2018년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)

 

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2018년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자로운전과 안전 21~25)

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문 21) 핵연료 장전 방법의 하나인 저누설 장전방식(Low Leakage Loading Pattern)의 장점이 아닌 것은?
➀ 핵연료의 연소도 증가
➁ 중성자 이용률 증가
➂ 반경방향 중성자속 평탄화
➃ 원자로용기의 피로현상 감소

★ 키워드: 저누설 장전모형

 

가압경수로는 약 18개월의 주기가 종료되면 연소된 사용후핵연료 일부(일반적으로 1/3)를 방출하고 신연료로 교체하여 새로운 노심을 구성한다. 이때 주기연소도, 주기길이 및 안전 관련 인허가 요건을 만족하도록 핵연료를 배치하는데, 이러한 연료 배치를 장전모형(Loading Pattern)이라고 한다. 저누설 장전모형(Low Leakage Loading Pattern)은 한 번 이상 연소된 재사용 연료를 노심의 최외각에 장전함으로써 중성자의 외부 누설을 감소시키는 장전모형이다.

저누설 장전모형으로 핵연료를 배치하는 경우, 누설되는 중성자 수가 줄어들어 노심에서 잔류하여 핵분열에 이용되는 중성자가 늘어나고(②), 누설 중성자 조사로 인한 원자로용기 피로현상을 감소(④)시킬 수 있으며, 주기연소도를 향상(①)시킬 수 있다.

③ 반경방향 중성자속 평탄화 - (X) 저누설 장전모형은 노심 중앙과 가장자리 사이의 중성자속 구배가 커져 출력첨두가 발생할 가능성이 늘어난다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 가돌리니아(Gd) 등의 가연성 독물질봉을 노심에 연료와 함께 장전하여 사용함으로써 반경방향의 출력첨두를 제어한다.

정답: ③

○ 전형적인 3 배치(3- batch) 장전 모형(OPR-1000, WH 3 loop, APR-1400)

 

문 22) 원자로에 88톤의 연료를 장전 후 전기출력 1,050MWe로 400일간 운전하였을 때 평균 연소도로 맞는 것은? 단, 발전소 효율은 40%로 가정한다.
➀ 약 10,932 MWD/MTU
➁ 약 11,432 MWD/MTU
➂ 약 11,932 MWD/MTU
➃ 약 12,432 MWD/MTU

★ 키워드: 연소도

연료에 포함된 핵분열성물질이 핵분열반응으로 단위질량 당 생성하는 에너지의 양을 연소도(burn-up)라고 정의한다. 통상 단위 우라늄 중량 당 발생한 열출력의 총량으로 표시하고, 그 단위로 MWD/MTU(Mega Watt Day per Metric Ton Uranium)또는 GWD/KgU을 사용한다. 연소도 계산시 전기출력(MWe)을 열효율로 나눈 열출력(MWth)을 사용한다는 점을 주의하면 어렵지 않은 계산문제가 될 것이다.

정답: ③

 

문 23) 다음 중 가압경수로형 원자력발전소의 핵연료봉 내에 헬륨(He) 기체를 가압하여 충전하는 이유로 적합하지 않은 것은?
➀ 피복재의 크리프(Creep) 현상을 방지하기 위해
➁ 피복재가 외압에 의해 찌그러드는 것을 방지하기 위해
➂ 연료봉 내부의 열전달을 향상시키기 위해
➃ 정상운전 중 핵연료의 손상을 확인하기 위해

★ 키워드: 선행핵주기-성형가공

핵연료봉 제조 시 소결체를 피복관에 장입한 후 헬륨(He) 기체를 가압 충전(경수로 연료의 경우 20 bar, 중수로 연료의 경우 1 bar로 가압)한다. He 가스를 충전하는 이유는 피복재의 피로, 크리프(Creep) 현상 및 평탄화(Flattening)를 방지(①)하고, 외압에 의한 압축응력을 최소화하여 찌그러짐을 막기 위함(②)이다. 또한 기체 핵분열생성물의 방출에 의한 펠렛-피복재 사이 열전도도의 급격한 저하를 예방하여 열전달을 향상(③)시킬 수 있다.

