A small nuclear reactor using thorium and plutonium fuel has been designed from the neutronic point of view. The thermal power of the reactor is 150 MWth and it is proposed to be used to supply electricity in an island in Indonesia.
Thorium and plutonium fuel was chosen because in recent years the thorium fuel cycle is one of the promising ways to deal with the increasing number of plutonium stockpiles, either from the utilization of uranium fuel cycle or from nuclear weapon dismantling. A mixed fuel of thorium and plutonium will not generate the second generation of plutonium which will be a better way to incinerate the excess plutonium compared with the MOX fuel.
Three kinds of plutonium grades which are the reactor grade (RG), weapon grade (WG), and spent fuel grade (SFG) plutonium, were evaluated as the thorium fuel mixture in the $17\times17$ Westinghouse PWR Fuel assembly. The evaluated parameters were the multiplication factor, plutonium depletion, fissile buildup, neutron spectrum, and temperature reactivity feedback. An optimization was also done to increase the plutonium depletion by changing the Moderator to Fuel Ratio (MFR). The computer codes TRITON (coupled NEWT and ORIGEN-S) in SCALE version 6 were used as the calculation tool for this assembly level.
From the evaluation and optimization of the fuel assembly, the whole core was designed. The core was consisted of 2 types of thorium fuel with different plutonium grade and it followed the checkerboard loading pattern. A new concept of enriched burnable poison was also introduced to the core. The core life is 6.4 EFPY or 75 GWd/MTHM. It can burn up to 58% of its total mass of initial plutonium. VENTURE was used as the calculation tool for the core level.
본 연구에서는 토륨과 플루토늄을 연료로 하는 소형 원자로의 노심 핵설계를 수행하였다. 이 원자로의 출력은 150 MWth이며 인도네시아의 섬 하나에 전기를 공급하는 것을 목적으로 설계되었다.
현재 플루토늄은 우라늄을 이용하는 핵연료 내에서 생성되거나, 폐기되는 핵폭탄에서 배출되는 것으로 인해 계속해서 증가하고 있다. 최근에 토륨은 이렇게 가중되고 있는 플루토늄 축적 문제를 해소할 수 있는 방안으로 주목 받고 있다. 플루토늄과 토륨을 혼합하여 만들어진 핵연료에서는 플루토늄이 추가적으로 생성되지 않으므로 과다 생성된 플루토늄을 연소시키는 방법으로써 MOX 핵연료와 비교했을 때 장점을 가진다.
노심 등급(reactor grade), 핵무기 등급(weapon grade), 사용후 핵연료 등급(spent fuel grade) 등의 세 종류의 플루토늄과 토륨으로 혼합연료를 구성하여 웨스팅하우스의 $17\times17$가압경수로 핵연료 집합체 모델에 적용하여 평가해보았다. 각각의 혼합 연료에 대하여 유효증배계수(k-eff), 플루토늄 감손(plutonium depletion), 핵분열 생성물 빌드업(fissile build up), 중성자 스펙트럼, 온도 반응도 피드백(temperature reactivity feedback) 등을 계산했고 감속재와 연료의 비율(MFR)을 조절하여 최적화를 통해 플루토늄 감손을 최대화하였다.
핵연료 집합체의 평가 결과와 최적화를 통해 전체 노심의 설계를 진행했다. 노심은 두 종류의 플루토늄/토륨 혼합 핵연료로 구성되었고 핵연료 집합체를 체커보드 형태로 장전하고 농축된 가연성 독물(burnable poison)도 새롭게 노심에 도입하였다. 노심의 수명은 6.4 EFPY, 핵연료의 연소도는 75GWd/MTHM이며, 초기 플루토늄의 58%까지 연소시킬 수 있다. 전체 노심 계산은 VENTURE 코드를 이용해 수행되었다.
