The use of recycled plutonium plays an important role in saving natural uranium resources. During the past 40 years, many researches have been performed for the use of recycled plutonium. Currently, the reprocessed plutonium is used in a mixed-oxide (MOX) fuel form in light water reactors (LWRs). However, the MOX fuel loading is currently limited to 1/3 or half of the core. This partial loading results in heterogeneous cores where interface problems appear between uranium and plutonium assemblies due to the discrepancies between effective cross sections of the uranium and plutonium isotopes. The resulting need to zone the fuel enrichment inside the fuel assembly leads to ∼10% additional manufacturing costs. Consequently, there is a growing need for and interest in a full MOX core for better utilization of the recycled plutonium and for weapon’s plutonium disposition.
In order to maximize the benefit of plutonium recycling in the current LWR cores, recently, a significant amount of researches has been performed for 100% MOX cores. However, when the LWR core is fully loaded with the MOX fuel, several problems arise due to the spectrum hardening effect of the plutonium isotopes. In order to overcome the spectrum hardening effect, a new fuel design for the full MOX core, which consists of annular fuel material filled internally with graphite (gMOX) or inert gas (aMOX), are proposed. The new design is compatible with the conventional fuel assembly in its overall geometry, and therefore it may require only minor modifications from the conventional fuel technologies.
From the results of assembly analysis, it is ascertained that the void reactivities of the gMOX fuel assembly are more negative than those of a stMOX (standard MOX) fuel, while the aMOX fuel assembly has less negative void reactivities at a low burnup range. It is also shown that the maximum fuel rod temperature of the gMOX fuel is lower than that of stMOX fuel rod by ~ 130°K. This tendency is also observed in the aMOX fuel rod.
In order to identify nuclear characteristics of a reactor loaded with gMOX or aMOX fuel assemblies, core design analyses have been performed for both initial and equilibrium cycles. The results of the initial cycle analysis indicate that both the gMOX and the aMOX cores provide more desirable characteristics, namely, better safety features in fuel temperature, control rod worth, boron worth, moderator temperature coefficient (MTC), and shutdown margin.
The results of the equilibrium cycle analysis show that both the gMOX and the aMOX cores have higher burnup with less fuel inventory, faster depletion rate of plutonium and less production of actinides. In addition, as in the initial cycle, the new MOX cores have better characteristics in term of fuel temperature, control rod worth, boron worth, MTC, and shutdown margin. For example, the control rod worth of the gMOX core is improved by 7.8% and 9.6% at BOC and EOC, respectively. Consequently, the shutdown margin of the gMOX core is improved significantly, compared to that of the stMOX core. From a plutonium incineration point of view, the new fuel design provides an option to dispose of the plutonium efficiently, because the plutonium inventory is reduced more in the gMOX core than in the stMOX core by ~110Kg per cycle and the plutonium burns faster in the newly designed MOX cores.
재순환 플루토늄의 이용은 천연 우라늄 자원의 절약측면에서 중요한 역할을 하고 있으며, 지난 40여년동안 재순환 플루토늄의 이용을 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 현재, 재처리된 플루토늄이 경수로에서 혼합핵연료 (mixed-oxide, MOX) 형태로 이용되고 있으나 노심내의 혼합핵연료 장전비율은 1/3 내지 1/2로 제한되고 있다. 이러한 혼합핵연료의 부분장전노심은 우라늄 핵연료집합체와 혼합핵연료집합체의 경계에서 출력 불연속현상 등의 경계문제를 야기시키며 그 이유는 우라늄과 플루토늄 핵종사이의 핵단면적 차이에 의해 나타난다. 이러한 문제를 완화시키기 위해서 핵연료집합체내 핵욘료봉의 농축도를 서로 다르게 하는 것(zoning)을 필요로 하며 약 10%의 추가 제작비용이 소요된다. 따라서, 부분장전노심에서 발생하는 문제점 해결, 재순환 플루토늄의 이용률 향상과 핵무기용 플루토늄의 처리를 위해 혼합핵연료의 전노심 장전에 대한 관심이 증대되고 있다.
그러나 혼합핵연료의 전노심 장전시 플루토늄 핵종의 특성에 따라 중성자 스펙트럼의 경화현상(Hardening Effect)에 따라서 여러 가지 문제점들이 발생한다. 이러한 스펙트럼 경화현상을 완화하기 위하여 본 연구에서는 새로운 형태의 핵연료봉을 제안하였고 노심내에서의 핵적 특성을 살펴보았다.
본 연구에서 제안하고 있는 핵연료봉은 핵연료봉의 중앙에 흑연(Graphite)을 삽입된 Annular 형태(gMOX)와 비활성 기체로 가득찬 Annular 형태 (aMOX)이다. 본 연구에서 개발한 핵연료봉을 이용하여 구성한 핵연료집합체는 핵연료봉을 제외하고는 기존 핵연료집합체와 동일하므로 기존의 핵연료 기술의 최소한의 수정만을 필요로 한다.
핵연료집합체 계산결과에 따르면, 기공반응도(Void Reactivity)는 기존의 혼합핵연료봉을 이용한 핵연료집합체 (stMOX)보다 gMOX 핵연료집합체에서 더욱 음의 값을 가지며, aMOX 핵연료집합체의 경우에는 단지 저연소 영역에서만 stMOX 핵연료집합체보다 작은 음의 값을 갖는다. 또한, 핵연료봉의 최대 온도는 stMOX 핵연료보다 gMOX 핵연료에서 약 130°K 낮은 값을 갖는다. 핵연료 온도에 대한 이러한 경향은 aMOX에서도 유사하게 관찰되었다.
gMOX, aMOX 및 stMOX 핵연료집합체가 장전된 노심의 핵적특성을 분석하기 위하여 초기노심 및 평형노심에 대한 노심설계 해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 초기노심에 대한 해석결과, stMOX 핵연료집합체 장전노심과 비교해서 gMOX 및 aMOX 핵연료집합체 장전노심에서 핵연료온도, 제어봉가 (Control Rod Worth), 붕소가 (Boron Worth), 감속재온도계수 (MTC) 및 정지여유도 (Shutdown Margin) 등 안전성 측면에서 보다 우수한 특성을 보였다. 그리고 평형노심의 해석결과는 gMOX 및 aMOX 핵연료집합체 장전노심에서 적은 핵연료 장전량에 따른 핵연료의 고연소, 플루토늄의 더 빠른 감소율 및 악티나이드 핵종의 더 적은 생성 등의 특성을 보였다. 또한, 초기노심에서와 같이 핵연료온도, 제어봉가, 붕소가, 냉각제온도계수 및 정지여유도 등 안전성 측면에서 보다 우수한 특성이 관찰되었다. 특히 플루토늄의 연속측면에서, 본 연구에서 제안한 핵연료봉은 플루토늄을 효과적으로 처분할 수 있는 하나의 옵션으로 사용할 수 있을 것으로 생각된다.
