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문 1) 무한증배계수(k∞)를 구성하는 4인자에 대한 설명으로 틀린 것은? ➀ 속핵분열인자(ε)는 열중성자 핵분열에서 생성되는 중성자수에 대한 전체 핵분열에서 생성되는 중성자수의 비로 나타낸다. ➁ 일정량의 중성자는 열에너지 영역에 도달하기 전에 공명영역에서 흡수되며, 공명흡수 확률(p)로 표시한다. ➂ 열중성자이용률(f)은 전체 흡수반응률에 대한 핵연료에서의 흡수반응률로 정의된다. ➃ 핵연료에 흡수되는 열중성자 1개 당 생성되는 핵분열 중성자의 평균수를 재생계수(η)로 표시한다.
★ 키워드: 6인자 공식
증배계수(Multiplication Factor, k)란, 원자로에서 한 세대의 총 중성자 수에 대한 다음 세대 총 중성자 수의 비를 나타내는 값이다. 무한한 크기의 원자로를 가정하여 중성자의 외부 누설을 고려하지 않은 값을 특별히 무한증배계수(k∞)라고 부르며, 무한증배계수는 4가지 인자-재생계수(η), 열중성자이용률(f), 공명이탈확률(p), 속핵분열인자(ε)-의 곱으로 나타낼 수 있다.
① 속핵분열인자(ε)는 열중성자 핵분열에서 생성되는 중성자수에 대한 전체 핵분열에서 생성되는 중성자수의 비로 나타낸다. - (O) 핵분열 반응은 열중성자에 의한 열핵분열(U-235)과 고속중성자에 의한 속핵분열(U-238) 반응이 있다. 속핵분열인자는 열핵분열로 생성되는 중성자 수에 대한 전체 핵분열(열핵분열+속핵분열)로 생성되는 중성자수의 비로 정의한다. ② 일정량의 중성자는 열에너지 영역에 도달하기 전에 공명영역에서 흡수되며, 공명흡수 확률(p)로 표시한다. - (X) 핵분열로 방출된 고에너지의 속중성자가 열핵분열 반응을 일으키기 위해서는 감속재와 충돌하여 에너지를 잃고 열중성자 에너지 영역에 도달해야 한다. 감속 과정에서 공명영역에서 특히 중성자를 많이 흡수하는 U-238과 같은 물질에 의해 중성자가 흡수되는데, 속중성자가 공명흡수되지 않고 열중성자가 될 확률을 공명이탈확률(p)로 정의한다. ③ 열중성자이용률(f)은 전체 흡수반응률에 대한 핵연료에서의 흡수반응률로 정의된다. - (O) 원자로는 연료, 감속재, 제어봉, 독물질, 구조재료 등 다양한 물질로 구성되어 있으며, 중성자 흡수 측면에서 각 물질은 경쟁적인 관계에 있다. 핵분열 연쇄반응에 유효한 열중성자 흡수반응은 핵연료로의 흡수이므로, 이를 고려한 인자가 열중성자이용률(f)이다. ④ 핵연료에 흡수되는 열중성자 1개 당 생성되는 핵분열 중성자의 평균수를 재생계수(η)로 표시한다. - (O) 재생계수(η)는 핵연료에 흡수된 열중성자에 의해 핵분열반응이 일어남으로써 생성되는 중성자의 수를 나타내는 인자이다.
정답: ②
문 2) Fick’s law(J = -D▽φ)에 대한 설명 중 틀린 것은? (단, J : 중성자류, D : 확산계수, φ : 중성자속) ➀ 기체 확산과 유사하게 중성자 확산을 설명하기 위해 사용한다. ➁ 감속재 영역에 적용하면 큰 오차가 발생한다. ➂ 원자로 내의 중성자 흐름은 용액 내의 용질과 유사하게 거동한다. ➃ 중성자류의 크기는 중성자속의 차이에 비례한다.
★ 키워드: Fick의 법칙
Fick의 법칙은 노내 중성자의 거동을 근사하기 위한 가정 중 하나로, 중성자가 용액에서의 용질의 확산 또는 이상기체의 확산과 비슷하다고 가정할 때, 중성자류(neutron fluence)는 중성자속 구배가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 흐른다는 것을 설명한다.
① 기체 확산과 유사하게 중성자 확산을 설명하기 위해 사용한다. - (O) 중성자 거동을 기체 확산(밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동)으로 설명한다. ② 감속재 영역에 적용하면 큰 오차가 발생한다. - (X) Fick의 법칙은 중성자가 생성되는 곳이나 흡수되지 않는 곳에서 적용된다. 감속재는 중성자 선원이나 흡수물질이 아니므로 큰 오차가 발생한다는 설명은 옳지 않다. ③ 원자로 내의 중성자 흐름은 용액 내의 용질과 유사하게 거동한다. - (O) 노내 중성자 거동 근사는 용액 내 용질의 확산과 유사하다고 가정한 것이 Fick의 법칙이다. ④ 중성자류의 크기는 중성자속의 차이에 비례한다. - (O) 중성자류(J)의 크기는 중성자속 구배(∇φ)에 비례하며 그 방향은 큰 쪽에서 작은 쪽으로(-) 이동한다.
