KR20100115754A - 원자로 노심 내의 연료봉 파워 분포 모델링 방법 - Google Patents

Abstract

원자로 노심 모델링 방법은, 각 연료핀의 이력을 따르고 축방향 길이에 따른 각 연료핀의 영향 노출을 명확하게 추적하기 위하여 연료핀 플럭스 형태인자들을 사용하며 각 연료봉들의 기본적인 데이터, 즉, 각 연료핀 부분들에 대한 연료봉 단면을 얻기 위하여 이 정보를 사용한다. 연료핀 부분들에 대해 얻어진 데이터는 연료봉 파워 분포가 연료봉 단면들과 플럭스 형태인자들을 기초로 정밀하게 계산될 수 있도록 실제 연료핀 이력과 정합하도록 연료핀 플럭스 형태인자들을 조정하기 위하여 사용된다.

Description

원자로 노심 내의 연료봉 파워 분포 모델링 방법{A METHODOLOGY FOR MODELING THE FUEL ROD POWER DISTRIBUTION WITHIN A NUCLEAR REACTOR CORE}

본 발명은 일반적으로 원자로 노심 내의 연료봉 파워 분포 모델링 방법에 대한 것으로서, 특히, 원자로용 초기 및 재장전 노심들의 설계 방법에 대한 것이다.

가압수에 의해 냉각되는 원자로 발전 시스템의 제1 측면은 격리되고 유용한 에너지를 생산하기 위하여 제2 측면과 열교환 관계인 폐쇄회로를 구비하는 점이다. 제1 측면은 분열재를 함유하는 복수의 연료 조립체들, 열교환 증기발생기 내부의 제1 회로, 가압기의 내부 용적, 가압수를 순환시키기 위한 펌프들 및 파이프, 각각의 증기 발생기들과 펌프를 원자로 용기에 별도로 연결하는 파이프들을 지지하는 노심 내부 구조를 에워싸는 원자로 용기를 포함하는 것이다. 제1 측면의 각 부품은 증기 발생기와, 제1 측면의 루프로부터 용기에 연결된 파이프 시스템들과 펌프를 포함한다. 제1 측면은 또한 가압수의 부피적이고 화학적인 모니터링을 위한 회로를 포함하는 보조회로들에 연결된다. 제1 회로로부터 분기되어 배치되는 보조회로는, 필요시 측정된 양의 물을 보충함으로써 제1 호로의 물의 양을 유지할 수 있으며, 원자로의 작동에 중요한 냉각재의 화학 성분, 특히 붕산의 량을 감시할 수 있게 한다.

예시를 위하여 도 1은 원자로 노심(14)을 에워싸는 덮개 헤드(12)를 구비하는 일반적으로 원통형의 원자로 압력용기(10)를 포함하는 간단화된 원자로 주요 시스템을 도시한다. 물과 같은 액체 원자로 냉각제는 노심(14)을 통하여 펌프(16)에 의하여 용기(10)로 펌핑되며, 노심에서 열 에너지가 흡수되어 보통 증기 발생기라고 불리는 열교환기(18)로 배출되며, 여기에서 열이 증기구동 터빈 발전기와 같은 이용회로(도시없음)로 전달된다. 원자로 냉각제는 이어서 펌프(16)로 복귀하여 주요 루프를 종료한다. 전형적으로, 복수의 상기 설명한 루프들은 원자로 냉각 배관(20)을 통해 단일의 원자로 용기(10)에 연결된다.

