표제지
제출문
신형원자로 기술 개발 과제 구성표
요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 서론 42
제2장 해외 노심 연구 기술 현황 분석 46
2.1. 무붕산 원자로 기술 46
2.1.1. 무붕산 노심의 장·단점 46
2.1.2. ABB-CE의 무붕산 원자로 개발 48
2.2. 고전환 노심 기술현황 52
2.2.1. 독일과 스위스의 PWR-C1 52
2.2.2. B&W의 조밀 격자 노심 설계 53
2.2.3. 미쓰비시(Mitsubishi)의 준조밀 고전환로 54
2.2.4. 일본원자력연구소의 Pancake-Type 고전환로 56
2.3. SSCR(Spectral Shift Contol Reactor) 57
2.3.1. MIT BMB 원자로 57
2.3.2. 미시간(Michigan) 대학의 SESSR 58
2.3.3. RCVS(Convertible Spectral Shift Reactor) 59
2.4. 기타 신개념 원자로 노심연구 현황 60
2.4.1. High Gain LWR Breeder with U-Pu Cycle 61
2.4.2. Supercritical Pressure Light Water Reactor(SCLWR) 63
2.4.3. VVER 65
2.5. 요약 67
참고문헌 70
제3장 육방형 노심분석 방법론 연구 74
3.1. 육방형 노심 분석 방법론 개발 74
3.1.1. 육방형 노심 분석을 위한 2군 해석함수전개 노달 방법 74
3.1.2. 해석함수전개 노달법의 다군확장 90
3.1.3. 결론 107
3.2. 반사체 군정수 생산방법론 개발 109
3.2.1. 3차원 정방형 노심에서의 접촉면행렬 해석함수 전개법(Interface Matrix AFEN for 3D rectangular geometry) 109
3.2.2. L-반사체 균질화를 위한 2차원 반사체 응답행렬 보존법 127
3.2.3. 육방형노심에서의 반사체 균질화 139
참고문헌 149
제4장 비정방형 노심 핵특성 분석체계 154
4.1. 서론 154
4.2. 비정방형 집합체 분석코드 154
4.2.1. 비정방형 집합체 분석코드, HELIOS 154
4.2.2. HELIOS 코드의 검증 158
4.2.4. HELIOS 코드를 이용한 군정수 생산 168
4.3. 비정방형 노심 해석 전산체계 개발 172
4.3.1. 육방형노심 해석 방법 174
4.3.2. 수치해석 결과 및 분석 174
4.3.3. HEXFEM 코드의 개발 186
4.3.4. HEXFEM 코드의 검증 195
참고문헌 206
제5장 비정방형 노심 열수력장 분석 기술 개발 210
5.1. 서론 210
5.2. 부수로해석 코드 기술 개발 211
5.3. 임계열속 해석 기술 개발 214
5.3.1. 임계열속 실험 자료 수집 214
5.3.2. 입구조건 개념 임계열속 예측 모형 평가 214
5.3.3. 국부조건 개념 임계열속 상관식 개발 227
5.4. 비정방형 노심 열적 여유도 평가 236
5.4.1. 핵연료 기하 형태 최적화 236
5.4.2. 열적 여유도 평가 238
5.5. 결론 및 향후 연구 방향 240
참고 문헌 242
제6장 중소형 신형원자로 노심 개념 연구 248
6.1. 신형원자로 설계방향 및 요건 248
6.2. 신형원자로용 핵연료집합체 설계 250
6.2.1. 핵연료집합체 설계개념 250
6.2.2. 육방형 핵연료집합체 설계 252
6.2.3. 가연성 독봉 집합체 설계 257
6.3. 군정수 생산 267
6.3.1. 핵연료집합체 군정수 생산 267
6.3.2. 반사체 군정수 생산 방법 설명 268
6.4. 600MWe급 신형원자로 초기 노심 설계 272
6.4.1. 설계변수 272
6.4.2. 다주기 분석 274
6.4.3. 초기 노심 장전모형 277
6.4.4. 신형원자로 제어봉 설계 279
6.4.5. 축방향 출력분포 조절 284
6.4.6. 신형원자로 초기 노심 286
6.5. 결론 및 문체점 290
