In this dissertation, we introduce new innovative operational schemes named the passively autonomous frequency regulation operation (PAFO) and the passively autonomous load-follow operation (PLFO). The new operational schemes are proposed for a soluble-boron-free (SBF) pressurized water reactor (PWR). PAFO and PLFO aim at eliminating the dependence on the control rods and soluble boron in attaining the core power maneuvering. Instead, the core power variation is governed by the passive response of the core to temperature changes in fuel and coolant. This approach is motivated by the strongly negative coolant temperature coefficient (CTC) available in an SBF coolant system. This work is dedicated for studying the feasibility of the newly proposed operational schemes in the ATOM system, which is a 450 MWth SBF small PWR. A preliminary feasibility and scoping studies are made using a lumped PWR system model using a point-kinetics core. Then, we perform detailed 3-D transient multi-physics analyses to further study the feasibility by investigating the variations of the axial shape index and the 3-D power peaking factor during the passive transients. The time-dependent thermal-hydraulic (TH) model comprises core analysis for all fuel assembly channels. The neutronic modeling and analysis are based on the typical two-step procedure for light water reactors. Various group-wise cross-sections and transient parameters are obtained using Monte Carlo simulations using the Serpent-2 code with the ENDF/B-VII7.1 data library. Meanwhile, two different options are implemented for obtaining the 3-D diffusion whole core solution using the nodal methods, one is the nodal expansion method and the other one is the semi-analytical nodal method. The time-dependent neutronic and TH models of the reactor core are coupled with a time-dependent steam generator model to simulate the impacts of power demand variation on the core inlet coolant temperature. A study on coupling a helical coil steam generator (HCSG) model with the core multi-physics is made in this researches. Variation of the feed water flow rate to the HCSG controls the amount of heat extracted from the primary loop to deliver the requested power demand for the PAFO and PLFO in the ATOM system, leading to core inlet coolant temperature and the core power follows the demand variation due to the strongly negative CTC. In addition, the predictor-corrector quasi-static method has been also implemented to reduce computing time of the 3-D transient analyses. It is concluded that the PAFO is well achievable with the conventional dead-bands of the coolant temperature and the axial shape index. We also confirm that a little wider temperature dead-band is required for a successful PLFO.
본 논문에서는 피동적 자율 주파수 제어 운전(PAFO)와 피동적 자율 부하추종운전(PLFO)이라는 무붕산 가압경수로(PWR)에 적용이 가능한 새로운 개념의 혁신 운전 전략을 소개한다. PAFO와 PLFO는 인위적인 반응도 제어 없이 오직 냉각수 및 핵연료 온도 변화에 따른 반응도 궤환효과 만으로 노심 출력이 자율적으로 조절되는 것을 목표로 한다. 본 연구는 ATOM이라 불리는 450 MWth 무붕산 소형 PWR을 대상으로 PAFO 및 PLFO의 타당성 연구를 진행하였다. 먼저 1점 노심모델에 기초한 단순화된 PWR 시스템 모델을 활용하여, 예비 타당성 연구를 수행하였다. 이후 3차원 다물리 과도해석 방법론을 개발하여 피동적 원자로 과도상태 동안 축방향 출력편차 지수와 3차원 첨두출력 인자의 변화를 평가하여 본 연구에서 제안하는 혁신적 운전 전략의 가능성을 분석하였다. 시간 의존적 열수력 모델은 노심의 모든 핵연료집합체를 고려하여 계산이 되었고, 노물리 계산은 전형적인 두 단계 방식으로 진행하였다. 계산에 필요한 군정수 및 과도 해석 변수들은 ENDF/B-VII7.1 단면적 라이브러리를 기반으로 3차원 몬테칼로 코드인 Serpent-2를 활용하여 생산하였다. 한편 3차원의 전노심 해를 얻기 위해서 노달 확장법 (Nodal Expansion Method) 및 준해석적 노달방법 (Semi-Analytic Nodal Method) 두 가지 옵션을 활용하였다. 또한 출력 부하에 따라서 냉각재 입구 온도의 변화를 정확히 파악하고 모사하기 위해서 증기 발생기 모델링을 포함한 다물리 분석 방법론을 개발하고 수행하였다. 여러 종류의 증기발생기 모델들을 고려하였는데, 그 중에서 나선코일 증기발생기(HCSG) 모델을 이용한 다물리 연구도 진행이 되었다. 출력 부하가 변하면 2차측 HCSG로 흘러 들어가는 급수의 유량을 조절하여 1차측에서 제거되는 열의 양을 조절할 수 있으며, 이로 인해 냉각수 입구 온도가 변하고 강한 음의 냉각수 온도 계수에 의해 출력이 변하게 된다. 과도 해석에서의 계산 시간을 줄이기 위해서 소위 PCQS (Predictor Corrector Quasi-Static) 방법을 적용하였다. 분석 결과 냉각재 온도와 축방향 출력 편차 지수가 통상의 불감대 영역에 충분히 들어오는 것을 통해 PAFO가 잘 작동하는 것을 확인할 수 있었고, 좀 더 넓은 냉각재 온도 불감대에 대해서는 PLFO도 잘 작동하는 것을 알 수 있었다.
