2019년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력 계통공학 01~05)

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2019년도 원자력기사 필기 기출 해설(원자력 계통공학 01~05)

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문 1) 원자력 발전소 사고 시 원자로와 유출 가능성이 있는 방사능으로부터 공중을 보호하기 위한 공학적 안전설비의 기능으로 알맞은 것은?
➀ 핵연료 피복재의 용융을 방지한다.
➁ 원자로 격납용기 내의 대기를 최대 온도 및 압력으로 유지한다.
➂ 핵분열생성물 중 방사성요오드 농도를 저감한다.
➃ 비정이 짧은 방사성 핵종이 원활하게 외부로 방출되도록 한다.

★ 키워드: 공학적 안전설비(ESF)

 

공학적 안전설비(ESF)는 원자로냉각재 상실사고(LOCA)를 비롯한 가상의 설계기준사고(DBA)가 발생할 경우 노심의 냉각능력을 확보하고 원자로냉각재계통(RCS)에서 방출되는 방사성물질을 방호하여 환경으로 누출되는 방사능 준위를10CFR100에서 요구하는 허용기준(부지경계선에서 전신/갑상선 피폭선량: 0.25/3 Sv/2h) 이하로 유지하기 위한 설비 또는 계통이다.

 

① 핵연료 피복재의 용융을 방지한다. - (O) 연료 중심온도와 피복재 표면온도를 제한치 이내로 유지함으로써 피복재의 용융을 방지한다.

② 원자로 격납용기 내의 대기를 최대 온도 및 압력으로 유지한다. - (X) 격납용기 대기를 설계온도 및 설계압력 이하로 유지함으로써 격납용기의 건전성을 확보한다.

③ 원자로 격납용기 내의 대기를 최대 온도 및 압력으로 유지한다. - (∆) 공학적 안전설비 중 원자로건물 대기로부터 방사성옥소를 제거하는 원자로건물열제거계통이나 핵연료건물 대기의 방사성옥소 및 입자들의 농도를 감소시키는 핵연료건물 비상배기계통 등은 방사성옥소의 농도를 저감한다. 사고시에도 안전설비의 계속 운전을 보장하기 위해서 원전종사자의 거주성을 유지한다는 것을 고려한다면 문제에서 언급한 ‘공중’ 보호 기능과는 조금은 다른 부분으로 보인다.

④ 비정이 짧은 방사성 핵종이 원활하게 외부로 방출되도록 한다. - (X) 기본적으로 원자로 노심 및 원자로냉각재계통에서 누출되는 방사능의 외부 방출을 최소화하는 것이 중요합니다.

 

○ 공학적 안전설비의 기능

- 핵연료피복재 보호: 연료 중심온도 및 피복재 표면온도 제한

- 격납용기 방사성물질 제거: 격납용기 내 방사성물질 함유량 제한

- 냉각재 재고량 확보: 설계기준사고에 따라 손실된 냉각재 재고량을 확보하여 노심 냉각기능을 유지

- 격납용기 건전성 확보: 격납용기 대기 온도 및 압력 유지, 수소함유량 제한

- 핵증기공급계통 냉각: 증기발생기에 보조급수를 공급하여 노심 열제거원 확보

- 주제어실 건전성 확보

 

정답: ①

 

문 2) 열출력 3,000 MW인 가압경수로형 원자로에서 냉각수가 원자로 입구에서 284℃의 온도와 60×10^6kg/hr의 유량률로 흘러들어가서 출구로 나올 때 단위 질량 당 엔탈피 증가량으로 알맞은 것은?
➀ 5 × 10J/kg
➁ 5 × 10^2J/kg
➂ 1.8 × 10^4J/kg
➃ 1.8 × 10^5J/kg

★ 키워드: 엔탈피 계산

 

열역학에서 기본적인 가정은 검사체적에서 나가는 유동에 의한 엔탈피와 들어오는 유동에 의한 엔탈피 차이만큼의 일을 한다는 것이다. 원자력발전소에서 일은 열출력을 의미하며, 원자로냉각재계통의 유량과 원자로의 입구와 출구의 엔탈피 차이, 즉 온도 차이를 알 수 있다면 열평형법을 통해서 열출력을 계산할 수 있다.

 

정답: ④

 

문 3) 가압경수로형 원자로 1차 계통에 대한 설명으로 틀린 것은?
➀ 원자로냉각재계통은 정상운전 중 과냉각상태에서 운전되며, 이러한 과냉각상태는 증기발생기의 급수예열기에 의해 유지된다.
➁ 원자로냉각재펌프는 원자로냉각재계통에 강제순환유량을 제공하고 발전소 기동 중에는 원자로냉각재계통을 가열시킨다.
➂ 원자로압력용기는 방사선의 영향과 고온·고압 상태에서 견디도록 설계되며 핵연료 집합체, 제어봉 집합체 및 내부구조물을 내장한다.
➃ 원자로냉각재계통은 원자로 노심에서 발생하는 열을 증기발생기를 통하여 2차 계통으로 전달하는 역할을 한다.

★ 키워드: 원자로냉각재계통(RSC)

 

핵연료물질의 핵분열반응 결과 발생하는 열을 증기발생기로 전달하여 노심의 열을 제거하는 계통이 바로 원자로냉각재계통(Reactor Coolant System; RCS)입니다. RCS는 원자로, 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프(RCP)와 이들을 연결하는 배관 등으로 구성되어 있다.

