This study investigates the feasibility of designing a high-performance and stable natural circulation Soluble-Boron-Free (SBF) Small Modular Reactor (SMR) core. A Truly Optimized PWR (TOP) lattice concept was implemented to the core to maximize the neutron economy and improve the inherent safety parameters of the SBF SMR. It is demonstrated that the TOP lattice increases the thermal power of the natural circulation SBF SMR core. The pan-shape cylindrical Centrally-Shielded Burnable Absorber (CSBA) was proposed to be the main reactivity control in the SBF SMR core. In addition, the zoned erbia (Er2O3) admixed to the fuel pellet was implemented to the TOP lattice to lower both the pin power peaking and the excess reactivity. In this study, the two-batch fuel management was adopted. The CSBA was axially zoned into three zones, while the fuel enrichment was axially zoned into two zones to obtain a stable axial power distribution. The out-in fuel loading and radially zoned CSBA were implemented to achieve a flat radial power distribution. It is shown that the excess reactivity can be lowered to less than 1,000 pcm throughout the reactor operation, and the targeted cycle length (> 2 years) can be achieved. In addition, by utilizing the Mode-Y logic in the rodded depletion, the reactor criticality can be attained throughout the reactor operation with an acceptable Axial Shape Index value, and the reactor design is proven to be stable. Moreover, the shutdown margins of the SBF SMR core at the Cold-Zero-Power (CZP) condition are achieved by introducing a pseudo checker-board control rod pattern with the extended fingers.
이 논문은 고성능 안전 자연순환 무붕산 Small Modular Reactor (SMR) 노심 디자인의 가능성에 대하여 고찰하였다. Truly Optimized PWR (TOP) 격자 구조 개념이 중성자 경제성을 극대화하고 무붕산 SMR의 고유 안전성을 개선하기 위해 도입되었으며, TOP 격자 구조가 자연 순환 무붕산 SMR 노심의 열출력을 높일 수 있음이 확인되었다. 팬케이크 형태의 원기둥 가연성흡수체인 Centrally-Shielded Burnable Absorber (CSBA) 가 무붕산 SMR 노심의 주요 반응도 조절을 위해 채택되었으며, Er2O3가 혼합된 연료 펠렛이 TOP 격자 구조의 특정 구역에 장전되어 봉출력 첨두계수와 잉여반응도를 낮췄다. 본 논문에서는 2-배치 연료 장전 방식을 사용하였다. CSBA는 축 방향으로 3개의 구역으로 나뉘어 함량 조절하였으며 연료 농축도는 안정적인 축 방향 출력 분포를 위하여 2개의 구역으로 나뉘어졌다. 연료 장전 방식과 반경 방향 CSBA 함량 분포는 평평한 반경 출력 분포를 얻기 위하여 도입되었다. 수치해석 결과를 통해, 잉여반응도가 1000 pcm 미만을 유지하면서도 목표 주기 길이 (2년 이상)를 달성할 수 있음이 확인되었다. 또한, Mode-Y 논리를 이용한 제어봉 사용 연소 계산을 수행하였다. 이를 통해 주기 동안 충분히 작은 축 방향 출력 분포 변화를 가지면서 원자로 임계를 달성할 수 있음과 노심 설계 안전성이 확인되었다. 더불어, 무붕산 SMR 노심의 CZP 정지여유도를 확장된 제어봉 finger를 이용한 준체커보드 제어봉 패턴을 통해 달성할 수 있음이 확인되었다.
