2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)

---

2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)

1. 개인이 작성한 풀이이므로 해설에 오류가 있을 수 있습니다.
2. 해설에 대한 저작권은 '플레이그라운드 포 뉴커스'에 있습니다. 다른 곳에 무단으로 전재하거나 재배포는 금지합니다.
3. 피드백은 환영입니다. 학습에 참고용으로 봐 주시되 설명에 오류가 있거나 미흡한 부분을 찾으셨다면, 언제든지 댓글 또는 이메일(pohongcha@naver.com)로 알려주세요.

---

문 1) 다음 중 핵자에 대한 설명으로 옳은 것은?
➀ 중성자는 전기적으로 중립이고 안정한 입자이다.
➁ 양성자는 중성자보다 가볍고 전자보다 전하량이 크다.
➂ 양전자와 음전자는 전하의 부호만 반대이고 나머지는 동일하다.
➃ 광자는 질량은 없고 진공에서 다양한 속도로 진행한다.

★ 키워드: 핵자

 

원자핵의 구성 요소인 핵자는 강한 상호작용으로 결합하여 원자핵을 구성한다. 중성자와 양성자의 특성은 다음과 같다.

① 중성자는 전기적으로 중립이고 안정한 입자이다. - (X) 중성자는 전기적으로 중성이지만, 안정 입자는 아니다. 핵 외부에서는 불안정하므로 약 10분의 반감기로 붕괴하여 양성자가 된다.

② 양성자는 중성자보다 가볍고 전자보다 전하량이 크다. - (X) 양성자의 정지질량이 중성자보다 작지만, 전하량은 전자와 같고 부호만 반대이다.

③ 양전자와 음전자는 전하의 부호만 반대이고 나머지는 동일하다. - (O) 양전자는 (음)전자의 반물질(반입자)로, 전하 켤례(charge conjugation) 관계에 있다. 두 입자는 질량이나 스핀은 동일하지만 전하는 반대이다.

④ 광자는 질량은 없고 진공에서 다양한 속도로 진행한다. - (X) 광자(photon)는 질량이 없다. 하지만 진공에서 다양한 속도로 진행하는 것이 아니라 2.9979 × 10^8 m/s의 일정한 속도로 진행한다. 다만 매질 내에서는 종류에 따라 속도가 상이하다. 물속에 저장된 사용후연료에서 푸르스름한 빛이 나는 현상(체렌코프 효과)도 전자가 광자의 위상속도보다 빠르게 매질을 통과하는(매질에 따라 광속이 변하는) 사례이다.

 

정답: ③

 

문 2) 붕산수를 원자로 제어에 이용하는 이유 중 가장 거리가 먼 것은?
➀ 제어봉과 함께 원자로를 임계로 유지
➁ 온도변화에 따른 반응도 보상
➂ 신속한 원자로 반응도 제어
➃ 핵연료 연소에 따른 반응도 보상

★ 키워드: 반응도 제어-붕산수

 

노심 반응도는 제어봉(Control Rod), 가연성독물질(Burnable Poison Rod) 및 수용성독물질(Chemical Shim)로 제어할 수 있다. 수용성독물질인 붕산은 노심 수명 전반에 걸쳐 연료 연소(④)나 온도변화(②)에 따른 부반응도를 희석(dilution)을 통해 보상해줌으로써 노심을 임계로 유지(①)한다. 노심의 국부적인 중성자속에 영향을 주는 제어봉과는 달리 노심 전체에 걸쳐 균일하게 반응도를 제어할 수 있다. 또한 빠르게 반응도를 제어하는 제어봉과는 달리 반응 시간이 느리다.(15 ~ 20분) 약산성의 붕산수는 계통의 부식에 영향을 주기 때문에 방사성 부식생성물을 발생시키는 문제가 있고, 방사성폐기물의 양을 증가시킨다. 연료집합체(보통 하단고정체)에 결정으로 발견되는 붕소석출물은 연료건전성 측면에서 중요하다.

 

③ 신속한 원자로 반응도 제어 - (X) 붕산수는 반응시간이 길어 신속한 반응도 제어에 적합하지 않습니다. 원자로 반응도를 신속하게 제어하기 위해서는 제어봉을 사용합니다.

 

정답: ③

 

문 3) 다음 도플러효과(Doppler Effect)에 대한 설명 중 맞는 것은?
➀ 도플러효과는 연료의 온도상승으로 인하여 공명흡수가 증가하는 현상이다.
➁ 연료의 온도가 상승하면 U-238이나 Pu-240 의 공명첨두치가 좁아진다.
➂ 도플러현상에 의해 원자로의 연료온도계수는 정(+)의 값을 갖는다. 
➃ 도플러효과는 펠렛의 자기차폐(Self Shielding)와는 무관하다.

★ 키워드: 도플러효과(Doppler Effect)

 

원자로의 고유 안정성, 원자로 제어 측면에서 도플러효과(Dopper Effect)는 매우 중요하다.

 

① 도플러효과는 연료의 온도상승으로 인하여 공명흡수가 증가하는 현상이다. - (O) 출력 증가 → 연료 온도 상승 → 표적핵-중성자 상대속도 변화 → 도플러 확장(공명 첨두치가 낮아지고 넓어짐) → 중성자 공명흡수 증가[공명이탈확률(p) 감소] → 부반응도 삽입 → 출력 감소

② 연료의 온도가 상승하면 U-238이나 Pu-240 의 공명첨두치가 좁아진다. - (X) 공명포획은 U-238과 같은 핵원료물질(Fertile material)에서 발생하며, 연료 온도가 상승하면 도플러 확장에 의해 공명첨두치가 좁아지는 것이 아니라 넓어진다.

