2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)

---

2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)

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 21) 다음 중 원자로건물 설계 시 고려되는 수소 발생원이 아닌 것은?
➀ 피복재와 물과의 반응
➁ 원자로냉각재로부터 발생 수소
➂ 노심 및 집수조 물의 방사선 분해
➃ 원자로건물 내 설치한 탱크의 상부기체(Cover Gas) 배기

★ 키워드: 격납건물계통

 

경수로형 원전 규제기준 7.2장은 격납건물계통에 대한 기술기준의 세부사항을 기술하고 있다. 격납건물계통은 설계기준사고 시 예상되는 압력, 온도 및 누설률 조건을 만족하고, 중대사고 시 열제거, 격리, 가연성기체 제어, 대기정화 등 기능을 유지할 수 있도록 설계되어야 한다.

 

설계기준 냉각재상실사고가 발생하면, 핵연료 피복관과 냉각재의 금속-물 반응(➀), 노심 및 격납건물 재순환 집수조의 냉각수 방사화 분해(➂), 비상노심냉각수 및 살수에 의한 격납건물 내 금속의 부식, 원자로냉각재계통의 용존수소 방출(➁)과 유기물의 방사화 분해 등에 의해 생성될 수 있다.

 

④ 원자로건물 내 설치한 탱크의 상부기체(Cover Gas) 배기 - (X) 탱크의 상부기체는 수소 발생원으로 고려하지 않는다.

 

정답: ④

 

○ 수소 발생원

- 용존 수소 방출(27%): RSC 압력이 용존 수소 포화압력 이하로 감소

- 물의 방사선분해(39%): 물 분자가 방사선(감마선 또는 중성자) 조사에 의해 분해

- 가압기 기포영역 기체(18%): 가압기 수위 완전상실 시 냉각재 내로 유입

- 피복재(Zr)-H2O 반응(16%): 노심 온도가 반응온도를 초과

○ 질소 및 헬륨 기체의 발생원

- 안전주입탱크 내 질소: 안전주입탱크의 붕산수가 완전히 방출되는 경우

- 피복재 내 헬륨: 피복재 손상 시

 

문 22) 다음은 원자로의 핵비등이탈(DNB) 운전여유도를 증가시키는 요인을 맞게 나열한 것은?
➀ 원자로냉각재계통(RCS) 유량 증가, 원자로냉각재계통(RCS) 압력 증가, 원자로 출력 증가
➁ RCS 유량 증가, 평탄한 노심 출력 분포, RCS 압력 증가, 원자로 출력 감소
➂ RCS 온도 감소, RCS 압력 증가, 증기발생기 전열관 막음, 노심출력 불균형 분포
➃ RCS 온도 증가, 노심출력 불균형 분포, RCS 압력 감소, 부적절한 제어봉 삽입

★ 키워드: 핵비등이탈 운전여유도

 

비등열전달에서 열부하 증가에 따라 기포가 증대하면 전열효율이 좋은 핵비등을 유지하지 못하고 가열면이 증기막으로 덮이는 막비등으로의 천이가 발생한다. 이 현상을 일반적으로 비등위기(boiling crisis)라고 하는데, 막비등은 전열효율이 나쁘기 때문에 가열면의 온도는 비약적으로 상승하여 핵연료 피복재의 소손(burnout) 및 용융을 초래할 수 있다. 따라서 DNBR이 1.3 이하로 감소하지 않도록 연료 및 노심 설계에 반영하고 발전소 운전 시 제한치를 만족하는 범위에서 운전해야 한다. 국부 DNBR을 감소시키는 인자는 다음과 같다.

 

○ 국부 DNBR 감소 인자

- 국부 노심의 열유속 증가(출력 증가)

- 냉각재 유량 감소

- 냉각재 압력 감소

- 냉각재 온도 증가(ex. S/G 전열관 막힘)

- 중성자속 왜곡(ex. 부적절한 제어봉 삽입)

 

핵비등이탈 운전여유도를 증가시키기 위해서 국부 DNBR을 증가시키는 방향으로 운전해야 한다. 따라서 위에서 언급한 DNBR 감소인자 5가지를 반대로 수행(→ RCS 유량 증가, RCS 압력 증가, RCS 온도 감소, 노심 출력 평탄)하는 것 정답이 될 것이다.

