉각재의 용존산소 제거를 위해 하이드라진을 첨가한다. - (O) 용존산소 제거는 하이드라진(N2H4)을 사용(N2H4 + O2 → 2H2O + N2)한다.

정답: ④

 

문 23) 다음 중 방사평형에 관한 설명으로 틀린 것은?
➀ 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 대략 100배 정도 긴 경우 과도평형(Transient Equilibrium)이 발생한다.
➁ 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 짧을 경우 방사평형 현상은 존재하지 않는다.
➂ 영속평형(Secular Equilibrium)에서는 오랜 시간이 지난 후에 모핵종의 붕괴수와 딸핵종의 붕괴수가 같아진다. ➃ 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 짧으면 결국 딸핵종은 붕괴해버리고 모핵종만이 자신의 반감기에 따라 감쇠한다.

★ 키워드: 방사평형

 

방사평형이란 방사성핵종이 연속적으로 붕괴하고 있을 때, 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 긴 경우, 일정 시간 경과 후 '방사능'과 '원자수의 비'가 일정해지는 현상이다. 모핵종 및 딸핵종의 반감기(또는 붕괴상수)에 따라 일시(과도)평형과 영속(영년)평형으로 분류한다. 

① 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 대략 100배 정도 긴 경우 과도평형(Transient Equilibrium)이 발생한다. - (O) 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 적당히 클 경우(대략 100배)가 과도평형이다.
② 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 짧을 경우 방사평형 현상은 존재하지 않는다. - (O) 모핵종의 반감기가 딸핵종보다 긴 경우에만 방사평형을 이룰 수 있다.
③ 영속평형(Secular Equilibrium)에서는 오랜 시간이 지난 후에 모핵종의 붕괴수와 딸핵종의 붕괴수가 같아진다. - (O) 충분한 시간이 경과되면 모핵종과 딸핵종의 붕괴 수 및 방사능이 평형을 이룬다.
④ 모핵종의 반감기가 딸핵종의 반감기보다 짧으면 결국 딸핵종은 붕괴해버리고 모핵종만이 자신의 반감기에 따라 감쇠한다. - (X) 모핵종의 반감기가 딸핵종보다 짧으면 방사평형을 이루지 않는다. 반감기가 짧은 모핵종이 먼저 붕괴해버리고 그 이후부터 딸핵종만이 자신의 반감기에 따라 감쇠한다.

정답: ④

 

문 24) 냉각재에 존재하는 방사화 부식생성물인 크러드(CRUD)의 특성 중 틀린 것은?
➀ pH를 높게 유지하면 크러드의 침적율을 감소시킬 수 있다.
➁ 크러드는 저열속(Low Heat Flux) 부위에 침적하는 경향이 있다.
➂ 크러드는 방사선속(Radiation Flux)에서 침적이 증가한다.
➃ 크러드는 스테인리스강보다 지르칼로이 표면에서 두껍게 침적되는 경향이 있다.

★ 키워드: 크러드(CRUD)

 

크러드(CRUD, Chalk River Unidentified Deposits)는 원자로냉각재 내 방사화된 부식생성물이다. 금속 구조물의 부식, 마모 등에 의해 생성되는 현탁상의 금속화합물로써 헤마타이트, 마그네타이트형의 철산화물이 주성분이다. 전하를 띠기 때문에 금속 표면에 침적하는 특징이 있다.

○ 크러드의 특징
- 고열속 부위에서 침적 증가 → ②
- 고방사선속 부위에서 침적 증가 → ③
- 저유속 부위에서 침적 증가
- 스테인리스강보다 지르칼로이 표면에서 침적 증가 → ④
- pH가 높으면 침적 감소 → ①

② 크러드는 저열속(Low Heat Flux) 부위에 침적하는 경향이 있다. - (X) 저열속이 아니라 고열속 부위에서 침적이 증가한다.

정답: ②

 

문 25) 다음 중 연료손상 메커니즘(Mechanism)이 아닌 것은?
➀ Bowing
➁ Creep
➂ Fretting
➃ Sipping

★ 키워드: 연료손상 메커니즘

○ 연료손상 기구
- 피복재 평탄화(Flattening): 펠렛의 고밀화에 따른 축방향의 재배열, 피복재 creep에 의해 발생
- 연료봉 성장(Rod Growth): 중성자 조사, creep, 연료-피복재 역학적 상호작용(PCMI)에 의해 발생
- 연료봉 휨(Bowing): 연료봉에 굽힘 모멘트*가 가해진 상태에서 creep에 의해 영구적으로 변형
- 마모(Fretting): 진동에 의하여 피복재와 그리드 사이의 마찰 또는 이물질에 의한 마모

*굽힘 모멘트 원인
 - 그리드 구속력에 기인한 그리드 압축력과 초기 굽힘의 배압
 - 피복재 두께의 원주 방향의 불균일성
 - 연료-피복재 상호작용(PCI)
 - 제어봉 안내관과 연료봉의 팽창 오차
 - 안내관과 연료봉 열처리 차이에 의한 성장 오차

④ Sipping - (X) Sipping은 연료 건전성을 진단하기 위해 시료를 채취하여 검사하는 방법으로 연료손상 메커니즘이 아니다.

 

정답: ④

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1. 최초작성(2021. 9.19.)