2018년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력기초 01~05)

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2018년도 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.
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문 1) 즉발임계(Prompt critical) 상태의 원자로에 대한 설명으로 틀린 것은?
➀ 원자로 주기가 임계 상태의 원자로에 비해 길다.
➁ (1-β)k=1이 성립한다.
➂ 즉발중성자 생성비율은 전체 핵분열 중성자의 1-β이다.
➃ 반응도(Reactivity, ρ)는 β와 같다.

★ 키워드: 즉발임계

 

즉발임계(Prompt critical)는 핵분열반응에서 지발중성자(핵분열생성물의 방사성붕괴로 방출되는 중성자)에 의존하지 않고 즉발중성자(핵분열반응으로 즉시 방출되는 중성자)만으로 임계에 도달하는 현상이다. 즉발임계는 다른 형태의 임계보다 에너지 방출 속도에 훨씬 더 빠른 연쇄반응을 초래한다.

① 원자로 주기가 임계 상태의 원자로에 비해 길다. - (X) 원자로 주기는 중성자 수가 지수적으로 증가(또는 감소)할 때 자연상수(e)배(또는 1/e배)가 될 때까지 걸리는 시간이다. 원자로 주기가 짧을수록 중성자 수 및 출력변화가 급격해지며, 주입되는 반응도가 클수록 원자로 주기가 짧아진다. 즉발임계의 경우 중성자 평균수명이 매우 짦으므로 원자로 주기가 임계 상태보다 짧아진다.
② (1-β)k=1이 성립한다. - (O) 증배계수 정의에 따라 아래와 같이 즉발중성자에 의한 증배와 지발중성자에 의한 증배로 식을 나눌 수 있다.

매 세대 지발중성자분율(β)이 일정하고, 즉발임계를 가정하면 다음의 식을 구할 수 있다.

③ 즉발중성자 생성비율은 전체 핵분열 중성자의 1-β이다. - (O) β는 핵분열 당 지발중성자 수율을 의미한다. 전체 중성자에서 지발중성자를 제외하면 즉발중성자가 되므로 즉발중성자분율은 '1-β'가 된다.
④ 반응도(Reactivity, ρ)는 β와 같다. - (O) ②번에서 계산한 식과 반응도의 정의를 이용하여 즉발임계에서의 반응도를 구할 수 있다.

정답: ①

 

문 2) 원자로의 반응도 특성 및 제어에 대한 설명으로 맞는 것은?
➀ Xe-135의 경우, 평형(Equilibrium)상태에서 수밀도(Number density)값의 최대치가 달성된다.
➁ 평형상태에 도달한 I-135와 Sm-149의 수밀도는 중성자속(Neutron flux)에 비례한다.
➂ 화학적 독물질은 원자로의 국부 출력 분포를 조절함으로써 정지여유도 확보에 필요한 제어봉의 수를 감소시키는 장점이 있다.
➃ 제어봉은 원자로 내에 삽입되는 위치의 중성자속에 관계없이 일정한 제어봉 반응도 값(Control rod worth)을 가진다.

★ 키워드: 독물질

노심에서 독물질(핵분열생성물(Xe, Sm), 붕산수 및 제어봉)은 다양한 형태로 반응도를 주입하면서 노심의 거동 특성에 영향을 준다.

① Xe-135의 경우, 평형(Equilibrium)상태에서 수밀도(Number density)값의 최대치가 달성된다. - (⧍) 기동 시 제논의 농도는 평형상태에서 최대가 되지만, 원자로 정지(Shutdown transient) 시에는 제논의 농도가 증가했다가 최고점(peak)을 찍고 감소하여 정지 전의 평형농도보다 낮은 농도의 평형에 도달한다.
② 평형상태에 도달한 I-135와 Sm-149의 수밀도는 중성자속(Neutron flux)에 비례한다. - (X) : I-135은 우라늄의 핵분열 결과 직접 생성되거나 핵분열생성물 중 Sb-135 및 Te-135의 베타붕괴로 생성된다. 또한 I-135 자체도 6.7시간의 반감기를 가지고 Xe-135로 베타붕괴하여 소멸한다. Sb-135와 Te-135의 붕괴로 생성되는 경우, 그 반감기가 짧아 무시할 수 있다. I-135 거동을 미분방정식으로 나타내면 다음과 같다.

