전기기사 전력공학 · 원자력발전

Nuclear Power Generation

원자력발전은 핵분열 열로 증기를 만들고 터빈·발전기를 돌리는 열기관 발전이에요. 증배계수 k로 연쇄반응을 임계 근처에서 제어하고, 제어봉 삽입이 반응도를 낮춰요. 열·전기 변환 효율과 안전 계통 개념이 시험 골격이에요. k와 제어봉을 바꾸면 임계·아임계 감각이 보여요.

핵분열 에너지의 본질

🔍 왜 원자력인가

①우라늄-235 원자핵에 중성자 충돌 → 핵분열 → 막대한 열에너지 방출

②U-235 1g 완전 분열 ≈ 석탄 3톤 연소 열량 → 압도적 에너지 밀도

③분열 시 2~3개의 새 중성자 방출 → 연쇄반응으로 지속적 에너지 공급

④이 연쇄반응 속도를 제어봉으로 조절하는 것이 원자력발전의 핵심

증배계수 k와 연쇄반응 제어

증배계수 k1

🔑 핵심 관찰

①k = 1 (임계): 한 세대의 중성자가 다음 세대에 동일 수 유지 → 정상 운전 상태

②k < 1 (미임계): 중성자 수 감소 → 반응 소멸, 원자로 정지 시

③k > 1 (초임계): 중성자 수 증가 → 출력 상승, 원자로 기동 시 일시적 사용

④실제 운전: k ≈ 1.000 부근에서 제어봉으로 미세 조정

핵분열 에너지 계산

질량-에너지 등가

E = mc²

m: 질량결손[kg], c: 광속 3×10⁸ m/s

U-235 1회 분열

≈ 200 MeV ≈ 3.2 × 10⁻¹¹ J

대부분이 분열 파편의 운동에너지 → 열로 전환

핵연료 발생열량

U-235 1g ≈ 8.2 × 10⁷ kJ

석탄 약 3톤, 석유 약 2000ℓ에 해당

💡 실기 연계

①"U-235 1kg 완전연소 시 발생 에너지는 석탄 몇 톤에 해당하는가?" → 약 3,000톤

②질량결손 문제: 분열 전후 질량 차이 Δm → E = Δm × c² 계산

③1 MeV = 1.6 × 10⁻¹³ J 환산 반드시 암기

원자로 구성요소와 제어

제어봉 삽입률50%

4인자 공식

k∞ = η · ε · p · f

η: 핵분열당 중성자수, ε: 고속핵분열인자, p: 공명이탈확률, f: 열중성자이용률

💡 구성요소 역할 비교

①연료: UO₂(농축 U-235 3~5%) 핵분열 열원

②감속재: 고속중성자→열중성자 감속 (경수/중수/흑연)

③냉각재: 노심 열 제거·증기발생기로 전달 (경수/중수/CO₂/Na)

④제어봉: 중성자 흡수 물질(B₄C, Hf, Cd) 삽입↑→출력↓

시험 총정리

증배계수

k∞ = η·ε·p·f

4인자 공식(무한체계)

유효증배계수

k_eff = k∞ · L_th · L_f

6인자 공식(유한체계)

감속비

ξΣ_sΣ_a

감속능력/흡수 비율

전환비

C = 생성 핵분열물질소비 핵분열물질

C > 1: 증식로

🎯 시험 포인트

①k = 1 임계, k < 1 미임계, k > 1 초임계: 정의 정확히 구분

②원자로 종류: PWR(가압경수로)·BWR(비등경수로)·PHWR(가압중수로) 구분

③PWR: 감속재=냉각재=경수, 연료=저농축UO₂. 한국 표준형(APR1400)

④제어봉 삽입 → 중성자 흡수 ↑ → k_eff ↓ → 출력 감소

⑤실기: 핵연료 소비량·에너지 환산 계산 + 원자로 종류별 특성 비교표 출제

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 4인자 공식 k∞ = η·ε·p·f 에서 각 인자의 명칭과 의미를 쓰시오.

②[기출유형] PWR과 BWR의 차이점을 3가지 이상 서술하시오. (증기발생기 유무, 냉각재 계통 수, 격납건물 크기 등)

③[기출유형] 제어봉의 재료 3가지와 역할을 쓰시오. (답: B₄C, Hf, Cd. 중성자 흡수로 반응도 제어)