KR20090100505A - A two dimentional kinetics code for fluid fuel reactors and the method of simulation using it - Google Patents

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KR20090100505A
KR20090100505A KR1020080025715A KR20080025715A KR20090100505A KR 20090100505 A KR20090100505 A KR 20090100505A KR 1020080025715 A KR1020080025715 A KR 1020080025715A KR 20080025715 A KR20080025715 A KR 20080025715A KR 20090100505 A KR20090100505 A KR 20090100505A
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오세기
이영준
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Abstract

PURPOSE: A two dimensional kinetic code for analyzing a neutron conduct at a fluid fuel reactor, and a simulation method using the same are provided to calculate realistic value in analyzing a kinetic property of a molten salt reactor. CONSTITUTION: A conduct of neutron and a nuclear fuel is analyzed at a fluid fuel reactor by calculating value of a time-dependent group 2 neutron diffusion equation considering a flow rate of a z-axial. A pseudo-nuclide approximate equation is included in order to consider a radioactive nuclide concentration change due to removal of a nuclear fuel material and a generation material dissolved from the nuclear fuel material.

Description

유동핵연료 원자로에서의 중성자 거동을 해석하기 위한 2차원 동특성 코드 및 이를 이용한 공정모사 방법{A two dimentional kinetics code for fluid fuel reactors and the method of simulation using it}A two dimentional kinetics code for fluid fuel reactors and the method of simulation using it}

본 발명은 용융염 원자로에서 핵연료 및 중성자 거동의 공간 종속성을 평가하고 그 동특성을 해석하기 위한 신규한 2군, 2차원 코드 및 이를 이용한 원자로 내의 안정성 관련 공정 모사방법에 관한 것으로, 비상상태나 이상상태에서의 원자로시스템의 안전성 분석을 위한 원자로심에서의 중성자 밀도 및 출력의 시간 종속적 거동을 해석하는 이론을 연구하는 분야 즉, 중성자 동특성 방정식과 관련된 기술분야에 해당된다.The present invention relates to a novel two-group, two-dimensional code, and stability-related process simulation method for evaluating the spatial dependence of nuclear fuel and neutron behavior in a molten salt reactor and analyzing its dynamics. This is the field of research on the theory of neutron density and power-dependent time-dependent behavior of reactor cores for the safety analysis of reactor systems.

특히 본 발명은 용융염원자력 시스템에서 적용 가능한 2차원 동특성 방정식 및 이를 이용한 원자로의 안전성 분석 방법과 관련된다.In particular, the present invention relates to a two-dimensional dynamic equation that can be applied in a molten salt nuclear power system and a method for analyzing safety of a reactor using the same.

원자력 발전은 세계 전력 생산의 1/6을 담당하고 있으며 지구 온난화의 주범인 CO2의 생성이 거의 없을뿐더러 생활수준의 향상과 인구 증가로 인한 급격한 전력수요 증가에 대응할 수 있는 가장 현실적인 에너지원이다. 이러한 점에도 불구하고 원자력 기술 자체가 갖는 정서적인 취약성과 과도한 초기비용이 요구하는 경제적 원인 및 폐기물, 핵확산성과 같은 여러 가지 사회적 문제로 인해 원자력의 미래를 낙관적으로만 보기는 어렵다. 이러한 불확실한 환경을 극복하고 장기적인 비젼을 제시하기 위해 전 세계적으로 많은 노력을 기울이고 있는데 미래 핵연료주기와 혁신형 원자로시스템 개발이 핵심과제이다. 용융염 핵연료원자로는 높은 핵확산저항성, 고준위방사성폐기물 생산의 최소화 등 원자력에너지시스템으로서 이상적인 장점을 가지고 있어 1960년대 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 그 개념이 제안된 이후 세계적으로 꾸준히 관심의 대상이 되어왔다. ORNL에서 개발한 용융염원자력 시스템 코드는 고체 핵연료를 사용하는 기존 상용로에서 적용되는 1군 1점 중성자 동특성 방정식에 대하여 지발중성자 모핵종수밀도 변화 및 반응도 손실 등 핵연료 유동특성을 고려하여 용융염원자로 고유의 동특성을 모사해석할 수 있었다. 그러나 핵연료가 움직이는 용융염원자로 특성상 위치에 따른 출력분포 변화를 고려해야 하고, 특히 혁신형원자로의 성능요건을 만족하도록 아열(epi-thermal)중성자 스펙트럼 영역을 포함하는 다영역 노심을 구성해야할 경우, 다군 다차원 동특성 해석이 필수적으로 수행되어야 한다. Nuclear power is responsible for one-sixth of the world's electricity generation and CO, the main culprit of global warming.2It is the most realistic energy source capable of coping with the sudden increase in power demand due to the improvement of living standard and the increase of population. Despite these facts, it is difficult to be optimistic about the future of nuclear energy due to the emotional weaknesses of nuclear technology itself, the economic causes of excessive initial costs, and various social problems such as waste and proliferation. Much effort is being made globally to overcome this uncertain environment and provide a long-term vision. Future fuel cycles and the development of innovative reactor systems are key tasks. Molten salt nuclear fuel reactor has the ideal advantages as a nuclear energy system such as high proliferation resistance and minimization of high level radioactive waste production. Since the concept was proposed in the ORNL (Oak Ridge National Laboratory) in the 1960s, come. The Molten Salt Nuclear System Code developed by ORNL is unique to molten salt reactors considering the fuel flow characteristics such as the change of delayed neutron seed species density and reactivity loss with respect to the one-point one-point neutron dynamic equations applied in the existing commercial reactors using solid fuel. The dynamic characteristics of can be simulated. However, due to the nature of the molten salt reactor in which the nuclear fuel moves, the variation of the power distribution according to the position must be taken into account, and in particular, when a multi-zone core including an epi-thermal neutron spectral region is constructed to satisfy the performance requirements of the innovative reactor, multi-group multi-dimensional Dynamic analysis must be performed.

