해양부유식 소형 모듈형 원자로 노심 설계

Abstract

Research and development of offshore small modular reactors (SMR) is underway worldwide. Many of these small modular reactors are designed for a soluble boron-free operation. Compared to a soluble boron water reactivity control method, which can control the excess reactivity while maintaining the power distribution in the reactor uniformly, the soluble boron-free operation core that controls the reactivity using only the control rod and the burnable poison rod may have a significant change in the power distribution in the core due to fuel combustion and control rod insertion. Therefore, it is essential that the soluble boron-free SMR core optimize the design and loading model of the burnable poison rod assembly with the maximum cycle length while keeping the maximum output factor of the reactor core within the design limit. This study is to design a marine floating small modular reactor core without soluble boron. The design requirements are 2m effective core height and 2.8m core radius, and should be able to operate for more than 5 years without nuclear fuel replacement with 200MW of heat output. The maximum excess reactivity during reactor operation is aimed to be within 5,000pcm. The core design is in two stages. The core design is in two stages. Check the effective core height with the longest cycle before a burnable poison rod are inserted and the burnable poison rods are placed in the fuel assembly to meet the design criteria for maximum excess reactivity. The objective of this study is to design a marine floating small modular reactor core using McCARD, a neutron transport analysis code using Monte Carlo technique. First, cores satisfying the cycle length and maximum excess reactivity control targets are designed and optimized using gadolinia and Pyrex burnable poison rods, which are used in commercial reactors. The safety factors were then analyzed for the designed core

해양부유식 소형모듈형원자로(Small Modular Reactor ; SMR)의 연구 개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. 이러한 소형모듈형 원자로의 대다수는 무붕산 운전을 목표로 설계가 되고 있다. 원자로 내의 출력 분포를 균일하게 유지하면서 잉여 반응도를 제어할 수 있는 붕산수 반응도 제어법에 비해, 제어봉과 가연성흡수봉만을 이용하여 반응도를 제어하는 무붕산 운전 노심은 핵연료 연소 및 제어봉 삽입에 따라 노심내 출력 분포의 변화가 심할 수 있다. 따라서 무붕산 SMR 노심에서는 원자로심의 최대 출력인자를 설계 제한치 이내로 유지하면서 주기길이가 최대가 되는 가연성흡수봉 집합체의 설계 및 장전 모형 최적화가 필수적이다. 본 연구는 붕산을 사용하지 않는 해양부유식 소형모듈형 원자로심의 설계를 실시한다. 설계 요구조건은 유효노심높이 2m와 노심반경 2.8m의 크기를 가지면서 200MW의 열출력으로 핵연료 교체없이 5년 이상 운전이 가능해야 한다. 출력운전 중 최대 잉여반응도는 5,000pcm이내로 들어오게 하는 것을 목표로 한다. 노심 설계는 2단계로 진행이 된다. 가연성 독물질이 삽입되기 전 최장의 주기를 가지는 유효노심 높이를 확인하고, 가연성 흡수봉을 핵연료 집합체에 배치하여 연소 중 최대잉여반응도 목표 기준에 맞게 제어한다. 본 연구는 몬테칼로 기법을 사용한 중성자 수송해석 코드인 McCARD를 이용하여 위 요구조건을 만족시키는 해양부유식 소형모듈형 원자로심을 설계하는 것을 목표로 한다. 먼저 기존 원자로에서 사용된 독물질인 가돌리니아와 Pyrex 가연성흡수봉을 이용하여 주기길이와 최대 잉여반응도 제어 목표를 만족하는 노심을 확인하고, 최적화를 실시한다. 이후 설계된 노심에 대하여 핵특성 분석을 실시한다.