[논문 리뷰] Radial Distributions of Power and Isotopic Concentration in Candidate ATF U3Si2 and UO2/U3Si2 Fuel with FeCrAl Cladding

Shengli Chen, Cenxi Yuan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 10.

Nuclear reactor physics and engineering참고 문헌 21인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 사고 내성 연료(ATF) 시스템, 특히 U3Si2 및 UO2/U3Si2와 FeCrAl 피복재를 포함한 다양한 연료-피복 조합에서 반경 방향 전력, 연소도 및 동위원소 농도 분포를 모델링하는 분석 함수 f(x,s)를 제안한다. 이 함수는 탈성 시간 s에 대한 2차 다항식이며, 반경 위치 x에 따라 변하는 지수 계수를 포함한다. 이 함수는 최소한의 편차로 여러 연료-피복 조합에서 반경 방향 특성을 정확하게 예측하며, 효율적인 중성자 및 열유체역학 결합 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Monte Carlo simulations show similarity on radial distributions of power and isotopic concentration at any effective depletion time among five kinds of fuel-cladding combinations with the same cycle length, including the normal UO2-zircaloy combination, the candidate Accident Tolerant Fuel (ATF) UO2/U3Si2-FeCrAl combination, and three kinds of candidate ATF U3Si2-FeCrAl combinations. An analytical formula f(x,s) including the depletion time (s) and the relative radial (x) is proposed to describe the radial properties for all five kinds of fuel-cladding combinations. f(x,s) has the form of the second order polynomial term of s with the exponential type of coefficients depending on x. It is shown that the suggested function f(x,s) gives a nice description on the simulation data with rather small deviations and can immediately provide radial distribution of power, burnup, and isotopic concentration of 235,238U and 239,241Pu at any effective depletion time and relative radius. It is useful to discuss the fuel temperature through the present analytical formula. The present work provides an analytical formula to describe the radial properties of the ATF which is expected to be helpful for further neutronic and multi-physics coupling study.

연구 동기 및 목표

• 다양한 연료 조성과 피복재를 가진 사고 내성 연료(ATF)의 반경 방향 전력 및 동위원소 농도 분포를 일반화된 분석 모델로 개발한다.
• 반복적인 몬테카를로 시뮬레이션 없이도 임의의 유효 탈성 시간에서 반경 방향 특성을 신속하게 예측할 수 있도록 한다.
• 연료 성능 분석을 위한 계산 비용이 적은 도구를 제공하여 다물리학 결합 연구를 지원한다.
• 동일한 사이클 길이에서 UO2-지르칼로이 및 U3Si2/FeCrAl 변형을 포함한 여러 연료-피복 조합에 대해 모델을 검증한다.
• 반경 방향 전력 프로파일을 연료 온도 예측과 연결하여 열유체역학 분석을 용이하게 한다.

제안 방법

• 동일한 사이클 길이를 가진 다섯 가지 연료-피복 조합에서 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 전력, 연소도 및 동위원소 농도(235,238U 및 239,241Pu)의 반경 방향 분포를 생성한다.
• 함수 f(x,s) = a(x)s² + b(x)s + c(x)를 개발하며, 여기서 계수 a(x), b(x), c(x)는 반경 위치 x에 대한 지수 함수이다.
• 함수 f(x,s)를 시뮬레이션 데이터에 적합시켜 탈성 시간 s에 대한 2차 종속성과 반경 변화 x를 정확히 포착한다.
• UO2/U3Si2-FeCrAl 및 순수한 U3Si2-FeCrAl를 포함한 여러 ATF 구성 요소에서 모델을 검증하여 일관된 정확도를 보였다.
• 임의의 탈성 시간과 상대 반경에서 반경 방향 분포를 예측하기 위해 함수를 활용하여 빠른 파arametric 연구를 가능하게 한다.
• 반경 방향 전력 프로파일을 열거동과 연결함으로써 f(x,s)가 연료 온도 추정에 유용함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 분석 함수가 다양한 ATF 연료-피복 조합에서 반경 방향 전력 및 동위원소 농도 분포를 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 U3Si2 기반 ATF 연료에서 동위원소 농도 및 연소도의 반경 의존성이 유효 탈성 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 제안된 함수 f(x,s)가 최소한의 편차로 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 얼마나 정확히 재현하는가?
• RQ4 이 분석 모델이 ATF 설계에서 열유체역학 및 중성자학 시뮬레이션과의 효율적 결합을 가능하게 하는가?
• RQ5 ATF 시스템에서 주요 동위원소 및 전력의 반경 및 시간 의존적 행동의 기능 형태는 무엇인가?

주요 결과

• 분석 함수 f(x,s)는 몬테카를로 시뮬레이션 데이터로부터 최소한의 편차로 다섯 가지 연료-피복 조합에서 전력, 연소도 및 동위원소 농도(235,238U 및 239,241Pu)의 반경 방향 분포를 성공적으로 기술한다.
• 함수 f(x,s)는 탈성 시간 s에 대한 2차 다항식이며, 계수 a(x), b(x), c(x)가 반경 위치 x에 대한 지수 함수이므로 시간과 반경 의존성을 정확히 포착한다.
• 모델은 UO2-지르칼로이, UO2/U3Si2-FeCrAl 및 세 가지 U3Si2-FeCrAl 구성 요소에서 일관된 예측을 제공하여 동일한 사이클 길이를 가진 ATF 시스템에 대한 보편적 적용 가능성을 보여준다.
• 함수는 임의의 유효 탈성 시간 및 상대 반경에서 반경 방향 특성을 즉각적으로 추정할 수 있게 하여 반복 시뮬레이션 대비 계산 비용을 크게 감소시킨다.
• 반경 방향 전력 프로파일을 열거동과 연결함으로써 모델은 연료 온도 추정을 지원하여 다물리학 연구에서의 유용성을 높인다.
• 제안된 분석 프레임워크는 향후 세대 ATF 연료 설계를 위한 중성자학 및 다물리학 결합 연구를 가속화할 것으로 기대된다.