유동핵연료 원자로에서의 공간-시간 노물리 거동 계산을 위한 AMBIKIN2D 코드 개발

Abstract

3차 석유파동이라고 일컬을 정도의 고유가 시대에 맞물려 탈석유에너지의 개발이 요구되고 있으나 신재생에너지의 경제성 및 핵융합에너지의 기술문제로 인해 현실적인 대안은 원자력이라는 시각이 우세하다. 원자력 역시 사용후핵연료 처분 및 대중수용성 문제를 안고 있어 대책으로 사용후핵연료 발생을 최소화하며 안전성이 매우 강화된 신형 원자로를 개발하는 노력이 진행중이다. 이러한 노력의 일환으로 개발중인 유동 핵연료를 사용하는 용융염 원자로는 사용후핵연료의 배출이 극히 적을뿐더러 기존의 사용후핵연료 처분도 가능하며 GEN IV 요건에 부합되는 것으로 이론적으로 가장 이상적인 원자로라 할 수 있겠다. 유동핵연료를 사용하는 원자로의 개발을 위한 과정중 원자로 안전해석에 중요한 역할을 하는 출력 및 중성자속의 시간에 따른 변화를 계산하기 위한 동특성 해석면에서 유동핵연료 시스템의 것은 핵연료 자체의 거동으로 인해 중성자 생성원인 핵연료가 고정된 기존의 원자로의 동특성 해석과는 다른 양상을 보인다. 즉, 핵연료의 움직임이 지발중성자 모핵종의 생성위치와 지발중성자 출현위치의 불일치 현상을 발생시키며 이러한 현상을 고려하여 출력과 중성자속 분포의 동특성 해석을 위한 중성자 거동 방정식과 핵연료 물질 거동 방정식의 복합적인 해석이 요구된다. 유도되어진 지배 방정식의 해법을 구하기 위한 전산코드의 개발이 요구되어지므로 본 연구에서는 AMBIKIN2D라 이름 지어진 유동핵연료의 거동에 따른 공간-시간 노물리적 2차원 2군 동특성 해석 코드를 개발하여 용융염 원자로 동특성 해석에 이용하는데 목적이 있다. AMBIKIN2D에 적용되는 지배 방정식은 핵연료 유동이 고려된 R-Z 방향의 2차원 2군 에너지 동특성 방정식과 천이상태가 매우 완만할 경우에 한에 적용 가능한 거시단면적 변화모델로 이루어져있다. 모델 계산을 위해 사용된 수치해석 방법은 유한차분법(FDM)을 시간 변화 계산을 위한 기본방식으로 사용하며 계산 시간 단축을 위해 Chebyshev 가속 기법과 SOR 방법을 사용하였다. 초기조건으로는 평형상태의 데이터가 이용되었으며 z-방향 유동과 재순환을 고려한 지발중성자 모핵종수의 경계조건 모델이 개발되어 적용되었다. 모델의 신뢰성 검증은 유일한 실험 자료인 MSRE 실험 데이터 결과와 유동핵연료 원자로를 위한 다양한 방정식 모델을 적용한 코드들의 계산 결과의 비교를 통해 수행되어졌다. 실험 내용은 핵연료 유속에 의한 효과 및 재유입 효과를 알기 위해 반응도 손실 및 지발중성자 모핵종수 분포 변화를 계산하였으며 동적 거동 해석을 위해 반응도 삽입에 따른 출력 변화 및 위상 지연에 대한 모사실험을 수행하였다. 핵연료 유속이 빠를수록 지발중성자 모핵송수의 손실이 증가하여 반응도 손실량이 커졌으며 지발중성자 모핵종수는 반감기가 긴 핵종군을 중심으로 감소량이 많아짐을 알 수 있었다. 재유입 효과는 노외 배출된 지발중성자 모핵종의 붕괴 후 잔량이 노내로 다시 들어오는 현상을 모사한 것으로 반응도 손실을 보상해주었으며 노외 거주 시간이 짧을수록 반응도 손실량을 줄어들었다. 재유입 시 지발중성자 모핵종이 노심 하부에 균일하게 분포하기 때문에 재유입에 의한 지발중성자 모핵종 수의 분포 변화에 붕괴상수가 작은 군을 중심으로 영향을 크게 미침을 알 수 있었다. 핵연료 유동과 재유입 현상을 고려하여 MSRE 모델을 모사한 결과 267pcm의 반응도 손실이 발생하였으며 비교 대상 코드와 실험 결과에는 50pcm 이내의 차이를 보였다. 핵적 특성이 상이한 이종 격자의 조합으로 이루어진 AMBIDEXTER-DUPIC 원자로의 해석 결과 용융염 원자로에 나타나는 핵연료 유속에 따른 지발중성자 모핵종 수의 변화 특징이 나타났으며 Pu 동위원소를 주요 핵분열성 물질로 사용함으로 인해 지발중성자 발생 분율이 약 865pcm으로 우라늄 핵연료에 비해 큼으로 지발중성자 모핵종 수의 노외배출에 의한 반응도 손실에도 불구하고 출력의 즉발 변화를 일으키는 데까지 상당히 큰 여유반응도를 가지고 있음을 알 수 있었다. AMBIKIN2D는 유동 핵연료 원자로 시스템에서의 공간적 상세 출력 및 중성자속 분포 뿐 아니라 지발중성자 모핵종 수 분포, 반응도 변화 등 다양한 방면의 계산이 가능한 코드이다. AMBIKIN2D 코드를 통해 고정 핵연료 원자로 시스템과 다른 특성을 갖는 유동 핵연료 원자로 시스템의 특성 분석 및 시간에 따른 동특성 변화를 계산이 가능하여 다양한 유동 핵연료 원자로 시스템의 안전성 분석에 활용이 가능할 것으로 기대된다. 특히 지발중성자속 분포 변화가 심한 유동핵연료 특성상 일점동특성 방정식의 정확성에 신뢰를 주기 힘들 때문에 2차원 코드인 AMBIKIN2D가 유용하게 사용될 것으로 판단된다.