This thesis investigates a hybrid Monte Carlo-Deterministic method for the analysis of fast reactors. In this method, the effective multi-group cross sections and high-order Legendre scattering cross sections are generated by using the collision estimator in the MCNP5 code in combination with an added data generation module. In both the new hybrid and conventional methods, the cross section data is based on a simple RZ homogenous core model. As a computational model, a 300MWe SFR (sodium-cooled fast reactor) TRU burner core has been introduced. The generated multi-group cross sections are used by a 3-D diffusion core analyzer to calculate the resulting k-eff and assembly power distribution. A whole core calculation of the heterogeneous core model is performed using MCNP5 in order to determine the reference solution for the evaluation of the analysis methods. For an in-depth verification of the hybrid method in fast reactors, the new method was also applied to both unrodded and heavily rodded cores. In the case of rodded core, a new core modeling named RRZ was proposed for a better modeling of the self-shielding effect of the control assembly in the fast reactor. Additionally, the nodal equivalence theory was successfully applied to fast reactor analysis for the first time in this work. To apply the nodal equivalence theory, a simple 1-D spectral geometry was developed to determine the flux discontinuity factor of a control assembly region on the interface between fuel and control assembly regions. The generated group-wise DF values were used to correct the cross sections of the control assembly region. Moreover, the sensitivity of the DF to the 1-D spectral geometry model was also evaluated in this work. It is concluded that the hybrid method works well for the analysis of the SFR core. Particularly, the special application of the nodal equivalence theory greatly improves the accuracy of the new hybrid method for fast reactor analysis.
이 논문에서는 고속로 노심해석에 적용하기 위한 몬테칼로-결정론적 하이브리드 방법론에 대한 연구를 수행하였다. 하이브리드 방법론은 연속 에너지 군을 사용하는 몬테칼로 방법론과 기존 결정론적 방법론을 융합하여 몬테칼로 방법의 장점을 활용하면서도 동시에 결정론적 방법의 빠른 해석을 이용할 수 있게 하기 위해서 고안되었다. 이번 연구를 수행하기 위해 이미 검증된 몬테칼로 코드인 MCNP5에 collision estimator 모듈을 추가하여 유효 다군 단면적과 고차 르장드르 (Legendre) 다군 산란 단면적 생성을 할 수 있도록 하였고, 생성된 단면적은 결정론적 다차원 노심해석 코드인 DIF3D에 적용되어 다차원 노심해석이 가능토록 한다. 이번 연구를 위한 기준 노심으로 KAERI에서 디자인한 300MWe SFR TRU 핵변환로 노심을 채택하였다. RZ로 단순화된 균질 모델을 사용하여 몬테칼로 코드인 MCNP5와 기존 결정론적 방법 코드 시스템인 TRANSX/TWODAN를 단면적 생성에 이용하였고, DIF3D 해석을 통해 유효 증배계수와 출력분포를 비교하였다. 기준 노심계산 값으로는 MCNP5 전노심 3-D 계산을 통하여 구해진 결과를 사용하였다.
제어봉이 노심에 삽입되지 않은 경우, 하이브리드 방법론이 기존 결정론적 방법에 비하여 훨씬 정확하게 노심을 묘사할 수 있음을 확인할 수 있었다. 좀 더 까다로운 모델에 대해서도 하이브리드 방법론을 평가하기 위하여 많은 제어봉이 노심에 삽입된 경우에 대해서도 하이브리드 방법론을 적용해 보았다. 이 경우 예상과는 다르게, 하이브리드 방법론이 결정론적 방법보다는 상대적으로 오차가 적게 나오지만, 기준계산 결과와 비교하여 상당한 오차를 보여주는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 먼저 제어봉의 자체차폐를 잘 묘사할 수 있도록 새로운 RRZ모델을 노심 해석에 도입하였다. 또한, 중성자속의 변화가 급격히 나타나는 제어봉 영역에서 확산이론의 타당성이 악화되는 현상을 해결하기 위해, 제어봉 영역에만 한정하여 노달 등가이론을 적용하는 방법을 개발하였다. 이 경우 중성자속 불연속인자 결정을 위해서 비교적 단순한 일차원 표준문제를 사용한다. 노달 등가이론에 기초한 중성자속 불연속인자를 활용하여 제어봉이 많이 삽입된 노심에 대한 하이브리드 방법의 정확도가 크게 개선되어 반응도 및 출력분포를 정확하게 예측할 수 있음을 보였다. 추가적으로, 고속로 제어봉 영역에 대한 중성자속 불연속인자는 관련 불연속인자 결정을 위한 일차원 표준문제의 구성인자에 민감하지 않음도 확인하였다.
