Design Optimization of Duplex Burnable Poison Rods and Feasibility Evaluation for Core Design

The duplex burnable poison absorbers concept was suggested by Korea Atomic Energy Research Institute. This BP rod is composed of inner region of natural U-Gd$_2$O$_3$ and outer shell of enriched UO$_2$-Er$_2$O$_3$. It is expected that this burnable absorber has same reactivity control capability with gadolinia burnable absorber used in extened fuel cycle. In order to evaluate the nuclear feasibility of duplex BPs, the nuclear design characteristics were compared with that of four types of burnable absorbers; gadolinia, erbia, IFBA, dysprosia duplex BP on 24 months fuel cycle for Korean Standard Nuclear Power plants. According to the evaluation results of nuclear characteristics, the duplex BPs were better than other BPs on k-infinitives, reactivity holddown worth (RHW), pin power peaking and moderator temperature coefficient (MTC). The possibility of nuclear core design was also confirmed based on the optimized fuel assemblies which were searched for a sensitivity analysis. Characteristics of core design with duplex BPs was compared with that of reference core with gadolinia BPs for cycle length, power peaking and MTC. The duplex BP core had a little longer cycle length by 4 to 7 days because of increased amount of fissile in enriched uranium at the outer shell of duplex BP In case of power peaking F$\_$Q/ of duplex BP core was reduced from 1.5773 to 1.5335. MTC was also less -0.48 pcm/C than that of reference core. Finally, evaluation of fuel cycle economy was performed for the manufacturing feasibility test and fuel cost evaluation with duplex BPs. Fuel cycle economy of duplex BP core almost was equivalent with that of gadolinia BP core.

이중구조 가연성독봉 설계안의 최적화 및 노심 핵설계 타당성 평가

한국원자력연구소에서는 기존의 일체형 가연성 독봉과 다른 이중구조로 된 가연성독봉 개념을 제시하였다. 이중구조 가연성독봉(Erbia Duplex BP)은 내부에 Natural U+Gd$_2$O$_3$, 외부에는 Enriched $UO_2$+Er$_2$O$_3$를 배열시킨 구조이다. 이러한 독봉은 장주기 노심에서 기존의 Gadolinia BP과 동일한 반응도제어를 할 수 있을 것이라 예상된다. 이중구조 가연성독봉의 핵적 타당성을 확인하기 위해 24개월 주기용 한국표준형원자로를 비교대상으로 선정하였으며, 기존 연구된 여러 가지 독봉설계안들과 4가지 핵특성에 대하여 비교 분석하였다. 핵특성 평가 결과, 이중구조가연성 독봉은 비교대상보다 무한증배계수, 첨두봉출력인자, 반응도억제가, 감속재온도계수측면에서 모두 유리한 경향을 보였다. 설계변수에 따른 민감도분석을 통해 도출한 최적화된 핵연료집합체를 이용하여 노심적용 타당성을 확인하였다. 주기길이, 첨두출력 및 감속재온도 계수를 비교하였으며 전 노심해석결과 주기길이가 비고대상보다 4-7일 길게 나타났다. 이러한 결과는 등가의 독봉집합체를 설계했음에도 불구하고 노심에 장전되는 우라늄의 양이 서로 달라서 생기는 현상으로 판단된다. 하지만 전체적인 핵특성을 비교해보면 이중구조 가연성독봉을 장전한 노심이 비교대상노심보다 다소 유리하면서도 거의 비슷함을 알 수 있었다. 마지막으로 경제성 평가를 통해 장주기 노심에서의 이중구조 가연성독봉의 제조 가능성 및 적용 타당성이 충분히 확인되었다.