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전기기사 전력공학 · 원자력발전

Nuclear Power Generation

원자력 발전은 우라늄의 핵분열에서 나온 열로 증기를 만들어 터빈과 발전기를 돌리는 발전 방식이다. 분열 한 번에 나온 중성자가 다음 분열을 몇 번 일으키는지를 증배 계수 k 로 나타내고, 제어봉으로 k 를 1 근처에 맞춰 연쇄 반응을 일정하게 유지한다. 시험에는 임계 · 미임계 · 초임계의 구분, 4인자 공식, 원자로 구성 요소와 노형 비교가 자주 나와요. 증배 계수 슬라이더로 세대마다 늘거나 주는 중성자 수를, 제어봉 삽입률 슬라이더로 노심 그림과 출력 막대를 바꿀 수 있어요.

핵분열 에너지

🔍 원자력 발전의 특징
①우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하면 둘로 쪼개지며 큰 열에너지를 낸다
②U-235 1 g 이 모두 분열하면 석탄 약 3 t 을 태운 열량과 맞먹어, 에너지 밀도가 매우 크다
③분열 한 번에 새 중성자가 2 ~ 3 개 나와 다음 분열을 일으키므로 연쇄 반응이 이어진다
④이 연쇄 반응의 빠르기를 제어봉으로 조절하는 것이 원자력 발전의 핵심이에요

증배 계수 k 와 연쇄 반응 제어

1
🔑 그림에서 볼 것
①k = 1(임계): 세대마다 중성자 수가 그대로 유지되는 정상 운전 상태다
②k < 1(미임계): 중성자 수가 줄어 반응이 잦아들며, 원자로를 멈출 때의 상태다
③k > 1(초임계): 중성자 수가 늘어 출력이 오르며, 원자로를 기동하거나 출력을 올릴 때 잠깐 쓴다
④실제 운전에서는 k 를 1.000 근처에 두고 제어봉으로 조금씩 맞춰요

핵분열 에너지 계산

질량-에너지 등가
E = mc²
m 은 질량 결손[kg], c 는 광속 3 × 10⁸ m/s 다.
U-235 한 번 분열
≈ 200 MeV ≈ 3.2 × 10⁻¹¹ J
대부분이 분열 파편의 운동 에너지로 나왔다가 열로 바뀐다.
핵연료가 내는 열량
U-235 1g ≈ 8.2 × 10⁷ kJ
석탄 약 3 t, 석유 약 2,000 L 와 맞먹어요.
💡 실기 계산
①U-235 1 kg 이 모두 분열할 때의 에너지는 석탄 약 3,000 t 을 태운 열량과 같다
②질량 결손 문제는 분열 전후 질량 차이 Δm 을 구해 E = Δm × c² 로 계산한다
③1 MeV = 1.6 × 10⁻¹³ J 환산이 자주 쓰여요

원자로 구성 요소와 제어

50%
4인자 공식
k∞ = η · ε · p · f
η 는 분열 한 번의 중성자 수, ε 는 고속 핵분열 인자, p 는 공명 이탈 확률, f 는 열중성자 이용률이에요.
💡 구성 요소의 역할
①연료: U-235 를 3 ~ 5% 로 농축한 UO₂ 로, 핵분열 열을 낸다
②감속재: 빠른 중성자를 열중성자로 늦춘다(경수 · 중수 · 흑연)
③냉각재: 노심의 열을 빼앗아 증기 발생기로 전한다(경수 · 중수 · CO₂ · Na)
④제어봉: 중성자를 흡수하는 물질(B₄C, Hf, Cd)로, 깊이 넣을수록 출력이 내려가요. 그림의 출력 막대는 삽입률에 비례하게 어림한 값이다

시험 총정리

증배 계수
k∞ = η·ε·p·f
4인자 공식(무한 체계)
유효 증배 계수
keff = k∞ · Lth · Lf
6인자 공식(유한 체계 · 누설 포함)
감속비
ξΣsΣa
감속 능력 ÷ 흡수
전환비
C = 생성 핵분열 물질소비 핵분열 물질
C > 1 이면 증식로
🎯 시험 포인트
①k = 1 이면 임계, k < 1 이면 미임계, k > 1 이면 초임계다
②원자로 종류: PWR(가압 경수로) · BWR(비등 경수로) · PHWR(가압 중수로)를 구분한다
③PWR 은 감속재와 냉각재가 모두 경수이고 연료는 저농축 UO₂ 다. 우리나라의 OPR1000 · APR1400 이 이 방식이다
④제어봉을 넣으면 중성자 흡수가 늘어 k_eff 가 줄고 출력이 떨어진다
⑤실기에는 핵연료 소비량 · 에너지 환산 계산과 노형별 특성 비교가 나와요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 4인자 공식 k∞ = η·ε·p·f 에서 각 인자의 명칭과 의미를 쓰시오.
②[기출유형] PWR 과 BWR 의 차이점을 세 가지 이상 서술하시오. (증기 발생기 유무, 노심에서 냉각재가 끓는가(BWR) · 가압해 끓지 않게 하는가(PWR), 터빈으로 가는 증기가 방사능을 띠는가 등)
③[기출유형] 제어봉 재료 세 가지와 그 역할을 쓰시오. (답: B₄C, Hf, Cd. 중성자를 흡수해 반응도를 제어한다)
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