도 2에 예시적인 원자로 구조가 도시된다. 복수의 평행한 수직의 같이 연장하는 연료 조립체(22)들을 포함하는 노심(14) 외에 설명을 위한 목적으로서, 다른 용기 내부 구조물들이 하부 내부구조물(24)과 상부 구조물(26)들로 구분될 수 있다. 종래의 구조에서 하부 구조물의 기능은 노심 부품들 및 계장품(instrumentations)들을 지지하고, 정렬시키며 안내하고 용기 내의 흐름을 안내하는 것이다. 상부 구조물들은 연료 조립체들(단지 도면에서 간략화를 위하여 그중에서 두개만이 도시됨)에 대한 2차적인 제한을 부여하거나 제공하며, 연료봉(28)들과 같은 계장품과 부품들을 지지하고 안내한다. 도 2 도시의 예시적인 원자로에서, 냉각제는 하나 이상의 유입 노즐(30)들을 통해 원자로 용기(10)로 유입하며, 용기와 노심 배럴(32) 사이의 홈(annulus)을 통해 아래로 흐르며 하부 플리넘(34)에서 180도 전환되고, 연료 조립체(22)들이 착좌하고 관통하고 둘러싸는 하부 지지판(37)과 하부 노심판(36)을 통해 위로 통과한다. 특정 구조들에서 하부 지지판(37)과 하부 노심판(36)은 단일 구조로서의 같은 도면에서 (37)과 같은 하부 노심판에 의하여 대체된다. 냉각제는 노심을 관통하여 흐르며 주변 영역(38)은 보통 대략 초당 20피트의 속도에서 분당 400,000갤런의 크기이다. 발생되는 압력 강하와 마찰력은 연료 조립체들이 상승하게 하며, 이러한 이동은 원형 상부 노심판(40)을 포함하는 내부 구조물에 의하여 억제된다. 노심(14)에서 배출되는 냉각제는 상부 노심판의 하측을 따라 흐르며 복수의 관통공(42)들을 관통하여 위로 흐른다. 이어서 냉각제는 하나 이상의 유출 노즐(44)들로 위로 반경 방향으로 흐른다.

상부 내부구조물(26)은 용기 또는 용기 헤드에 의하여 지지될 수 있으며 상부 지지 조립체(46)를 포함할 수 있다. 하중이 상부 지지조립체(46)와 상부 노심판(40) 사이로 주로 복수의 지지 컬럼(48)들에 의하여 전달된다. 지지 컬럼은 상부노심판(40)의 선택된 연료 조립체(22)와 관통공(42)들 위로 정렬된다.

왕복이동가능한 제어봉(28)들은 일반적으로 제어봉 안내튜브(54)에 의하여 상부 내부구조물(26)을 통해 정렬된 연료 조립체(22) 내부로 안내되는 중성자 포이즌(poison) 봉들의 구동 샤프트(50)와 스파이더 조립체(52)를 포함한다. 안내 튜브들은 상부 지지 조립체(46)에 고정되게 결합되며 상부 노심판(40)에 가압 고정된 분할핀(56)에 의해 연결된다. 핀 구조는 필요시 안내튜브를 용이하게 조립하고 교체하도록 제공되며 특히 지진이나 다른 높은 하중의 사고 조건들 하의 노심 하중이 안내 튜브(54)들이 아닌 지지 컬럼(48)들에 의해 우선 흡수되는 것을 보장한다. 이로써 제어봉 삽입 성능에 치명적으로 영향을 미칠 수 있는 사고 조건들 하에서 안내튜브의 변형을 지연시키는 데 보조한다.

도 3은 수직으로 단축된 형태로 도시된 일반적으로 도면 부호(22)로 표시된 연료 조립체의 정면도이다. 연료 조립체(22)는 가압수 원자로에 사용되는 형태이며 하단부에 바닥 노즐(58)을 포함하는 구조상의 골격을 가진다. 바닥 노즐(58)은 원자로(도시 생략)의 노심 영역에서 하부 노심 지지판(60) 위에 연료 조립체(22)를 지지한다. 바닥 노즐(58) 외에, 연료 조립체(22)의 구조상 골격은 또한 상단부에 상부 노즐(62)을 포함하며, 바닥과 상부 노즐(58, 62) 사이로 길이방향으로 연장하며 대향 단부들에서 견고하게 부착된 일정한 수의 가이드 튜브 또는 딤블(54)들을 포함한다.

연료 조립체(22)는 또한 가이드 딤블(54)들을 따라 축방향으로 이격되어 장착된 복수의 가로 그리드(64)들과 그리드(64)들에 의해 가로 이격되어 지지되는 길다란 연료봉(66)의 정해진 어레이를 포함한다. 또한, 연료 조립체(22)는 중심에 위치되고 바닥과 상부 노즐(58, 62)들에 장착되어 그 사이로 연장하는 계장 튜브(68)를 가진다. 이러한 부품들의 배치로서, 연료 조립체(22)는 부품들의 조립체를 손상시키지 않고 편리하게 취급될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.

