NET 논문 소개
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● 제목 : Optimization of spent fuel reduction and reactivity control using LEU+ fuel and hybrid burnable absorbers in innovative small modular reactors
● 저자 : Jinsun Kim(KEPCO E&C/KINGS), Se Yeon Hwang(KINGS), Tae Sik Jung(KEPCO E&C), Jooil Yoon(KINGS)
- □ 최근 전 세계적으로 탄소중립 달성과 안정적인 전력 공급을 동시에 만족할 수 있는 차세대 에너지원으로 소형모듈원자로(SMR)에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 특히 한국이 개발 중인 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)는 높은 안전성과 경제성을 동시에 확보하기 위해 다양한 설계 혁신이 적용된 차세대 원자로 개념이다
- □ 기존의 가압경수로(PWR)는 냉각재에 용해된 붕산(Soluble Boron)을 이용하여 노심 반응도를 제어한다. 그러나 이러한 화학적 반응도 제어 방식은 화학제어계통의 복잡성 증가, 부식 가능성, 운전 관리 부담 등 여러 한계를 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로, i-SMR에서는 냉각재 내 붕산을 사용하지 않는 boron-free 노심 설계를 핵심 설계 개념으로 제시하고 있다.
- □ 하지만 boron-free 노심에서는 냉각재에 의한 반응도 제어가 불가능하기 때문에 초기 잉여 반응도(excess reactivity)를 효과적으로 제어하는 것이 핵심적인 설계 과제로 남게 된다. 또한 SMR의 경우 대형 원전에 비해 상대적으로 낮은 방출 연소도(discharge burnup)를 가지는 경우가 많아 장기적으로 사용후핵연료 발생량 증가라는 문제가 지적되고 있다.
- □ 본 논문에서는 이러한 문제를 동시에 해결하기 위해 고농축 저농축우라늄 연료인 LEU+ 연료와 하이브리드 가연성 흡수봉(Hybrid Burnable Absorbers)을 결합한 새로운 i-SMR 노심 설계 전략을 제안하였다.
- □ 본 연구에서는 기존 5 wt% 이하의 농축도 대신 약 7 wt% 수준의 LEU+ 연료를 적용하여 노심의 평균 방출 연소도를 크게 향상시키는 설계를 수행하였다. LEU+ 연료를 사용하면 연료 주기가 길어지고 연료 교체 횟수가 감소하여 장기적으로 사용후핵연료 발생량을 줄일 수 있다. 그러나 농축도가 증가하면 초기 과잉 반응도가 크게 증가하므로 이를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 가연성 흡수봉 설계가 필요하다.
2.Erbia 기반 장기 반응도 제어
3.HIGA–Erbia 하이브리드 가연성 흡수봉 설계
5.연구 결과
□ 노심 안전성 측면에서도 모든 주요 반응도 계수가 안정적인 특성을 보였다. 특히 연소 과정 전반에 걸쳐 연료온도계수(FTC), 감속재온도계수(MTC), 그리고 통합온도계수(ITC)가 모두 음의 값을 유지하는 것으로 나타났으며, 이는 노심의 고유 안전성이 충분히 확보됨을 의미한다. 이러한 결과는 논문 Table 4에서 제시된 온도계수 분석 결과와 일관된 경향을 보이며, Table 6에 정리된 연소도 및 우라늄 이용 효율 분석 결과에서도 LEU+ 기반 설계가 기존 SMR 설계 대비 연료 활용도 측면에서 뚜렷한 개선 효과를 제공함을 확인할 수 있다.
- □ 본 연구는 무붕산 노심을 목표로 하는 i-SMR에서 LEU+ 연료와 Hybrid 가연성 흡수봉을 적용하여 안정적인 노심 설계가 가능함을 보였다. 또한 Monte Carlo 기반 lattice 계산과 pin-by-pin 노심 계산을 결합한 해석을 통해 제안된 노심 설계의 기술적 타당성을 확인하였다.
- □ 이러한 결과는 향후 i-SMR의 장주기 운전과 사용후핵연료 발생량 저감을 동시에 달성할 수 있는 노심 설계 방향을 제시한다는 점에서 의미를 가진다.
