개념 한 쪽
원자로는 핵연료의 핵분열로 열을 만든다. U235는 고속 중성자보다 열중성자를 잘 맞아 분열하므로, 핵분열 때 나온 고속 중성자를 늦추는 감속재가 필요하다. 카드뮴 같은 제어봉 재료는 중성자를 흡수해 핵분열 속도를 조절한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「핵연료 및 핵연료 주기」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 급수·증기 흐름 순서 | 1 | 절탄기부터 복수기까지 급수와 증기의 흐름 순서를 가린다 |
| 터빈 열효율 계산 | 1 | 엔탈피 차와 발전기 효율로 터빈 열효율을 구한다 |
| 석탄 필요량 계산 | 1 | 발전량과 발열량·효율로 필요한 석탄량을 구한다 |
핵연료 및 핵연료 주기 개념에서는 U235의 핵분열과 중성자 거동을 먼저 잡는다. 원자로에서 U235가 핵분열하면 아주 빠른 고속 중성자가 방출된다. U235는 느린 열중성자를 맞아야 잘 분열하므로, 고속 중성자를 열중성자로 바꾸는 감속재가 필요하다.
감속재는 중성자의 속도를 줄이는 재료이다. 감속재로는 경수, 중수, 흑연, 베릴륨을 쓴다. 냉각재는 분열열을 식히는 재료이고, 제어재는 중성자를 흡수해 출력을 조절하는 재료이며, 반사체는 중성자를 되반사하는 역할을 맡는다. 이 네 역할을 구분하는 것이 원자로 구성재 문항의 핵심이다.
카드뮴은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉 재료로 쓰인다. 제어봉을 넣으면 중성자를 흡수해 핵분열이 줄고, 제어봉을 빼면 핵분열이 늘어난다. 붕소도 제어봉 재료로 함께 언급된다.
감속재로 쓰이는 것은 경수, 중수, 흑연, 베릴륨이고, 카드뮴은 감속재가 아니라 제어봉 재료이다. 감속재는 중성자를 잘 흡수하지 않으면서 감속시키는 물질이고, 카드뮴은 흡수율이 커서 반응도를 제어한다.
원자로 구성재 문제는 감속재와 제어봉 재료를 뒤바꾼다. 카드뮴을 감속재로, 흑연을 제어봉으로 적으면 틀린다. 고속 중성자를 열중성자로 바꾸는 역할을 냉각재로 적는 선지도 함정이다. 제어봉의 목적을 핵융합이나 핵분열 유발로 적으면 흡수·억제 원리와 어긋난다.
이 세트에는 화력발전소의 급수·증기 흐름, 터빈 열효율, 석탄 필요량 계산 문항도 함께 묶여 있다. 원자로 구성재의 역할 구분과 발전 효율 계산을 섞어 읽지 않는다.
화력발전소에서 급수 및 증기가 흐르는 순서는?
정답 ① · 문제는 화력발전소 내부에서 급수와 증기의 흐름 순서를 묻는 것이다. 열에너지를 이용한 발전의 흐름 원리는 예열→증발→과열→팽창→응축으로 정리되며, 배기가스로 급수를 예열하는 장치가 가장 앞에 온다.
화력발전소에서 급수와 증기는 절탄기→보일러→과열기→터빈→복수기의 순서로 흐른다.
터빈입구의 엔탈피 815kal/kg, 복수의 엔탈피 270kal/kg, 유입증기량 300t/h일 때, 발전기 출력은 75000kW로 된다. 발전기 효율을 0.98로 한다면 터빈의 열효율은 약 몇 [%] 인가?
정답 ② · 터빈 입구와 복수 엔탈피, 증기량, 발전기 출력이 주어졌을 때 터빈 열효율을 구하는 문제이다. 먼저 터빈 출력은 발전기 출력을 발전기 효율로 나누어 75000/0.98 약 76531kW가 된다.
터빈출력은 발전기출력÷ηG, 열입력은 Δh×증기량÷860, 효율은 두 값의 비로 40.3%가 된다.
평균 발열량 5000kcal/kg의 석탄을 이용하여 종합효율 25%의 열효율을 내는 화력발전소가 있다. 이 발전소에서 10억kWH의 전력량을 발생시키려면 석탄의 양은 몇 톤이 필요하겠는가?
정답 ④ · 필요한 석탄의 양을 계산하기 위해서는 발생시킬 에너지와 연료의 발열량, 효율을 고려해야 합니다. 먼저 목표 전력량인 10억 kWh를 열량 단위로 변환합니다.
필요 연료량 = 발전량(kWh)×860 ÷ (발열량×효율), 1kWh = 860kcal 환산이 열쇠.
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