상기 설명한 바와 같이, 조립체 어레이의 연료봉(66)들은 연료 조립체의 길이를 따라 이격된 그리드(64)들에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(66)은 핵연료 펠릿(70)을 포함하며 상부 및 하부 단부 플러그(72, 74)들에 의하여 대향 단부들에서 폐쇄된다. 펠릿(70)들은 상부 단부 플러그(72)와 펠릿 스택의 상부 사이에 배치된 플리넘 스프링(76)에 의해 스택으로 유지된다. 분열 소재로 구성된 연료 펠릿(70)은 원자로의 반응력을 발생한다. 조립체(22) 내의 일정한 연료봉(66) 내의 연료 펠릿(70)들은 동일한 연료 조립체 내의 다른 연료봉(66)들로부터 조성 및 첨가물이 변할 수 있다.

원자로의 파워 출력이 연료봉(66)을 따라 가해지는 최고 온도에 의해 제한되므로 노심의 축 방향 및 반경 방향의 파워 프로파일을 관리하는 것이 중요하다. 연료봉(66)의 피복을 따라 핵에 기인하는 보일링으로부터 벗어나도록 작동 조건을 유지할 필요가 있다. 그러한 조건 하에서, 연료봉(66)으로부터 인접 냉각제로의 열 전달은 피복 손상을 초래하는 연료봉 온도의 상승을 저하시킨다. 이와 같이, 연료 조립체(22) 내부에 상이한 형태의 연료봉들을 배치하고 노심(14) 내에 상이한 형태의 연료 조립체를 설치하는 것은 안전을 보장하고 노심 출력을 최대화하는 데 아주 중요하다. 물 또는 물함유 보론과 같은 액체 감속제/냉각제는 하부 노심 지지판(60)의 복수의 흐름 구멍들을 통해 연료 조립체(22)로 상향으로 펌핑된다. 연료 조립체(22)의 바닥 노즐(58)은 유용일을 산출하기 위하여 내부에서 발생된 열을 추출하기 위하여 조립체의 연료봉(66)들을 따라 가이드 튜브(54)를 통하여 위로 냉각제를 보낸다.

분열 과정을 제어하기 위하여 일정 수의 연료봉(78)들이 연료 조립체(22)의 정해진 위치들에 위치된 가이드 딤블(54)들에서 왕복으로 이동가능하다. 특히, 상부 노즐(62) 위에 위치된 로드 클러스터 제어 메카니즘(80)은 제어봉(78)들을 지지한다. 제어 메카니즘은 복수의 반경 방향으로 연장하는 플루크들 또는 아암(52)들을 가진 내부나사형 원통형 허브부재(82)를 가진다. 모두 잘 알려진 방식으로, 제어봉 허브(80)에 결합된 제어봉 구동 샤프트(50)의 기동 파워 하에서, 제어봉(78)을 가이드 딤블(54)에서 수직으로 이동시켜 연료 조립체(22)의 분열 과정을 제어하도록 각각의 아암(52)은 제어봉(78)에 상호 연결된다.

이미 앞에서 언급한 바와 같이, 안전을 보장하고 원자로 운전의 효율을 최대화하기 위하여 노심의 축 방향 및 반경 방향의 파워 분배를 관리하기 위하여 초기 및 재장전 노심들의 구조를 관리하는 것이 중요하다. 노심 내의 온도 기울기 이력을 최소화하기 위하여 조립체(22) 내의 연료봉(66)들의 종류와 이들 연료봉들의 설치 및 노심 내에 조립체들을 설치하는 것이 신중하게 고려되어야 한다는 것을 이는 의미한다. 현재, 노심 설계들은 이 출원의 양수인인 미국 펜실베니아 피츠버그의 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘시로부터 기술제공가능한 ANC와 같은 중성자 확산 코드를 사용하여 개발될 수 있다.

