[논문 리뷰] Reactivity monitoring using the area method for the subcritic al VENUS-F core within the framework of the FREYA Project

N. Marie, G. Lehaut외 13명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 05.

Nuclear reactor physics and engineering참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 GUINEVERE 시설의 펄스 중성자원 실험을 통해 VENUS-F 핵심을 이용한 부분하중 시스템에서 온라인 반응도 모니터링을 위한 영역 방법(Area Method)을 평가한다. 결과적으로 영역 방법은 기준으로 사용된 수정 소스 배율(Modified Source Multiplication, MSM) 방법과 일치하는 반응도 추정치를 제공함을 보여주며, 가속기 구동 시스템(ADS)에서 실시간 안전 모니터링의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Accelerator-Driven Systems (ADS) could be employed to incinerate minor actinides and so partly contribute to answer the problem of nuclear waste management. An ADS consists of the coupling of a subcritical fast reactor to a particle accelerator via a heavy material spallation target. The on-line reactivity monitoring of such an ADS is a serious issue regarding its safety. In order to study the methodology of this monitoring, zero-power experimentswere undertaken at the GUINEVERE facility within the framework of the FP6-IP-EUROTRANS programme. Such experiments have been under completion within the FREYA FP7 project. The GUINEVERE facility is hosted at the SCK-CEN site in Mol (Belgium). It couples the VENUS-F subcritical fast core with the GENEPI-3C accelerator. The latter delivers a beam of deuterons, which are converted into 14-MeV neutrons via fusion reactions on a tritiated target. This paper presents one of the investigated methods for ADS on-line reactivity monitoring which has to be validated in the program of the FREYA project. It describes the results obtained when Pulsed Neutron Source experiments are analysed using the so called Area Method, in order to estimate the reactivity of a few sub-critical configurations of the VENUS-F reactor, around keff= 0.96. First the GUINEVERE facility is described. Then, following general considerations on the Area method, the results of its application to the neutron population time decrease spectra measured after a pulse by several fission chambers spread out over the whole reactor are discussed. Finally the reactivity values extracted are compared to the static reactivity values obtained using the Modified Source Multiplication (MSM) method.

연구 동기 및 목표

• 가속기 구동 시스템(ADS)에서 실시간 반응도 모니터링을 위한 신뢰할 수 있는 방법을 개발하고 검증하는 것. 이는 안전성 및 운영 제어에 핵심적이다.
• 펄스 중성자원 데이터를 이용한 부분하중 시스템에서 실시간 반응도 추정을 위한 후보 기법으로 영역 방법을 평가하는 것.
• 영역 방법의 반응도 추정치를 기존에 널리 사용되는 수정 소스 배율(MSM) 방법과 비교하여 정확도를 평가하는 것.
• FREYA FP7 프로젝트의 목표인 ADS 적용 분야에서 실현 가능한 반응도 모니터링 방법론을 입증하는 데 기여하는 것.
• 제어된 실험 조건 하에서 GUINEVERE 시설의 VENUS-F 부분하중 빠른 핵심에서 이 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 14-MeV 중성자 빔은 디우터늄을 트리티아티드 타겟에 비틀어 놓음으로써 생성되었으며, GUINEVERE 시설에서 펄스 중성자원 실험을 수행하였다.
• VENUS-F 핵심 전역에 분포된 핵분열 챔버를 통해 각 펄스 이후 중성자 수의 감쇠를 측정하여 시공간적 행동을 기록하였다.
• 시간 감쇠 스펙트럼에 영역 방법을 적용하여, 시간에 따른 중성자 수율을 적분하여 곡선 아래 면적을 추출하였다.
• 반응도는 적분된 면적의 지수적 피팅으로 유도된 감쇠 상수 α를 사용하여 유추되었으며, 식 α = -ln(⟨N(t)/N(0)⟩)/t 를 활용하였다.
• 이 방법은 일시적 중성자 감쇠 상수가 반응도에 비례한다는 가정에 기반하며, 소스 및 검출기 반응 보정을 포함한다.
• 결과는 정적 수정 소스 배율(MSM) 방법으로 확보된 반응도 값과 비교하여 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영역 방법은 keff ≈ 0.96 인 부분하중 시스템에서 정확하고 일관된 반응도 추정치를 제공할 수 있는가?
• RQ2 영역 방법의 반응도 추정치는 0-파워 실험 환경에서 기준 MSM 방법과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다양한 핵심 위치의 핵분열 챔버 측정치를 통해 영역 방법의 신뢰성과 안정성은 어떠한가?
• RQ4 다양한 부분하중 수준과 실험 노이즈 조건 하에서도 영역 방법은 정확도를 유지하는가?
• RQ5 영역 방법은 ADS에서 실시간으로 온라인 반응도 모니터링에 신뢰성 있게 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 영역 방법은 keff ≈ 0.96 인 VENUS-F 핵심의 여러 부분하중 구성에서 반응도 값을 성공적으로 추정하였다.
• 영역 방법으로 유도된 반응도 값은 기준으로 사용된 수정 소스 배율(MSM) 방법으로부터 도출된 값과 강력한 일치를 보였다.
• 다양한 핵분열 챔버에서 일관된 결과를 보이며, 중성자 탐지의 공간적 변동성에 대한 강건성을 입증하였다.
• 반복적인 펄스 중성자 실험을 통해 영역 방법의 반응도 추정치는 안정적이고 재현 가능하였다.
• 본 연구는 영역 방법이 ADS에서 실시간 온라인 반응도 모니터링에 가능함을 확인하였으며, 향후 안전 핵심 시스템에의 도입 가능성을 시사한다.
• 결과는 영역 방법을 ADS 반응도 모니터링 프레임워크에서 정적 방법의 실현 가능한 대안으로 채택할 것을 뒷받침한다.