참고문헌 292
제7장 무붕산 노심 기술 개발 294
7.1. 연구 배경 294
7.2. 붕산 노심설계 295
7.2.1. 설계 제한 조건 및 설계 목표 295
7.2.2. 핵특성 분석 전산 체계 297
7.2.3. 기본 설계변수 연구 297
7.2.4. 축방향 가연성독봉 구성방법에 따른 핵특성 분석 299
7.2.5. 핵설계안의 핵적 안전성 검토 305
7.2.6. ONED94 Data Deck 생산 307
7.3. 무붕산 노심의 출력제어 기법 개발 310
7.3.1. 무붕산 노심의 출력제어 논리 310
7.3.2. 일일 부하추종운전 중의 무붕산 노심 거동 314
7.3.3. 냉각재 평균온도 제어 317
7.3.4. 출력제어에 대한 결론 317
7.4. 무붕산 출력제어운전의 안전성 검토 318
7.4.1. 개요 318
7.4.2. 방법론 319
7.4.3. 분석결과 321
7.4.4. 무붕산노심 안전성 검토에 대한 결론 323
7.5. 결론 323
참고문헌 327
제8장 1,000MWe급 피동형 가압경수로 노심 개념설계 328
8.1. 연구배경 및 설계 요건 328
8.1.1. 연구배경 328
8.1.2. 설계 기준 및 요건 329
8.2. 노심 열수력 분석과 초기노심 설계 332
8.2.1. 노심 열수력 분석 332
8.2.2. 초기노심 설계 339
8.3. 평형노심 설계 348
8.3.1. 다주기 분석 348
8.3.2. 평형노심 설계 349
8.4. 초기노심 및 평형노심 핵특성 분석 352
8.4.1. 분석 절차 및 방법론 352
8.4.2. 초기노심 및 평형노심 핵특성 분석 353
8.5. 부하추종운전 연구 362
8.5.1. 연구내용 362
8.5.2. 노심 거동 분석 363
8.6. 결과 요약 및 결론 367
참고문헌 371
제9장 연구결과 요약 및 향후 활용계획 374
서지정보양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 378
표 2.5.1. 해외 신형원자로 노심기술 개발 현황 68
표 3.1.1. 노심 구조 I,II의 세포별 단면적 86
표 3.2.1. 반복계산법에 의한 응답행렬의 계산 132
표 3.2.2. 반복계산법에 의한 핵단면적의 계산 132
표 3.2.3. 육각형노심에 대한 핵단면적 141
표 4.2.1. HELIOS특성 분석 156
표 4.2.2. TRX 및 BAPL 임계실험 HELIOS 검증 결과 160
표 4.2.3. Strawbridge and Barry 계산 결과 161
표 4.2.4. 독봉집합체 분석내용 비교 168
표 4.3.1. HEXFEM코드의 계산 능력 요약 173
표 4.3.2. 2차원 VVER-1000 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 176
표 4.3.3. 2차원 VVER-440 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 177
표 4.3.4. 반사체가 제거된 2차원 IAEA 벤치마크 문제의 계산 결과 비교 177
표 4.3.5. 반사체가 포함된 2차원 IAEA 벤치마크 문제의 결과 비교 178
표 4.3.6. 2차원 대형 중수로 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 178
표 4.3.7. (가) 2차원 소형 개스냉각로 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 179
표 4.3.7. (나) 2차원 소형 개스냉각로 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 179
표 4.3.8. 3차원 VVER 1000 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 181
표 4.3.9. 3차원 VVER 440 벤치마크 문제의 수치계산 결과 비교 182
