농축 가돌리니아를 이용한 소형 무붕산 노심설계 최적화

Abstract

본 논문에서는 농축 가돌리니아 가연성흡수봉을 사용한 무붕산 소형모듈형 원자로에 대한 노심설계를 수행했다. 무붕산SMR 노심에 대한 예비 계산을 위하여 KARMA-ASTRA 코드 체계를 사용했다. 무붕산 운전 요건을 만족하기 위해서는 가연성흡수봉으로 잉여반응도를 제어하는 것이 중요하다. 이를 위하여 상용 가압경수로에서 사용중인 흡수 물질인 가돌리니아와 17x17 집합체를 사용하여 잉여반응도를 제어했다. 비농축 가돌리니아만 사용하는 경우 빠른 연소시점으로 인해 주기중반 이후로는 잉여반응도 제어가 힘들고 집합체내 출력분포변화가 심해 첨두출력인자의 조절이 힘들다. 비농축 가돌리니아의 함량을 높이면 해결 가능하지만 가돌리니아의 함량을 증가함에 따라 열전도도가 감소하여 열적 특성이 악화되며 235U함량 감소로 인해 노심 주기 길이가 짧아진다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 고농축 저 함량 가돌리니아 가연성흡수봉울 사용했다. 농축 가돌리니아의 경우 상용원전에서 사용되는 가돌리니아와 같은 물질로서 155,157Gd를 같은 비율로 농축하여 사용했다. 농축 가돌리니아의 함량과 농축도를 조절함으로써 노심 잉여반응도 제어와 주기길이를 제어할 수 있었다. 본 연구에서 고려한 무붕산 노심의 출력은540 MWt이고, 핵연료부분길이가 240cm인 69 개의 핵연료집합체로 장전된다. 36다발 신연료를 장전하는 2배치 핵연료관리전략을 사용하여 1주기에서 8주기까지 노심특성을 분석하였다. 반사체는 스테인리스를 사용하였고, 조절제어봉은 AIC, 정지제어봉은 B4C를 사용했다. 노심 축방향 집합체 구성은 축방향 출력분포를 상부로 이동시키기 위해 집합체 상부 모든 연료봉에 cutback을 사용하였고 제조성을 위해 집합체 구성을 단순화시켰다. 주기길이는 1주기 751.4EFPD, 2주기 750.7EFPD, 평형주기 749.7EFPD로 24개월 주기를 만족했고, Fq와 ASI 모두 설계 요건을 만족했다. 축방향 제논 진동 평가를 위해 모든 제어봉의 50% 삽입 후 4시간 뒤에 인출하는 섭동을 주었으며, 이 경우 제논진동은 40시간 이내로 수렴하는 것을 확인하였다. 일일부하추종 요건을 만족하기 위해서 출력 감소시 노심냉각재평균온도가 일정하도록 설계했으며 72시간 일일부하추종 결과 ASI, Fq 인자 모두 제한치 내에 있는 것으로 평가됨을 확인하였다. |In this paper, a core design and analysis for boron-free SMR (BFSMR) was performed. Boron-free operation is desirable from many aspects such as reduction of liquid boron waste and system simplification. Until now, many studies on BFSMR core have been performed, but there have been no actual applications in Korea. In this paper, a core design was performed using a gadolinia burnable absorber. The KARMA-ASTRA code was used for core physics calculations on boron-free SMR. To satisfy the Boron free operation requirements, it is important to control the excess reactivity using a burnable absorber and control rods. The excess reactivity was controlled using the enriched gadolinia burnable absorber with a 17x17 assembly used in commercial pressurized light water reactors. In the case of using natural gadolinia, it is difficult to control excess reactivity after the middle of the cycle due to burnout time, and to control the peaking factor due to severe power changes in the assembly. These issues can be resolved by increasing the content of natural gadolinia, but as the content of gadolinia increases, the thermal conductivity decreases and the thermal characteristics deteriorate. In addition, the core cycle length is shortened due to the decrease in the amount of 235U loading. To solve this problem, a highly enriched low-content gadolinia burnable absorber was used after the relationship with natural gadolinium was analyzed by changing the gadolinium content and 155,157Gd enrichment. As a result, it was possible to increase the control and cycle length of the core excessive reactivity. For the boron-free SMR design of 540MWt, the assembly number of 240cm active fuel height is 69, and two batch fuel management scheme of 36 fresh fuel feeding was used. The core neutronics analysis was performed from cycle 1 to cycle 8. Stainless steel 303 was used as the reflector while AIC and B4C were used as the control rod for power regulation and shutdown, respectively. The axial assembly configuration was simplified for considering practical productivity. The cutback was used only on one or two upper nodes to mitigate the severe shift of the axial power shape into the lower direction. The cycle lengths were estimated to be 751.4 EPPD, 750.7 EPPD, and 749.7 EPPD, for cycles 1 and 2, and equilibrium cycle, respectively.. Also, it was shown that both Fq and ASI met the design requirements. For the axial xenon stability evaluation, the perturbation of withdrawal after 50% insertion of all control rods for 4 hours was simulated, which showed that the xenon oscillation converges within 40 hours. In order to satisfy the daily load-follow requirements, the constant Tavg strategy as power change was employed to minimize the control rod movement. the simulations of the load following for 72 hours showed that both ASI and Fq factors were within the limit.