용융염원자력시스템에 관한 연구에서 중요한 부분은 사고 및 이상상태 발생시에 시스템의 안정성을 분석하기 위한 핵?열수력학적 동적거동을 모사해석 해야 한다는 점이다. 그러나 기존의 고체핵연료를 사용하는 원자로의 경우 핵연료가 장전된 후 꺼낼 때까지 동일한 위치에서 핵?열반응을 일으키는 것에 비해 유동핵연료를 사용하는 용융염원자로는 핵연료의 이동으로 인해 위치별 물성이 달라진다. 그 러므로 특정위치에 배열된 핵물질 구조계에 중성자가 이동하면서 반응하는 것을 가정한 고전적인 중성자 수송 또는 확산 모델을 용융염 원자로에 적용하게 되면 동적거동 모사해석의 정확성이 떨어지게 되어 원자로계통 설계의 신뢰도와 안전계통 설계의 보수성을 입증하는데 어렵게 된다. 또한 용융염 원자로의 핵연료의 온라인 주입 및 제거가 가능하다는 특징으로 인한 핵적 특성 변화와 핵연료 유속에 따른 노심 체류시간 변화로 인한 핵연료 구성성분의 변동 등이 분석에 고려되어야 하는 어려움이 있다.An important part of the study of molten salt nuclear systems is the need to simulate and analyze the nuclear and thermodynamic dynamic behaviors to analyze the stability of the system in the event of an accident or anomalous conditions. However, in the case of the reactor using the conventional solid fuel, the molten salt reactor using the flow fuel is different in positional properties due to the movement of the fuel, whereas the nuclear-thermal reaction in the same position until the nuclear fuel is loaded and taken out. Therefore, the application of the classical neutron transport or diffusion model to the molten salt reactor, which assumes that the neutrons move and reacts in the nuclear material structure arranged at a specific position, reduces the accuracy of the dynamic behavior simulation and the reliability of the reactor system design. It is difficult to prove the conservatism of the system and safety system design. In addition, there are difficulties in the analysis of changes in nuclear properties due to the on-line injection and removal of fuel from molten salt reactors and changes in fuel components due to changes in core residence time due to fuel flow rate.

그러므로 본 발명은 용융염원자력시스템에서 사고 및 이상상태 발생시에 시스템의 안정성을 분석하기 위한 핵?열수력학적 동적거동을 모사?해석하기 위하여 용융염 원자로에 적용 가능한 핵연료 유동이 고려된 2차원 동특성 방정식 및 이를 이용한 공정 모사방법을 제공하고자 함을 해결하고자 하는 최우선 과제로 삼는다.Therefore, the present invention is a two-dimensional dynamic equation that takes into account the fuel flow applicable to molten salt reactors in order to simulate and analyze the nuclear and thermodynamic dynamic behavior for analyzing the stability of the system in the event of accidents and abnormalities in the molten salt nuclear system. And to make the process simulation method using the same as the top priority to solve.

또한 본 발명은 핵연료 유동특성이 고려된 중성자 확산 모델과 거시단면적 섭동 모델을 유도하고 이를 바탕으로 개발한 용융염원자로용 동적 거동 해석 코드를 검증하는 방법을 제공하는 것을 둘째 과제로 삼고,In another aspect, the present invention provides a method for deriving a neutron diffusion model and macroscopic cross-section perturbation model considering fuel flow characteristics and verifying the dynamic behavior analysis code for the molten salt reactor based on the second problem.

상기 해석 결과를 MSRE 안정성 실험 측정자료와 이를 일점 동특성 시스템코드로 해석한 결과를 상호 비교하는 검증 하여 실제 용융염원자로에 적용 가능한 모델로서의 타당성을 검토하고자 함을 마지막 과제로 한다.The final task is to examine the validity as a model applicable to the actual molten salt reactor by verifying and comparing the results of the MSRE stability test with the one-point dynamic system code.

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 유동 핵연료의 2차원 동특성을 해석하기 위한 방정식을 제공하고 특히 유속 종속 2차원 동특성 방정식을 제공한다. 이는 아래의 수식으로 표시된다.The present invention provides an equation for analyzing the two-dimensional dynamic characteristics of the flow fuel in order to solve the above problems, and in particular provides a flow dependent two-dimensional dynamic characteristic equation. This is represented by the following formula.