 

① 원자로냉각재계통(RCS) 유량 증가, 원자로냉각재계통(RCS) 압력 증가, 원자로 출력 증가 - (X) 출력 증가(→ 감소)

② RCS 유량 증가, 평탄한 노심 출력 분포, RCS 압력 증가, 원자로 출력 감소 - (O) RCS 유량 증가, 노심 출력 평탄, 출력 감소

③ RCS 온도 감소, RCS 압력 증가, 증기발생기 전열관 막음, 노심출력 불균형 분포 - (X) 증기발생기 전열관 막음(→ 막음 방지), 노심 출력 불균형(→ 평탄)

④ RCS 온도 증가, 노심출력 불균형 분포, RCS 압력 감소, 부적절한 제어봉 삽입 - (X) RCS 온도 증가(→ 감소), 노심 출력 불균형(→ 평탄), RCS 압력 감소(→ 증가), 부적절한 제어봉 삽입(→ 삽입 방지)

 

정답: ②

 

문 23) 다음 중 원자로 기동 후 출력 100% 운전동안 노심 전 수명기간에 걸쳐 반응도에 영향을 주는 인자로서 가장 거리가 먼 것은?
➀ 연료 연소(Fuel Burn-up)
➁ 플루토늄 축적(Plutonium Build-up)
➂ 제논 축적(Xenon Build-up)
➃ 가연성독물질 소멸(Burnable Poison Depletion)

★ 키워드: 반응도 영향 인자

 

노심의 전 수명기간에 걸쳐 반응도에 영향을 미치는 것으로는 연료연소, 플루토늄 축적, 가연성 독물질의 연소, 분열 생성 독물질 등이 있다.

 

① 연료 연소(Fuel Burn-up) - (O) U-235는 열중성자와 핵분열반응을 할 때마다 그 농도가 감소되어 핵분열 단면적(Σf)이 작아진다. 따라서 노심말기로 갈수록 재생계수가 작아지면서 노심 전 주기에 영향을 미친다.

② 플루토늄 축적(Plutonium Build-up) - (O) 핵연료의 약 97%를 차지하는 U-238은 노내 공명흡수 및 속분열(fast fission)로 인해 소모된다. U-238의 미시적 단면적은 매우 작지만(2.71 barn), 수밀도가 크기 때문에 U-238의 핵분열은 전체 핵분열의 약 7%를 차지한다. 따라서 U-238의 반응 결과 U-239가 생성되고, U-239는 방사성붕괴되어 Np-239, Pu-239로 전환된다. 이렇게 생성된 Pu-239는 핵분열성물질(fissile material)로서, 재생계수를 증가시키고, 노심 주기를 연장시키는 효과를 나타낸다.

③ 제논 축적(Xenon Build-up) - (X) Xe 생성은 중기 반응도 변수로 분류한다. 핵분열생성물인 Xe은 수 시간~수 일에 걸쳐 강력한 중성자 흡수제로써 원자로 반응도에 영향을 미친다.

④ 가연성독물질 소멸(Burnable Poison Depletion) - (O) 노심 초기의 잉여반응도를 억제하고 노심 수명의 연장 및 출력 분포 균일화를 위해 가연성독물질을 사용한다. 가연성독물질은 중성자를 흡수하여 소모(연소)되기 때문에 노심 전 주기에 영향(일반적으로 주기 중(MOL)에 모두 연소)을 주는 장기 반응도 변수라고 할 수 있다.

 

정답: ③

 

○ 원자로 반응도 제어 영향 인자

 

Q&A

Q: 제논이 수 시간~수 일에 걸쳐 중성자 흡수체로 원자로 반응도에 영향을 미친다고 했는데, 제논은 핵분열생성물인 아이오딘이 붕괴할 때마다 생성되고, 또 핵분열 결과 직접 생성된다고 다른 문제에서 본 것 같습니다. 노심 전 주기에 걸쳐 핵분열 반응은 지속적으로 일어나기 때문에 계속해서 제논이 나올텐데, 각각이 수 시간일 뿐이라도 계속해서 제논이 나오면 노심 전 수명 기간 동안 영향을 미치는 게 아닌가요?

A: 어떤 이유로 노심 출력이 증가/감소하면, 제논이나 사마륨의 농도가 변하는데 그 과정에서 정반응도 또는 부반응도가 삽입됩니다. 수 시간 ~ 수 일 이후에 이러한 독물질의 생성과 소멸이 같아지는 평형(Equilibrium)을 이루면 특이사항이 없는 한 독물질에 의한 반응도는 0이 됩니다.

