For safe operation of a power reactor, the power coefficient (PC) of the nuclear reactor should be less than or equal to zero. In the CANDU reactor loaded with the recovered uranium (RU) which has a uranium enrichment of ~0.9 wt% U235, the PC is estimated to be clearly positive over a wide power range of interest, owing to the generic positive coolant temperature coefficient (CTC) and weak fuel temperature coefficient (FTC) in the CANDU reactor.
In order to improve the PC of the CANDU reactor without seriously compromising the economy, an introduction of the burnable absorber (BA) has been proposed in this work and a physics study has been performed to find the optimal BA material and its optimal loading scheme for the CANDU reactor loaded with the CANFLEX-RU fuel. Instead of the conventional three-dimensional (3-D) full core analysis, a simple PC calculation method based on a two-dimensional (2-D) lattice analysis has been developed for a quick and efficient evaluation of the PC and validity of the 2-D method is justified through comparison with the results of the standard 3-D full core analysis in terms of the major physics parameters such as the coolant void reactivity (CVR), FTC, CTC and PC.
Based on the newly developed 2-D lattice analysis, four potential BAs (Dy, Er, Eu, and Hf) are evaluated to find the optimal BA for the CANDU reactor. Various loading options of the selected BA are evaluated to determine the optimal loading scheme of the BA. From the viewpoint of the achievable fuel discharge burnup, it is found that the erbium is evaluated to be the best BA and the BA should be loaded in the central fuel ring because the BA loading in the inner ring is necessary for reducing the CTC and the coolant void reactivity. Although a BA loading in the other ring or rings may lead to an efficient reduction of the FTC, it increases the coolant void reactivity, which is a big safety concern of CANDU reactor.
The reduction of the fuel discharge burnup is inevitable by the application of the BA option. Nevertheless, because the enrichment of the CANFLEX-RU fuel is higher than that of standard natural uranium (NU) fuel, the discharge burnup of the Er-loaded CANFLEX-RU fuel is 38% higher than that of the NU fuel. Owing to the good thermal neutron economy of the CANDU reactor, the fuel discharge burnup can be greatly increased by the relatively small increase of the fuel enrichment. It is shown that the discharge burnup of 1.0 wt%-enriched uranium fuel is 1.7 times higher than that of the NU fuel. In addition, the power pulse during the large loss of coolant accident (LOCA), which is one of the generic problems of the CANDU reactor, can be greatly reduced when the BA option is applied in the CANDU reactor.
This study shows that the use of the BA is feasible to render the PC of the CANDU reactor negative and thus the reactor safety can be greatly improved by the use of the BA in the CANDU reactor.
원자로의 안전한 운전을 위하여 출력계수는 영(0) 또는 영 보다 작은 값을 갖는 것이 바람직하다. 약 0.9 wt% U235의 농축도를 갖는 순환 우라늄 핵연료가 CANDU 원자로에 장전된 경우, CANDU 원자로의 태생적인 양의 냉각재 온도계수와 매우 적은 핵연료 온도계수의 영향으로 관심 출력에서의 출력계수가 명백한 양의 값을 나타내는 것으로 평가되었다.
CANDU 원자로의 경제성을 저하를 최소화하면서 출력계수를 개선하기 위하여, 본 연구에서는 가연성 흡수체의 도입이 제안되었으며, 순환 우라늄 핵연료가 장전된 CANFLEX (CANFLEX-RU) 핵연료 다발에 대하여 최적 가연성 흡수체를 선정하고 가연성 흡수체의 최적 장전 방안을 도출하기 위하여 노물리 계산을 수행하였다. 출력계수를 빠르고 효율적으로 평가하기 위하여 기존의 3차원 전노심해석 방법을 대신할 수 있는 2차원 격자계산을 기반으로 하는 간단한 출력계수 방법을 개발하였으며, 냉각재 기포반응도, 핵연료 온도계수, 냉각재 온도계수 및 출력계수와 같은 노물리 인자에 대하여 기존의 3차원 전 노심계산 결과와의 비교를 통해 2차원 격자계산의 적절성을 보였다.
가압 경수로에서 이미 사용하고 있는 Dy, Er, Eu, 및 Hf의 4개의 후보 가연성 흡수체에 대해 새로이 개발된 2차원 격자해석 방법을 이용한 평가를 통하여 CANDU 원자로에 대한 최적의 가연성 흡수체를 선정하였으며, 가연성 흡수체의 최적 장전 방안을 도출하기 위해 선정된 가연성 흡수체에 대한 다양한 장전 방안을 평가하였다.
원자로의 경제성과 직접적으로 연관되는 핵연료 방출연소도 확보의 관점에서 ebium이 최적의 가연성 흡수체로 평가되었다. 냉각재 온도계수와 냉각재 기포반응도를 저감시키기 위해서 가연성 흡수체를 핵연료 다발의 중심부에 장전하는 것이 효과적이므로, 선정된 가연성 흡수체인 erbium을 가급적 중심환에 장전하는 것이 바람직하다. 다른 핵연료 환에 가연성 흡수체를 장전함에 의해 핵연료 온도계수를 효과적으로 저감시킬 수 있지만 CANDU 원자로의 큰 안전관련 관심사항인 냉각재 기포반응도를 증가 시킨다.
가연성 흡수체를 장전함에 따른 핵연료 방출연소도의 감소는 피할 수 없다. 그럼에도 불구하고, erbium이 장전된 CANFLEX-RU 핵연료 다발의 방출연소도는 기존의 표준 천연 우라늄 핵연료 보다 높은 농축도 때문에 천연 우라늄 핵연료에 비해 38% 정도 향상되었다. CANDU 원자로의 좋은 열중성자 경제성 때문에, 약간의 핵연료 농축도 증가에도 방출연소도를 상대적으로 크게 증가시킬 수 있다. 1.0 wt%의 농축 우라늄의 방출연소도는 천연우라늄 핵연료의 방출연소도에 비해 1.7배 높다. 또한, CANDU 원자로에 가연성 흡수체를 사용함에 의해 CANDU 원자로의 태생적인 문제들 중의 하나인 대형 냉각재 상실사고 시의 출력펄스를 크게 감소시킬 수 있다.
본 논문은 가연성 흡수체를 사용하여 CANDU 원자로의 출력계수가 음의 값을 갖도록 할 수 있음을 보였으며, CANDU 원자로에 가연성 흡수체를 사용함에 의해 원자로의 안전성을 크게 향상 시킬 수 있음을 보였다.
