Sodium void reactivity improved fuel assembly design and group condensation scheme for fast reactor analysis

Abstract

본 논문은 고속로 노심에 대해 크게 세 가지 주제를 다루고 있다. 첫 번째로는 소듐기화반응도 계수를 낮추기 위해 흑연감속봉을 삽입한 새로운 소듐냉각고속로(SFR) 핵연료 집합체 개념설계를 제안하였다. 또한 고속 중성자의 높은 비등방성 거동을 보다 자세히 묘사하기 위해서 각의존성 전 핵단면적을 이용한 equivalent 군축약 과정을 다루었다. 마지막으로는, 고속로 노심 해석에서 정확한 군축약 핵단면적 생산을 위해 보다 정확한 중성자 스펙트럼을 얻을 수 있는 two-material coexisting ring 모델을 개발하였다. 흑연감속봉을 삽입한 새로운 소듐냉각고속로 핵연료 집합체를 이용하여, 두 가지의 소듐냉각고속로 디자인이 제안되고 해석되었다

제안 SFR 노심 타입1은 새로운 핵연료 집합체가 노심의 inner/mid 영역에 장전되었으며, 제안 SFR 노심 타입2는 타입1 디자인에 추가로 노심 축방향 중앙에 B4C 흡수체 샌드위치를 삽입한 구조를 가지고 있다. 제안 노심에 대한 neutronics 해석을 통해서 소듐기화반응도 계수가 일반적인 소듐냉각고속로 설계에 비해 약 960~1030 pcm 정도 낮아졌음을 보였으나, 감속봉 및 흡수체 샌드위치에 의해 낮아진 중성자 economy를 보완하기 위해 높은 TRU enrichment가 필요하였다. 본 연구 결과를 통해 흑연감속봉을 삽입한 새로운 소듐냉각고속로 핵연료 집합체 개념이 기화 반응도 계수를 최소화하는데 충분한 효과가 있음을 보였다. 제안 노심 설계에서는 전노심 영역에 걸쳐 동일한 조성의 핵연료와 동일한 지름의 핵연료봉이 장전되었으며 반경방향 첨두출력인자는 집합체에 삽입되는 흑연감속봉의 숫자를 노심 영역별로 달리함으로써 낮추었다. 고속로 노심-반경체 경계면에서의 중성자 비등방성을 보다 효과적으로 고려하기 위해 군축약 과정에서 발생하는 각의존성 전 핵단면적을 수송계산에 직접 적용하였다. 본래 수송이론의 군축약 과정에서는 각의존성 전 핵단면적이 자연스럽게 생산되지만, 지금까지 이러한 각의존성을 기존 multi-group approximation을 통해 제거하였다. 본 연구에서는 각의존성 전 핵단면적을 가정 없이 few-group 수송계산에 적용하였다. 1차원 고속로 노심-반경체 경계이상 문제의 수치해석 결과를 통해, 각의존성 전 핵단면적을 직접 적용했을 경우에 150군에서 1군으로 군축약한 경우에도 아주 정확한 keff 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 기존 multi-group approximation을 통해 전 핵단면적에 각의존성을 제거한 경우에는 keff 가 reference 결과와 상당한 차이가 있음을 보여주었으며, extended transport approximation을 사용한 경우에는 수치해석의 수렴성에 문제가 있을 수도 있음이 나타났다. 마지막으로, 본 논문에서는 군축약 과정에서 쓰이는 기존 고속로 간략화 모델의 한계점을 개선하기 위해 two-material coexisting ring 모델을 제안하였다. Two-material coexisting ring 모델은 R-θ-Z 구성에서 θ 방향으로 균질화가 이루어진 간략화 모델을 풀이 하지만, 균질화된 영역의 각 물질에 해당하는 중성자속을 독립적으로 계산할 수 있는 모델이다. 2차원 고속로 테스트 문제에 대한 수치해석 결과를 통해, 새로이 제안된 two-material coexisting ring 모델이 기존 고속로 간략화 모델에 비해서 중성자 스펙트럼을 훨씬 잘 예측함을 보였다. 따라서 보다 정확한 few-group 핵단면적의 생산이 가능해졌으며 few-group 고속로 수송계산의 결과 역시 향상됨을 keff 계산 결과를 통해 확인되었다.