① 원자로냉각재계통은 정상운전 중 과냉각상태에서 운전되며, 이러한 과냉각상태는 증기발생기의 급수예열기에 의해 유지된다. - (X) 정상운전 중 냉각재는 과냉상태를 유지해야 하며, RCS의 압력은 가압기의 전열기 가열 및 살수노즐 분무를 통해서 조절한다. 증기발생기 급수예열기는 2차측 구성품으로, 증기발생기의 열효율 향상을 목적으로 U-tube 저온관측에 설치한다.
② 원자로냉각재펌프는 원자로냉각재계통에 강제순환유량을 제공하고 발전소 기동 중에는 원자로냉각재계통을 가열시킨다. - (O) 원자로냉각재펌프(Reactor Coolant Pump; RCP)는 냉각재를 강제 순환시키며, 발전소 기동 시 무부하 온도까지 가열하기 위한 초기 열을 제공한다. 이때 열원은 강제 순환 냉각재와 배관 사이의 마찰력에 기인한다.
③ 원자로압력용기는 방사선의 영향과 고온·고압 상태에서 견디도록 설계되며 핵연료 집합체, 제어봉 집합체 및 내부구조물을 내장한다. - (O) 핵연료집합체를 비롯한 원자로 부속 구조물을 내장하는 원자로압력용기는 조사저항성, 내부식성 등을 고려하여 재료 선택, 구조 설계 등이 이루어진다.
④ 원자로냉각재계통은 원자로 노심에서 발생하는 열을 증기발생기를 통하여 2차 계통으로 전달하는 역할을 한다. - (O) : 증기발생기로 공급된 급수는 RCS의 열에 의해 증기가 됨으로써 터빈 등 2차 계통으로 열에너지를 전달한다.

정답: ①

 

문 4) 전기 출력 1,000 MWe의 경수로형 원자력발전소의 1년(365일) 동안 발전량이 250,000MWd이었으며, 60일의 정비(Overhaul) 기간과 30일의 연료 재장전 기간 동안 정지하였다. 이 발전소의 연간 이용률(Capacity factor)과 가동률(Availability)은?
➀ 이용률: 68.5%, 가동률: 75.3%
➁ 이용률: 68.5%, 가동률: 83.6%
➂ 이용률: 75.3%, 가동률: 68.5%
➃ 이용률: 83.6%, 가동률: 68.5%

★ 키워드: 이동률, 가동률

발전설비 운영의 효율성 및 활용도를 나타내는 지표인 이용률(Capacity Factor, CF)은 실제 주기동안의 발전량을 정격열출력과 주기길이의 곱으로 나눈 값으로 정의한다. 원전 안전성 및 경제성 평가 지표로 사용되는 가동률(Availability Factor, AF)은 주기길이에 대한 실제 발전소 가동시간의 비율이다.

정답: ①

 

문 5) 원자로 풀비등(Pool boiling) 열전달에 대한 설명으로 맞는 것은?
➀ 관 내부로 흐르는 물이 관 표면으로부터 가열될 때 나타난다.
➁ 핵비등 영역에서는 처음 핵비등이 시작될 때 기포가 전체에 걸쳐 분포하다가 핵비등이 지속될수록 응축되어 기포는 가열면 근처에만 존재한다.
➂ 핵비등 영역에서 열유속을 더욱 증가시키면 가열면에서 발생한 기포들에 의하여 형성된 증기막이 가열면을 덮으면서 막비등(Film boiling)으로 변하고 가열면의 온도는 급격히 상승한다.
➃ 핵비등으로부터 이탈 현상이 일어나는 임계열유속 이하의 핵비등에서는 열유속이 작을수록 열전달이 효율적이므로 정확한 임계열유속의 예측이 매우 중요하다.

★ 키워드: 풀비등

 

표면이 서로 접하는 고체와 액체의 계면에서 포화온도보다 충분히 높은 온도로 유지될 때 액체가 기체로 상변화하는 현상은 비등(boiling)이다. 비등은 유체 유동에 따라 분류할 수 있는데, 정지유체에서 부력에 의한 자연대료와 기포 운동에 따라 비등이 일어나는 경우를 ‘풀 비등(Pool boiling)’이라고 한다.

① 관 내부로 흐르는 물이 관 표면으로부터 가열될 때 나타난다. - (X) 풀비등은 유동이 없는 정지유체의 가열에 의해 발생하는 비등이다. 관 내부를 흐르는 물은 유동 비등(flow boiling)으로 분류한다.
② 핵비등 영역에서는 처음 핵비등이 시작될 때 기포가 전체에 걸쳐 분포하다가 핵비등이 지속될수록 응축되어 기포는 가열면 근처에만 존재한다. - (X) 핵비등은 전열면의 특정한 지점-발포점(nucleation center)-을 핵으로 하여 기포가 발생한다. 일반적으로 기포가 전체에 걸쳐 분포하지 않는다.
③ 핵비등 영역에서 열유속을 더욱 증가시키면 가열면에서 발생한 기포들에 의하여 형성된 증기막이 가열면을 덮으면서 막비등(Film boiling)으로 변하고 가열면의 온도는 급격히 상승한다. - (O) 열전달이 증가하면 기포발생점이 많아져 그 결과 기포들이 합체하여 국소적으로 전열면을 덮는 증기막이 형성된다. 증기막이 형성된 직후부터 열전달은 저하하여 가열면의 온도는 급격히 상승한다.
④ 핵비등으로부터 이탈 현상이 일어나는 임계열유속 이하의 핵비등에서는 열유속이 작을수록 열전달이 효율적이므로 정확한 임계열유속의 예측이 매우 중요하다. - (X) 핵비등에서의 열전달은 막비등이 시작되기 직전이 최대가 된다.

정답: ③

○ 풀비등의 초과온도(포화온도-표면온도 차이)에 따른 분류

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1. 최초작성(2020. 6. 4.)
2. 1차수정(2021. 9.27.)