정답: ②
○ Fick의 법칙이 잘 적용되기 위한 조건 - 무한 매질, 균일 매질 - 중성자가 생성되지 않는 곳(중성자선원 X) - 모든 위치에서 반응단면적이 일정 - 중성자는 등방(isotropic) 산란 - 시간에 따라 변화하지 않음(정상상태)
문 3) 고속로에 대한 설명 중 틀린 것은? ➀ 감속재가 필요 없고, 증식(Breeding)이 용이하다. ➁ 높은 중성자에너지 영역에서는 공명흡수 구간이 서로 중첩되어 구분하기 어렵다. ➂ 공명영역에서 흡수반응률은 중성자 스펙트럼 φ(E)에 의존한다. ➃ 안전한 운전을 위해 도플러계수(αprompt)를 양(+)이 되도록 해야 한다.
★ 키워드: 고속로
고속로는 약 0.1 MeV 이상의 고에너지의 중성자에 의한 핵분열 에너지를 이용하는 원자로로 핵원료물질을 핵분열성 물질로 변환 또는 연소하는 원자로이다.
① 감속재가 필요 없고, 증식(Breeding)이 용이하다. - (O) 열핵분열 반응을 일으키기 위해 감속재가 필요한 열중성자로와는 달리 고속중성자에 의한 속핵분열(Fast fission) 반응을 이용하므로 감속재가 필요없다. 잔여중성자를 이용하여 핵원료물질(Fertile)을 더 많은 핵분열성물질(Fissile)로 전환(증식)한다. ② 높은 중성자에너지 영역에서는 공명흡수 구간이 서로 중첩되어 구분하기 어렵다. - (O) 고속로는 U-238 또는 Th-232과 같은 fertile을 핵연료로 사용한다. 에너지에 따른 U-238의 미시적 단면적 그래프를 보면 공명영역에서 에너지가 클수록 공명피크를 구분하는 것이 어렵다는 것을 알 수 있다.
③ 공명영역에서 흡수반응률은 중성자 스펙트럼 φ(E)에 의존한다. - (O) 반응률(Reaction rate; RR)은 단위 부피 내 단위 시간 당 입자(중성자)와 표적핵의 핵반응 수이다. 표적핵의 반응 확률을 나타내는 거시적단면적(Σ)과 표적핵으로 진행하는 입자의 흐름을 나타내는 flux(φ)의 곱(RR = Σ × φ)으로 구할 수 있다. 따라서 공명영역에서 중성자의 흡수반응률은 중성자 flux φ(E)에 의존한다고 말할 수 있다. ④ 안전한 운전을 위해 도플러계수(αprompt)를 양(+)이 되도록 해야 한다. - (X) 원자로의 고유안전성(Inherent Safety)을 설명하는 도플러계수(연료온도계수; FTC)는 온도 증가에 따라 자기출력 제한을 위해 부반응도가 삽입되어야 한다. 즉, FTC가 음(-)이 되도록 설계하는 것이 중요하다.
정답: ④
문 4) 다음 식은 원자핵의 결합에너지에 대한 Wiezsäcker의 반경험적 질량 공식(액적모델 또는 Liquid drop model)을 나타낸다. 이 공식에 따르면 주로 질량수가 작은 핵종들에 대해 핵자 당 결합에너지의 오차가 발생하는데, 이러한 오차를 발생시키는데 가장 큰 영향을 주는 것은 어느 항과 관련이 있는가? [보충 필요]
➀ (가) 부피(Volume) 항 ➁ (나) 표면(Surface) 항 ➂ (다) 쿨롱(Coulomb) 항 ➃ (라) 대칭(Symmetry) 항
★ 키워드: 결합에너지
정답: ②
문 5) 중수로에 대한 설명으로 틀린 것은? ➀ 중수를 냉각재와 감속재로 사용하는 열중성자로이다. ➁ 정상운전 시 노심에서의 비등을 허용하지 않는다. ➂ 중수는 열중성자 흡수단면적이 매우 작아서 핵연료로 천연우라늄을 사용해도 임계에 도달할 수 있다. ➃ 잉여반응도가 작아 가동 중 신연료 장전을 수행한다.
★ 키워드: 중수로
중수로는 우라늄 농축기술이 개발되지 못했던 시기에 천연우라늄을 핵연료로 사용하기 위해 개발된 원자로이다. 국내에서도 CANDU 타입의 가압중수로가 3기 운영(월성 2, 3, 4호기, 1호기는 폐로) 중이다..
① 중수를 냉각재와 감속재로 사용하는 열중성자로이다. - (O) 중수로는 감속재로 중수를 사용하여 천연우라늄 내 U-235를 열핵분열시켜 에너지를 얻는 열중성자로이다. ② 정상운전 시 노심에서의 비등을 허용하지 않는다. - (X) 경수로와 마찬가지로 중수로도 비등을 허용하는 비등형 중수로와 비등을 허용하지 않는 가압중수로가 있다. 비등형 중수로는 정상운전 중 노심에서 비등을 허용한다. ③ 중수는 열중성자 흡수단면적이 매우 작아서 핵연료로 천연우라늄을 사용해도 임계에 도달할 수 있다. - (O) 중수는 다른 감속재에 비해 열중성자 흡수단면적이 매우 작아 감속비가 크다(중수: 2,100, 경수: 70, Be: 150, 흑연(C): 170). 따라서 천연우라늄을 연료로 사용해도 충분히 임계에 도달할 수 있다. ④ 잉여반응도가 작아 가동 중 신연료 장전을 수행한다. - (O) 잉여반응도는 노심에 장전된 핵연료물질(U-235)의 양과 관련이 있다. 천연우라늄 연료를 사용하는 중수로의 경우 잉여반응도가 작으므로 경수로에 비해 연료 교체주기가 짧고, 운전 중 연속적으로 연료를 교체해야 한다.
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