nTRACER-RENUS 연계체계 구축과 잠수함 탑재용 원자로 노심의 핵설계

Abstract

원자력 추진 잠수함에 탑재 가능한 소형 원자로 S-70J의 노심을 설계하고 핵특성 분석을 수행하였다. 70MW의 열출력을 목표로 하는 S-70J는 4,000 ~ 8,000 톤급 한국형 원자력 추진 잠수함에 적합한 원자로로서 잠수함 탑재시 31 ~ 36.1 노트의 최대수중속력을 낼 수 있도록 하였다. 노심의 설계 과정에서는 상용 원자로에 적용되는 기본적인 설계요건에 더하여 잠수함용 원자로 노심에 요구되는 특수요건까지 고려하였다. S-70J의 핵연료 집합체는 OPR/APR용 16x16 핵연료 집합체를 1m 높이로 단축시킨 것으로 하고 37개의 핵연료 집합체를 7 열로 배치하여 노심의 폭 1.46 m이 되게 하였다. 장주기 운전을 위해 농축도는 19.95 w/o로 상향시키고, 다량의 가돌리니아 가연성 흡수체를 사용하여 노심연소에 의한 반응도 변화를 줄이고, 스테인레스강 반사체를 사용하여 중성자 효율성을 제고하였다. S-70J의 핵설계를 위해 N2R(nTRACER-to-RENUS) 이라는 2단계 노심계산용 연계코드를 개발하고, 이를 사용해 nTRACER- RENUS 노심해석체계를 구축하였다. N2R은 수송계산코드인 nTRACER에서 생산된 군정수를 핵종별 미시적 단면적 단위로 함수화하여 3차원 노달코드인 RENUS에 제공하는 역할을 수행한다. 이로 통해 RENUS의 연소계산이 가능하게 됨으로써 S-70J의 핵설계를 할 수 있었다. nTRACER-RENUS 노심해석체계를 통해 설계된 S-70J의 성능과 안전성에 대한 검증을 수행함에 있어서는 nTRACER의 직접 전노심 계산결과를 중심으로 핵특성을 분석함으로써 결과의 신뢰성을 높였다. 분석결과 S-70J는 유효전출력년수(EFPY)가 14.1년으로 평균 운용속력을 고려 47.4년 이상 재장전 없이 운전 가능하였다. 또한, 연소기간 내내 노심 내 출력은 매우 평탄하게 유지되고 최대 첨두출력계수는 제한기준(5.89)과 비교하여 1.54 밖에 되지 않았다. 더욱이, 탑재 잠수함의 배수량별 최대 3.4 ~ 4.6kts까지 냉각재 순환펌프 없이 기동이 가능하여 방사소음을 획기적으로 감소시킬 수 있었고, 노심 긴급정지시 제논-135에 의한 불감시간(Dead Time)이 전혀 없어 작전/전술적인 측면에서도 매우 유용함을 확인하였다. 추가적으로, 등온온도계수, 핵연료 및 감속재 온도계수, 출력 계수 등의 반응도 계수와 제어봉 제어능 측정결과 한국 원자력안전기술원에서 제시하는 기준치를 만족하였다.