이산화우라늄 카라멜 연료를 이용한 수냉각 소형모듈형 원자로심 설계

Abstract

최근 한국전력기술에서 몬테칼로 기법을 이용한 혁신형 노심 연구가 활발히 진행되고 있다. 혁신형 노심 연구의 일환으로 기존의 봉상형에 비해 열전달면적이 크다는 장점을 가지고 있는 판형 소형모듈형원자로 설계가 이루어지고 있다. 판형노심설계 요구조건은 유효노심높이 2m와 노심반경 1.48m의 크기를 가지면서 180MW의 열출력으로 4년이상의 연소일 중 연소결손반응도를 3000pcm이내로 들어오게 하는 것을 목표로 하고 있다. 판형노심설계는 2단계로 진행이 된다. 가연성 독물질이 삽입되기 전 최장의 주기를 가지는 집합체 설계변수를 결정하고, 결정된 변수를 바탕으로 추가적으로 독물질을 삽입하여 연소 중 연소결손반응도를 목표기준에 맞게 제어하였다. 본 연구는 몬테칼로 기법을 사용한 중성자 수송해석 코드인 McCARD를 이용하여 위 요구조건을 만족시키는 판형노심을 설계하는 것을 목표로 한다. 몬테칼로 기법은 결정론적 중성자 수송해석법에 비해 복잡한 구조에 대한 전노심 모사계산이 가능하고, 연속에너지 핵반응단면적을 이용하여 근사 없이 노심을 해석할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 결정론적 해석 법에 비하여 많은 소요시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다. 따라서 몬테칼로 기법만을 이용하여 수 많은 시행착오를 겪으며 최적의 노심 설계변수를 찾기에는 많은 시간이 걸린다. 이러한 단점을 극복하기 위해 선형증배계수 모델을 도입하여 이산적으로 달리하여 만들어진 1600개의 핵연료집합체 모델에 대하여 직접 몬테칼로 연소해석을 하지 않고 최장의 노심주기를 가지는 변수를 결정하였다. 결정된 노심을 바탕으로 가연성 독물질을 삽입하며 요구조건을 만족시키는 노심을 설계할 수 있도록 몬테칼로 기법을 사용하였다. 독물질의 함유도는 완전연소일에 비례하는 성질을 이용하여 함유도를 결정하고, 독물질 카라멜의 배치를 늘려가며 연소결손반응도를 제어하였다. 먼저 상용판형노심 Shippingport2에 사용되었던 B-SS 카라멜을 이용하여 계산을 해보았고, 같은 과정으로 핵연료와 혼용 가능한 어븀과 가돌리늄을 사용하여 요구조건을 달성하였다.