개념 한 쪽
원자로에서 U235가 핵분열할 때 고속 중성자가 나오는데, U235는 느린 열중성자를 맞아야 잘 분열한다. 중성자의 속도를 줄이는 감속재와, 중성자를 흡수해 출력을 조절하는 제어봉의 역할과 재료를 구분하는 것이 핵심이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「원자력의 이론과 원자로」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 효율 계산 | 2 | 연료 발열량·발전량으로 구한 열효율과 랭킨사이클 엔탈피로 구한 효율 수치 구하기 |
| 개념 설명 옳은 것 고르기 | 1 | 수차의 특유속도에 대한 설명 중 옳은 보기 가리기 |
가장 자주 묻는 것은 효율 계산입니다.
원자로에서 U235가 핵분열하면 아주 빠른 고속 중성자가 방출된다. 그런데 U235는 느린 열중성자를 맞아야 잘 분열하므로, 나온 중성자의 속도를 줄여 주는 물질이 필요하다. 이 역할을 하는 것이 감속재다.
감속재로는 경수(보통 물)·중수·흑연·베릴륨처럼 가볍고 중성자를 잘 흡수하지 않는 소재를 쓴다. 고속 중성자를 충돌로 감속시켜 열중성자로 바꾸는 것이다. 빠른 공을 스펀지 벽에 부딪혀 천천히 굴러가게 만드는 원리와 같다.
제어봉은 역할이 다르다. 핵분열이 일어날 때마다 중성자가 2~3개씩 나와 연쇄반응이 이어지는데, 중성자가 너무 많으면 출력이 폭주하고 너무 적으면 반응이 멈춘다. 카드뮴(Cd)은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉 재료로 쓰이며, 제어봉을 넣으면 중성자를 흡수해 핵분열이 줄고 빼면 늘어난다.
이 밖에 냉각재는 분열열을 식히는 것이고, 반사체는 중성자를 되반사하는 것이다. 감속재·냉각재·제어재·반사체를 역할별로 묶어 구분하는 것이 이 개념의 핵심이다.
감속재와 제어봉 재료를 섞어 놓고 구별하게 하는 문제가 대표적이다. 감속재는 경수·중수·흑연·베릴륨이고, 카드뮴은 중성자를 흡수하는 제어봉 재료이므로 감속재가 아니다.
역할 연결 문제도 나온다. '속도↓ = 감속재, 열 제거 = 냉각재, 흡수·조절 = 제어재'로 묶으면 즉답된다. 제어봉 목적을 핵융합이나 핵분열 유발로 답하는 것은 '흡수해 억제'라는 원리와 방향이 반대이므로 틀린다.
발열량 5500kcal/kg의 석탄 10ton을 연소하여 24000kWh의 전력을 발생하는 화력발전소의 열효율은 약 몇 % 인가?
정답 ④ · 열효율은 발생 전력에너지를 투입 연료의 열량으로 나눈 백분율입니다. 투입 열량은 발열량(5500kcal/kg) × 연료량(10ton=10000kg)이며, 1kWh는 860kcal에 해당합니다.
열효율 = 발전량×860 ÷ (발열량×연료량), 24000×860/5500만 ≈ 37.5%.
급수의 엔탈피 130kcal/㎏, 보일러 출구 과열증기 엔탈피 830kcal/㎏, 터빈 배기 엔탈피 550kcal/㎏인 랭킨사이클 의 열사이클 효율은?
정답 ② · 랭킨사이클의 열효율은 터빈에서 발생하는 일과 보일러에서 공급받은 열량의 비로 계산됩니다. 터빈에서 발생하는 일은 (830 - 550) = 280[kcal/kg]이며, 보일러에서 가하는 열량은 (830 - 130) = 700[kcal/kg]입니다.
랭킨사이클 열효율은 터빈 일÷보일러 공급열 = (830-550)/(830-130) = 0.4이다.
수차의 특유속도에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ④ · 수차의 특유속도(비속도)는 수차의 형상과 유속, 회전 속도 등과 관련된 고유 값입니다. 특유속도가 높다는 것은 같은 낙하와 출력 조건에서 수차의 회전 속도가 빠르다는 것을 의미하며, 이는 곧 수차 러너와 유수 간의 상대 속도가 빠르다는 것을 뜻합니다.
특유속도가 높으면 같은 낙차·출력에서 회전이 빨라 러너와 유수의 상대속도도 빠르다.
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