The main objective of this study is to investigate and address major design challenges of a small sodium-cooled breed-and-burn fast reactor (B&BR) from the neutronics perspective in order to derive a high-performance small B&BR concept. A B&BR is an alternative design to the conventional fast reactor, which offers an extremely long core lifetime and higher fuel utilization by breeding fissile from fertile fuels and using the bred fissile in situ. The fertile fuels are loaded into the blanket region and it can be either depleted U, natural U or even spent nuclear fuel (SNF). In this B&BR core, an LEU (low-enriched U) metallic alloy fuel (U-Zr) is located below the blanket fuel with the purpose of achieving the first criticality of the core. The active core, initially the LEU region, moves upward slowly through the breeding and burning process of the fertile fuels. In this work, an SNF of commercial reactors is used as the blanket fuel after a simple metallization and melt-refining process.
With regard to the small B&BR, several design challenges have been identified and possible resolutions have been proposed for each challenge. The first challenge is the good neutron economy requested in the small-size B&BR. For this issue, lead-based reflectors are proposed because lead has a higher scattering-to-capture cross section ratio than the conventional steel- or nickel-based ones. To achieve a high neutron economy, an annular metallic fuel without any bonding sodium has been also proposed and evaluated in this work. The second challenge is to maintain a small excess reactivity during the whole lifetime. The targeted maximum excess reactivity is < 1$ to prevent any chance of the prompt criticality accidents. For this, a pan-shaped initial LEU region is proposed in combination with the zoning of Zr content in the U-Zr metallic fuel. It is also demonstrated that a Zr-zoning is also effective in minimizing the power peaking of the long-life B&BR core. Another challenge is a very high fuel burnup in the B&BR core. To cope with the high burnup of the metallic fuel, a lower smear density is applied to high burnup zone of the core in order to accommodate the additional fuel swelling. Another tough challenge in the B&BR design is to deal with an extremely high fast neutron fluence of the fuel clad containing a metallic fuel. In this work, a vented metallic fuel pin design is introduced to allow the high neutron fluence on the clad by reducing the gas pressure inside the clad. The last and most challenging issue is the positive sodium void reactivity in the sodium-cooled B&BR. Since the coolant void reactivity and coolant temperature coefficient become more positive with fuel burnup, it usually limits the lifetime and performance of the B&BR. To deal with the positive coolant void reactivity, two passive reactivity devices are developed in this work, one is FAST (Floating Absorber for Safety at Transient) and the other SAFE (Static Absorber Feedback Equipment). The FAST device insert a large negative reactivity into the core in a passive way when the coolant temperature reaches a set point. Meanwhile, the SAFE device is designed to provide a negative coolant temperature coefficient in a simple and passive way.
Finally, an advanced compact sodium-cooled B&BR which incorporates all of the proposed solutions above has been and designed and characterized. It has a power of 400 MWth and can achieve a long lifetime of 50 years (~150 GWD/MTHM) with maximum excess reactivity of about 1.0 dollar. The maximum neutron fluence of the clad is as high as 700 dpa, which is considered to be technically feasible with the use of vented fuel pin and advanced steel cladding material. In addition, a preliminary study of recycling the B&BR spent fuels is also performed to assess the self-sustainability of the B&BR fuel cycle. It has been demonstrated that a 2nd generation B&BR can be started by re-using the spent fuels of the 1st generation B&BR after a simple melt-refining process only.
본 연구의 주된 목적은 소형 소듐냉각 증식-연소 고속로(B&BR)의 노심개념을 도출하고 그 특성을 중성자 물리의 관점에서 고찰하는 것이다. B&BR은 블랭킷 영역에 장전된 친분열성(fertile) 물질을 핵분열성(fissile) 물질로 변환하여 핵연료를 자체 증식시키고, 이를 동시에 같은 장소에서 사용함으로써 연료의 활용도를 향상시키는 새로운 고속로 개념이다. 본 연구의 B&BR에서는 초기 임계도 달성을 위해서 저농축우라늄 연료가 블랭킷 아래에 장전된다. 원자로의 활성노심은 초기 저농축우라늄 연료 영역에서 시작하여 천천히 블랭킷 영역으로 일차원적으로 이동하며, 이 과정에서 친분열성 물질은 천천히 핵분열성 물질로 변환되어 노심의 임계도를 유지하면서 연소된다. 본 연구에서는 매우 간단한 방식으로 금속화된 가압경수로 사용후핵연료를 B&BR의 블랭킷 연료로 사용하였다.
