2014년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

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2014년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

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문 21) 핵연료 펠렛 제조 시 일차 수소화 현상으로 인한 연료손상을 방지하고자 품질관리 측면에서 조절하는 인자는?
➀ 펠렛 밀도
➁ 펠렛 내의 수분함량
➂ 펠렛 내의 등가 붕산량
➃ 우라늄 질량

★ 키워드: 수소화

 

운전 중 핵연료의 손상 원인에는 이물질, 유체 진동에 의한 그리드와 연료봉의 프레팅(Fretting), 그리고 피복관의 수소화에 의한 손상(수소취화) 등이 원인으로 작용한다. 피복재 수소화는 피복재의 지르코늄(Zr)과 냉각재에서 분해된 수소가 반응하여 수소화합물을 형성하는 반응으로, 1차 수소화와 2차 수소화로 구분한다. 보통 피복관의 1차 수소에 따른 1차 결함이 확산되어 2차 수소화가 발생하는 경향이 있다.

 

○ 1차 수소화 현상

- 소결체에 함유된 습분(근본 원인) 또는 핵연료봉 제작 시 유입된 유기오염물의 방사화분해로 수소 생성
- 수소가 피복관의 Zr과 반응하여 지르칼로이 수소화합물(ZrH2) 생성
- 수소화 가속에 따라 국부팽창 및 응력 가중(Sunburst 현상)
- 온도가 낮은 방향으로 수소확산 진행, Breakthrough 결함 가속

○ 수소화 방지 대책: 핵연료 제조 시 소결체 습분, 불순물 함유 제한

 

정답: ②

 

문 22) 응력부식균열의 설명 중 틀린 것은?
➀ 비교적 작은 부식에 의해서도 균열을 초래한다.
➁ 고온, 고압계통에서 물리적 응력집중 현상이 있을 경우 발생한다.
➂ 부식의 진행속도가 느리고 금속표면에 균일하게 피막을 형성한다.
➃ 이 종류의 부식 방지책의 수단으로 응력수준을 낮추어 설계 개선한다.

★ 키워드: 응력부식균열(SCC)

 

응력부식균열(Stress Corrosion Cracking; SCC)은 인장응력과 부식성 매질 환경에서 부식 및 균열이 발생하는 현상이다.  단순 금속보다는 합금에서 빈번하게 관측되며, 인장응력에 의해 균열 초기 진행단계에서 보호피막을 파괴하여 사고를 유발한다. 

 

○ SCC 특징
- 비교적 작은 부식에 의해서 균열 초래
- 고온, 고압 계통에서 물리적 응력집중 현상이 있을 경우 발생
○ SCC 대책
- 저탄소 함유의 스테인리스강 개발
- 부식 환경 개선: 냉각재 내 용존산소 제거 등
- 관 내면의 잔류응력 저감
- 기존 배관의 유도 가열 처리를 통한 내면측의 잔류(인장)응력 감소

① 비교적 작은 부식에 의해서도 균열을 초래한다. - (O) 옳은 설명
② 고온, 고압계통에서 물리적 응력집중 현상이 있을 경우 발생한다. - (O) 옳은 설명
③ 부식의 진행속도가 느리고, 금속표면에 균일하게 피막을 형성한다. - (X) 부식의 진행속도는 부식 환경, 응력 강도 및 재료특성 등에 따라 상이하다. 또한 피막을 형성하는 것이 아니라 균열 초기 보호피막을 파괴한다.
④ 이 종류의 부식 방지책 수단으로 응력수준을 낮추어 설계 개선한다. -(O) 유도 가열 처리 등으로 관 내면의 잔류응력을 감소시켜 개선할 수 있다.

정답: ③

 

문 23) 중수로 개량 핵연료인 CANFLEX 설명 중 틀린 것은?
➀ 기존 연료대비 임계 채널출력 10% 이상으로 운전여유도가 향상되었다.
➁ 최대 선출력 밀도는 15% 이상 감소되었다.
➂ 핵연료 방출연소도는 3배 이상 증가되었다.
➃ 기존보다 증가된 43개의 연료봉으로 구성되어 있다.

★ 키워드: 중수로 핵연료

 

CANFLEX는 기존 CANDU형 핵연료의 기능을 대폭 향상시킨 핵연료를 말한다. 핵연료 집합체당 37개 연료봉으로 구성된 기존 CANDU형 연료와는 달리 43개 핵연료봉으로 구성되어 있으며, 천연우라늄을 핵연료로 사용한다. CANFLEX는 기존의 핵연료 집합체에 비해 연료봉 수를 늘림으로써, 연료봉 1개가 담당해야 할 출력을 20 % 감소시키는 대신 방사성 물질 생성을 4분의 1로 줄일 수 있다는 점이 장점이다. 또 기존 핵연료에 비하여 원자로 운전여유도를 약 5 % 이상 향상시
킬 수 있다. 

○ CANFLEX의 특성
- 2원봉의 43개 연료봉으로 구성(cf. 기존 연료: 단일 크기 37개 연료봉): 외각 2 ring(11.5 mm 35개), 다발 중앙부(13.5 mm 8개)
- 연료 최대 선출력밀도: 15% 이상 감소
- 연료 방출 연소도: 3배 증가
- 임계 채널 출력: 5% 이상 향상 → 운전여유도 향상
- 사용후연료 체적 생성율 : 1/3로 감소

① 기존 연료대비 임계 채널출력 10% 이상으로 운전여유도가 향상되었다. - (X) 10%가 아니라 5%이다.
② 최대 선출력 밀도는 15% 이상 감소되었다. - (O) 옳은 설명
③ 핵연료 방출연소도는 3배 이상 증가되었다. - (O) 옳은 설명
④ 기존보다 증가된 43개의 연료봉으로 구성되어 있다. - (O) 옳은 설명

정답: ①

 

문 24) 핵연료 농축공장에서 농축도 (A)%의 (B)kg을 얻으려면 얼마의 천연우라늄이 필요한가? (단, 종단폐기물(Tail Assembly)을 C(%), 천연우라늄 중 U-235의 구성비를 D(%)로 가정한다.)
➀ (A-C)/(D-C) × B
➁ (D-C)/(A-C) × B
➂ D/(A-C) × B
➃ A/(D-C) × B

★ 키워드: 농축(우라늄 양 계산)

 

공급 우라늄, 농축 우라늄 및 폐기(감손) 우라늄의 양과 농축도를 계산하는 문제이다.

위 그림과 문제의 조건들을 대응시키면, XP=A, P=B, XW=C, XF=D가 된다. 구하고자 하는 천연우라늄 양(F)을 정리하면,

'F = (A-C)/(D-C) × B' 이다.

정답: ①

 

문 25) UO2 산화물 핵연료의 특성이 아닌 것은?
➀ 금속유라늄에 비해 열전도도가 낮다.
➁ 고온에서 이방성이다.
➂ 금속우라늄에 비해 용융온도가 높다.
➃ 고온에서 과잉산소(Extra Oxygen)를 함유한다.

★ 키워드: 산화물 핵연료

 

① 금속우라늄에 비해 열전도도가 낮다. - (O) 금속 우라늄(27.5W/m·K) > 산화 우라늄(1.8W/m·K)
② 고온에서 이방성이다. - (X) 면심입방형의 형석형 구조

③ 금속우라늄에 비해 용융온도가 높다. - (O) 금속 우라늄(1,132℃) < 산화 우라늄(2,850℃)
④ 고온에서 과잉산소를 함유한다. - (O) 고온에서 과잉 산소를 고용하여 UO2+x가 된다.

 

정답: ②

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1. 최초작성(2021. 9.20.)