Figure 112008020115416-PAT00001
(식1.a)
Figure 112008020115416-PAT00001
(Equation 1.a)

Figure 112008020115416-PAT00002
(식1.b)
Figure 112008020115416-PAT00002
(Equation 1.b)

Figure 112008020115416-PAT00003
(식1.c)
Figure 112008020115416-PAT00003
(Equation 1.c)

(여기서

Figure 112008020115416-PAT00004
는 z-축방향의 핵연료 유속으로 동일한 특성으로 설정된 영역에서는 동일한 속도를 가지며
Figure 112008020115416-PAT00005
는 j-군 지발중성자 모핵종 수밀도의 z-축방향 변화율이다.)(here
Figure 112008020115416-PAT00004
Has the same velocity in the region set to the same characteristic as the fuel velocity in the z-axis direction
Figure 112008020115416-PAT00005
Is the z-axis rate of change of j-group late neutrophil number density.)

본 발명의 2차원 동특성 방정식을 사용하면 기존의 고체핵연료를 사용하는 상용로와 달리 핵연료 자체가 액체상태인 용융염원자로의 동특성 해석에 매우 현실적인 해를 구할 수 있다. 또한 안전성 해석에 일반적으로 이용되는 시스템 해석 코드의 1점 동특성 방정식에서 취급하지 못하는 중성자스펙트럼이 크게 다른 다영역 노심을 다룰 수 있다는 장점이 있다. Using the two-dimensional dynamic equations of the present invention, unlike conventional commercial furnaces using solid fuels, it is possible to obtain a very realistic solution for analyzing the dynamic characteristics of a molten salt reactor in which the nuclear fuel itself is in a liquid state. In addition, there is an advantage that the neutron spectrum which can not be dealt with in the one-point dynamic characteristic equation of the system analysis code which is generally used for safety analysis can deal with the multi-domain core which is greatly different.

또한 본 발명을 실제 유동원자로에 적용하면 안전성 해석의 보수성과 신뢰성을 확보할 수 있고 특히 중성자스펙트럼이 크게 다른 영역으로 구성된 노심모델의 동특성을 모사할 수 있으므로 제4세대 원자로시스템의 성능요건을 만족하는 신형 용융염원자로 개발에 매우 효과적이다.In addition, if the present invention is applied to the actual flow reactor, it is possible to secure the conservatism and reliability of the safety analysis, and in particular, it can simulate the dynamic characteristics of the core model composed of largely different neutron spectra, which satisfies the performance requirements of the fourth generation reactor system. It is very effective in developing new molten salt reactor.

이하 수식과 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to formulas and drawings.

수식 1은 본 발명의 z-축방향의 유속을 고려한 시간종속 2군 중성자확산방정식이 다. 용융염 원자로의 경우 핵연료의 유동 방향은 z-방향으로 일정한 속도로 움직이며 이로 인해 노내에서 생성된 지발중성자 모핵종이 노외로 유출하게 된다. 이때 지발중성자 모핵종의 이동에 따른 수밀도 변화는 계통 내 핵연료물질 순환주기에 해당되는 시간지연에 영향을 받는다. 또한 같은 원인으로 인해 z-방향 지발중성자 모핵종 수밀도의 분포도 변하게 된다.Equation 1 is a time-dependent two-group neutron diffusion equation considering the flow velocity in the z-axis direction of the present invention. In the case of molten salt reactors, the flow direction of the nuclear fuel moves at a constant velocity in the z-direction, which causes the late neutron parent species generated in the furnace to flow out of the furnace. At this time, the change in water density due to the migration of late neutrophil nuclide is affected by the time delay corresponding to the cycle of fuel material in the system. The same cause also changes the distribution of z-direction late neutrophil parental density.

본 발명에서는 초기조건 및 경계조건으로서, 노심 외부 경계값은 모두 0을 갖고 노심 내부에서는 평형상태에서의 값을 갖도록 설정한다. 이 때 노외로 배출되는 지발중성자 모핵종 중 80% 이상의 반감기가 노외 체류시간을 초과하여 순환 핵연료 중 10%는 고온 화학공정으로 우회하므로 노안으로 재유입되는 반응도 양에 의한 영향은 외부 삽입 반응도에 비해 상대적으로 작아 계통 내에서 재순환된 후 유입되는 핵연료에 포함된 지발중성자 모핵종의 수밀도 증가는 무시 가능하다고 보고 이에 따른 지발중성자 분포 모형은 유속에 의존하는 특성상 큰 변화가 없다고 가정하였다.In the present invention, as the initial condition and the boundary condition, the core outer boundary values are all set to zero, and the core internal boundary values are set to have a value at equilibrium. At this time, more than 80% of the half-life of the late neutron neutrophils that have been released outside the furnace exceeds the residence time, and 10% of the circulating fuel bypasses the high temperature chemical process. The relatively small increase in the number density of late neutrophils contained in the incoming fuel after recirculation within the system is negligible. Therefore, the late neutron distribution model assumes that there is no significant change in the flow rate dependent characteristics.