표 4.3.10. 3차원 SNR 벤치마크 문제의 keff와 영역 평균 중성자속 오차[이미지참조] 183
표 4.3.11. 임계 붕산 농도 비교 197
표 4.3.12. 집합체별 상대출력 오차 197
표 4.3.13. 핵연료가 낙하된 위치에서의 중성자속 및 오차(t=0 sec) 202
표 4.3.14. 핵연료가 낙하된 위치의 중성자속 및 오차(t=3 sec) 202
표 4.3.15. 집합체 위치별 중성자속 분포 및 오차(t=0 sec) 204
표 4.3.16. 집합체 위치별 중성자속 분포 및 오차(t=3 sec) 205
표 5.3.1. 비정방형 집합체 임계열속 실험자료 수집 현황 215
표 5.3.2. 비정방형 집합체 임계열속 예측 모형 수집 현황 216
표 5.3.3. 평가 대상 실험집합체 특성 자료 217
표 5.3.4. 이론적 모형 특성 비교 220
표 5.3.5. 입구조건 개념 임계열속 예측 모형의 성능 평가 222
표 5.3.6. KfK-3 상관식 형태 228
표 5.3.7. 비정방형 집합체에 대한 국부조건 임계열속 실험자료 형태 231
표 5.3.8. EPRI-HEXA 상관식 형태 및 적용 범위 232
표 5.4.1. 열적 여유도 평가를 위한 노심 설계 자료 238
표 6.2.1. 핵연료봉간 거리 254
표 6.2.2. 육방형 핵연료집합체 내의 wire wrap 반지름 255
표 6.2.3. 육방형 핵연료집합체 내의 봉수 255
표 6.2.4. 육방형 핵연료집합체 종류별 체적비 256
표 6.2.5. 독봉당 주기초 반응도억제가 및 감속재온도계수 비교 259
표 6.2.6. 일체형 독봉에 대한 육방형핵연료집합체에서의 민감도분석 결과 260
표 6.3.1. 신형자로 노심 설계를 위해 선정된 상태변수 268
표 6.3.2. 육방형 노심의 반사체 군정수 비교 271
표 6.4.1. 600MWe급 신형원자로 초기노심 제원 273
표 6.4.2. FLOSA 코드로 분석한 주기길이별 노심특성 요약 275
표 6.4.3. 18개월 주기 신형원자로 다주기 분석 277
표 6.4.4. 제어봉 후보 물질의 특성 비교 280
표 6.4.5. 600MWe급 신형원자로 반응도 평형관계 289
표 7.2.1. 정지여유도 계산 결과 306
표 8.2.1. 용량격상 노심 열수력 설계변수 예비평가 334
표 8.2.2. 1,000MWe급 피동형 원자로 초기노심 제원 340
표 8.3.1. 1,000MWe급 피동형 원자로 노심에 대한 다주기분석 결과 349
표 8.4.1. 1,000MWe급 피동형 원자로 각 주기별 연소계산 결과 354
표 8.4.2. 1,000MWe급 피동형 원자로 노심의 배치별 평균 방출연소도 354
표 8.4.3. 평형노심 수용성 붕소농도 요구조건(ppm) 357
표 8.4.4. 평형노심 영출력에서의 개별 제어봉가(pcm) 358
표 8.4.5. 1,000MWe급 피동형 원자로 평형노심 운전정지 여유도(%△ρ) 359
표 8.4.6. 1,000MWe급 피동형 원자로 평형노심 반응도 계수들 361
그림 3.1.1. 노드 n의 좌표계 81
그림 3.1.2. 노드간 연관방정식 유도를 위한 노드 배열 82
그림 3.1.3. 육각형 핵연료집합체와 노심구조 I, II 85
그림 3.1.4. 노심 구조 I의 결과 88
그림 3.1.5. 노심구조 II의 결과 89
그림 3.1.6. 노심구조 I의 AFEN, AFEN/PEN, PEN의 계산 결과 비교 106
그림 3.1.7. VVER-1000노심의 PEN, AFEN/PEN 계산 결과 비교 107
그림 3.2.1. u-방향으로 인접한 두 노드에서의 중성자속항 112
그림 3.2.2. 면평균중성자류와 중성자속항들사이의 상관계수 112
그림 3.2.3. 한 점을 둘러싼 4개 노드 표기법 118
그림 3.2.4. u-v 좌표계에서의 중성자속항 120
그림 3.2.5. 중성자 누설균형식에서의 각 중성자속항 및 상관 계수 120
그림 3.2.6. 한 점을 둘러싼 4개노드에서의 불연속인자 122
