가압경수로 (PWR), 비등수형 원자로 (BWR), 가압중수로 (PHWR)와 같은 상업용 원자로는 국내를 포함하여 많은 국가에 경제적이고 안정적으로 전력을 공급하고 있다. 그러나, 1% 이하의 우라늄 이용률과 많은 양의 사용후핵연료가 발생하는 한계가 존재한다. 반면 소듐냉각고속로 (SFR)는 고속 중성자 스펙트럼을 이용하여 초장주기운전 또는 사용후핵연료재순환을 사용시 우라늄 이용율을 경수로 대비 현저히 향상 가능하다. 이는 고속중성자의 경우 포획 대비 핵분열 비율이 높고 핵분열당 방출되는 중성자 수가 많기 때문이다. 특히 최근에는 TWR (Traveling Wave Reactor)과 같은 특정주기 이후에는 블랭킷연료 (감손우라늄 또는 천연우라늄) 만을 사용하고 핵연료배치수를 늘림으로써 매우 높은 연소도를 달성하여 우라늄이용율을 향상시키고 심층처분장으로 가는 사용후핵연료의 양을 현저히 줄일 수 있는 고속로에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. 하지만 이러한 노심들의 경우 노심의 중심영역 핵연료의 연소도가 매우 높기 때문에 발생하는 높은 첨두출력치 및 높은 양의 소듐냉각재 기화반응도에 따른 안전성에 문제가 발생할 수 있다.

본 논문은 비균질집합체 (구동연료와 블랭킷이 공존)를 통해 고유 안전성을 가지며 소듐냉각재 기화반응도가 거의 0에 가까운 초장주기 원자로의 새로운 개념을 제안하여 그 성능을 평가하였다.

SERPENT 몬테칼로 전산코드를 사용하여 비균질 전노심 수송 해석 및 비균질 핵연료 연소계산을 통해 노심설계 및 성능을 분석하였다. 초장주기 SFR 원자로는 내부, 중간, 외곽영역으로 구분되며 각 영역에 서로 다른 집합체가 장전된다. 표 1은 노심의 설계제원과 주요 성능평가 결과를 나타내고, 그림 1은 최종노심의 장전모형과 단면도를 나타낸다. 그림에서 보듯이 블랭킷과 구동연료로 구성되는 비균질핵연료집합체들의 경우 집합내 내부에는 블랭킷, 외곽에는 구동연료를 배치함으로써 임계유지를 원활하게 하였으며, 노심의 중앙과 중간영역에는 비균질집합체를 장전한 반면에 노심외곽영역에는 구동연료로만 장전된 균질집합체를 배치하여, 출력분포평탄화를 달성하고 초기 구동연료내에 우라늄농축도를 낮출 수 있도록 하였다. 구동핵연료 및 블랭킷핵연료는 모두 금속핵연료 (U-5Zr)를 사용하여 경화된 고속스펙트럼 달성을 통하여 높은 전환비와 노심의 안전성을 향상시키고자 하였다. 구동핵연료 내에 우라늄은 농축도 20% 미만의 저농축우라늄이 사용되었으며, 블랭킷핵연료 내에 우라늄은 감손우라늄 (Depleted Uranium (DU))이 사용되었다.

최종노심의 설계는 그림 1에서 보듯이 노심중심 및 외곽에 납 반사체를 배치하였으며, 외곽노심의 집합체내에 핵연료봉의 유효핵연료길이를 10 cm 증가시켜 효과적으로 초장주기 운전이 가능하도록 하였다. 또한, 노심외곽에 납반사체영역에는 SSFZ라는 개념의 비핵연료집합체를 배치하여 소듐냉각재기화계수를 낮출 수 있도록 하였다. SSFZ는 집합체덕트 외곽에 구멍을 만들어 노심냉각재가 SSFZ내로 흐를 수 있도록 함으로써 냉각재에 기포가 발생하거나 온도증가로 밀도가 감소하는 경우 중성자의 누설을 효과적으로 증가시켜 소듐냉각재기환반응도 및 냉각재온도반응도계수를 감소시킬 수 있도록 고안되었다. 표 1에서 보듯이 최종노심은 54년간 핵연료재장전 없이 운전가능하며, 이 기간동안 연소에 따른 반응도변화는 불과 618pcm으로 제어봉의 움직임을 매우 낮은 수준으로 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한 전체핵연료의 평균연소도는 123MWd/kg으로 매우 높게 평가되었다. 중요한 안전인자인 소듐냉각재기화계수의 경우 주기초에는 큰 음의 값을 가지며, 주기말의 경우에도 35pcm으로 거의 0의 값을 가지는 것으로 평가되었다. 특히 SSFZ를 이용하지 않은 경우에도 주기말에 600pcm정도로 매우 낮게 평가되었으며, 이로 인하여 냉각재온도반응도계수 또한 매우 낮게 평가되었다. 기타 반응도계수 (도플러계수, 핵연료의 축방향팽창에 의한 반응도계수, 노심지지구조의 반경방향팽창에 의한 반응도계수)들 또한 모두 음의 값을 가지게 되어 Quasi-static 반응도균형분석 결과 자체제어특성 (self-controllability)을 가지는 것으로 평가되었다. 그림 2에서와 같이 노심의 출력분포는 주기가 지날수록 노심 외각에서부터 안쪽으로 전파되는 것과 특히 집합체내에서도 이동하는 것을 확인할 수 있었고, 연료봉 단위 평균선출력밀도는 150 W/cm, 최대 선출력밀도는 200 W/cm 이내로 충분히 큰 열적여유도를 가지는 것으로 평가되었다.

본 연구에서는 고유안전성 및 54년의 주기길이를 가지는 초장주기 소듐냉각 고속로에 대한 노심설계안을 개발하였다. 핵연료의 재장전 필요없이 54년간 운전함으로써 고연소도 달성이 가능하며 연소에 따른 반응도변화를 1$ 수준으로 낮춤으로써 운전기간동안 제어봉의 움직임을 최소로 할 수 있음을 보였다. 특히, 핵연료 상단에 소듐 플래넘 영역을 확장하고 SSFZ 개념을 도입하여 소듐냉각재가 기화되었을 때 거의 0의 반응도를 가질 수 있도록 하여 노심의 고유안전성을 항샹시켰다. 또한 비균질핵연료집합체를 사용하여 운전기간 동안 노심영역을 통한 출력분포의 변화를 줄였으며, 출력평탄화를 통하여 충분히 낮은 첨두출력을 가짐을 확인하였다.