개념 한 쪽
원자로에서는 U235의 핵분열로 생긴 고속 중성자를 열중성자로 늦추는 감속재가 필요하다. 중성자를 흡수해 핵분열 속도를 조절하는 제어봉과 열을 빼는 냉각재도 역할이 다르다. 발전설비 출력은 수력에서 9.8QHη 식으로 산정한다.
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출제기준 단원 「원자력 발전설비 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 감속재 역할 판단 | 1 | 고속 중성자를 열중성자로 늦추는 재료를 고르기 |
| 제어봉 재료 목적 판단 | 1 | 카드뮴의 중성자 흡수와 출력 조절 목적을 가리기 |
| 수력 출력 비율 계산 | 1 | 낙차와 효율 저하 시 출력 비율을 계산하기 |
원자로에서 U235가 핵분열하면 고속 중성자가 방출된다. U235는 열중성자를 잘 흡수해 분열하므로 고속 중성자를 열중성자로 늦추는 물질이 필요하고, 이 역할을 하는 것이 감속재다. 감속재는 경수·중수·흑연·베릴륨처럼 중성자를 잘 흡수하지 않으면서 속도를 줄이는 소재를 쓴다.
냉각재는 핵분열로 생긴 열을 제거하는 물질이다. 제어재는 중성자를 흡수해 중성자 수와 핵분열 속도를 조절하는 물질이고, 반사체는 중성자를 되돌려 보내는 역할을 맡는다. 감속재가 속도를 줄이는 일을 하고 제어재가 중성자를 흡수해 출력을 조절한다는 점을 구분한다.
카드뮴(Cd)은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉 재료로 쓰인다. 제어봉을 넣으면 중성자를 흡수해 핵분열이 줄고, 제어봉을 빼면 중성자 수가 늘어 핵분열이 늘어난다. 카드뮴과 붕소는 중성자를 흡수하는 제어봉 쪽 재료이고, 경수·중수·흑연·베릴륨은 감속재 쪽 재료다.
수력발전 출력은 P=9.8QHη로 계산한다. Q는 사용수량, H는 유효낙차, η는 수차와 발전기의 합성효율이다. 안내날개의 역량이 불변이라는 조건에서는 유량이 낙차의 제곱근에 비례하므로 Q∝√H 관계를 적용한다.
유효낙차가 40% 저하되고 효율이 20% 저하되면 H는 0.6H, η는 0.8η가 된다. 안내날개 역량이 불변이면 Q는 √0.6Q가 되므로 출력 비는 0.6×√0.6×0.8이 된다. 계산하면 약 0.372가 되어 원래 출력의 약 37.2%가 된다.
유효낙차 40% 저하, 효율 20% 저하, 안내날개 역량 불변 조건의 출력 계산을 보자. P=9.8QHη에서 H'=0.6H, η'=0.8η, Q'=√0.6Q로 둔다. P'/P=0.6×√0.6×0.8≈0.6×0.775×0.8=0.372이므로 출력은 원래의 약 37.2%가 된다.
낙차가 50m이고 최대 사용수량이 40m³/s이며 합성효율이 80%인 수력발전소의 최대 출력도 같은 식으로 구한다. P=9.8×40×50×0.8=15680kW이므로 약 15700kW가 된다. 효율을 빼고 계산하면 19600kW가 되어 보기와 어긋난다.
원자로 재료 문제에서는 감속재와 제어봉의 역할을 뒤바꾼 선지가 함정이 된다. 고속 중성자를 늦추는 일을 냉각재로 적거나, 카드뮴을 감속재로 적으면 틀린다. 카드뮴은 중성자를 흡수하는 제어봉 재료이고, 감속재는 경수·중수·흑연·베릴륨 쪽이다.
원자로에서 U235의 핵분열시 방출되는 고속 중성자를 열중성자로 만들기 위하여 사용되는 것은?
정답 ② · 문제는 원자로에서 핵분열로 생성되는 고속 중성자를 열중성자로 감속시키는 물질을 묻는다. 고속 중성자는 반응성 유발을 위해 열중성자로 낮춰야 하며 이 역할을 하는 것이 감속재로서 중수, 경수, 흑연 등이 해당한다.
U235 핵분열의 고속 중성자를 열중성자로 늦춰주는 것이 감속재(경수·중수·흑연)이다.
원자로에서 제어봉으로 카드윰(Cd)을 사용하는 목적으로 가장 알맞은 것은?
정답 ① · 문제는 원자로 제어봉에 카드뮴을 사용하는 목적을 묻고 있다. 카드뮴은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉으로 삽입·인출하여 반응도와 중성자 수를 조절하는 데 사용된다.
카드뮴(Cd)은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉으로 중성자 수(핵분열 속도)를 조절한다.
유효낙차가 40% 저하되면 수차의 효율이 20% 저하된다고 할 경우 이때의 출력은 원래의 약 몇 [%]인가? (단, 안내 날개의 역량은 불변인 것으로 한다.)
정답 ① · 수차의 출력(P)은 유효 낙차(H)와 유량(Q)의 곱에 비례합니다. 문제의 조건에서 안내 날개의 역량(유량 조절 능력)은 불변이므로 유량 Q는 일정하다고 볼 수 있습니다.
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