2016년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)

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2016년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)

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문 1) 핵반응에 대한 보존법칙과 관련 없는 것은?
➀ 핵자 수 보존
➁ 전하량 보존
➂ 운동량 보존
➃ 운동에너지 보존

★ 키워드: 핵반응 보존법칙

 

핵반응은 원자핵 두 개 또는 원자핵 하나와 아원자 입자(ex. 중성자) 하나가 충돌하여 하나 이상의 원자핵을 형성하는 반응이다. 핵반응 전·후의 보존 관계를 설명하는 네 가지 기본 법칙이 있다. 핵반응 전·후로 핵자 수(①), 전하(②), 운동량(③) 그리고 질량-에너지가 보존된다. 

④ 운동에너지 보존 - (X) 핵반응 결과 질량결손에 상응하는(질량결손과 같은 양의) 에너지가 전환되어 방출 또는 흡수된다. 거시세계의 뉴턴역학과 같이 운동에너지가 보존되는 것이 아니라 질량과 에너지의 합이 보존된다.

정답: ④

 

문 2) 결합에너지(Binding energy)에 대한 정의로 맞는 것은?
➀ 핵을 양성자와 중성자로 분리시키는 데 필요한 에너지
➁ 핵자들을 서로 완전히 분리시키는 데 필요한 에너지
➂ 핵분열반응을 일으키기 위해 외부에서 가해주어야 하는 최소한의 에너지
➃ 양성자와 중성자를 결합시켜 하나의 핵을 만드는 데 필요한 에너지

★ 키워드: 질량결손과 결합에너지

결합에너지는 전자 결합에너지, 원자 결합에너지, 핵 결합에너지, 분리에너지로 분류할 수 있다. 일반적으로 원자 및 핵물리에서 결합에너지란, 원자 또는 핵 전체를 핵자 수준으로 분리하는데 필요한 에너지, 다시 말해, 핵 결합에너지를 의미한다.

② 핵자들을 서로 완전히 분리시키는 데 필요한 에너지 - (O) 핵을 개별 핵자들로 완전히 분리하는 데 필요한 에너지는 핵결합에너지이다.
③ 핵분열반응을 일으키기 위해 외부에서 가해주어야 하는 최소한의 에너지 - (X) 임계에너지에 대한 설명이다.

정답: ②

 

문 3) Th-232, U-238 등이 열중성자에 의해 핵분열이 일어나기 어려운 이유로 맞는 것은?
➀ 중성자 흡수단면적이 작기 때문
➁ 중성자 산란단면적이 크기 때문
➂ 핵적으로 안정하기 때문
➃ 중성자 결합에너지가 임계에너지보다 작기 때문

★ 키워드: 질량결손과 결합에너지

Th-232과 U-238과 같은 핵원료물질(Fertile material)은 열핵분열(Thermal Fission) 반응이 일어나기 어렵다. 원자핵은 입사중성자의 운동에너지와 결합에너지에 의해서 임계에너지로 여기되는데, 여기에너지가 임계에너지보다 크면 원자핵은 핵분열하게 된다. 따라서 Th-232이나 U-238은 중성자 결합에너지가 임계에너지보다 작기 때문에 열핵분열이 어렵고, 주로 고에너지 중성자에 의해서 (속)핵분열한다.

① 중성자 흡수단면적이 작기 때문 - (X) 열중성자에 의한 핵분열은 중성자 흡수단면적과 직접적인 관련이 없다.
② 중성자 산란단면적이 크기 때문 - (X) 열중성자에 의한 핵분열은 중성자 산란단면적과 직접적인 관련이 없다.
③ 핵적으로 안정하기 때문 - (X) 핵에 포함된 중성자의 수가 많으면 핵적으로 불안정하므로 핵반응이 일어날 수 있다.
④ 중성자 결합에너지가 임계에너지보다 작기 때문 - (O) 중성자의 에너지가 핵분열 발생을 위한 최소 에너지(임계에너지)보다 작기 때문에 열핵분열이 일어나기 어렵다.

