This dissertation pursues a novel re-optimization of fuel assembly (FA) and new innovative burnable absorber (BA) designs to design a high-performance soluble-boron-free SMR (small modular reactor), named ATOM (Autonomous transportable on-demand reactor module). A new truly optimized PWR (TOP) lattice concept has been proposed to maximize the neutron economy while providing improved safety parameters for an SBF FA design. For an SBF SMR, the 3D CSBA (Centrally-Shielded BA) technology is detailed and another innovative 3D BA called DiBA (Disk-type BA) is proposed in this study. Both CSBA and DiBA designs are characterized in terms of material, spatial self-shielding effect, and thermos-mechanical properties. Various CSBA and DiBA loading strategies are investigated to achieve SBF operation of a high-performance ATOM core adopting both the conventional and TOP FA designs. A single-batch SBF ATOM core has been designed using the CSBA or DiBA based on the conventional FA concept. In addition, a low-leakage two-batch fuel management is optimized for a TOP-based SBF ATOM core. In the two-batch ATOM core, both CSBA and DiBA are combined together to achieve a very small reactivity swing, which is < 1,000 pcm. It is shown that the small excess reactivity can be well controlled by mechanical shim rods with just marginal increase in the local power peaking. The current work also proposes a simple pseudo checker-board control rod pattern which enables a cold-zero shutdown of the SBF ATOM core.
본 학위논문은 ATOM (Autonomous transportable on-demand reactor module)이라 이름 붙여진 고성능 무붕산 소형 모듈형 원자로의 설계를 위하여 제시된 핵연료 집합체의 새로운 최적화 및 혁신적인 가연성 흡수체 디자인에 관한 연구를 소개한다. 새롭게 제시된 TOP (truly optimized PWR) 핵연료 격자 개념은 중성사 경제성을 최대화로 끌어올리고 무붕산 운전시의 안전계수들을 향상시키는 주요한 결과를 도출하였다. 더불어, 소형 모듈형 원자로의 무붕산 운전을 위하여 핵연료 내부에 3차원 구조의 가연성 흡수체가 배치된 CSBA (Centrally-Shielded BA) 및 DiBA (Disk-type BA) 개념이 제시되었다. 위의 두 가지 가연성 흡수체를 포함한 핵연료 개념은 특별히 재료적관점과 자기차폐 및 열적-기계적 관점에서 분석이 수행되었다. 이를 바탕으로, 가연성 흡수체 배치 전략이 제시되어 ATOM 원자로의 무붕산 운전 전략을 검토하였으며 기존의 핵연료 집합체와 비교하여 그 성능을 제시하였다. CSBA 및 DiBA 핵연료를 혼합 배치하여 1배치 및 2배치 핵연료 장전이 적용된 무붕산 ATOM 원자로를 설계하였으며, 특별히 2배치 설계에서는 전출력 운전 중 반응도 스윙 (reactivity swing)이 1000 pcm 미만으로 억제됨을 확인하였다. 이러한 적은 양의 잉여반응도의 제어를 위하여 출력 분포의 큰 왜곡 없이 하프늄 코팅의 스테인리스강 중성자 흡수봉을 수용성 붕산에 대한 임계 제어 대체재로서의 사용 역시 고안되었다 마지막으로, 본 연구는 간단한 체커보드 형태와 비슷한 제어봉 패턴을 제시하여 무붕산 ATOM 원자로의 저온 영출력 운전정지를 가능케 하였다.