이러한 중성자 확산 코드들은 중성자 에너지를 몇 가지 에너지 범위(에너지 그룹)로 구분하며 노심 모델로부터 파워 분포를 평가한다. 이러한 평가들의 정확성은 시스템의 기하 모델의 고유의 근사성과 이들이 사용하는 핵 단면 데이터베이스에 기인하여 충분히 높은 것으로 생각되지 않는다. 현재의 원자로 노심 분석 연산은 일반적으로 연료 조립체의 연료핀들을 대형 노드들(예컨대, 도 4 도시와 같이 17 x 17 연료봉 조립체들이 2 x 2 노달(nodal) 모델로 변환된다)로 균질화하는 개선된 노달(nodal) 방법을 사용한다. 100 이상의 연료 조립체를 함유하는 원자로 노심에 대해, 이어서 3차원 중성자 플럭스 및 파워 분포들이 노달 모델을 이용하여 계산된다. 노심 넓이의 노달 파워 분포에 기초하여 연료핀 분포들에 의한 조립체 연료핀(즉, 연료봉)은 상세한 형태 인자와 균질한 솔루션을 결합함으로써 발생된다. 균질화된 데이터와 형태 인자들을 발생하는 조립체 연산에서 작동 이력이 명백하게 정형화될 수 있는 한 이는 작동한다. 불행하게도 각 연료 조립체의 실제 작동 이력은 미리 알려지지 않으며, 이는 노심을 정확하게 모사하기 위하여 정확한 형태 인자를 생성하기 어렵게 한다.

실제 노심 작동 조건 하에서, 동일한 형태의 연료 조립체(22) 조차도, 이종성, 즉 포인트-바이-포인트 플럭스와 파워 분포가 주위 환경과 특히 제어봉 삽입 및 후퇴 이력의 결과로서 작동 중에 변할 것이다. 연료봉 핀 파워에 대한 실제 이력의 영향을 파악하기 위하여 종래기술에서는 연료 조립체 데이터를 생성하기 위하여 사용된 아주 복잡한 계산들로 핀 파워 형태 인자들을 다양하게 수정하는 것을 시도하였다. 그러나, 결과는 여전히 만족스럽지 않으며 특히 제어봉 또는 그레이 로드 삽입 및 후퇴가 정상 파워 작동 동안에 공통으로 경험되는 경우 그러하다. 이는 특히, 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘시에 의해 현재 제공되는 AP 1000과 같은 BWR 노심 설계 및 PWR 노심 설계에서 크고 아주 어려운 문제로 된다. 언제, 어디서, 그리고 어느 조립체들에 연료봉들이 삽입되는지가 미리 알 수 없으므로 이러한 문제들이 발생한다. 노심 설계의 조립체 데이터 생성을 보호하기 위하여 사용되는 이력은 정상 작동 동안 노심에서 경험되는 실제 연료 이력과 아주 상이할 수 있으며 이러한 차이는 종래의 방법들을 사용해서는 노심 설계 코드들에서 파악하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 이루어진 것으로써, 원자로의 노심 내의 파워 및 플럭스 분포를 더욱 잘 예측하는 새로운 연료봉 모델링 방법이 요구된다.

더욱 상세하게는, 각 연료 소자를 감안하는 노심 위의 축 방향 및 반경 방향의 파워 및 플럭스 분포를 예측하는 새로운 연료봉 모델링 방법이 요구된다.

또한, 노심의 이력을 더욱 정확하게 반영하는 원자로 노심의 파워 분포를 예측하는 새로운 연료봉 모델링 방법이 필요하다.

추가적으로 확장된 컴퓨터 처리 시간 또는 메모리의 필요 없이 원자로 노심 내의 파워 분포를 예측하는 새로운 연료봉 모델링 방법이 필요하다.

몇몇 종래의 방법들과 대조적으로, 본 발명의 방법은, 핀 파워 형태의 인자들을 완전히 폐지할 것이다. 대신에, 본 발명의 방법은, 노심에서의 각 연료봉의 노출 이력을 따라 그리고 이 실제 이력에 기초하여 연료봉 핵 데이터, 즉, 물리 용어적으로 (흡수, 분열, 등의 중성자 반응 가능성을 나타내기 위하여)연료핀 단면을 유도한다. 실 적용예에서, 봉의 실 이력에 의해 연료봉은 변수화되고 신속한 영향과 함께 연소에 의해 나타내진다.

대부분의 노심 설계 코드와 같이, 이들 두 파라미터들은 제조업자로부터 얻어진 국부적인 중성자 플럭스와 연료봉 파워의 시간 적분을 현재 노심에 대해 단순히 실행하여 산출된다(연속된다). 핀 단면에 의해 연료핀들을 얻기 위하여, 참고 단면표가 미리 정해진 원자로 작동 조건, 통상, 고온의 전체 파워 레벨 조건에서 미리 생성된다. 정해진 실제 연료봉 이력(연소 및 신속 영향)에서, 연료핀 단면들에 의한 연료핀은 단면표를 보고 참조적인 영향과 실제 영향을 비교함으로써 신속 영향 수정을 실행하여 얻어진다. 핀 단면표에 의한 참조 핀의 생성 동안 참조 연료핀 플럭스 형태 인자표가 또한 생성된다.