Figure 112008020115416-PAT00006
(식1.a)
Figure 112008020115416-PAT00006
(Eq. 1.a)

Figure 112008020115416-PAT00007
(식1.b)
Figure 112008020115416-PAT00007
(Equation 1.b)

Figure 112008020115416-PAT00008
(식1.c)
Figure 112008020115416-PAT00008
(Equation 1.c)

(여기서

Figure 112008020115416-PAT00009
는 z-축방향의 핵연료 유속으로 동일한 특성으로 설정된 영역에서는 동일한 속도를 가지며
Figure 112008020115416-PAT00010
는 j-군 지발중성자 모핵종 수밀도의 z-축방향 변화율이다.)(here
Figure 112008020115416-PAT00009
Has the same velocity in the region set to the same characteristic as the fuel velocity in the z-axis direction
Figure 112008020115416-PAT00010
Is the z-axis rate of change of j-group late neutrophil number density.)

수식2는 Pyro 반응로에서 핵연료 물질에 용해된 핵분열 생성물질의 제거로 인한 방사성 핵종 농도를 고려한 수식이다. 이를 위하여 가상의 단일의사핵종(pseudo-nuclide)에 대해 수밀도방정식과 유사하게 근사식을 가정한다. 이는 용융염을 구성한 핵연료물질이 반응로 내 이동경로 및 속도에 따라 체류특성과 중성자와의 핵반응 특성이 변화하므로 물성(반응단면적, 온도 등)이 변하게 되는 것도 고려해야 하기 때문이다. 그러나 그 변화는 지발중성자 모핵종수밀도 변화보다는 적다.Equation 2 takes into account the radionuclide concentration due to the removal of fission products dissolved in the fuel material in the Pyro reactor. For this purpose, an approximation equation is assumed for the pseudo-nuclide, similar to the density equation. This is because the characteristics of the properties (reaction cross section, temperature, etc.) must be taken into account because the fuel material constituting the molten salt changes the retention characteristics and the nuclear reaction with the neutrons according to the movement path and speed in the reactor. However, the change is less than the change in late neutrophil number density.

Figure 112008020115416-PAT00011
(식2)
Figure 112008020115416-PAT00011
(Eq. 2)

여기서 상수

Figure 112008020115416-PAT00012
는 의사핵종의 붕괴상수, 상수
Figure 112008020115416-PAT00013
는 중성자흡수반응에 의한 의사핵종의 손실률에 대응하는 물리적 의미가 부여되며 각 상수는 다양한 출력밀도 상태에서 연소진행에 따른 각 격자의 거시단면적 Where constant
Figure 112008020115416-PAT00012
Is the decay constant and constant of the pseudonuclide
Figure 112008020115416-PAT00013
Is given a physical meaning corresponding to the loss rate of pseudonuclides due to neutron absorption, and each constant is the macroscopic cross-sectional area of each lattice as the combustion progresses at various power densities.

변화를 HELIOS 1.5를 사용하여 구한 후 이 결과로부터 계산되어진다. 그리고

Figure 112008020115416-PAT00014
는 외부에서 공급하는 핵연료물질 또는 온라인 재처리 후 재주입되는 핵종의 주입률 및 Xe이나 제어봉과 같은 중성자 흡수율이 큰 물질이 생성 혹은 삽입을 고려하기 위해 거시단면적의 시간증분으로 변환한 값으로서 섭동입력 자료로 사용되었다.The change is calculated using HELIOS 1.5 and then calculated from these results. And
Figure 112008020115416-PAT00014
Is the value converted from the macromolecular area time increment to consider the generation or insertion of externally supplied fuel material or material with high neutron absorption rate such as Xe or control rod after re-injection of nuclear species. It was used as data.

수식 3은 노심상태 변화에 따른 출력천이과정의 반응도 변화를 나타낸 식이다. 일반적으로 노심상태 변화에 따른 반응도 삽입 조건으로 외부 반응도, 독성 반응도, 온도 반응도의 세가지 요건을 고려하여야 한다. 독성 반응도의 경우 핵분열에 의해 생성되는 135Xe와 같은 물질의 시간당 변화 등을 고려하지만, 본 발명의 경우 용융염원자로에서 핵연료가 z-축 방향으로서의 상향류 액체이므로 핵분열에 의하여 생성되는 135Xe는 미세한 기포로서 액체 핵연료 내부에서 부력에 의해 가속되어 상승하므로 평형상태 핵종수밀도에 크게 영향을 미치지 못한다. 따라서 본 발명에서 고려되는 반등도 변화는 외부 반응도와 온도 또는 출력 변화에 따른 반응도 궤환율만을 반영하였다.Equation 3 shows the change in responsiveness of the output transition process according to the change of core state. In general, three requirements of external reactivity, toxic reactivity, and temperature reactivity should be considered as reactivity insertion conditions for core state changes. In the case of toxic reactivity, the change in time such as 135 Xe generated by fission is considered, but in the case of the present invention, 135 Xe generated by fission is fine because nuclear fuel is an upflow liquid in the z-axis direction. As bubbles are accelerated and raised by buoyancy inside liquid fuel, they do not significantly affect the equilibrium nuclide density. Therefore, the resiliency change considered in the present invention reflects only the reactivity feedback rate according to the external reactivity and the temperature or output change.