평형상태(dI/dt=0)에 도달한 I-135의 농도(I∞)를 정리하면,

이므로, I-135은 중성자속(φ)에 비례한다고 말할 수 있다. 한편 Sm-149 역시 우라늄의 핵분열로 직접 생성되거나 핵분열생성물 중 모핵종인 Nd-149 및 Pm-149의 베타붕괴로 간접생성된다. I-125와 마찬가지로 방정식을 세우면 다음과 같다.

평형상태(dSm/dt=0)에 도달한 Sm-149의 농도(Sm∞)를 정리하면,

따라서 I-135의 수밀도는 중성자속에 비례하지만 Sm-149의 수밀도는 중성자속(Neutron flux)에 비례하지 않는다.(Independent of neutron flux level)
③ 화학적 독물질은 원자로의 국부 출력 분포를 조절함으로써 정지여유도 확보에 필요한 제어봉의 수를 감소시키는 장점이 있다. - (X) 정지여유도 확보 측면에서 제어봉과 붕산수는 매우 중요하다. 삽입 위치에 따라 국부적인 출력 분포를 조절하는 제어봉과는 달리 붕산수는 노심 전체에 상대적으로 균일하게 중성자 흡수작용을 하기 때문에 국부가 아닌 전체적인 출력을 조절한다. 다만 냉각재의 붕소가 특정 연료의 특정 부위에 석출되어 침착되는 경우 AOA(축방향 출력편차 비정상)와 같은 현상이 발생하여 출력 제어가 어려워지기도 한다. 
④ 제어봉은 원자로 내에 삽입되는 위치의 중성자속에 관계없이 일정한 제어봉 반응도 값(Control rod worth)을 가진다. - (X) 노심 내에는 제어봉을 비롯한 여러 중성자 흡수물질이 존재(중성자 흡수 경쟁)하고, 노심 수명 및 삽입 위치에 따라 중성자속이 달라지기 때문에 제어봉가는 일정하지 않고 상황에 따라 변한다.

정답: ①

 

문 3) 원자로 형태에 따른 버클링(Buckling)에 대한 설명 중 맞는 것은?
➀ 원자로를 원통형으로 만드는 것은 원통형 원자로의 버클링이 가장 크기 때문이다.
➁ 직육면체형 원자로의 버클링이 원통형 원자로의 버클링보다 작다.
➂ 버클링은 원자로 형태보다 중성자의 에너지와 더 밀접한 관계가 있다.
➃ 구형 원자로는 버클링이 가장 작아 누설을 최소화할 수 있다.

★ 키워드: 버클링

버클링(Buckling)은 원자로에서 누설되는 중성자속의 곡률(Curvature)을 나타내는 값으로, 물질 버클링과 기하학적 버클링으로 분류한다. 기하학적 버클링은 노심의 물리적 크기와 형태에 따라 달라지는 중성자 누설을 나타내는 값이다.

노심의 형태 및 크기에 따른 중성자속(φ), 기하학적 버클링(Bg^2), 평균 중성자속에 대한 최대 중성자속의 비(Pf)를 확인할 수 있으며, Pf 값을 비교함으로써 버클링의 크기를 비교할 수 있다. 

① 원자로를 원통형으로 만드는 것은 원통형 원자로의 버클링이 가장 크기 때문이다. - (X) 원통형 원자로의 Pf 값은 3.64로 직육면체형 원자로를 제외한 무한 평판형, 구형 원자로가 기하학적 버클링 측면에서 중성자 누설이 원통형보다 작다. 누설 측면에서 상대적으로 불리함에도 불구하고 구형 등으로 만들지 않는 이유는 노심의 설계나 구성 단계에서 원통형이 유리하기 때문이다.
② 직육면체형 원자로의 버클링이 원통형 원자로의 버클링보다 작다. - (X) 직육면체형 원자로의 버클링(Pf = 3.88)이 원통형 원자로의 버클링(Pf = 3.64)보다 크다.
③ 버클링은 원자로 형태보다 중성자의 에너지와 더 밀접한 관계가 있다. - (X) 원자로 형태에 따른 기하학적 버클링은 중성자의 에너지보다 원자로의 물리적 형태와 더 직접적인 관련이 있습니다.
④ 구형 원자로는 버클링이 가장 작아 누설을 최소화할 수 있다. - (O) 무한 평판형이 더 작은 버클링 값을 가지지만, 무한 크기의 노심을 구성하는 것은 물리적으로 불가능하기 때문에 구형 원자로를 사용함으로써 중성자 누설을 최소화할 수 있다.