정답: ④

 

문 4) 핵연료 온도가 증가할 경우에 대한 설명 중 틀린 것은?
➀ 공명흡수 구간이 넓어진다.
➁ 공명흡수 첨두치가 커진다.
➂ 공명흡수되는 중성자의 수가 많아진다.
➃ 공명이탈 확률이 작아진다.

★ 키워드: 도플러효과

핵연료의 온도가 상승하면 핵연료 원자핵의 진동이 커진다. 이는 곧 원자핵(target)과 중성자 사이의 상대속도가 변한다는 것을 의미한다. 좁은 에너지 영역에서만 일어났던 공명흡수 구간이 확장되고(①), 공명흡수 첨두치가 높아지는(→낮아지는) 도플러 확장(Doppler broadening)이 일어난다. 이때 공명흡수되는 중성자의 수가 많아지고(③), 속중성자의 공명이탈확률(p)이 감소(④)한다. 결과적으로 부반응도가 삽입되어 증배계수(η × ε × p↓ × f = k∞↓) 및 출력이 감소한다. 이러한 현상을 핵연료 온도 증가에 따른 반응도 궤환(Reactivity feedback) 효과라고 하며, 연료 온도 변화에 따른 반응도 변화를 정량적으로 나타낸 것이 연료온도계수(Fuel Temperature Coefficient, FTC)이다. 노심 설계시 FTC를 부(negative)로 유지함으로써, 출력의 자기제한(Self-limited), 고유 안전성을 보유할 수 있다.

 

② 공명흡수 첨두치가 커진다. - (X) 공명흡수 첨두치는 작아진다.

정답: ②

 

문 5) 핵연료 연소에 따른 변화에 대한 설명 중 옳은 것은?
➀ 노심 내 반응도는 증가한다.
➁ 거시적 핵분열 단면적은 시간에 따라 감소한다.
➂ 일정한 출력을 유지하기 위해서는 중성자속이 일정해야 한다.
➃ 시간이 지남에 따라 주기 초(BOC) 보다 축방향 중성자속 분포의 굴곡이 커진다.

★ 키워드: 핵연료 연소에 따른 노심 변화

핵연료가 연소됨에 따라 주기초(BOC)에서 주기말(EOC)로 가면서 연료 내 U-235는 핵분열로 인해 그 양이 감소(부반응도 삽입)하는 반면, U-238의 중성자 흡수 결과 Pu-239(Fissile)의 양이 증가(정반응도 삽입)한다. 한편 Xe, Sm과 같은 중성자독물질의 양이 증가(부반응도 삽입)하고, 가연성 독물질을 장전한 경우 가연성 독물질이 연소(정반응도 삽입)된다. 전체적으로 노심 반응도는 감소한다.

① 노심 내 반응도는 증가한다. - (X) 노심 전체 반응도는 감소한다.
② 거시적 핵분열 단면적은 시간에 따라 감소한다. - (O) 연료연소에 따라 U-235의 질량이 감소하면, 핵분열 단면적(Σf)이 감소(Σf = σf × N)에서 수밀도 N(= w(↓) × NA / M) 감소)한다.
③ 일정한 출력을 유지하기 위해서는 중성자속이 일정해야 한다. - (X) 출력(P)은 핵분열반응률 (Rf)에 비례한다. 핵분열반응률은 거시적 핵분열단면적과 중성자속의 곱(P ∝ Rf = Σf × φth)이므로, 핵연료 연소에 따라 거시적 단면적이 감소(Σf↓)할 때 일정한 출력(P ∝ Rf)을 유지하려면, 중성자속은 주기초보다 커져야(φth↑) 한다.
④ 시간이 지남에 따라 주기 초(BOC) 보다 축방향 중성자속 분포의 굴곡이 커진다. - (X) 주기초 축방향 중성자속 및 출력은 노심의 중간 부분(middle-core)에서 크게 나타난다. 운전이 계속됨에 따라 중간 부분의 연료 연소가 증가하고, 상대적으로 연료 상하부 중성자속은 증가하기 때문에 주기초보다 축방향 중성자속 분포의 굴곡이 작아진다.

정답: ②

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1. 최초작성(2020. 6.30.)
2. 1차수정(2021. 9.23.)