A soluble-boron-free (SBF) pressurized water reactor (PWR) core potentially offers significant operational improvements over the commercial designs. This dissertation investigates the neutronics feasibility of two SBF PWR core designs, namely (1) a single-batch 200 MWth small modular reactor (SMR), and (2) a 3-batch 3400 MWth AP1000 equilibrium core. The research specifically pursues the SBF core designs with a new burnable absorber (BA) concept named “Burnable absorber-Integrated Guide Thimble” (BigT).
Neutronic sensitivities and practical design considerations of the BigT concept are points of highlight in the first half of the thesis. The BigT concepts are particularly characterized in view of its BA material and spatial self-shielding variations. It is demonstrated that the BigT is sensitive to the BA’s geometrical aspect ratio (i.e., thickness and azimuthal span), especially when gadolinium is used as the BA. Furthermore, the work also deliberates major conceptual details of the BigT absorber design, such as the assembly top-head replaceability requirement, dashpot-compliant bottom-end and possible thermal-mechanical characteristics of the BigT design. Moreover, the BigTs are also benchmarked against the conventional BA technologies (e.g., Westinghouse’s IFBA and WABA rod designs) in representative 17×17 and 16×16 fuel assembly lattices. The BigT absorbers are shown to perform reasonably well in comparison with the commercial BA technologies, especially in terms of reactivity depletion and power distribution managements. It is also shown that sufficiently high control rod worth can be obtained with the BigT in place. All assembly-level depletion calculations in the BigT sensitivity studies were completed using the Monte Carlo Serpent code with ENDF-B7.0 nuclear data library.
The second half of the dissertation meanwhile focuses on the strategic loading of the BigT to enable SBF PWR operation in the two aforementioned 3-D core applications. In the SBF SMR core, the BigTs were designed region-wise and each BigT design was judiciously crafted to tailor the required reactivity depletion patterns ascertained from the core radial power profile. In the AP1000 equilibrium core, the BigT absorbers were designed batch-wise. In particular, BigTs in fresh feed assemblies were paired with the commercial IFBA fuel rods to attain an upward reactivity depletion pattern. Meanwhile, BigTs in once-burned assemblies were devised so as to obtain a downward reactivity trend which possibly cancels the aforementioned reactivity upswing of the fresh assemblies.
These unique approaches of strategically loading the BigT absorbers in the cores have been demonstrated to work very well to potentially enable the SBF PWR operations. In fact, the SBF SMR design exceeds the targeted cycle length while successfully navigating the burnup reactivity swing between 360~990 pcm throughout the operation. The work also introduces the use of hafnium-doped stainless steel mechanical shim (MS) rods in order to attain the core criticality. Since worth of the collective MS rods is relatively small (< 600 ppm), it was clearly demonstrated that insertion and withdrawal of the rods during the SBF operation negligibly alter the core radial power distributions. Nonetheless, the core axial power profile displays a more refined bottom-skewed pattern during the early part of the irradiation cycle due to the partial top-half insertion of the MS rods. The work also deliberates on a modified checker-board control rod pattern utilizing 95 w/o enriched boron carbide absorber to assure a safe cold shutdown condition of the SMR core. All calculations in the multi-physics performance assessment of the 3-D SBF SMR core were completed using the conventional 2-step Serpent-Coredax reactor analysis procedure. Meanwhile, the preliminary investigations on the SBF AP1000 equilibrium core suggest that our proposed approach can be quite promising as the burnup reactivity swing over the 490-day equilibrium cycle was quite small (< 2,000 pcm). In addition, it was shown that sufficiently high hot shutdown margin with reasonable radial power distribution can also be attained with the conventional AP1000 control rod pattern.
일차 계통에 붕산을 녹인 붕산수의 사용은 상용 가압경수로 (PWR)의 표준 반응도 제어 방법 중 하나이다. 일반적으로 사용되는 붕산수이지만, 일차 계통에서의 붕산수를 희석시키는 작업은 고질적인 문제를 야기하는데, 이는 붕산수가 약산 산을 띄어 닿아 있는 모든 물질을 부식시키기 때문이다. 붕산수로 인해 산을 띄는 일차 계통의 냉각수의 pH를 중성화 시키기 위해서, 냉각수에 산화리튬을 넣는 것이 일반적이다. 하지만 리튬 원소의 중성자 흡수로 인해 냉각수 내에서 생성되는 전체 삼중수소의 약 90%가 생성된다. 게다가, 가압경수로 내의 임계붕소농도(CBC)는 특성상 주기 초 (BOC)에서 가장 최대의 값을 가지고, 점차적으로 희석되어 주기 말 (EOC)에 0의 값을 갖는다. 이러한 희석 과정은 대규모의 파이프와 전기 회로망이 필요하며, 이는 원자력 발전소의 운전과 유지 보수를 복잡하게 만든다. 더욱이 주기 초의 높은 임계붕소농도는 노심의 감속재 온도계수를 약간 양의 값을 갖도록 하는데, 이는 가압경수로의 법으로 지정된 안전성을 위협하는 큰 요인이다. 그러므로, 수용성 붕소를 제거하는 것은 다음 세대의 가압경수로를 위해 안전성과 경제성을 모두 취할 수 있는 매력적인 일이다. 사실, 무붕산 가압경수로를 추구하는 것은 30년도 더 된 과업 중에 하나이다. 1986년도 첫 무붕산 가압경수로 개념이 나온 이후 수 많은 다양한 원자로에 대해 수 많은 무붕산 노심 개념이 독립적으로 연구되었으며, 모든 연구들은 같은 결론을 도출하였다. (1) 현 반응도 제어 시스템을 대체할 새로운 제어 시스템이 정의 되어야 하며, (2) 무붕산 운전은 기술적으로 가능하며, 소규모의 가압경수로에서 더 가능성이 높다. 하지만, 오늘날까지 상용 무붕산 가압경수로의 성공사례는 없었다.