본 발명의 방법은, 일정한 이력에 대해 실제 핀 플럭스 형태 인자들을 생성하기 위하여 연료핀 단면에 의한 상기 연료핀들과 관련하여 미리 생성된 참조 연료핀 플럭스 형태 인자들을 사용한다. 연료핀 단면을 이용한 참조로부터 실제값으로의 연료핀 플럭스 형태 인자들의 실시간 조정은 핵설계 코드들에 의한 원자로 물리 기초이론에 기초한다. 따라서, 연료핀의 이력은 연료핀 단면적들과 상기 설명한 플럭스들을 고려하여 이루어진다. 연료핀 셀의 카파-분열 및 플럭스들의 다중화는 연료핀 파워 분포를 제공할 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 따라서, 원자로의 노심 내의 파워 및 플럭스 분포를 더욱 잘 예측하고, 각 연료 소자를 감안하는 노심 위의 축 방향 및 반경 방향의 파워 및 플럭스 분포를 예측하며, 노심의 이력을 더욱 정확하게 반영하는 원자로 노심의 파워 분포를 예측하며, 확장된 컴퓨터 처리 시간 또는 메모리의 필요 없이 원자로 노심 내의 파워 분포를 예측할 수 있다.

본 발명의 추가적인 이해는 첨부 도면과 관련하여 양호한 실시예들의 이하와 같은 설명으로부터 얻어질 수 있는데:
도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 원자로 시스템의 간략화된 개략도이며;
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 원자로 용기와 내부 부품들의 부분적으로 단면으로 도시된 정면도이며;
도 3은 명확성을 위하여 부품들이 제거된 수직으로 단축된 형태로 도시된 연료 조립체의 부분적으로 단면으로 도시된 연료 조립체의 정면도이며;
도 4는 종래기술에서 사용되었던 2 X 2 노달 형을 그래프로 도시하며;
도 5는 본 발명에 의하여 고려되는 연료봉들의 개별적인 차이들을 도시하는 연료봉의 일부의 그래프로 나타내는 도면이며;
도 6은 연료봉 파워 산출에 대한 본 발명의 흐름도이다.

각 연료봉의 핀 파워 분포를 얻기 위한 ANC와 같은 원자로 노심 설계 코드에서 연료봉 핀 파워 형태 인자들이 노드 내의 연료 조립체 그룹의 핀의 이종 파워 분포에 의해 핀을 얻기 위하여 노드에 걸친 이종 핀 파워 프로파일에 적용된다. 많은 향상된 원자로 노심 설계에서와 같이, ANC는 에너지 그룹 의존성 형태 인자들을 사용한다. 즉, 일정한 세트의 형태 인자들이 일정한 에너지 범위에서 일정 수의 연료봉들에 대응한다. (x, y)에서 rkr 에너지 그룹의 연료봉(핀) 파워는 이하의 식(1)으로 주어진다:

여기에서, P_g ^hom (x, y)는 이질적인 핀-바이-핀 플럭스 및 카파(kappa)-분열(κΣ_f, 즉 분열로부터의 에너지 방출 속도)로부터 얻어진 이질적인 핀 파워이다. 이질적인 핀 플럭스{ Φ_g ^hom(x, y)는 노드 경계 조건들(노드 측들 및 코너들의 플럭스)과 같이 각 개별 노드들에 대한 두 에너지 그룹의 확산 방전식에 의해 유도된다. 도 4 도시와 같이, 각 노드는 단일의 이질적인 매스로 간주되고 파워 형태 인자들이 연료봉들 사이의 모든 차이들을 고려하는 것으로 상정한다. 노드 내의 두 에너지 그룹의 각각에 대한 카파-분열은 에너지 그룹1에 대해 1.4061 MeV/cm 및 에너지 그룹2에 대해 31.0616 Mev/cm의 평균값을 발생하는 대응하는 에너지 그룹 내에서 연료 조립체들의 각각의 평균 카파-분열이다. 이질적인 핀-바이-핀 카파 분열{κΣ_f ^{g ,hom}(x,y)}은 실제 연료봉 상태/이력보다 노달 평균, 측면들, 및 코너의 단면들의 조건들로부터의 다항식 확장을 사용하여 생성된다.