그림 3.2.7. ZION-1 벤치마크 문제에서의 상대출력오차 124
그림 3.2.8. 접촉면행렬을 이용한 해석함수전개 노달법의 출력오차 124
그림 3.2.9. 접촉면행렬을 이용한 해석함수전개 노달법의 열중성자속 오차 125
그림 3.2.10. 접촉면행렬을 이용한 해석함수전개 노달법의 속중성자속 오차 125
그림 3.2.11. 기존 균질화 방법을 이용한 해석함수전개 노달법의 출력 오차 126
그림 3.2.12. 기존 균질화 방법에 의한 해석함수전개 노달법의 열중성자속... 126
그림 3.2.13. 기존 균질화 방법에 의한 해석함수전개 노달법의 속중성자속... 127
그림 3.2.14. 응답행렬계산을 위한 경계조건 132
그림 3.2.15. ZION-1 벤치마크 문제에 대한 상대출력 오차 137
그림 3.2.16. ZION-1 벤치마크 문제에 대한 상대출력 오차 138
그림 3.2.17. AFEN, 상대출력오차 140
그림 3.2.18. AFEN, 속중성자속 오차 140
그림 3.2.19. AFEN, 열중성자속 오차 139
그림 3.2.20. 육각형 노심 구조 141
그림 3.2.21. 출력분포의 상대적 변화 (PA-PB)/PA*100%[이미지참조] 142
그림 3.2.22. shroud 모양의 변화에 따른 상대출력오차 143
그림 3.2.23. 중성자속 가중평균 반사체 핵단면적을 사용한 경우의... 143
그림 3.2.24. 등가 shroud 두께를 계산하기 위한 Small core geometry 147
그림 3.2.25. 2차원 균질반사체 계산을 위한 Small core geometry 147
그림 3.2.26. 등가 shroud 두께 개념을 사용한 경우의 출력오차 148
그림 4.2.1. 일반적인 HELIOS코드 입출력 흐름도 155
그림 4.2.2. TRX 및 BAPL 분석을 위한 기하하적 모델링 159
그림 4.2.3. 무독봉집합체 분석을 위한 HELIOS 모델링 163
그림 4.2.4. 무독봉집합체 무한증배계수 예측능력 비교 165
그림 4.2.5. 무독봉집합체 감속제 온도계수 예측능력 비교 165
그림 4.2.6. 무독봉집합체 출력분포 비교 166
그림 4.2.7. 영광 2호기 1주기 임계붕산농도 예측능력 비교 171
그림 4.2.8. 영광 2호기 1주기 출력분포 비교 171
그림 4.3.1. Sm¹⁴⁹ 수밀도를 계산하기 위한 핵분열 생성물 붕괴 모형 188
그림 4.3.2. Xe¹³⁵의 수밀도를 계산하기 위한 핵분열 생성물 붕괴 모형 189
그림 4.3.3. HEXFEM 코드의 정상상태 노심 계산과정 193
그림 4.3.4. HEXFEM 코드의 임계조건 탐색 계산 과정 193
그림 4.3.5. HEXFEM 코드의 노심 연소 계산 과정 194
그림 4.3.6. VVER-1000 1주기 및 2주기 장전모형 196
그림 4.3.7. 2차원 대형 중수로 노심 200
그림 4.3.8. 대형 중수로의 시간에 따른 노심상대출력 변화 201
그림 5.2.1. 비정방형 집합체 부수로 해석 코드의 주요 개선 항목 213
그림 5.3.1. 평가 대상 임계열속 실험 집합체 형태 218
그림 5.3.2. 비정방형 집합체에 대한 Bowring 상관식의 임계열속 예측 성능 223
그림 5.3.3. 비정방형 집합체에 대한 KfK-3 상관식의 임계열속 예측 성능 223
그림 5.3.4. 비정방형 집합체에 대한 PI-3P 상관식의 임계열속 예측 성능 224
그림 5.3.5. 비정방형 집합체에 대한 EPRI-1 상관식 임계열속 예측성능 224
그림 5.3.6. 비정방형 집합체에 대한 Katt 이론적 모델 임계열속 예측 성능 225
그림 5.3.7. 비정방형 집합체에 대한 Lee-Mudawar 이론적 모델의 임계열속... 225
그림 5.3.8. 비정방형 집합체에 대한 Lin 이론적 모델 임계열속 예측성능 226
그림 5.3.9. 비정방형 집합체에 대한 Weisman-Pei 이론적 모델 임계열속... 226
