This paper presents a novel fuel concept based on a coated-particle-fuel (CPF) for a high-performance and ultra-safe research reactor design. Unlike the conventional U3Si2-dispersed fuel plate, small CPFs are randomly embedded in the Al matrix. A CPF is composed of two components: a central fuel kernel and a thin buffer layer. To optimize the U loading, several types of fuel such as UO2 and UC are studied to achieve U densities comparable to U3Si2-based fuel. A 20 MWth pool type research reactor is considered to investigate the potential and characteristics of the new fuel concept. The thermal analysis was performed by using MATRA-P codes to obtain the temperature distribution in average and hottest channel condition, while neutronic analysis was performed by using the continuous energy Monte Carlo code Serpent. The neutronic analysis was performed in the equilibrium core condition resulting from a multi-batch fuel management. In this preliminary study, it is found that by using CPF, the fuel Doppler effect can be considerably enhanced, thus increasing the inherent safety of research reactors. A very high thermal neutron flux can also be achieved with the newly-proposed CPF-based fuel concept. It can be safely concluded that the CPF-based plate fuel concept will provide a new way to design an ultra-safe and high-performance research reactor.
본 논문은 안전한 고출력 연구용원자로 디자인을 위한 피복입자연료(Coated Particle Fuel, CPF) 기반의 새로운 판형연료 개념을 다룬다. 이 새로운 개념의 연료에는 기존의 분산형U3Si2와는 다르게, 작은 CPF들이 알루미늄 메트릭스 내부에 무작위로 분포해 있고, 이 CPF는 중심에 핵연료 커널(kernel)이 있고 커널은 얇은 저밀도 탄소 버퍼(buffer) 영역으로 되어 있다. 우라늄 장전의 최적화를 위하여, 기존 U3Si2기반 연료에 준하는 우라늄 밀도를 얻기 위해 UO2, UC에 기반한 CPF 형태의 연료에 대한 연구가 수행되었다. 열출력20MWth 풀형 연구용 원자로 개념을 도출하였으며 다양한 분석을 통하여 새로운 연료 개념의 특징과 가능성이 평가되었다. 노물리 평가를 위해서 연속적 에너지 몬테칼로 코드인 Serpent를 통해 다양한 노심조건에 대하여 중성자 분석이 수행되었고, MATRA-P 코드를 이용하여 다양한 열수력 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 새롭게 제안된 CPF연료기반 판형연료를 사용함에 따라서 연료의 Doppler 효과가 상당히 증가, 결과적으로 연구용원자로의 고유안전성이 향상될 수 있음을 보였다. 또한 새로 제안된 CPF기반 박스형 핵연료집합체를 이용하면, 고가이면서 비효율적인 기존 특수한 핵연료집합체에 의존하지 않고도, 매우 높은 열중성자속을 얻을 수 있음을 보였다. 결과적으로 CPF기반 판형연료 개념은 보다 안전하고 경제적인 고성능 연구용원자로 디자인의 새로운 방향을 제시한다고 할 수 있다.