2014년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력 계통공학 01~05)

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2014년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력 계통공학 01~05)

 

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문 1) 다음 중 핵연료봉에서 냉각재로 열전달을 향상시킬 수 있는 방법으로 적합하지 않은 것은?
➀ 연료봉 내 헬륨 층을 감소시킨다.
➁ 열전도도가 높은 피복재를 사용한다.
➂ 부식 막의 두께를 얇게 한다.
➃ 침전 층의 두께를 두껍게 한다.

★ 키워드: 핵연료 열전달

 

핵연료에서 발생한 열을 냉각재로 전달하는 것은 중요하다. 연료 펠렛의 중심선을 기준으로 냉각재까지의 열은 ‘Fuel(핵연료)-Gap(헬륨 층)-Cladding(피복재)-Oxide(산화막)-CRUD(크러드 또는 침전층)-Coolant(냉각재)' 순서로 전달된다.

 

선지 구성을 보시면 1번이 Gap(헬륨 층), 2번이 Cladding(피복재), 3번이 Oxide(부식막), 4번이 CRUD(침전층)을 이야기 하고 있습니다.

① 연료봉 내 헬륨층을 감소시킨다. - (O) 연료 펠렛 제조 시 열전달을 향상시키기 위해 헬륨 가스를 충전한다. 헬륨층을 감소시키는 것은 열전달을 오히려 잘 안 되는 것으로 이해할 수 있다. 하지만 고체와 기체의 열전달을 비교한다면, 고체에서 열전달이 더 잘 일어나기 때문에 헬륨층을 감소시키는 것은 펠렛의 열전달을 향상시킬 것이다. Gap의 크기를 줄이면(Cladding을 왼쪽으로 당기면), 온도분포가 오른쪽이 열전달이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있다.  
② 열전도도가 높은 피복재를 사용한다. - (O) 열전도도가 높으면 열전달이 더 잘 일어난다.
③ 부식막의 두께를 얇게 한다. - (O) 지르코늄 산화막은 열전달을 어렵게한다. 따라서 부식막의 두께를 얇게 함으로써 열전달을 향상시킬 수 있다.
④ 침전층의 두께를 두껍게 한다. - (X) 증기발생기에서도 크러드 침적은 열전달 성능을 저하시킨다. 마찬가지로 핵연료 피복재 표면에 생긴 크러드는 열전달에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 그 두께를 줄여야 한다.

정답: ④

 

문 2) 원전 냉각재의 성질로 적합하지 않은 것은?
➀ 높은 비등점
➁ 높은 유도방사능
➂ 높은 열전달 특성
➃ 낮은 중성자 흡수단면적

★ 키워드: 원자로냉각재

 

① 높은 비등점 - (O) 작동온도를 높이면 열효율을 최대화할 수 있다.

② 높은 유도방사능 - (X) 유도방사능이 높은 경우 원전 기기 및 장치의 건전성 및 취급에 문제가 발생할 수 있다.

③ 높은 열전달 특성 - (O) 열원으로부터 열제거를 용이하게 하기 위해서 열전달 특성이 높아야 한다.

④ 낮은 중성자 흡수단면적 - (O) 핵연료의 중성자이용율 측면에서 핵연료 외 재료에서는 중성자 흡수가 적어야 한다.

 

정답: ②

 

문 3) 가압경수로형 비상노심 냉각계통의 설계기준에 해당하지 않는 것은?
➀ 핵연료 피복재의 최고 온도(Cladding Peak Temperature)
➁ 핵연료 피복재의 최대 산화(Cladding Oxidation)
➂ 최대 수소 생성율(H Generation Rate)
➃ 안전주입 최대 유량(Safety Injection Flow Rate)

★ 키워드: 비상노심냉각계통(ECCS)

 

① 핵연료 피복재의 최고 온도 - (O) Zr-H2O 반응을 억제하여 피폭재의 손상을 방지하기 위해서 피복재 표면의 최대 온도를 2200℉(1204℃) 이하로 유지해야 한다.

② 핵연료 피복재의 최대 산화 - (O) 피복재 국부적강도와 연성의 상실 방지를 위해 피복재 산화율을 피복재 두께 17% 이하가 되도록 해야 한다.

③ 최대 수소 생성율 - (O) 격납용기 및 노심 내 수소기체의 축적과 이로 인한 폭발 방지를 위해 노심 전체 지르칼로이와 물과 반응하는 가상 총 수소 생산량의 1% 이하가 되도록 해야 한다.

④ 안전주입 최대 유량 - (X) 관련이 없는 내용

 

이외에도 냉각재 유량형성 차단에 따른 피복재 손상을 방지하기 위해서 연료다발의 기하학적 형상을 원형 그대로 유지해야 한다. 또한 부가적인 노심손상을 방지하기 위해 장기간 노심냉각 용량을 유지하여 노심 붕괴열을 제거할 수 있도록 해야 한다.

 

정답: ④

 

문 4) 원자로용기 재료의 요구조건에 대한 설명 중 틀린 것은?
➀ 기계적 특성과 피로 특성이 양호할 것 
➁ 파괴인성이 우수할 것
➂ 중성자 조사취화가 잘 일어날 것
➃ 용접성 및 가공성이 우수할 것

★ 키워드: 원자로 구조재료

 

○ 원전 구조재료 요건

- 낮은 중성자 흡수율

- 높은 기계적 강도와 연성 및 피로 특성 양호

- 우수한 파괴인성

- 우수한 고온 안정성(열저항성)

- 우수한 조사 안정성 : 조사 취화가 잘 일어나지 않을 것

- 낮은 유도방사능

- 우수한 열전달 특성

- 고온 내식성

- 우수한 용접성 및 가공성

 

① 기계적 특성과 피로 특성이 양호할 것 - (O) 옳은 설명

② 파괴인성이 우수할 것 - (O) 옳은 설명

③ 중성자 조사취화가 잘 일어날 것 - (X) 조사취화는 원전 재료건전성에 안 좋은 영향을 주기 때문에 조사취화가 잘 일어나서는 안 된다.

④ 용접성 및 가공성이 우수할 것 - (O 옳은 설명

 

정답: ③

 

문 5) 원전 증기발생기 2차측 압력증가를 유발시키는 과도상태가 아닌 것은?
➀ 주증기 배관 소형 파단 
➁ 한 개 유로의 주증기 차단밸브 닫힘
➂ 터빈부하 급감발
➃ 터빈정지

★ 키워드: 증기발생기 압력

 

① 주증기 배관 소형 파단 - (X) 주증기 배관이 파단되는 경우 증기발생기에서 생성된 증기가 파단 부위를 통해 배관 외부로 유출되면서 2차측 증기발생기 압력이 감소한다.

② 한 개 유로의 주증기 차단밸브 닫힘 - (O) 쉽게 생각해서 정상운전 시 10만큼의 증기가 두 개의 유로를 통해서 동일한 양(5)만큼 흐르다가 한 쪽이 막혀버리면 남은 한 쪽 유로의 압력이 증가할 것이다.
③ 터빈부하 급감발 - (O) 원자로 출력과 터빈 출력을 맞춰서 운전하다가 터빈 부하가 급감하면, 그 만큼 원자로 출력에 상응하여 발생된 증기를 커버하지 못해 2차측 압력이 높아지게 될 것이다.
④ 터빈 정지 - (O) 터빈 급감발과 마찬가지로 1차측 열을 제거하기 위해서 증기는 생산되는데 터빈이 정지해서 증기의 에너지가 터빈을 돌리지 못하면 증기발생기 압력이 증가할 것이다.

정답: ①

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1. 최초작성(2021. 9.20.)