④ 정상운전 중 핵연료의 손상을 확인하기 위해 - (X) 정상운전 중 핵연료 손상은 전 방사능 분석(Gross β-γ activity), 요오드, 세슘 및 지발중성자 등을 통하여 확인할 수 있다. 소결체 장입 후 봉단마개를 용접하여 연료봉 제조가 끝나면 연료봉 탐상검사와 더불어 He 누설시험을 수행함으로써 핵연료봉의 건전성을 제작 단계에서 확인한다.

정답: ④

 

문 24) 다음 중 심층방어(Defence in depth)의 목표가 아닌 것은?
➀ 발전소의 안정적인 출력운전 유지
➁ 잠재적인 인적실수 및 기기 고장에 대처
➂ 물리적 다중방벽의 건전성 유지
➃ 대중과 환경을 재해로부터 보호

★ 키워드: 심층방어

 

원자력발전소의 설계, 건설 및 운영 단계에서 적용되는 심층방어(Defence in depth)란, 이상상태 발생을 방지하고, 이상상태 발생 시 확대를 억제하며, 이상상태로 인해 사고가 확대된 경우 그 영향을 최소화하여 주민을 보호하기 위해 갖추는 방어체계를 의미한다. 

 

○ 심층 방어 다단(IAEA INSAG-10)

① 발전소의 안정적인 출력운전 유지 - (X) 안정적인 출력운전 유지는 이상상태 발생 예방, 이상상태 발생 시 확대 방지 및 이상상태 확대 시 영향 최소화를 포함하는 심층방어의 목표에 해당하지 않는다.
② 잠재적인 인적실수 및 기기 고장에 대처 - (O) 운전원의 인적실수 및 기기 고장으로 인해 이상상태가 발생한 경우 원자로보호설비가 자동 감지하여 원자로를 안전하게 정지시켜 중대 사고로 확대되는 것을 방지한다.
③ 물리적 다중방벽의 건전성 유지 - (O) 방사성물질이 발전소 외부로 누출되는 것을 방지하기 위하여 5개의 방호벽(물리적 다중방벽)의 건전성을 유지해야 한다.
④ 대중과 환경을 재해로부터 보호 - (O) 설계기준을 초과하는 심각한 상태를 제어하고 방사성물질의 외부 유출을 최소화함으로써 대중과 환경을 재해로부터 보호해야 한다.

정답: ①

 

문 25) 가압경수로형 원자력발전소의 예상임계점 계산 시 고려하는 반응도 인자가 아닌 것은?
➀ 제어봉 반응도 결손
➁ 노심 연소도
➂ 붕소농도에 따른 반응도 결손
➃ Xe 결손

★ 키워드: 예상임계점 계산

원자로 기동 중 통제 가능한 임계 접근을 위해서 기동 예상시점에서의 노심 반응도를 계산하는 것은 중요하다. 노심 반응도 변수를 이용하여 예상임계점(Estimated Critical Point; ECP)을 계산할 수 있다. 예상임계점은 노심의 모든 반응도 인자에 의한 반응도 평형(반응도 합이 0일 때, 임계상태가 되는 것)을 이용한다. 고려하는 반응도 인자에는 제어봉 위치(①), 붕소농도(③), 제논(④) 및 사마륨, 출력결손 및 그 밖의 잉여반응도가 있다.

② 노심 연소도 - (⧍) 엄밀히 말해서 예상임계점 계산에 연소도를 고려하지 않는 것은 아니다. 연소 시점(연소도)에 따라 노심 특성 및 반응도 변수(출력결손, 임계 붕소농도, 붕소가, 제어봉가 등)가 결정되기 때문이다. 다만 예상임계점 계산에 직접적으로 사용하는 변수라기보다는 반응도 인자의 값을 결정하는 간접적인 인자 정도로 이해하면 된다.
 
정답: ②

○ Delta Rho법을 이용한 예상임계점 계산 

 

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1. 최초작성(2020. 6.11.)
2. 1차수정(2021. 9.26.)