본 논문에서는 30년간 진행되어온 문제를 풀기 위한 새로운 접근 방법을 제시한다. 본 연구를 더욱 특별하게 만들어 주는 것은 본 연구에서는 고성능의 무붕산 가압경수로에 대한 개념 디자인 성공적으로 제시한 점이다. 이는 본 연구에서 시작부터 새로운 접근방식을 도입했기 때문이다. 기존 가연성흡수체 (BA)를 사용하는 방법 대신에, 본 연구에서는 새로운 획기적인 가연성흡수체 개념을 제안하였다. 새로 제안된 가연성흡수체, ‘Burnable absorber-Integrated Guide Thimble’ (BigT)는 중성자적으로 유연하며, 개념적으로 교체가 가능하다. 이러한 두 주요한 장점은 무붕산 가압경수로의 운전을 가능하게 하는 큰 요소이다. 본 BigT는 기존 운영되는 원자로에도 적용이 가능한데, 이는 기존의 핵연료집합체에 최소한의 수정으로 BigT가 장전 될 수 있기 때문이다.
그러나, 이러한 고급 가연성흡수체 BigT 만은 반쪽 짜리 해답이다. 나머지 반쪽은 새로이 제안된 BigT 개념은 고성능 무붕산 가압경수로를 가능케 하게끔 전략적으로 사용해야 채워질 수 있다. 본 논문에서는 1배치의 200 MW의 소형모듈원전(SMR) 노심과 다배치의 3400 MW AP1000 평형 노심, 두 가지 가압경수로 노심에 대하여 Bi를 사용한 무붕산 노심설계 가능성을 평가하였다. 소형 모듈원전의 경우, 3 종류의 다른 BigT 디자인이 노심에 영역별로 장전되었으며, 각각은 노심의 반경 방향의 출력분포를 이용하여 요구되는 반응도 연소 패턴을 만들었다. AP1000 평형노심의 경우, BigT는 핵연료 배치 별로 장전되며, 특히 신 연료 집합체에서는 증가하는 반응도 연소패턴을 고려하여, BigT와 기존 가연성흡수체 개념인 IFBA 봉을 함께 사용하였다. 한편 한번 연소된 핵연료 집합체에서는 BigT를 이용하여 감소하는 반응도 특성을 얻었으며, 이는 앞서 언급한 신 연료의 증가하는 반응도 연소패턴과 상쇄작용을 한다.
이러한 독특한 BigT의 장전 전략을 통행 무붕산 PWR 노심설계의 잠재적인 가능성을 검증하였다. 특히 BigT가 장전된 소형모듈원전의 경우 시뮬레이션 되는 52개월 동안 연소반응도 변화를 360 ~ 990 pcm으로 매우 적게 유지하여 성공적인 무붕산 설계가 가능함을 확인하였다. 또한 소형노심의 특성을 반영하여 노심의 잉여반응도는 하프늄(Hf)이 섞인 비교적 약한 스테인리스 강(SS)으로 이루어진 소위 Mechanical Shim (MS) 개념을 사용하여 매우 효과적으로 제어될 수 있음을 확인하였다. 특히, 소형원자로의 경우 95% 농축된 B4C 제어봉을 바둑판 형식으로 장전하는 경우 저온정지(cold shutdown)이 가능함을 보였다. 무붕산 AP1000 평형 노심의 경우 BigT와 IFBA를 혼용하여 평형노심 조건에서 연소반응도 변화를 약 2,000 pcm 이내로 제어할 수 있음을 보였으며, 대형 PWR의 무붕산 노심설계 타당성을 확인할 수 있었다.
결론적으로 본 연구는 새롭게 제안된BigT 가연성흡수체의 최적화된 이용을 통하여 고성능 무붕산 가압경수로의 잠재적인 실현가능성을 확인하였으며, 30년간의 오래된 기술적인 문제의 해결을 위한 새로운 단초를 제공했다고 할 수 있다
