The present thesis provides details and insights for the resolution of the key neutronic difficulties currently facing the development of Low Enriched Uranium Nuclear Thermal Propulsion (LEU-NTP). These critical issues are the reduction in rocket performance during full power operation and the water submersion criticality accident that would occur in the case of a water landing during a mission abort. This thesis presents a set of solutions to these difficulties that require minimal changes to the current system architecture and enable their implementation into existing LEU-NTP designs. The proposed solutions include the introduction of a rapid depletion neutron absorber (BORGalloy) in the tie-tube elements, use of variable hydrogen density in the tie-tube loop (HYPOSPRA), implementation of enhanced worth control drums, and spectral shift absorbers in the core. Additional design modifications were made with existing parameters including the addition of a core exit axial reflector, smaller coolant channels in the fuel elements, and Inconel structural elements. With these solutions developed and characterized using a previously designed baseline core (SULEU), they are then combined into a new conceptual core design: SULEU-TNG. This new design demonstrates the successful integration of these solutions into a single core that meets the necessary neutronic operating requirements of a NTP core (excess reactivity for life-time operation and subcriticality during a submersion accident). With the successful resolution of these difficulties, it is concluded that with minimal additional development, LEU-NTP systems can replace historical High Enriched Uranium (HEU)-NTP systems without any loss in performance or safety.
본 학위논문은 중성자 물리의 관점에서 저농축우라늄 열추진 원자로(LEU-NTP) 개발이 직면한 주요 문제의 해결방안에 대한 구체적인 내용과 고찰을 담고 있다. 본 연구에서는 LEU-NTP 로켓이 바다에 추락 혹은 착륙시 발생할 수 있는 침수에 의한 임계 사고에 대한 해결책들과 이러한 해결책들이 야기할 수 있는 로켓 성능의 저하를 최소화 할 수 있는 방안에 대해 주요하게 다루었으며, 기존의 LEU-NTP 로켓에도 큰 설계 변화 없이도 적용 가능한 여러 새로운 개념들을 도출하였다. 제안된 해결책으로는 연소가 빠른 가연성흡수체(BORGalloy)가 포함된 타이튜브(tie-tube), 타이튜브 냉각 유로 내부의 수소밀도 제어(HYPOSPRA), 반응도 제어 드럼의 반응도가 증가, 노심 내 spectral-shift 흡수체 장전 등이 있다. 또한, 노심 출구 축방향 반사체 추가, 핵연료 집합체 내 냉각재 채널 축소, 인코넬 구조재 사용 등과 같은 노심 설계의 추가적인 최적화를 수행하였다. 도출된 노심개념의 타당성은 SULEU 노심을 기준으로 평가되었으며 이를 기반으로 새로운 고성능 SULEU-TNG 노심 개념을 도출하였다. 본 연구를 통해 노심 수명 혹은 성능의 저하 없이도 침수에 의한 임계 사고의 가능성을 제거한 설계의 타당성이 확인되었으며, 복잡한 설계 변화 없이 기존 고농축우라늄 원자로개념을 대체할 수 있는 저농축우라늄 우주로켓 열추진용 원자로 개념이 제시되었다.