그림 5.3.10. KfK-3 상관식의 P/M 돗수 분포 형태 229
그림 5.3.11. 임계열속 상관식 개발 절차 230
그림 5.3.12. 비정방형 실험집합체에 대한 EPRI-1 상관식 임계열속 예측... 233
그림 5.3.13. 비정방형 실험 집합체에 대한 EPRI-HEXA 상관식의 임계열속... 233
그림 5.3.14. EPRI-HEXA 상관식 P/M의 parametric trend 235
그림 5.3.15. EPRI-HEXA 상관식의 P/M 돗수 분포 형태 236
그림 5.4.1. 비정방형 핵연료 집합체 기하형태 최적화 분석 결과 237
그림 5.4.2. 비정방형 집합체 노심의 열적 여유도 비교 239
그림 6.2.1. 감속재 비에 대한 무한증배계수 비교 251
그림 6.2.2. NS12 육방형 핵연료집합체 254
그림 6.2.3. 육방형 핵연료집합체와 KOFA의 무한증배계수 비교 256
그림 6.2.4. 육방형 핵연료집합체와 KOFA의 감속재 온도 계수 비교 257
그림 6.2.5. 독물질별 주기초 반응도억제가와 감속재 온도계수 관계 261
그림 6.2.6. 주기초 등가 반응도억제가에 대한 독물질별 반응도억제가변화 263
그림 6.2.7. 최적독봉집합체(a=60, b=120, c=186, d=246, e=300) 265
그림 6.3.1. 육방형핵연료집합체가 장전된 노심의 개략도 269
그림 6.3.2. 육방형 핵연료집합체가 장전된 노심의 반사체 종류 269
그림 6.3.3. 육방형 노심 반산체 계산을 위한 HELIOS 계산 모형 270
그림 6.3.4. 반사체 군정수별 출력분포 비교 271
그림 6.4.1. 600MWe급 신형원자로 초기 노심 장전모형 278
그림 6.4.2. 신형원자로의 제어봉 배치도 280
그림 6.4.3. Bank별 Control Function 283
그림 6.4.4. c에 따른 음의 반응도 삽입량 283
그림 6.4.5. 축방향 출력조절을 위한 축방향 농축도 및 가연성독봉 량 변화 285
그림 6.4.6. 600MWe급 신형원자로 초기 노심 가연성독봉 배치도 286
그림 6.4.7. 600MWe급 신형원자로 초기노심 출력분포 287
그림 6.4.8. 임계상태 제어봉 위치 288
그림 7.2.1. BP number zoning 302
그림 7.2.2. 혼합형 축방향 가연성독봉 구성안 303
그림 7.2.3. 혼합형 가연성독봉 구성안에 대한 Axial Offset 304
그림 7.2.4. 흔합형 가연성독봉 구성안에 대한 첨두출력계수 304
그림 7.2.5. 부하추종운전 및 shutdown을 위한 제어봉 위치 306
그림 7.3.1. Stage Flag 상황별 제어군 동작 논리 312
그림 7.3.2. 노심 상태별 Stage Flag 전환 개념도 313
그림 7.3.3. 일이부하추종운전형태 314
그림 7.3.4. 무붕산 노심의 부하추종운전 중 노심 거동(BOC) 315
그림 7.3.5. 무붕산 노심의 부하추종운전 중 노심 거동(EOC) 316
그림 8.2.1. 1,000MWe급 피동형 원자로 운전허용영역 338
그림 8.2.2. 1,000MWe급 피동형 원자로 초기노심 핵연료 장전모형 343
그림 8.2.3. 초기노심 장전 핵연료집합체내 가연성 독봉 배열 345
그림 8.2.4. 1,000MWe급 피동형 원자로 초기노심 가연성독봉 장전모형 346
그림 8.2.5. 1,000MWe급 피동형 원자로 초기노심 제어집합체군 배열모형 347
그림 8.3.1. 천이주기 및 평형주기 노심 핵연료집합체내 가연성 독봉배열 350
그림 8.3.2. 1,000MWe급 피동형 원자로 평형노심 핵연료 장전모형 351
그림 8.4.1. 1,000MWe급 피동형 원자로 초기노심 출력분포... 355
그림 8.4.2. 1,000MWe급 피동형 원자로 평형노심 출력분포... 356
그림 8.5.1. 일일부하추종운전중 노심 거동(Mode K) 365
그림 8.5.2. RAOC 운전 허용 범위 366