2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

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2015년도 원자력기사 필기 기출 해설(핵재료공학 및 핵연료관리 21~25)

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문 21) 산화물 세라믹 핵연료가 금속 핵연료에 비해 가지는 장점은?
➀ 열전도율이 좋다.
➁ 녹는점이 낮다.
➂ 방사선 조사 손상이 적다.
➃ 사용후핵연료 재처리가 용이하다.

★ 키워드: 핵연료 종류 및 특성

 

① 열전도율이 좋다. - (X) 금속 우라늄(27.5W/m·K) > 산화 우라늄(1.8W/m·K)

② 녹는점이 낮다. - (X) 금속 우라늄(1,132℃) < 산화 우라늄(2,850℃)

③ 방사선 조사 손상이 적다. - (O) 세라믹은 일반적으로 금속에 비해 내조사성(조사저항성)이 크다.

④ 사용후핵연료 재처리가 용이하다. - (X) 금속 핵연료는 재처리, 가공성, 안전성, 비용 측면에서 세라믹 핵연료보다 유리하다.

 

정답: ③

 

문 22) 핵연료에 대한 설명으로 적절하지 않은 것은?
➀ 가압경수로 산화물핵연료(UO2) 내 가장 농도가 높은 원소는 U-233이다.
➁ 질화물 연료인 UN은 밀도가 크고 열전도도가 크며 고속로 연료로 사용가능하다.
➂ 고농축 우라늄을 사용한 U-Al 합금이 연구용 원자로 연료로 많이 사용되었다.
➃ 토륨(Th)은 U-233으로 핵변환 시킨 후 핵연료로 사용할 수 있다.

★ 키워드: 핵연료 종류 및 특성

 

① 가압경수로 산화물핵연료(UO2) 내 가장 농도가 높은 원소는 U-233이다. - (X) 가압경수로는 U-235가 3~5% 농축된 우라늄을 원료로 사용한다, 나머지는 U-238이 차지하므로, 연료 조성에서 가장 큰 비율을 차지하는 것은 U-238이다.

② 질화물 연료인 UN은 밀도가 크고 열전도도가 크며 고속로 연료로 사용가능하다. - (O) 옳은 설명
③ 고농축 우라늄을 사용한 U-Al 합금이 연구용 원자로 연료로 많이 사용되었다. - (O) 옳은 설명

④ 토륨(Th)은 U-233으로 핵변환 시킨 후 핵연료로 사용할 수 있다. - (O) Th-232은 중성자를 흡수하여 2번의 베타-붕괴를 통해 핵분열성물질인 U-233으로 변환(conversion)된다.

 

정답: ①

 

문 23) 가압경수로형 원자력발전소의 구조물과 구조물을 이루는 재료의 조합으로 알맞게 짝지어진 것은?
➀ 압력용기 - 타이타늄 합금
➁ 증기발생기 전열관 - 니켈계 합금
➂ 1차 냉각계통 주배관 - 저합금강
➃ 복수기(condenser) 전열관 - 알루미늄 합금

★ 키워드: 원자로 구조재

 

① 압력용기 - 타이타늄 합금 - (X) 가압경수로(PWR) 압력용기에는 SA 508 단조강(forging) 또는 SA 533 판재(plate)의 저합금강이 공통적으로 사용되는데, 이는 Mn-Mo-Ni 혹은 Mn-Mo 계의 저합금강이다.

② 증기발생기 전열관 - 니켈계 합금 - (O) 증기발생기 전열관(SG tube)의 가장 중요한 성질은 내식성이다. 따라서 전열관은 고온 내식성이 우수한 Ni-Cr-Fe 계의 니켈합금 Alloy 600, 690 등(인코넬 600)이 사용된다.

③ 1차 냉각계통 주배관 - 저합금강 - (△) 원자로냉각재계통(RCS) 주배관은 설계사마다 사용하는 재료가 달라서 논란의 여지가 있는 선지이다. 일단 공식적인 정답은 2번이므로 아래 1차 냉각재배관 주요부품 사용재료 자료를 참고하자.

예컨대 WH사의 경우 오스테나이트 스테인리스강 또는 주조 스테인리스강을 사용하는 반면 CE사, B&W사 및 한국표준형원전의 경우, 탄소강 또는 저합금강에 내식성의 오스테나이트 스테인리스강 피복처리한 것을 적용한다. 3번 선택지가 맞을 수도 틀릴 수도 있는 상황이 조금 애매하다.

④ 복수기(condenser) 전열관 - 알루미늄 합금- (X) 냉각수로 해수를 사용하는 경우, 해수에 대한 내식성이 뛰어난 티타늄(Ti) 관을 주로 사용한다. 최근에는 SR-50A 초내식성 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강을 사용하기도 한다. 일반 호수나 강물 등의 담수를 사용하는 경우 전열관으로 동합금을 사용하기도 한다.

 

정답: ②

 

문 24) 지르코늄 합금 핵연료 피복관의 고연소도 조건에서 가장 심각한 문제점 두 가지를 알맞게 짝지은 것은?
➀ 마모현상과 성형가공성
➁ 성형가공성과 부식현상
➂ 부식현상과 크리프 변형
➃ 크리프 변형과 기계적 강도 감소

★ 키워드: 지르코늄 피복재

 

대표적인 핵연료 피복관 재료인 지르코늄 합금은 고연소도 조건에서 부식과 크리프 변형이 발생할 수 있다는 점에서 문제가 될 수 있다. 

 

 

정답: ③

 

문 25) 가압경수로형 원자력발전소 1차계통 냉각재와 접하는 구조재료에서 응력부식균열이 발생하는 요인을 바르게 나열한 것은?
➀ 빠른 유속, 중성자 조사, 냉각재 내 붕산
➁ 인장 응력, 빠른 유속, 예민화된 미세조직
➂ 인장 응력, 예민화된 미세조직, 고온수 등의 환경요인
➃ 냉각재 내 붕산, 중성자 조사, 고온수 등의 환경요인

★ 키워드: 응력부식균열

 

 

○ 응력부식균열(SCC) 발생 원인

- 재료적 인자(미세조직): 냉간가공 정도, 항복응력, 화학조성, 결정립 크기, 입내/입계 크롬탄화물 석출(에 따른 결정립계 크롬 고갈 발생) 등

- 인장응력: 용접 잔류응력, 튜브 확장 및 직관화, 가동중 운전응력 등

- 부식환경: 가동온도, 냉각재 내 용존산소 함량, 수소농도 등

- 중성자 조사

 

빠른 유속과 냉각재 내 붕산을 보기에서 제외하면 하나가 남는다. 

 

정답: ③

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1. 최초작성(2020.12. 3.)
2. 1차수정(2021. 9.22.)