토륨 연료를 이용한 핵변환 미임계로 설계

Abstract

토륨은 우라늄보다 더 많은 매장량과 더 넓은 분포 면적을 가지고 있다. 또한, 토륨을 장전할 경우, 장주기 악티나이드가 거의 생성되지 않는다. 미임계로는 임계사고가 원천적으로 일어날 수 없으며, 임계로에 비해 더 많은 악티나이드 장전이 가능하다. 토륨 장전 미임계 원자로는 이와 같은 장점들이 존재하며, 이 원자로의 노심을 설계하는 다양한 연구들이 있었다. 하지만, 기존의 연구들에서 사용한 코드체계는 연소계산 시 외부 중성자 선원이 고려된 중성자속을 사용할 수 없는 단점이 있다. 국내에서 설계된 미임계 원자로에는 HYPER가 있다. 이 원자로와 결합한 양성자 가속기는 선형가속기이다. 하지만, 선형가속기는 사이클로트론에 비해 동일 에너지 당 건설비용이 상대적으로 비싸다는 단점이 있다. 본 연구에서는 사이클로트론을 결합한 토륨 장전 미임계 원자로 노심을 설계하는 것을 목표로 하였다. 이때 설계기준은 '최소의 요구 빔 출력', '최대의 초우라늄원소 핵변환', '최대의 U-233 증식'이다. 설계에 사용된 코드는 몬테카를로 입자수송해석 코드인 McCARD 이다. 핵연료 집합체와 반사체 집합체는 육각형 모형이며, 각각 162개와 102개가 장전되었다. 또한, 유효노심 높이는 70cm이다. 핵연료 내 초우라늄원소 조성은 PWR에서 45,000 MWD/MTU 연소도로 방출된 후, 10년 냉각을 거쳐 PyroGreen 공정을 거친 후의 조성이다. 양성자 가속기는 SINQ 사이클로트론을 선정하였으며, 최대 빔 출력과 양성자 에너지는 각각 1.8 MW, 590 MeV이다. 미임계로의 열 출력은 MCNP 6.2와 McCARD를 이용하여 계산하였다. 이는 가속기 사양과 MCNP 6.2 계산으로 구한 핵 파쇄 표적에서 빠져나오는 양성자 1개당 중성자 수, McCARD를 통해 구한 중성자 1개당 핵분열 에너지를 이용하여 구할 수 있다. 이때 원자로가 최대 빔 출력으로 일정한 열 출력을 유지한다는 전제하에 열 출력을 계산하였다. 계산 결과 열 출력은 377.329 MWth이었다. 다음으로 대상 노심들에 대해 1년 동안 냉각이 가능한 최대 열 출력인 59.3737 MWth을 유지하는데 필요한 빔 출력이 최소이고, 최대의 핵변환 성능과 U-233 증식 성능을 갖는 형상을 결정하였다. 이때 성능지수를 도입하여 형상을 결정하였다. 성능지수는 주기 말 요구 빔 출력이 낮을수록, 핵 변환율과 U-233 증식률이 높을수록 크게 나온다. 또한, 대상 노심들의 안전 변수인 유효 지발중성자 분율, 냉각재 보이드 가, 도플러 반응도 계수를 계산해 보았다. 계산 결과, 장전된 토륨 질량이 적고, 초우라늄원소가 많을수록 유효 지발중성자 분율이 낮게 나왔다. 또한, 대상 노심들의 주기 초~주기 말의 냉각재 보이드 가와 도플러 반응도 계수가 음의 값을 가지는 것을 확인하였다.