이러한 방법을 사용하는 (x, y)에서의 이질적인 카파-분열은 상응하는 연료봉의 카파-분열을 정확하게 나타내지 못한다. 이 방법은 이질성, 즉, 상이한 연료봉들 사이의 차이가 연료 조립체의 평균 연소의 함수로서 격자 코드 단일-조립체 연산을 통해 미리 생성되는 파워 형태 인자{f_g ^p(x, y))에 의해 파악되는 것으로 상정한다.

대조적으로, 노심을 모델링하기 위한 본 발명의 방법은, 각 연료핀의 실제 이력, 즉, 연료핀 연소 및 신속 영향을 고려한 각 연료핀의 축 방향 단면 부분에 대한 플럭스들과 카파-분열들을 산출한다. 연료핀 파워는 핀-바이-핀 이질의 카파-분열 및 플럭스들을 사용하여 이하의 식(2)와 같이 직접 산출된다:

여기에서, f_g ^φ(x, y)는 연료핀 플럭스 형태 인자이다. 파워 형태 인자와 유사하게, 각 핀의 참고적인 플럭스 형태 인자{ f_g ^φ(x, y)}는 미리정해진 조건들, 예컨대, 통상적으로, 고온의 전체 파워 조건 하에서 격자 코드 단일-조립체 계산을 통하여 미리 생성된다. 신규(0)로부터 고온 연소(예컨대, 80 MWD/㎏)로의 세트를 이루는 연료 연소 단계들이 참고 이력 포인트들로서 선택된다. 이들 참고 이력 포인트들에서, 플럭스 형태 인자들이 에너지 그룹 1 및 에너지 그룹 2에 대한 각각의 연료 부분들 에 대해 격자 코드를 통해 산출된다. 각 에너지 그룹 1 및 2의 샘플 연료봉 단면 부분에 대한 예시적인 카파-분열이 이하의 표에 도시된다:

에너지 그룹 1	에너지 그룹 2
0	0
1.38999	30.33812
1.40734	28.37248
1.41078	26.33429
1.42007	34.3432
1.41119	32.2942
1.40615	32.48921

본 발명의 방법은, 상이한 음영은 연료봉들 사이의 차이, 즉, 예컨대, 연소 등의 연료봉 이력의 차이와 조성과 첨가물과 같은 연료봉 형태의 차이를 나타내는 도 5에 도시된 바와 같은 각 연료봉으로 실행된다. 이와 같이, 식 2로부터 얻어진 단면은 각 연료봉을 나타낸다. 원자로 물리 이론에 기초하여, 연료핀 플럭스 형태 인자는 주로 핀 단면들에 의한 연료핀에 의존한다. 본 발명의 방법은 또한 이하의 수학식(3)에 의해 정해지는 기준 및 실제 단면적에 기초하여 실제 연료핀 조건을 정합시키기 위하여 기준 플럭스 형태 인자로부터 연료핀 플럭스 형태 인자를 조정하기 위하여 보정 모델을 사용한다:

여기에서, Σ_a ^g' 및 Σ_{g→ g'}는 각각 흡수 및 분산(에너지 그룹 g'에서 g로) 단면들을 나타내며, 'ref' 와 'act'는 기준 및 실제 연료핀 단면들을 나타낸다. 상기 설명한 공정의 흐름도가 도 6에 도시된다.

종래기술의 방법은, 각 연료봉의 실제 이력을 고려하지 않는다. 달 말하면, 연료 조립체의 실제 이질성은 조립체의 평균 소모 이력(연소)에 주로 의존하며 그러한 이력에 도달하기 위하여 취해진 경로(거기에 도달한 방법)에는 덜 의존한다. 종래기술의 연료핀 파워 방법은 상술한 전제가 정상 작동 중의 전체 파워에서 통상 운전되고 플래트 고장의 경우외에는 그레이 로드들이나 제어봉들 적극적으로 이동시키지 않는 종래의 PWR 플랜트에 대해 인정가능하므로 대부분의 PWR에 대해 양호하게 작동한다.

