프리즘형 VHTR에서 축방향 연소도의 몬테칼로 해석기법 개발

Abstract

For the generation of the high temperature heat, the active height of the core is designed to be much higher than that of the PWRs. Hence, the axial burn-up analysis of the VHTR should be performed with an appropriate axial core division. Simultaneously, the fission source convergence must be satisfied for the Monte Carlo criticality calculation to avoid the calculation bias. In the previous study, the problem of the burn-up analysis for the prismatic VHTR was noted due to the low axial convergence rates. In this study, an axial burn-up evaluation strategy is proposed, which uses power distribution of previous burn-up step to sample the initial fission source distributions with small enough time period. For the verification of the proposed method, the burn-up analyses of the MHTGR-350 reactor were performed by dividing the 5, 10, 20, 30, and 40 axial sub-regions for a single assembly. The burn-up evaluations were carried out using the MCNPX2.7 code with the ENDF 7.0 and the endf70sab thermal cross-section libraries. Also, the Shannon Entropy was evaluated with MCNP5 code for the diagnostics of the fission source convergence. The results show that all fission source sites with the proposed method can be more efficiently converged at each burn-up step than that of conventional method. Current analysis shows that the proposed method can approximately generate the converged fission source distribution; thus, the converged cycle of the fission source distribution in the current burn-up step can be efficiently reduced. It is expected that the proposed method can be directly used for evaluating and analyzing the burn-up distribution with Monte Carlo method.; thus, the converged cycle of the fission source distribution in the current burn-up step can be efficiently reduced. It is expected that the proposed method can be directly used for evaluating and analyzing the burn-up distribution with Monte Carlo method.|확률론적 방법인 몬테칼로 시뮬레이션 방법은 높은 정확성을 가지며 새로운 기하학적 구조에 대한 해석이 용이하므로, 신규로 설계되는 원자로의 해석 및 검증을 위한 주요 해석도구로 사용되고 있다. 몬테칼로 방법을 사용한 프리즘형 원자로의 노심 해석시 기존의 PWR 원자로에 비해 축 방향 유효높이가 높아, 핵분열 중성자원 수렴 분포가 훨씬 느린 것이 사전 연구를 통해 확인되었다. 본 연구에서는 프리즘형 원자로의 노심 연소도 해석시 핵분열 중성자원의 축방향 수렴 가속을 위한 몬테칼로 해석기법을 제안하였다. 기존의 연소도 몬테칼로 해석방법은 연소가 진행되어도 초기핵분열 중성자원의 위치가 고정되어 있으므로 출력분포를 고려할 수 없어 바이어스가 발생되었다. 본 연구에서 제안된 연소도 몬테칼로 해석방법은 이전 연소해석 결과에서 얻어진 출력분포 결과를 현 연소단계의 초기 중성자원 위치로 반영하여 연소도 계산을 수행하는 것이다. 제안된 방법의 검증을 위하여 VHTR 원자로 중 하나인 MHTGR-350의 단일집합체를 평가 대상으로 선정하였다. 노심영역을 축 방향 5개, 10개, 20개, 30개, 40개 영역(Layer)으로 분할하였으며, 연소도 해석은 20일 간격으로 설정하였다. 대상 노심의 노심 해석 및 연소도 해석을 위한 도구로서 MCNPX2.7 코드를 사용하였으며, 핵분열 중성자원 수렴 검증을 위한 Shannon Entropy 계산은 MCNP5 코드를 사용하였다. 본 논문에서 제시한 프리즘형 원자로의 축방향 연소도의 몬테칼로 해석기법을 적용한 결과, Shannon Entropy의 표준편차가 감소하여 바이어스가 감소되는 것이 확인되었다. 또한, 기존 연소도 해석 방법과 개선된 연소도 해석 방법을 비교한 최대상대오차가 12.1%에서 1.8%로 감소되는 것이 확인되었다. 본 연구를 통하여 개발된 연소도 평가 체계는 프리즘형 원자로 해석 및 기하학적 구조 연소도 평가 시 활용함으로써 노심 연소도 해석의 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.