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문 1) Dittus-Boelter 상관식을 이용하여 원형관 내부에서 가열되는 유체 유동에 대한 열전달 계산 시 필요한 무차원수를 바르게 짝지은 것은? ➀ 레이놀즈 수(Re), 프란틀 수(Pr) ➁ 레이놀즈 수(Re), 프라우드 수(Fr) ➂ 비오트 수(Bi), 프란틀 수(Pr) ➃ 비오트 수(Bi), 프라우드 수(Fr)
★ 키워드: 유체역학 상수
Dittus-Boelter 상관식은 원형관 내부에서 가열 또는 냉각하는 유체 유동(난류)에 대한 누셀(Nusselt; Nu) 수를 계산하기 위한 함수식이다. Nu는 유체와 고체 표면 사이에서 열을 주고받은 비율을 나타내는 무차원의 수로, Nu가 클수록 열전도 속도에서 분자의 운동이 미치는 영향이 작다는 것을 의미한다.
Nu의 계산식으로부터 무차원수인 레이놀즈 수(Re)와 프란틀 수(Pr)로 계산한다는 것을 확인할 수 있다.
정답: ①
문 2) 벤츄리 튜브를 사용하여 원자력발전소의 주급수 유량을 측정할 때, 필요한 인자가 아닌 것은? ➀ 압력 차 ➁ 유체 점도 ➂ 유체 밀도 ➃ 유동 면적 비
★ 키워드: 베르누이 방정식
배관 등 유로의 유량을 측정하기 위해서 오리피스(orifice), 벤츄리 관(venture-tube), 노즐(nozzle) 등의 차압기구를 사용한다. 유속에 따라 기구 전단과 후단의 압력 차가 유속에 비례하여 변하는 현상(베르누이 방정식)으로부터 유량을 계산할 수 있다.
비압축성 유체에 대한 베르누이의 방정식은 다음과 같다.
식 (1)에서 v2를 구해 식 (2)에 대입하여 유량계 후단의 체적유량 Q2를 계산하면,
이다. 따라서 유량을 측정하기 위해서 알아야 하는 변수는 유체 밀도(ρ, ③), 차압(ΔP, ①), 유동 면적 비(A2/A1, ④)이다. 유체 점도와는 상관이 없다.
정답: ②
문 3) 핵연료봉 내의 소결체(Pellet)에 대한 설명으로 틀린 것은? ➀ 정상운전 중 기체 상태의 핵분열 생성물을 잡아두기 위하여 약간의 기공이 존재하도록 제작한다. ➁ 열전도도를 향상시키기 위하여 소결체와 피복재 사이의 공간을 헬륨 기체로 가압한다. ➂ 소결체 양단면은 중앙부의 열팽창을 수용하기 위하여 접시모양으로 파여 있다. ➃ 소결체 상하부에는 열전달률이 높은 스테인리스강 재질의 스페이스 소결체가 삽입된다.
★ 키워드: 핵연료봉 구조 및 설계
이산화우라늄 분말이 압분, 소결 등의 처리 공정을 거쳐 펠렛 형태로 가공된 것을 소결체라고 한다. 소결체는 지르칼로이 재질의 피복관에 장입, 용접되어 연료봉으로 제작되고, 이러한 연료봉을 지지격자, 상·하단고정체 등의 골격체와 조립하여 원자로에 장전할 수 있는 형태의 연료집합체가 된다.
① 정상운전 중 기체 상태의 핵분열 생성물을 잡아두기 위하여 약간의 기공이 존재하도록 제작한다. - (O) 소결밀도는 개기공도와 관련이 있는 물성이다. 소결체는 이론 밀도의 95%(경수로)로 제작하여, 정상운전 중 기체 핵분열생성물의 75%를 수용(25%는 소결체와 피복관 간격 내 수용)할 수 있다.
② 열전도도를 향상시키기 위하여 소결체와 피복재 사이의 공간을 헬륨 기체로 가압한다. - (O) 외압(냉각재 압력)에 의한 압축응력을 최소화(찌그러짐 방지)하고 피복재의 피로를 방지하며, 기체 핵분열생성물 방출에 의한 펠렛-피복재 열전도도의 급격한 저하 방지(열전달 향상) 및 피복재 평탄화를 막기 위해 소결체 제작 시 헬륨 기체로 가압 충전한다. ③ 소결체 양단면은 중앙부의 열팽창을 수용하기 위하여 접시모양으로 파여 있다. - (O) 소결체 양쪽 끝은 접시 형태로 홈을 내어(dishing) 소결체 중앙부의 열팽창을 수용하도록 제작한다.
④ 소결체 상하부에는 열전달률이 높은 스테인리스강 재질의 스페이스 소결체가 삽입된다. - (X) 소결체의 상·하부가 아니라 연료봉 제작 시 연료봉의 상·하단에 열전달율이 낮은 산화알루미늄으로 제작된 스페이서 펠렛을 삽입한다.
정답: ④
문 4) 원자력발전소 2차 계통을 구성하는 랭킨사이클(Rankine cycle)의 핵심 기기들을 유체 흐름에 따라 바르게 나열한 것은? ➀ 증기발생기 → 터빈 → 펌프 → 복수기 ➁ 펌프 → 증기발생기 → 터빈 → 복수기 ➂ 펌프 → 복수기 → 터빈 → 증기발생기 ➃ 증기발생기 → 펌프 → 복수기 → 터빈
★ 키워드: 열역학 사이클
2개의 단열 변화(터빈-단열팽창, 급수펌프-단열압축)와 2개의 등압 변화(보일러/증기발생기-등압가열, 복수기-등압방열)로 구성되는 사이클 중 작동 유체가 증기와 액체의 상변화를 수반하는 것을 랭킨사이클이다. 아래 그림에서 보일러는 열을 발생하는 증기발생기와 대응한다.
랭킨사이클의 순서는 ‘… → 펌프 → 증기발생기 → 터빈 → 복수기 → 펌프 → 증기발생기 → …’ 이다.
정답: ②
문 5) 원자력발전소 2차 계통에 대한 T-S 선도의 열효율(ηth) 계산식을 옳게 나타낸 것은?(단, hn은 아래 그림의 (n)에서 엔탈피이다.)
★ 키워드: 열효율 계산
T-s 선도는 열역학 사이클의 온도와 엔트로피의 관계를 나타내는 그림으로, 선도 상의 면적은 열량을 의미하여 열선도라고도 부른다. 2차 계통의 열역학 사이클의 T-s 선도에서 엔탈피를 이용하여 열효율을 계산할 수 있다.
랭킨사이클의 열효율은 공급열량(Q2)에 대한 정미일량(W, net work)으로 정의할 수 있고, 방출열량과 공급열량의 차이만큼이 모두 정미일에 사용되었다고 가정하면, 열효율은 다음과 같다.
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