Figure 112008020115416-PAT00015
(식 3)
Figure 112008020115416-PAT00015
(Equation 3)

여기서

Figure 112008020115416-PAT00016
Figure 112008020115416-PAT00017
를 나타내고,
Figure 112008020115416-PAT00018
Figure 112008020115416-PAT00019
를 각각 를 나타낸다.here
Figure 112008020115416-PAT00016
Is
Figure 112008020115416-PAT00017
Indicates,
Figure 112008020115416-PAT00018
Is
Figure 112008020115416-PAT00019
Denotes each.

수식 4는 수식 1에서 초기 및 경계 조건을 반영한 4계2차연립미분방정식을 나타낸다. 초기 조건으로서 원자로가 정상출력상태로 t=-∞로부터 정상출력으로 가동되었다고 가정하였으며 경계조건으로서 노심 경계면에서의 중성자속 및 지발중성자 모핵종수밀도가

Figure 112008020115416-PAT00020
Figure 112008020115416-PAT00021
값을 갖는 것으로 가정하였다.Equation 4 represents the fourth-order quadratic differential equation that reflects the initial and boundary conditions in Equation 1. As an initial condition, it is assumed that the reactor has been operated at normal output from t = -∞ with normal output. As the boundary condition, the neutron flux and late neutron nucleus species density at the core interface are
Figure 112008020115416-PAT00020
Wow
Figure 112008020115416-PAT00021
It is assumed to have a value.

Figure 112008020115416-PAT00022
Figure 112008020115416-PAT00022

Figure 112008020115416-PAT00023
Figure 112008020115416-PAT00023

(식 4a)(Equation 4a)

Figure 112008020115416-PAT00024
Figure 112008020115416-PAT00024

(식 4b)(Equation 4b)

Figure 112008020115416-PAT00025
Figure 112008020115416-PAT00025

(식 4c)(Equation 4c)

여기서 첨두문자 0는 정상상태와 초기상태를 나타내며, z는 축방향을 나타낸다. 다른 문자는 일반적 관례를 따른다. Where the prefix 0 represents the steady state and initial state, and z represents the axial direction. The other letters follow the usual convention.

위의 2차원 경계치문제(boundary value problem)는 주어진 정상상태 군정수

Figure 112008020115416-PAT00026
을 초기상태값으로 하여 경계조건을 만족하는 초기정상상태 고유치
Figure 112008020115416-PAT00027
및 고유함수
Figure 112008020115416-PAT00028
를 구하는 것으로서 이에 대응되는 수치방정식은 유한차분법(Finite difference method)을 사용하여 유도한 정규행렬방정식 형태이다. 위 식들의 해를 구하기 위한 반복계산의 수렴가속을 위해 Chebyshev polynomial method를 사용하였다.The two-dimensional boundary value problem above is given a steady-state military constant.
Figure 112008020115416-PAT00026
Initial steady state eigenvalue satisfying boundary condition
Figure 112008020115416-PAT00027
And eigenfunctions
Figure 112008020115416-PAT00028
The corresponding numerical equation is the normal matrix equation derived using the finite difference method. The Chebyshev polynomial method was used to accelerate the convergence of the iteration to solve the above equations.

수식 5는 수식 1을 수치해석 방정식으로 변환한 식이다. 이때 사용하는 수치해석법으로는 초기상태 방정식과 동일하게 유한차분근사모델에 대한 반복계산방법으로서 Implicit method와 수렴가속방법으로 SOR(Successive over-relaxation method)을 사용하였다. 시간종속문제에 대한 유한차분법의 수치해는 시간증분의 크기에 따라 오차의 규모가 민감하며 시간증분을 작게 할수록 이론적으로 더 정확한 결과를 얻게 되지만 너무 짧은 시간증분을 사용할 경우 천이계산에 너무 많은 시간을 소모하게 되므로 최적의 시간증분 크기를 결정한 후 사용하는 것이 바람직하다. 또 수치방정식모델의 Explicit method는 절삭오차(truncation error)가 누적되기 때문에 쉽게 발산하는 문제가 있는데 비해 Implicit method는 절삭오차를 일정하게 유지할 수 있어 계산상의 발산 문제를 일으키지 않는다. 이 같은 계산상의 안정성을 고려하여 방정식이 약간 복잡해지는 단점이 있긴 하나 본 연구의 동특성 계산에서는 Implicit method를 사용하였다.Equation 5 converts Equation 1 into a numerical equation. In this case, we use the SOR (Successive over-relaxation method) as the implicit method and the convergence acceleration method as the iterative calculation method for the finite difference approximation model, similar to the initial state equation. The numerical solution of the finite-difference method for time-dependent problems is sensitive to the magnitude of the time increment, and the smaller the time increment, the more theoretically accurate the result will be. It is desirable to use it after determining the optimal time increment size since it will be consumed. In addition, the explicit method of the numerical equation model has a problem of easily diverging due to the accumulation of truncation errors, while the implicit method does not cause a divergence of calculation because the cutting error can be kept constant. Although the equations are slightly complicated in consideration of the computational stability, the implicit method is used in the calculation of the dynamic characteristics.