 

문 24) 원자로가 한 달 동안 출력운전 후 정지(Trip)되었을 때 정지여유도(Shutdown Margin)는 어떻게 변하는가?
➀ 증가하다가 감소한다.
➁ 감소하다가 증가한다.
➂ 계속 커진다.
➃ 계속 작아진다.

★ 키워드: 정지여유도

 

정지여유도는 제어봉집합체 중 가장 큰 값을 가진 제어봉 집합체가 완전히 인출되고 나머지는 완전 삽입되었다고 가정했을 때, 원자로가 미임계가 되거나, 또는 현재 상태로부터 미임계가 될 수 있는 순간적인 반응도 변화량으로 정의한다. 쉽게 생각하면 ‘원자로의 현재 상태(제어봉 위치, 붕소농도)가 원자로를 얼마나 쉽게 정지시킬 수 있는가?’, ‘현재 노심의 부반응도의 양은 얼마나 되는가?’라는 측면에서 접근한다면 답을 찾는 데 도움이 될 것이다.

 

출력운전 중 원자로가 정지했을 때, 제어봉 위치나 붕소농도 등 다른 반응도에 영향을 주는 인자들이 일정하다고 가정하면, 노내 반응도 및 정지여유도는 중성자 독물질인 제논의 축적(Build-up)과 붕괴에 따라 결정된다. 따라서 원자로 정지 직후 정지여유도는 증가하다가 제논이 더 이상 생성되지 않는 시점부터는 감소하는 양상을 보인다. 즉 정지 직후보다 일정 시간이 지난 후에 원자로를 미임계로 만들기 위해 제어봉을 더 많이 삽입해야 한다는 것이다.

 

정답: ①

 

문 25) 출력(100%)운전 중 원자로의 열수로계수(HCF: Hot Channel Factor)가 제한치 이내로 유지하는지를 확인하는 방법으로 적당치 않은 것은?
➀ 제어봉 삽입한계 이상 유지
➁ 제어봉 그룹 내 편차가 제한치 이내 유지
➂ 축방향출력편차가 제한치 이내 유지
➃ 원자로냉각재 붕소농도의 목표치 범위 이내 유지

★ 키워드: 열수로계수

 

노심 열수력 설계는 노내 열수력장 분포(냉각재 온도, 유량, 압력분포 및 핵연료 온도분포 등) 해석을 바탕으로 핵연료의 열적 건전성을 평가하는 것이 중요하다. 노심의 열적 설계 제한치를 평가하기 위한 고온수로 조건을 결정하기 위해서 열수로계수(또는 고온수로인자, Hot Channel Factor)라는 값을 사용한다. 열수로계수는 노심의 국부출력 최대값과 노심 출력 평균값의 비(최대 선출력밀도/평균 선출력밀도)로 정의하며, 핵적 열수로계수와 공학적 열수로계수의 곱으로 계산할 수 있다.

 

노심 높이에 따라 열수로계수는 일정하지 않으므로, 열수로계수의 제한치를 확인하기 위해서 노심의 특정 높이에서 측정된 중성자속의 첨두치와 평균값의 비(반경방향 첨두계수, Fxy)를, 특정 높이의 평균 중성자속과 노심에 대한 평균 중성자속을 비교하기 위해 축방향 첨두계수(Pz)를 사용하여 열수로계수를 얻을 수 있다. 다시 말해 열수로계수가 제한치 이내로 유지하는지를 확인하기 위해서는 축방향 출력분포(AO)가 안전유지를 위한 제한 범위 이내로 운전해야 한다.

 

○ 축방향 출력분포(AO) 안전유지를 위한 조치

- 한 그룹 내의 모든 제어봉은 ±12 step 이내 유지(②)

- 제어봉 뱅크 중첩순서 유지

- 제어봉 삽입한계치 유지(①)

- 축방향 출력분포는 ΔI 제한치 이내 유지(③)

 

④ 원자로냉각재 붕소농도의 목표치 범위 이내 유지 - (X) 붕소농도는 노심 입·출구 온도 차에 의한 반응도 효과가 다르지만, 붕소 주입/희석의 효과는 국부노심보다는 전 노심에 걸쳐 일정하게 변화하므로 열수로계수의 제한치 이내 유지 확인과는 큰 관련이 없다고 볼 수 있다.

 

정답: ④

---

○ 함께 읽으면 좋은 글

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)
(현재글) 2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)
2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(방사선이용 및 보건물리 41~45)

---

1. 최초작성(2020.12. 9.)
2. 1차수정(2021. 9.22.)