The growing interest in High-Temperature Gas-cooled Reactors (HTGRs) has highlighted several challenges in their deployment. Notably, economic considerations related to the fuel cycle duration and fuel utilization have become prominent, particularly for prismatic HTGRs. In response to these challenges, the exploration of advanced materials such as Silicon Carbide (SiC) and Yttrium Hydride (YH$_x$) has been proffered, to tackle some of the key limitations of such reactors due to the extensive graphite employment. Two distinct configurations, centred on pure SiC and SiC fibres, have been systematically developed, optimized, and comprehensively characterized. Due to the partial or complete substitution of graphite, an efficient moderator should be implemented as well, which led to YHx use. A common issue in the reactor core is the presence of large excess reactivity. To mitigate this, the incorporation of a burnable absorber (BA), Boron Carbide (B$_4$C), has been investigated in realistic fuel assembly designs. The impact of the BA on the Moderator Temperature Coefficient (MTC), one of the important safety parameters in reactor design, has been scrutinized, encompassing a detailed examination of its contributions and the consequences arising from the BA insertion. The assessment of discharge burnup emerges as a pivotal feature in the devised layouts, with the pure SiC block exhibiting promising performance despite the considerable penalty incurred due to extensive SiC absorption, which is the primary drawback of the material utilization. However, the intrinsic fragility of the pure SiC fuel assembly raises concerns that may impede the realization of its promising results. Consequently, the SiC fibers-based layout emerges as the most viable candidate, albeit with trade-offs concerning structural integrity and performance. Furthermore, the degradation of MTC resulting from the formation of fission products has been verified, accentuating safety concerns in the final design. A comprehensive study aimed at characterizing MTC behaviour has been concluded to facilitate a nuanced understanding of the major contributors to the MTC value, thereby providing essential insights to support the whole core design phase. The presented work is expected to support the development of HTGRs while it aims to characterize concurrent effects which are reflected within the MTC value.
고온가스로(High-Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR)는 차세대 원자로 형태 중 하나이다. 해당 원자로에 대한 관심이 높아지고 있으나, 실제 도입을 위해 경제성 등 다양한 문제점이 고려되어야 한다. 노심의 경제성 문제는 흑연 구조체와 감속재로 인한 짧은 연료 주기 및 이용에서 기인하며, 이는 각형 고온가스로에서 두드러지게 나타난다. 본 논문에서는 고온가스로에 실리콘 카바이드 (Silicon Carbide, SiC), 수소화 이트륨 (Yttrium Hydride, YH$_x$)과 같은 물질을 도입하여 상기 문제점을 해결하고, 최적화된 노심을 얻어내고자 한다. 이를 위하여 실리콘 카바이드를 구조체로 사용한 노형을 설계 및 최적화하였으며, 흑연 감속재를 효과적인 감속재인 수소화 이트륨으로 대체하였다. 또한, 해당 노심이 가지는 높은 잉여반응도를 상쇄시키기 위한 탄화 붕소 (B$_4$C) 가연성 흡수체의 도입 및 이로 인한 감속재 온도 계수 (Moderator Temperature Coefficient, MTC) 변화 역시 분석하였다. 기존의 흑연 구조체 대신 실리콘 카바이드 구조체를 사용함으로써 추가적인 중성자 흡수가 존재하나, 방출 연소도 측면에서 탁월한 성능을 보여주었다. 하지만 순수한 실리콘 카바이드의 경우 재료의 취약점이 지적된다. 이를 대체하기 위하여 실리콘 카바이드 섬유를 사용한 노심을 재설계하였고, 재료의 취약점은 보완하는 동시에 준수한 노심 성능을 유지할 수 있었다. 감속재 온도 계수의 경우, 연소도 증가에 따른 핵분열생성물의 축적에 의해 증가하는 경향을 보여주었다. 이러한 경향성에 대해 주요 인자 분석을 수행하여 노심 설계에 있어 새로운 관점 역시 얻어낼 수 있었다. 본 연구는 고온가스로를 최적화하여 향상된 경제성을 얻어냈음은 물론, 감속재 온도 계수의 인자 분석을 통해 노심 설계 및 안전성 분석에 있어 새로운 관점을 제시했음에 큰 의의를 가진다.