Figure 112008020115416-PAT00029
Figure 112008020115416-PAT00029

(식 5)(Eq. 5)

수식 6은 액체 핵연료계통에서 거시단면적의 시간변화를 나타낸다. 고체 핵연료와는 달리 액체 핵연료의 경우 거시단면적의 시간변화율은 지발중성자 모핵종수밀도와 유사한 정도의 시간상수 범위내에서 노심동특성에 큰 영향을 미친다. 그러므로 이를 고려하여 quasi-static 근사식을 사용하여 표현하였다. Equation 6 shows the time-varying macroscopic cross section in the liquid fuel system. Unlike solid fuels, the rate of change of macroscopic cross-sectional area in liquid fuels has a significant effect on core dynamics within a time constant range similar to that of late neutron nucleus species. Therefore, the quasi-static approximation is used to account for this.

Figure 112008020115416-PAT00030
Figure 112008020115416-PAT00030

(식 6)(Equation 6)

도 1은 본 발명의 방정식을 액체 원자로에 적용하여 해를 구하는 순서도를 나타내는 플로우 챠트이다. 상기 순서도에서는 정상상태운전을 가정하고 초기조건 계산 및 섭동 후 천이시간에 걸친 동특성 계산을 수행하는 것으로 이루어진다. 정상운전상태 계산은 먼저 격자코드를 이용하여 z-축 방향의 핵연료 유동이 없는 상태에 대해 계산된 격자상수와 핵연료 정상유속을 입력데이터로 제공하고, 중성자속, 지발중성자 모핵종수밀도와 증배계수의 초기값을 동일하게 1.0으로 가정하여 내부 및 외부 반복계산을 수행하면서 수렴된 값을 구한다. 1 is a flowchart showing a flow chart of applying the equation of the present invention to a liquid reactor to find a solution. In the flowchart, the steady state operation is assumed, and the initial condition calculation and the dynamic characteristic calculation are performed over the transition time after perturbation. The steady-state calculation first uses the grid code to provide the calculated grid constants and fuel steady flow rates for the absence of fuel flow in the z-axis direction as input data, and the neutron flux, delayed neutron seedling density and multiplication factor. Assuming the initial value is equal to 1.0, converged values are obtained while performing internal and external iterations.

중성자속 및 지발중성자 모핵종수밀도는 시간 변화에 민감하므로 계산 시간증분 단위를 짧게 설정하였고, 핵종수밀도 변화율에 종속된 거시단면적을 계산시 시간증분은 상대적으로 긴 값을 갖도록 하였다. Since the neutron flux and delayed neutron nucleus species density are sensitive to time change, the calculation time increment unit is set short, and the time increment is calculated to have a relatively long value when calculating the macroscopic area dependent on the rate of change of nuclide density.

도 2는 축방향 지발중성자 모책종의 농도 분포를 도시한 도면이다. 2 is a diagram showing the concentration distribution of axial late neutron parent species.

용융염 원자로의 경우 상용원자로와 가장 뚜렷하게 구분되는 특징은 핵연료 유동에 의한 지발중성자 분포의 변화이다. 도 2와 같이 지발중성자 모핵종 분포는 핵연료 유동 방향인 축방향으로 치우쳐 있음을 알 수 있다. 이는 상용로의 cosine 분포와 상이하며 유속의 변화나 부분 반응도 삽입 등에 의해 형태가 변할 수 있으므로 일점 동특성방정식(one point kinetics)에 의해서는 정확한 계산이 불가능한반면 본 발명의 방정식을 사용하면 시간에 따른 변화를 고려할 수 있으므로 더욱 정확한 계산을 도출할 수 있다. In the case of molten salt reactors, the most distinctive feature from the commercial reactors is the change in late neutron distribution due to fuel flow. As shown in FIG. 2, it can be seen that the distribution of late neutron nuclides is axially oriented in the direction of fuel flow. This is different from the cosine distribution in commercial furnaces, and since the shape can be changed by changing the flow rate or the partial reactivity, it is not possible to calculate precisely by one point kinetics. Can be considered, resulting in more accurate calculations.

[실시예]EXAMPLE

본 발명의 수식 1 내지 6에서 제시된 방정식 및 도 1에서 제시된 순서도에 따른 계산 결과의 타당성을 검증하기 위하여 MSRE원자로를 사용하여 주파수 응답방법을 사용하여 실험 결과치를 서로 비교하였다. In order to verify the validity of the equations shown in Equations 1 to 6 of the present invention and the calculation results according to the flowchart shown in FIG. 1, the experimental results were compared using the frequency response method using the MSRE reactor.