물을 증발시키는 원자로 및 AP 1000 설계와 같은 새로운 가압수 원자로들에서 발생하는 바와 같이 정상 플랜트 작동 동안 제어봉들이 삽입되거나 그레이 로드들이 이동되면 상황은 완전히 다르다. 제어봉을 삽입하면 조립체의 이질성에 중대한 변화가 초래된다. 이러한 순간적인 제어봉 삽입 충격은 부가적인 격자 코드 연산을 통해 파악될 수 있다. 그러나 이러한 충격은 연료 소모와 함께 축적된다. 연료 소비 동안의 제어봉 삽입에 따른 이질적인 변화는 제어봉 삽입이 없는 경우와 크게 다르다. 이는 노심에 연료봉들이 언제, 어디서, 그리고 어떠한 조건 하에서 삽입되고 얼마나 오랜 동안 삽입된 연료봉들이 머무를 것인지 알 지 못하므로 종래기술의 방법에서는 커다란 문제를 발생한다. 이 문제는 본 발명에 따라 연료핀 단면들이 개별 핀 기초에서 취해지면 큰 문제는 아니다.

종래기술의 방법의 결과를 개선하기 위하여 다양한 연구들이 수행되었다. 취해진 조치는 상이한 조건들 하에서의 많은 다른 제어봉들의 이력에 대한 연료핀 파워 형태 인자들을 생성하여 이들을 표로 작성하였다. 많은 양의 격자 코드 계산을 부가하여도, 종래기술의 방법은 여전히 모든 조건들에 대한 정확한 노심 파워 분포 프로파일을 예측하는 만족스런 모델을 줄 수는 없다. 이는 계산들에 사용된 핀 파워 형태 인자가 연료 조립체의 실제 이질성을 나타내지 못하기 때문이다.

본 발명의 방법은 각 연료봉(핀)을 직접 취급한다. 조립체의 평균 연소 대신에, 본 발명의 방법은, 연료봉 연소 및 연료봉 단면들을 얻기 위하여 제조부터 현재 상태까지의 이력에 걸쳐 계산/축적된 스펙트럼 이력(영향, 신속 중성자 레벨의 시간 적분)을 사용한다. 각 연료봉의 이들 두 가지 파라미터들은 연료봉의 현재 상태를 규정할 뿐이 아니라 이력의 경로를 반영한다. 연료 조립체 이력이 아무리 복잡하여도 본 발명의 방법은, 이들 두 가지 파라미터들에 기초하여 항상 연료봉 단면들을 계산할 수 있으며(예컨대, Σ_a 연료봉 흡수 단면적, κΣ_f 연료봉 분열 에너지 방출 단면적), 상기 두 가지 파라미터들을 추적함으로써 각 연료봉의 이력을 따르므로 연료봉 단면들이 연료 조립체의 이질성과 정합시킨다. 또한, 수학식 3의 보정을 통하여, 연료핀 플럭스 형태 인자들은 실제 조립체의 이질성에 대응한다. 따라서, 본 발명의 방법은, 실제 연료 조립체와 각 개별 연료봉의 이력을 자동으로 파악한다.

본 발명의 방법은 연료 조립체 데이터 생성 동안 상이하고 복잡한 이력 계산을 수행할 필요가 없다. 본 발명의 방법은 시간에 걸쳐 연료핀 실제 이력을 따르고 핀의 셀 데이터(순간 단면에 대한 데이터)를 연료핀 실제 이력에 기초하여 직접 계산한다. 따라서, 본 발명의 방법은 모든 종류의 연료봉들과 신중한 연소가능한 흡수기 삽입 및 후퇴 시나리오들을 다룰 수 있을 것이다.

많은 국립 연구소와 대학들에서 현재 연구되고 있는 연료핀 계신에 의한 전체 연료핀과 달리 본 발명의 방법은, 각 핀에 대해 확산 또는 이송 방정식을 사용(NGM-다음 생성 방법)하지 않을 것이다. 대신에, 핀-바이-핀 플럭스를 단순 조정하기 위하여 1.5 그룹형 방법을 채용한다. 반복 및 핀-바이-핀 커플링의 필요가 없으므로 이 방법은 NGM보다 더욱 신속하며, 반면에 이송 결과는 양호하게 재생된다. 본 발명의 방법은, 종래기술의 방법과 비교해서, 컴퓨터 처리 유닛 시간 증가가 매우 작다.

