In this master thesis we present our study regarding the possibility of implementing Low Enriched Uranium (LEU) fuels in NERVA type Nuclear Thermal Rockets (NTR). This work was done to demonstrate the possibil-ity to enhance the proliferation resistance of these nuclear space systems, in the hope of fostering the ground-work for their eventual commercial use. First, we present a background on NTR technology as well as how their performance is measured and how it differs from traditional nuclear and rockets systems. We then give a detailed description and discussion of legacy NTR designs. We then present our detailed studies related to the requirements for implementing LEU in a NERVA type NTR. Here we discuss the necessity of thermalizing the neutron spectrum and provide a detailed study of various methods by which this can be achieved. We then examine the effect of minimizing non fission neutron loss through the selection of appropriate structural ma-terials and provide a cursory study of various options. Once the different studies regarding how to implement LEU fuels are concluded, a finalized conceptual reactor configuration is proposed. This reactor is generated using the parameters determined from the LEU implementation studies and a minimum mass optimization. This optimization takes into account both neutronic and thermal effects, including a first iteration of tempera-ture dependent reactivity effects. The finalized reactor configuration is then characterized in terms of operat-ing performance, thermal, hydraulic, and neutronic parameters including operating life, cycle burn up, power and temperature distributions, and flow characteristics. Finally, the proposed reactor concept is compared with previous NTR designs where its relative shortcomings and obvious advantages are presented and dis-cussed. Furthermore, possibilities for the further improvement of the reactor design are suggested in order to make up for the current issues in the design. We then conclude that a Carbide LEU-NTR is not only a definite possibility, but also offers distinct advantages over existing HEU-NTR designs. Finally, we make some sugges-tions for future work that would enable the progression of the current conceptual design to a more finalized reactor design.
본 학위논문은 NERVA타입의 로켓 추진용 원자로(NTR)의 연료로써 저농축우라늄 연료의 가능성에 관한 연구를 다룬다. 저농축우라늄에 기초한 로켓 원자로의 구현은 관련 연구개발의 핵확산저항성을 제고할 뿐만 아니라 보다 효율적이고 경제적인 우주 원자력 시스템에 관한 연구를 가능케 할 것이며, 또한 관련 기술의 상업화를 촉진할 수도 있을 것이다. 먼저 본 연구에서는 이전 NTR디자인들에 관한, 그리고 이와 같은 특수한 형태의 원자로 시스템이 만족해야 하는 다양한 필수조건들에 관한 기초연구를 포함하여, 저농축우라늄 연료의 적용에 필요한 조건들에 관한 상세한 검토로 이루어져 있다. 이어서 중성자 스펙트럼 감속의 필요성을 설명하고, 그 감속방법에 관한 상세연구가 수행되었다. 또한 적절한 구조재료의 선별에 따른 핵분열 외 중성자 손실의 최소화 효과를 분석하였고, 부가적으로 몇 가지 후보재료들에 관한 간단한 검토가 수행되었다. 저농축우라늄이 장전된 원자로의 핵연료 및 감속재 배열의 최적화를 위해서 다양한 노심 격자구조에 대한 최적화 연구도 수행되었다. 이와 같이 도출된 원자로 기본개념에 대하여 중성자적 관점과 온도에 따른 반응도 효과를 포함한 열적 효과의 관점에서 저농축우라늄 연료의 적용과 원자로 질량의 최소화를 위해 최적화 과정을 수행하였다. 최적화된 원자로 개념설계에 대하여 원자로의 수명, 핵연료 연소도, 출력분포, 온도의 분포, 냉각재의 열수력적 특성 관점에서 분석을 수행하였다. 최종적으로 제안된 원자로 개념을 이전 NTR 디자인들과 비교 분석을 하였으며, 본 연구에서 도출된 저농축우라늄 기반 노심개념이 기존 원자로와 유사하거나 뛰어난 성능을 보임을 확인하였다.