본 논문에서는 고성능 B&BR의 노심설계를 위해서 해결되어야 될 주요한 문제점 몇 가지를 파악하고 해결책을 도출하였다. 첫 번째는 높은 중성자 경제성의 확보이며, 이를 해결하기 위해 기존 철기반 반사체 대신 높은 산란단면적을 가진 납 기반 반사체를 제안하였다. 또한 본 연구는 소듐 충진이 필요 없는 환형 금속연료를 도입함으로써 중성자 경제성을 크게 향상시킬 수 있음을 보였다. 급격한 출력중가를 일으키는 사고 가능성을 배제하기 위해서 본 연구에서는 노심의 최대 잉여반응도를 1.0$ 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. 이처럼 낮은 잉여반응도 달성을 위해서 다양한 노심개념이 연구되었으며, 팬형(pan-shape)의 노심설계가 효율적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 또한 금속연료의 Zr 함량을 영역에 따라서 조절함으로써 잉여반응도와 출력분포를 동시에 효과적으로 제어하는 것도 가능함을 보였다. B&BR의 또 다른 문제점인 높은 첨두출력인자 또한 팬형 노심과 금속연료의 Zr 함량 조절을 통하여 효율적으로 저감될 수 있음을 보였다. B&BR 노심설계의 큰 어려움의 하나는 높은 핵연료 연소도이다. 이를 위해서 본 연구에서는 연료의 유효밀도를 저감하는 방식을 도입하였다. 한편, B&BR의 경우 연료 피복재의 고속중성자 조사량이 극히 높다는 문제점도 있다. 피복재 수명을 극대화하기 위해서 여기서는 고유한 핵분열가스 배출식 금속연료를 도입하였다. 소듐냉각 B&BR의 안전성관련 현안은 연료의 연소도 증가와 함께 소듐의 기화반응도가 점점 양의 방향으로 증가한다는 점이다. 이러한 양의 냉각재 기화반응도 저감을 위해서 여기서는 고유한 피동 안전장치 FAST (Floating Absorber for Safety at Transient)와 SAFE (Static Absorber Feedback Equipment)를 개발하였다. FAST는 냉각재 온도가 증가해서 일정 온도에 다다르면 노심에 큰 음의 반응도를 피동적으로 삽입하여 원자로를 정지시키며, SAFE는 극히 단순한 방식으로 음의 냉각재 온도 궤환효과를 제공하여 안전성을 향상시킨다.
위에서 제시된 다양한 해결책 및 개념에 기초하여 혁신적인 소형 소듐 냉각 B&BR 노심개념을 도출하였으며 노심특성을 분석하였다. 도출된 소형 B&BR은 400 MWth 출력이며, 연료의 재장전 없이도 50년동안 이용될 수 있으며, 전 수명기간 노심의 최대 잉여반응도는 1.0$ 이하로 유지된다. 또한 연료의 평균 방출연소도는 약 150 GWD/MTHM로서 B&BR의 경우 연료의 재처리 없이도 매우 효율적인 연료의 활용이 가능함을 입증한다. 비록 피복재의 최대 조사량이 ~700 dpa 로서 매우 높지만, 핵분열가스 배출식 금속연료 및 고성능 피복재를 통하여 관련재료 문제는 해결될 것으로 기대된다.
마지막으로, 본 연구에서 도출된 B&BR의 자체적인 지속가능성(Self-sustainability)을 노심 반응도 관점에서 평가하였다. 저농축우라늄을 이용한 1세대 B&BR의 사용후연료를 단순한 용융정제 과정을 핵분열생성물의 일부만을 제거하더라도 추가적인 저농축우라늄의 공급 없이 새로운 2세대 B&BR의 설계가 가능함을 확인하였으며, 2세대 B&BR의 노심설계 방식에 따라서 추가적인 2세대 B&BR 도입을 가능케 할 수도 있음을 확인하였다.