실시예에서 사용된 주파수응답 실험방법은 PRBS(Pseudo Random Binary Sequence)와 PRTS(Pseudo Random Ternary Sequence) 방식의 신호를 발생하여 고출력에서는 Flux demand test, 저출력에서는 Rod-jog test 방법을 사용하여 출력 변화를 측정한 후 CPSD, CABS 방식으로 측정데이터를 분석하였다. 또한 이것을 종래의 용융염 원자로를 해석하기 위한 ORNL에서 개발한 일점 동특성방정식(one point kinetics)과 비교하여 그 결과를 도 3 내지 도 8에 도시하였다. The frequency response test method used in the embodiment generates signals of Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) and Pseudo Random Ternary Sequence (PRTS), and uses the Flux demand test at high power and the Rod-jog test method at low power. After the measurement, the measurement data were analyzed by CPSD and CABS. In addition, this result is compared with the one point kinetics developed by ORNL for analyzing a conventional molten salt reactor, and the results are shown in FIGS. 3 to 8.

본 발명의 주파수 응답은 열출력 8MW, 5MW 및 2MW로 운전 중에 전술한 실험방법에 따라 삽입된 반응도에 반응하는 출력 변화비와 위상 변화비를 안정성 파라미터로 측정하였다. 측정된 데이터는 R. C. Steffy Jr.: "Frequency response testing of the molten salt reactor experiments", ORNL, (1970)에 도시된 그래프를 참조하여 그 결과를 정리하였으며, 본 발명의 방정식으로 계산된 값을 그 위에 함께 도시하여 직접적인 비교가 용이하도록 제시하였다. In the frequency response of the present invention, the output change ratio and the phase change ratio in response to the inserted reactivity according to the above-described experimental method were measured as stability parameters while operating at 8 MW, 5 MW and 2 MW of heat output. The measured data were summarized with reference to the graph shown in RC Steffy Jr .: "Frequency response testing of the molten salt reactor experiments", ORNL, (1970), and the values calculated by the equations of the present invention were placed thereon. It is shown together for easy direct comparison.

전체적으로 본 발명의 방정식에 의해 계산된 값이 지발중성자 모핵종 농도의 분포변화 등의 용융염 핵연료의 고유 특성을 고려할 수 있어 MSRE 시스템해석코드보다 실험결과에 더 근접하는 것으로 나타났다. 특히 출력 변화비가 위상 변화비보다 더 근사한 경향을 보이는데 이는 위상 변화에 영향이 더 큰 열수력 모델 및 계통 재순환 모델의 취약성에 기인한 것으로 판단되며 모델의 개선으로 좀 더 정교한 결과를 수행할 수 있을 것으로 예상된다. 또 일점동특성 방정식을 이용하는 MSRE 시스템코드 경우는 0.2rad와 0.4rad 사이에서 resonance를 보이는데, 이는 노심을 떠난 핵연료가 계통순환 후 재유입함에 따른 궤환효과로 볼 수 있다. 이에 비하여 본 발명의 방정식에 의한 계산 결과는 계통모델을 포함하고 있지 않으므로 이러한 resonance효과가 나타나지 않아 보다 현실적인 결과치를 나타내는 것으로 판명되었다.Overall, the value calculated by the equation of the present invention was considered to be closer to the experimental results than the MSRE system analysis code because it can consider the intrinsic characteristics of molten salt fuel such as the change in the distribution of the late neutron nuclide concentration. In particular, the output change ratio tends to be closer than the phase change ratio, which is believed to be due to the weakness of the thermal hydraulic model and the system recirculation model which have more influence on the phase change, and the refinement of the model will allow more sophisticated results. It is expected. In addition, the MSRE system code using the one-point dynamic characteristic equation shows a resonance between 0.2 rad and 0.4 rad, which can be considered as a feedback effect due to the reflow of nuclear fuel leaving the core after system circulation. On the other hand, since the calculation result by the equation of the present invention does not include a phylogenetic model, such a resonance effect does not appear, and it is found to represent a more realistic result.

도 1은 본 발명의 방정식을 액체 원자로에 적용하여 해를 구하는 순서도를 나타내는 플로우 챠트이다. 1 is a flowchart showing a flow chart of applying the equation of the present invention to a liquid reactor to find a solution.

도 2는 축방향 지발중성자 모책종의 농도 분포를 도시한 도면이다.2 is a diagram showing the concentration distribution of axial late neutron parent species.

도 3 은 8MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a frequency response to an 8MW output change.

도 4는 위상지연이 있는 8MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the frequency response to 8MW output change with phase delay.

도 5는 5MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a frequency response to a 5MW output change.

도 6은 위상지연이 있는 5MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the frequency response to a 5MW output change with phase delay.

도 7은 2MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a frequency response to a 2MW output change.

도 8은 위상지연이 있는 5MW 출력변화에 대한 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing a frequency response to a 5MW output change with phase delay.

