해양부유식 무붕산 소형모듈형 원자로 노심 설계 고도화

Abstract

There are many studies about marine floating small modular reactor (SMR) for ship propulsion, power supply to remote locations, and seawater desalination. The SMR design is considering applying the soluble boron-free operation, which can simplify the system and improve operability. Recently, KEPCO E&C is developing Bandi-60, the SMR with thermal power of 200 MW, and in this study, the optimal core of soluble boron-free SMR is designed for this purpose.

As a result of the previous study, the core with thermal power of 200MW and a cycle length of 5 years was designed using UO2 fuel material with enrichment of 4.95 w/o loaded with a total of 52 fuel assemblies. However, it is required to design the SMR, considering the condition of a thermal-hydraulic feedback effect and the soluble boron free operation.

The purpose of this study is to confirm whether the previous core satisfies the design requirements when considering a thermal-hydraulic feedback effect and to design the optimal core. The burn-up calculation of the optimum core is performed under critical-state conditions using a control rod in soluble boron-free conditions. The core characteristics are calculated by the results of the burn-up calculation under critical-state conditions.

In this paper, core design requirements are selected to be 4 to 5 years of cycle length, excess reactivity of less than 5,000, and minimizing peaking factor. In addition, the purpose is to design a reactivity control system that can provide sufficient negative reactivity in cold zero power (CZP). The fuel assembly (FA) is based on the Westinghouse 17⨯17 FA, and 52 FAs are loaded in the core. The fuel material is UO2 with an enrichment of 4.95 w/o. Pyrex is used as burnable absorber (BA) for reactivity control. The core is composed of a combination of 5 types of FA with different concentrations of B2O3 in Pyrex.

Monte Carlo Code for Advanced Reactor Design (McCARD), a Monte Carlo particle transport analysis code developed by Seoul National University, is used for the core design of SMR. The SMR meeting the design criteria is designed by McCARD burn-up calculation with T/H feedback. The core has enough control rod to maintain subcritical-state below the effective multiplication factor (keff.) of 0.95 at cold zero power in the beginning of the cycle (BOC). The estimated cycle length is 4.92 ± 0.23 years, the maximum excess reactivity after equilibrium Xenon is 2,366 ± 12 pcm, the maximum Fq is 2.29±0.10, and the maximum linear power density is 16.67±0.73 kW/m, which meets the design requirements.

In addition, by performing the McCARD burn-up calculation maintaining the reactor criticality, this study shows that the SMR can operate up to about 4.79 years in soluble boron-free conditions. During the entire core lifetime, the maximum Fq is 3.09±0.23, and the maximum linear power density is 22.57±1.56 kW/m, which meets the design parameters with sufficient thermal stability. Various nuclear characteristic factors such as the core dynamic characteristics, the reactivity coefficients, and the temperature profiles required for safety analysis and system design of the core are calculated.

This study shows that the core has a sufficient reactivity control system to ensure the shutdown margin and operate in soluble boron-free conditions. Therefore, it proposes the advanced core design of soluble boron-free SMR for marine applications.

해양부유식 소형모듈형원자로(SMR : Small Modular Reactor)는 선박 추진용, 원격지 전력생산 및 공급, 해수 담수화 등의 목적으로 연구개발이 진행되고 있으며, 계통의 단순화와 운전성 향상을 위해 무붕산 운전 기술 적용을 고려하고 있다. 최근 한국전력기술(주)은 열출력 200MWt의 해양부유식 SMR인 Bandi-60을 개발 중이며, 본 연구에서는 이를 위한 무붕산 SMR 최적노심을 설계하였다.

선행연구에서 농축도 4.95 w/o의 UO 핵연료를 장전한 열출력 200MWt, 주기길이 5년의 예비노심을 설계하였으나, 실제 무붕산 운전 SMR 노심의 운전조건을 고려한 최적노심 개발의 필요성이 제기되었다. 이에, 본 연구는 개념 설계된 예비노심이 열수력 궤환 효과를 고려하였을 때 요구하는 상위요건을 만족하는지 확인하고 기준이 되는 최적노심 설계를 개발하는 것이 목적이며, 개발된 최적노심에 대하여 실제 무붕산 운전조건에서 제어봉 만을 사용하여 원자로 임계를 유지할 수 있는지 확인한 후 원자로 안전해석 및 계통설계에 필요한 노심특성 계산을 수행하였다.

본 연구에서 개발하여야 하는 최적노심의 기준은 주기길이 4~5년, 잉여반응도 5,000pcm 이하에 첨두출력계수를 최소화하고 저온정지조건에서 제어봉만으로도 충분한 정지여유도를 제공할 수 있는 반응도 제어설비를 갖추어야 한다. 따라서, 총 52개의 웨스팅하우스사 형의 17×17 핵연료집합체를 사용하며, 잉여반응도 제어를 위해 각 핵연료집합체에 24개의 Pyrex 가연성흡수봉을 사용하되 Pyrex의 B2O3 함유량을 달리하는 총 5종의 핵연료집합체로 노심을 구성하였다.

노심설계를 위하여 서울대학교에서 개발한 몬테칼로 입자수송해석 코드인 McCARD(Monte Carlo Code for Advanced Reactor Design)를 이용하였으며, McCARD 코드로 열수력 궤환 효과를 고려하여 설계요건을 만족하는 최적노심을 개발하였다. 개발된 노심이 주기초 저온영출력 조건에서의 제한치인 유효증배계수 < 0.95를 만족하며 미임계가 가능하도록 반응도 제어설비를 최적화하였고, 주기길이는 4.92±0.23년, 제논평형 이후 최대 잉여반응도는 2,366±12pcm, 최대첨두출력계수(Fq)는 2.29±0.10, 최대선출력밀도는 16.67±0.73kW/m로 설계요건을 모두 만족하였다.

또한, 실제 무붕산 운전 조건인 제어봉만을 사용하여 원자로 임계를 유지한 연소계산을 수행하여 약 4.79년까지 출력 운전이 가능한 것을 확인하였다. 전 운전주기 동안 최대첨두출력계수(Fq)는 3.09±0.23, 최대선출력밀도는 22.54±1.56kW/m로 제한치(41.38kW/m) 대비 충분한 여유도가 있음을 확인하였으며, 최적노심의 안전해석 및 계통설계에 필요한 노심의 동특성인자, 반응도계수, 온도분포 등 각종 핵특성인자를 계산하였다. 따라서, 반응도 제어설비가 임계운전 능력과 충분한 정지여유도를 제공하여 원자로의 운전성 및 안전성을 보장할 수 있음을 확인함으로써 해양부유식 무붕산 SMR 노심설계 고도화를 달성하였다.

아울러 몬테칼로 노심 설계코드에 열수력 궤환 효과를 고려한 전 주기동안의 제어봉 임계운전을 모의하는 노심설계 방법론을 무붕산 노심핵설계에 적용함으로써 향후 개발될 원자로의 노심설계에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.