③ 도플러현상에 의해 원자로의 연료온도계수는 정(+)의 값을 갖는다. - (X) 출력 상승에 따라 부(-)반응도가 삽입되어 자기출력을 제어(출력 감소)하는 안전특성이 바로 도플러현상에 기인한다.

④ 도플러효과는 펠렛의 자기차폐(Self Shielding)와는 무관하다.- (X) 도플러효과는 자기차폐효과*와 관련이 있다.

 

자기차폐효과

○ 공간적 자기차폐효과(Spatial Self-Shielding Effect)

- 열중성자의 평균자유행정(Mean Free Path)은 연료 핀(pin) 직경(약 1cm)과 비교하여 매우 짧고, U-238은 흡수단면적이 크기 때문에 일단 중성자가 외부에서 연료 내로 들어오면 쉽게 포획되고, 연료핀의 중심까지 갈 수 없다. 이것은 마치 중성자가 중심 쪽으로 통과하는 것을 막는 것처럼 보이는데, 이처럼 연료 중심에서 열중성자속이 감소하고, 결과적으로 출력밀도를 감소시키는 것이 공간적 자기차폐효과이다.

○ 에너지 자기차폐효과(Energy Self-Shielding Effect)

- 중성자가 감속하는 동안 중성자속 스펙트럼은 공명흡수피크가 높은 곳 근처에서 급격히 감소한다. 마치 중성자로부터 특정 에너지대를 보호하는 것처럼 보이는데, 공명피크 에너지대에서 중성자속이 감소하는 효과를 에너지 자기차폐효과라고 한다.

 

정답: ①

 

문 4) 다음 중 원자로 구조물질이 가져야 할 특성이 아닌 것은?
➀ 용융점이 높을 것
➁ 매질의 중성자 흡수 단면적이 클 것
➂ 성형가공이 쉬울 것
➃ 열전도도가 클 것

★ 키워드: 원자로 구조재 특성

 

원자로의 안전성과 건전성을 유지하기 위해 원자로 구조재료는 특정한 성질이 요구된다. 기본적으로 원자로 구조물의 형상을 고온·고압 등의 환경에서 장기간 안전하게 유지할 수 있어야 한다.

 

○ 원자로 구조재료 요건

- 높은 융점

- 낮은 중성자 흡수율/단면적: Zr, Al, Mg, Be 등

- 높은 기계적 강도와 연성: 탄소강, 스테인리스강 등

- 우수한 고온안정성(열저항성): 초합금

- 탁월한 조사안정성: 내화 금속(Mo, Nb, Ti, Ta, W 등)

- 낮은 유도방사능: 세라믹(BeO, Al2O3, MgO, SiO2 등)

- 우수한 열전달특성(열전도도): 시멘트, ZrSi2, SiC-Al 등

- 고온내식성: Graphite, PS 콘크리트(Prestressed Concret) 등

 

② 매질의 중성자 흡수 단면적이 클 것 - (X) 핵연료의 열중성자이용율(f) 측면에서 구조재는 중성자 흡수가 작은 물질을 사용하는 것이 유리하다.

 

정답: ②

 

문 5) 다음 용어에 대한 설명 중 틀린 것은?
➀ 핵분열 생성물(Fission Product): 무거운 원소가 핵분열에 의해서 생성된 핵종
➁ 핵분열 가능핵종(Fissionable Nuclide): 중성자를 흡수하여 핵분열 할 가능성이 있는 핵종
➂ 핵분열성 핵종(Fissile Nuclide): 중성자 흡수 없이 자발적으로 분열을 일으키는 핵종
➃ 핵분열 원료핵종(Fertile Nuclide): 핵분열 가능핵종 중에서 중성자를 흡수하여 핵분열성 핵종으로 전환되는 핵종

★ 키워드: 핵분열성물질/핵원료물질/핵분열가능물질

 

① 핵분열 생성물(Fission Product): 무거운 원소가 핵분열에 의해서 생성된 핵종 - (O) 우라늄과 같은 핵분열성 물질이 핵분열하여 생성된 핵분열생성물은 그 자체로 불안정하고 방사성을 띠기 때문에 핵연료 관리 측면에서 방사능과 붕괴열 문제가 발생한다.

② 핵분열 가능핵종(Fissionable Nuclide): 중성자를 흡수하여 핵분열 할 가능성이 있는 핵종 - (O) 옳은 설명

③ 핵분열성 핵종(Fissile Nuclide): 중성자 흡수 없이 자발적으로 분열을 일으키는 핵종 - (X) 핵분열성 핵종이란 중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키는 핵종이다. 중성자 흡수 없이 자발적 분열을 일으키는 핵종은 Cf-252과 같은 자발핵분열 핵종에 대한 설명이다.

④ 핵분열 원료핵종(Fertile Nuclide): 핵분열 가능핵종 중에서 중성자를 흡수하여 핵분열성 핵종으로 전환되는 핵종 - (O) : Th-232, U-238 등과 같은 핵종이 fertile material 이다. PWR, BWR과 같은 연소로에서 핵원료물질은 도플러효과 측면에서 의미가 있지만, 토륨 원자로나 SFR과 같은 증식로에서는 직접 핵분열의 연료로 이용된다.

 

정답: ③

---

○ 함께 읽으면 좋은 글

(현재글) 2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)
2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)
2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력 계통공학 01~05)
2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)
2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(방사선이용 및 보건물리 41~45)

---

1. 최초작성(2020. 6.30.)

2. 1차수정(2021. 9.22.)