STRAUM-BESNA 코드 시스템의 방사화 평가 검증

Abstract

한국의 고리 1호기는 2017년에 영구정지 되었으며 2032년 12월 해체 종료를 목표로 하고 있다. 이러한 해체 계획을 달성하기 위해서 가장 기초가 되는 것은 해체 폐기물의 방사화 물질 핵종 재고량 평가이다. 방사화 평가는 입자 수송코드와 방사화해석코드 간의 연계 계산을 통해 수행되며 이와 관련하여 다양한 입자 수송코드와 방사화해석코드가 개발되어왔다. 본 논문에서는 방사화 평가를 위해 결정론적 수송코드인 STRAUM 코드와 점 연소 코드인 BESNA 코드를 결합한 시스템으로 제안하고 이를 검증하였다. 해당 시스템 검증에 앞서, STRAUM 코드의 계산 효율을 증가시키기 위하여 방향에 따라 독립적으로 스위핑 계산을 수행하는 방향영역분해 방법을 OpenMP 기반으로 STRAUM 코드에 구현하였다. 병렬계산 검증은 원자로 압력용기문제에 대하여 수행하였으며, 수렴에 영향을 주는 높은 군으로 산란이 존재하는 경우와 존재하지 않는 두 가지 경우를 고려하였다. 높은 군으로 산란이 존재하고 36개의 스레드로 병렬계산을 할 경우, 병렬계산을 하지 않을 때에 비하여 총 계산 시간은 16.6배 감소하였다. 높은 군으로 산란이 존재하지 않으며 36개의 스레드로 병렬계산을 수행할 경우, 기존 계산에 비하여 총 계산 시간은 18.9배 줄어드는 것으로 평가되었다. 본 연구에서 제안한 STRAUM-BESNA 코드 시스템 검증에는 MCNP6-FISPACT-II, MAVRIC-ORIGEN 코드 시스템이 활용되었으며, 원자로 압력용기문제와 사용후핵연료 저장 캐니스터 문제가 검증 문제로 채택되었다. 코드 시스템 검증을 위해 동일한 문제에 대하여 수송코드 간, 방사화해석코드간, 각 코드 시스템 간의 비교 계산이 수행되었고 결과를 분석하였다. 추가적으로, 방사화 평가에 영향을 미치는 중성자 에너지군에 대한 분석이 수행되었다. 원자로 압력용기문제에서 STARUM-BESNA 코드 시스템은 MCNP6-FISPACT-II, MAVRIC-ORIGEN 코드 시스템과의 검증이 수행되었다. 방사화 평가는 구조체 영역인 배플, 지지통, 압력용기에 대하여 수행되었으며 방사화 시나리오는 고리 1호기의 운영 주기를 반영하여 선정하였다. STRAUM에서 해석한 전 중성자속은 모든 구조체 영역에서 MCNP6와 최대 5% 차이를 보였고 MAVRIC과는 최대 12% 차이를 보였다. 동일한 중성자속과 300일 조사, 100일 냉각이라는 간단한 방사화 시나리오로 방사화 평가를 할 경우, BESNA는 조사 기간과 냉각 기간에서 FISPACT-II와는 각각 5%, 2%, ORIGEN과는 각각 1%의 차이를 가지는 것으로 평가되었다. 각 코드 시스템에서 방사화 시나리오를 바탕으로 방사화 평가를 수행한 결과, MAVRIC-ORIEGN 시스템은 배플영역에서 MCNP6-FSIPACT-II 시스템에 비하여 총 방사능농도를 조사 시점과 냉각 시점에서 평균 25%, 26% 낮게 평가하였다. 이와 달리, STRAUM-BESNA 시스템은 총 방사능농도를 MCNP6-FISPACT-II 시스템에 비하여 조사 및 냉각 시점에서 각각 4%, 3% 높게 평가하였다. 지지통 영역에서 MAVRIC-ORIGEN 시스템은 MCNP6-FISPACT-II 시스템에 비하여 조사 시점과 냉각 시점에서 총 방사능농도를 각각 약 30% 낮게 해석하였으며 STRAUM-BESNA 시스템은 조사 기간과 냉각 기간에서 MCNP6-FISPACT-II에 비하여 방사능농도를 각각 18% 높게 해석하였다. 마지막으로 압력용기 영역에서 총 방사능농도는 MCNP6-FISPACT-II 시스템 대비 MAVRIC-ORIGEN 시스템은 17%, 19% 낮게 평가를 한 반면, STRAUM-BESNA 시스템은 3%, 2% 낮게 방사능농도를 평가하였다. 이와 관련하여 각각의 중성자 에너지군이 전체 방사화 평가에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과, 원자로 압력 용기 영역에서는 41군부터 49군까지의 에너지군이 총 방사능농도의 약 70%의 영향을 미치는 것으로 확인되었고 해당 에너지군 영역에서의 중성자스펙트럼 차이에 따라 각각의 코드 시스템이 해석한 방사능농도의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 사용후핵연료 저장 캐니스터 문제에서 STRAUM-BESNA 코드 시스템은 MCNP6-FISPACT-II 코드 시스템과의 검증이 수행되었다. 방사화 평가는 사용후핵연료 저장 캐니스터의 구리 캐스크 영역에 대하여 수행되었으며, 사용후핵연료 내의 주요 중성자 선원인 (_^240)Pu의 반감기를 고려하여 방사화 시나리오를 선정하였다. STRAUM 코드는 MCNP6 코드에 비하여 집합체 영역을 감싸는 구리 영역의 전 중성자속을 최대 5%까지 높게 평가하였으며 동일한 중성자속으로 방사화계산을 수행할 경우, BESNA 코드는 조사 기간과 냉각 기간에서 FIPSACT-II 코드와 총 방사능농도가 14%, 2% 차이가 발생하였으나 ORIGEN 코드 계산과 차이는 각각 1% 내로 평가되었다. 마지막으로 각 코드 체계에서 해석한 총 방사능농도는 집합체 영역을 감싸는 구리 캐스크 영역에서 평균적으로 약 13%의 차이를 가지는 것으로 평가되었으며, 중성자 14~16군, 41~49군이 전체 방사화 평가에서 각각 50%, 30%의 영향을 미치는 것으로 분석되었다.