정답: ④

 

문 4) 원자로 내에서 중성자의 특성과 반응률(Reaction rate)에 대한 설명으로 맞지 않은 것은?
➀ 반응률은 Σφ로 나타낼 수 있다. 단, Σ: 거시적 단면적, φ: 중성자속
➁ 반응률은 단위체적, 단위시간에 일어나는 핵반응의 수를 나타낸다.
➂ 속중성자속(Fast neutron flux)은 핵연료 내부에서 가장 낮고, 감속재에서 가장 높다.
➃ 열외중성자(Epithermal neutron)는 U-238 및 Pu-240와 공명흡수 반응을 한다.

★ 키워드: 반응률, 노내 중성자 거동

반응률(Reaction Rate)은 단위시간 당 표적핵의 단위면적과 반응하는 중성자 수를 의미하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

① 반응률은 Σφ로 나타낼 수 있다. 단, Σ: 거시적 단면적, φ: 중성자속 - (O) 반응률은 표적 핵의 거시적 반응단면적(Σ)과 중성자속(φ)의 곱으로 나타낼 수 있다.
② 반응률은 단위체적, 단위시간에 일어나는 핵반응의 수를 나타낸다. - (O) 반응률의 단위는 [#/cm^3·sec]로 단위체적, 단위시간에 일어나는 핵반응의 수를 의미한다.
③ 속중성자속(Fast neutron flux)은 핵연료 내부에서 가장 낮고, 감속재에서 가장 높다. - (X) 핵분열반응으로부터 방출되는 고에너지의 중성자(속중성자)속은 핵분열반응이 많이 일어나는 핵연료 내부에서 가장 크고, 감속재에서 탄성산란하여 에너지를 잃고 열외중성자 및 열중성자로 변하기 때문에 감속재에서 속중성자속이 가장 낮다.
④ 열외중성자(Epithermal neutron)는 U-238 및 Pu-240와 공명흡수 반응을 한다. - (O) 감속재와 반응하여 에너지가 작아진 속중성자(열외중성자)는 공명 에너지 영역 범위에서 U-238 또는 Pu-240 등의 핵원료물질의 매우 큰 공명흡수 단면적으로 인해 공명흡수 반응을 한다.

정답: ③

 

문 5) 동위원소(Isotope)와 동중원소(Isobar)에 대한 다음 설명 중 맞는 것은?
➀ 동중원소는 원자번호가 서로 같은 원소이다.
➁ O-16, O-17, O-18는 서로 동위원소이다.
➂ 동위원소는 질량수가 서로 같은 원소이다.
➃ 동중 핵변환(Isobaric transition)으로는 알파붕괴(Alpha decay)가 있다.

★ 키워드: 동위원소, 동중원소, 동중성자원소, 핵이성체

핵종은 양성자 수, 중성자 수, 질량수 등을 기준으로 아래와 같이 분류할 수 있다.

① 동중원소는 원자번호가 서로 같은 원소이다. - (X) 동중원소는 원자질량수가 동일한 원소이다. 원자번호 및 양성자 수가 동일한 것은 동위원소이다.
② O-16, O-17, O-18는 서로 동위원소이다. - (O) 질량수가 16, 17, 18로 다르지만, 양성자 수가 8로 동일한 산소원자의 동위원소이다.
③ 동위원소는 질량수가 서로 같은 원소이다. - (X) 동위원소는 양성자 수가 서로 같은 원소이다. 질량수가 동일한 원소는 동중원소이다.
④ 동중 핵변환(Isobaric transition)으로는 알파붕괴(Alpha decay)가 있다. - (X) 동중 핵변환은 질량수 변화가 없는 핵변환을 의미한다. α 붕괴는 붕괴 전 입자에서 질량수 4, 원자번호(양성자 수) 2인 α 입자(He 원자핵)가 방출되므로 동중 핵변환이 아니다.

정답: ②

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1. 최초작성(2020. 6. 8.)
2. 1차수정(2021. 9.25.)