A 24-month APR1400 core with a very low boron (VLB) concentration has been investigated for inherent safety and high-performance of large PWR in this study. The VLB operation is an essential feature for high-performance APR1400 which is able to do the passive frequency control operation. In this dissertation, the CSBA (Centrally-Shielded Burnable Absorber) is applied to realize a VLB operation for 24-month APR1400 core with a substantially-reduced reactivity swing during the cycle. This innovative design of the VLB APR1400 core includes the optimization of BA and fuel loading patterns as well as axial cutback for a 24-month cycle operation. In addition to CSBA, a secondary burnable absorber such as Er-doped guide thimble is also introduced for partial management of the excess reactivity and for control of local power peaking in fuel assemblies. In order to improve the neutron economy of the 24-month APR1400 core, two alternative radial reflectors are adopted in this study, which are stainless steel (SS) and zirconium dioxide ($ZrO_2$). The core reactivity and power distributions for a 2-batch equilibrium cycle are analyzed and compared for each reflector design. Numerical results show that the APR1400-VLB core can be successfully designed with an extended cycle length up to 24 months and the passive frequency operation is feasible with its very low boron feature. In addition to the core design with 24 months cycle, another APR1400-VLB core having a 22-month cycle is also proposed in this work. The 22-month APR1400-VLB core, which replaces 121 fuel assemblies for each refueling, can prevent discharge of once-burned spent fuel and satisfy current criterion on fuel rod maximum burnup limit. All multi-physics analyses are performed using the Monte Carlo Serpent 2 code and 3-D diffusion nodal code COREDAX with the ENDF/B-VII.1 library.
본 학위논문은 고유 안전성을 갖고 수동적인 주파수제어 운전이 가능한 고성능 24 개월 주기 초저 보론 (Very Low Boron, VLB) 농도를 갖는 APR1400-VLB 노심설계에 대한 연구이다. 24 개월 재장전 주기와 보론 농도를 약 600 ppm 이하로 유지하는 초저 보론 개념을 동시에 효과적으로 구현하기 위해 CSBA (Centrally-Shielded Burnable Absorber) 가연성흡수체가 적용되었다. 핵연료 장전모형, CSBA 배치 및 축방향 핵연료 구성 최적화를 수행하였으며, 잉여 반응도 및 첨두 출력 제어를 위해 CSBA와 함께 보조 가연성 흡수체에 대한 연구도 수행되었다. APR1400-VLB 노심의 중성자 경제성을 향상시키기 위해 SS (Stainless Steel)과 같은 고체 반사체 물질을 고려하였고 반사체 종류에 따른 노심의 핵적 성능 및 특성을 비교하였다. 연구 결과, 24 개월 주기의 2 배치 APR1400-VLB 노심 설계가 성공적으로 수행되었으며, 초저 보론 농도를 활용한 수동 주파수 제어가 가능함을 보였다. 추가로 핵연료 이용률 및 연소도를 극대화할 수 있는 22개월 주기를 갖는 2-배치 APR1400-VLB 노심이 제안되었다. 22개월 주기 APR1400-VLB 노심의 경우 매 주기 121 다발의 핵연료가 교체되어 단 1회만 연소된 사용후핵연료의 방출이 없으며 현 연료봉 연소도 제한치를 만족한다. 모든 핵단면적 자료는 ENDF/B-Ⅶ.1 라이브러리를 기반으로 하였으며, 집합체 단면적 생산 및 3차원 노심분석을 위하여 각각 Serpent 몬테칼로 코드와 COREDAX 노달코드를 활용하였다.