Claims (4)

z-축 방향의 유속을 고려한 하기의 시간종속 2군 중성자확산 방정식(식 1.a ~식1.c)의 해를 구함으로써 유동 원자로에서 핵연료 및 중성자의 거동을 해석하는 방법;a method of analyzing the behavior of nuclear fuel and neutrons in a flow reactor by solving the following time-dependent two-group neutron diffusion equations (Equations 1.a to 1.c) taking into account the flow velocity in the z-axis direction;
Figure 112008020115416-PAT00031
(식1.a)
Figure 112008020115416-PAT00031
(Eq. 1.a)
Figure 112008020115416-PAT00032
(식1.b)
Figure 112008020115416-PAT00032
(Equation 1.b)
Figure 112008020115416-PAT00033
(식1.c)
Figure 112008020115416-PAT00033
(Equation 1.c)
(여기서
Figure 112008020115416-PAT00034
는 z-축방향의 핵연료 유속으로 동일한 특성으로 설정된 영역에서는 동일한 속도를 가지며
Figure 112008020115416-PAT00035
는 j-군 지발중성자 모핵종 수밀도의 z-축방향 변화율이다.)
(here
Figure 112008020115416-PAT00034
Has the same velocity in the region set to the same characteristic as the fuel velocity in the z-axis direction
Figure 112008020115416-PAT00035
Is the z-axis rate of change of j-group late neutrophil number density.)
청구항 1항에 있어서,The method according to claim 1, 핵연료 물질과 이로부터 용해된 생성물질이 제거됨에 따른 방사성 핵종 농도 변화를 고려하기 위하여 하기의 의사핵종(pseudo-nuclide) 근사식(식2)을 포함하는 것을 특징으로 한 유동 원자로에서 핵연료 및 중성자의 거동을 해석하는 방법;In order to consider the change in radionuclide concentration as the fuel material and its dissolved products are removed, the following pseudo-nuclide approximation equation (2) is used. How to interpret the behavior;
Figure 112008020115416-PAT00036
(식2)
Figure 112008020115416-PAT00036
(Eq. 2)
(여기서 상수
Figure 112008020115416-PAT00037
는 의사핵종의 붕괴상수, 상수
Figure 112008020115416-PAT00038
는 중성자흡수반응에 의한 의사핵종의 손실률을 각각 의미한다.)
Where constant
Figure 112008020115416-PAT00037
Is the decay constant and constant of the pseudonuclide
Figure 112008020115416-PAT00038
Is the loss rate of pseudonuclides due to neutron absorption.)
청구항 1 및 2의 방정식을 하기의 수치해석 방정식으로 변환하여 유동 원자로에서 핵연료 및 중성자의 거동을 해석하는 방법;Converting the equations of claims 1 and 2 into the following numerical equations to analyze the behavior of nuclear fuel and neutrons in a flow reactor;
Figure 112008020115416-PAT00039
(식 5)
Figure 112008020115416-PAT00039
(Eq. 5)
Figure 112008020115416-PAT00040
(식 6)
Figure 112008020115416-PAT00040
(Equation 6)
(여기서,
Figure 112008020115416-PAT00041
는 t 시간의 수렴 해에 대한 (t+1) 시간의 수렴해의 분율을 의미하고, M은 식 1.a와 식 1.b의 계수들이며 P는 식 1.c의 계수를 의미하며,
Figure 112008020115416-PAT00042
Figure 112008020115416-PAT00043
의 시간변화율은 우변의 중성자반응
(here,
Figure 112008020115416-PAT00041
Is the fraction of convergence solution of (t + 1) time to the convergence solution of time t, M is the coefficients of Equations 1.a and 1.b and P is the coefficient of Equation 1.c,
Figure 112008020115416-PAT00042
And
Figure 112008020115416-PAT00043
The rate of change of the neutron response on the right side
변화율을 중성자속도,
Figure 112008020115416-PAT00044
만큼 증폭시킨 것을 의미하고, l은 z-축 방향의 공간격자,
Figure 112008020115416-PAT00045
는 시간 격자를 그리고 m과 i는 각각 격자와 에너지군을 나타낸다.)
Rate of change of neutron velocity,
Figure 112008020115416-PAT00044
Means amplified by, l is the spatial lattice in the z-axis direction,
Figure 112008020115416-PAT00045
Is the time grid and m and i are the grid and energy groups, respectively.)
청구항 1 내지 3의 방정식을 계산함에 있어서;In calculating the equation of claims 1 to 3; 방정식 별로 계산모드 변화하여 짧은 시간 증분 동안 계산이 필요한 동특성 방정식은 자주 계산하고, 상대적으로 시간에 덜 민감한 의사핵종 변화식은 덜 계산해 주는 것을 특징으로 한 유동 원자로에서 핵연료 및 중성자의 거동을 해석하는 방법.A method of interpreting the behavior of nuclear fuel and neutrons in a fluidized reactor, characterized in that the dynamic mode equations that require calculations for short time increments are changed frequently, and the less time-sensitive pseudonuclide change equations are calculated less.
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