Low-enriched uranium nuclear thermal propulsion (LEU-NTP) has been experiencing a surge in support and investment over the past several years. Until recently, however, the range of potential applications has been limited to relatively large thrusts where the thermal-hydraulic requirements, rather than neutronic requirements, dictate the overall reactor size. Though no published studies exist, the unofficial consensus states that LEU-NTP at thrusts of 7.5klbf or lower is unachievable without an infeasible mass increase. Thus, this thesis attempts to disprove this claim officially by converting a previous 7.5klbf HEU-NTP design to a 7.5 klbf LEU-NTP one. In this work, Schnitzler's 7.5 klbf HEU reactor has been modified by introducing various design changes such as enhanced Zrhydride moderation and Zr-based structural materials and thicker radial reflector etc. All the neutronic analyses are done with the Serpent Monte Carlo code and the thermal hydraulic performance is analyzed with the SPOC code. Although this work required several modifications outside of those common to previous LEU-NTP conversion attempts, the author did obtain a critical configuration that did not require any increase in total reactor mass.
최근 몇 년간 저농축우라늄 기반 원자로를 이용한 열추진 로켓 (LEU-NTP)에 대한 투자와 관심이 크게 확대되었다. 하지만 최근까지 LEU-NTP의 잠재적 응용 영역은 주로 대추력을 제공하는 원자로 연구에 국한되었는데, 이 경우 원자로의 크기는 주로 열수력적인 요건에 의해서 결정된다. 공식적으로 발표된 연구는 없었지만, 7.5klbf 혹은 그 이하의 추력을 내는 LEU-NTP의 제작은 원자로 중량의 증가 없이는 불가능하다는 의견이 비공식적으로 제시되어왔다. 본 논문에서는 초소형 LEU-NTP의 설계 타당성을 평가하기 위해서 기존 7.5klbf 규모의 고농축우라늄 연료를 활용하는 HEU-NTP 설계를 LEU-NTP 로 변형하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 Schnitzler가 제시한 고농축연료 기반 원자로를 'ZrH를 이용한 중성자 감속 향상', 'Zr 기반 구조재', '반경방향 반사체 변경' 등 다양한 설계변경을 통하여 동일 추력의 저농축우라늄 원자로 개념으로 변경하였다. 모든 노물리 분석은 Serpent 몬테칼로 코드로 수행하였으며 열수력 성능분석을 위해서 SPOC 코드가 활용되었다. 이를 통해 비록 기존의 LEU-NTP 개념에 비하여 추가적인 설계변경이 필요하지만, 총 중량의 증가 없이도 초소형 7.5 klbf LEU 원자로의 노물리적 타당성을 확인하였다.