또한, 핀 이력 데이터(연소 및 영향)가 대부분의 설계 코드(예컨대, ANC)에 필요하다. 따라서, 특정의 부가적인 개별 핀 데이터를 저장할 필요가 없다. 개별 연료핀 정보는 데이터의 커다란 덩어리이다. 특정의 부가적인 개별 핀 데이터의 저장은 NGM의 가장 커다란 문제의 하나인 디스크 요구와 충격 코드 성능을 크게 증대시킬 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 어느 종류의 제어봉 이력에 대한 핀 파워의 예측 또는 신중한 연소가능한 제어봉 삽입 및 후퇴를 개선시킬 것이다. 또한, 본 발명의 방법은, 재 균질화를 위하여 요구되는 개별 단면들과 플럭스를 계산한다. 이 방법이 적용되면 매우 저렴하고 효율적인 방식으로 재-균질화를 수행할 수 있음을 이는 의미한다. 재-균질화는 조립체 휨(bow), MOX/UO2 노심 분석, 노심 주변 조립체들의 파워 오-평가, 등과 같은 많은 현존하는 노심 문제들을 직접 해결하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들이 상세하게 설명되었으나, 이 기술 분야의 당업자들은 이들 상세한 내용에 대한 다양한 수정, 변경 및 대체가 본 발명의 개시의 전체적인 교시를 통해 이루어질 수 있음을 이해해야 할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예들은 예시적일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위와 그 모든 균등물들의 전체 폭에 걸쳐 주어지는 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.

10: 원자로 압력용기
14: 원자로 노심
18: 열교환기
22: 연료조립체
28: 제어봉
40: 상부 노심판
42: 관통공
52: 스파이더 조립체
58: 바닥노즐
66: 연료봉
70: 연료 펠릿

Claims (6)

1. 핵 연료조립체의 연료봉 파워 분포에 의해 축방향 및 반경 방향의 연료봉을 모델링하는 방법으로서:
   a) 연료조립체의 중성자 에너지를 일정 수의 에너지 그룹으로 분류하는 단계;
   b) 개별적으로 일정 수의 축방향 증분에 걸쳐 연료 조립체 내부의 각 연료봉을 고려하는 단계;
   c) 일정 수의 기준 값들과 실제 연료봉 및 연료 조립체 이력에 기초하여 카파-분열(kappa fission)과 중성자 플럭스 형태 인자들을 계산하는 단계;
   d) 연료 조립체의 인접하는 연료봉들의 그룹에 대한 동질의 중성자 플럭스 값을 생성하는 단계;
   e) 동질의 플럭스들과 플럭스 형태 인자들로부터 각각 인접하는 연료봉 그룹들의 각각의 일정 수의 이질적인 중성자 플럭스들을 계산하는 단계; 및
   f) 모든 수의 에너지 그룹들에 걸친 이질적징 중성자 플럭스와 계산된 카파-분열들의 곱의 합과 상수의 곱으로부터 각 연료봉의 파워를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉의 모델링 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 플럭스 형태 인자는 연료봉의 성분과 첨가물의 함수인 연료봉의 모델링 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   연료봉들의 이력을 시물레이션하기 위하여 각 연료봉에 대해 초기에 결정된 연료봉 형태 인자들의 각각은 연료 조립체의 노심 내부 설치 이력을 고려하지 않은 기준 플럭스 형태인자인 것을 특징으로 하는 연료봉의 모델링 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   연료 조립체로의 제어봉의 삽입의 가정 이력의 연료봉 연소에 대해 미치는 영향을 고려하도록 기준 플럭스 형태 인자들을 조정하는 단계를 포함하는 연료봉의 모델링 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어봉들은 연료 조립체의 작동 사이클의 일정 비율 동안 연료 조립체 내에 삽입되는 것으로 상정되는 것을 특징으로 하는 연료봉의 모델링 방법.
6. 제 3 항에 있어서,
   플럭스 형태 인자의 조정은 노심 내의 이전의 장전 사이클에 걸친 각 연료 조립체에 의해 경험된 설치, 국부적인 파워, 및 연소를 포함하는 연료 조립체의 이전의 이력을 고려하는 것을 특징으로 하는 연료봉의 모델링 방법.

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