Application of the Modified Rod Drop Technique for Shut-Off Rod Worth Estimation in HANARO using Time-Dependent Monte Carlo Simulations = 시간종속 몬테칼로 모의를 이용한 하나로 원자로 정지봉가 추정을 위한 수정된 봉 낙하 기법의 적용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The accurate evaluation of the shut-off rod (SOR) worth is essential for the safe and reliable operation of research reactors, as it directly determines the reactor’s shutdown capability and transient response. The conventional rod-drop technique, which interprets detector signals using point-kinetics equations(PKEs), neglects the change in the neutron flux distribution during large reactivity insertions such as shut-off rods insertions in the reactor. As demonstrated in recent studies, neglecting the spatial effect of the neutron flux causes the detector response to depend on its position, raising concerns about whether the measured reactivity can truly represent the global reactivity behavior of the reactor.
In this study, the modified rod drop technique is applied to the HANARO research reactor to account for the time-dependent spatial effect of the neutron flux during shut-off rod insertions. In this approach, the conventional rod drop method is refined by introducing a correction factor that allows the detector signal to reflect the change of the flux shape function over time.
During the HANARO shut-off rod drop experiments, reactor signals are measured from three ex-core detectors, while the correction factor is obtained from Time-Dependent Monte Carlo (TDMC) simulations using the McCARD/G code. For the correction factor, the flux is tallied both at the detector locations and throughout the entire core in order to account for the time-dependent variation of the flux shape function. Using these data, a normalized amplitude function is derived and used to compute the dynamic reactivity through three methods: extrapolation, inverse, and integral counting methods. The dynamic reactivity values are finally compared with the reference static reactivity worth obtained from eigenvalue calculations.
The application of the modified rod drop technique results in dynamic reactivity estimates that closely agreed with the reference static reactivity obtained from eigenvalue calculations. The spatial dependence of the estimated rod worth, which originated from the detector positions, was significantly reduced through the proposed correction process. Moreover, the consistency among the reactivity values measured from detectors at different locations within the reactor is greatly improved, demonstrating that the corrected detector signals can effectively represent the global reactivity behavior of the core during shut-off rod transients.

국문 초록 (Abstract)

연구용 원자로에서 정지봉의 반응도가는 원자로의 안전정지 능력 평가, 운전한계 설정, 과도해석 모델 검증을 위해 반드시 확보해야 하는 핵심 물리량이다. 가장 실용적인 측정기법으로 널리 사용되어 온 봉 낙하(rod-drop) 실험은 고전적 점동역학(PKE)을 기반으로 동적 반응도를 산출하지만, 과도 과정에서 발생하는 중성자속의 공간적 재분포를 반영하지 못한다는 근본적 한계를 갖는다. 특히 외부 계측기는 반응도 변화 시 국소적 중성자속 형태의 변화를 그대로 반영하게 되므로, 동일한 봉 낙하 실험에서도 계측기 위치에 따라 동적 반응도가 서로 다르게 나타나는 위치 의존성 문제가 발생한다. 이러한 문제는 정지봉가 측정값의 신뢰도를 저하시키며, 원자로 전역 반응도를 대표할 수 있는 단일 값의 도출을 어렵게 만든다.
본 연구의 핵심 목표는 기존 봉 낙하 기법의 위치 의존성 문제를 해결하기 위한 신호 보정 방법을 채택하고, 이를 실제 연구용 원자로인 HANARO에 적용하여 그 유효성을 실험적으로 입증하는 데 있다. 이를 위해, McCARD/G 기반 시간종속 몬테칼로(TDMC) 계산을 활용하여 봉 낙하 실험 동안 원자로 내 계측기 위치에서의 중성자속과 원자로 전체 중성자속의 분포를 측정하였으며, 이를 활용하여 실제 실험에서 측정된 계측기 신호를 보정하였다. 이 보정 과정은 봉 낙하로 인한 중성자속 분포 변화를 반영하여 계측기별로 서로 다르게 나타나는 국소적 민감도를 제거하고, 모든 계측기 신호를 원자로 전역의 진폭변화에 상응하는 단일 기준 신호로 정규화하는 역할을 수행한다.
HANARO에서 수행된 네 가지 정지봉 낙하 실험에 본 계측기 신호 보정을 적용한 결과, 보정 이전에는 동일한 실험 조건임에도 불구하고 세 계측기 간 동적 반응도 값이 최대 수천 pcm까지 차이를 보였던 반면, 보정 이후에는 모든 계측기에서 도출된 동적 반응도가 서로 높은 일관성을 보이며 정적 반응도에 근접하는 값으로 수렴하는 것이 확인되었다. 특히 외삽법, 역산법의 반응도 해석기법 모두에서 동일한 개선 경향을 확인하였으며, 계측기 신호 보정이 봉가 측정의 신뢰도를 향상시킨다는 점을 실험적으로 입증하였다.
더 나아가, 본 연구에서는 계측기 신호 보정 기법의 물리적 타당성을 더욱 명확히 검증하기 위해, HANARO 정지봉 낙하 실험과 동일한 조건을 이상적 환경에서 재현한 TDMC 기반 수치실험을 수행하였다. 수치실험에서는 외삽법, 역산법, 적분 계수법의 세 가지 대표적 반응도 해석 기법 모두에서 계측기 간 일치성이 현저히 향상되었으며, 보정 전에 존재하던 동적 반응도와 정적 반응도 간 불일치가 보정 후에는 크게 해소되는 것이 확인되었다.
한편, 본 논문에서는 동적 반응도 보정 기법을 적용하여 동적 반응도와 정적 반응도 간의 오차를 보정하는 절차 및 결과 또한 부록에서 제시하였다. 그러나 이는 보조적 분석으로, 신호 보정 기법과 달리 계측기 위치 의존성을 근본적으로 제거하는 방법은 아님이 확인되었다.
종합적으로, 본 연구에서는 시간종속 몬테칼로 모의에 기반하여 봉 낙하 실험에서 나타나는 계측기 위치 의존성을 제거하는 수정된 봉 낙하 기법을 적용하고, 이를 실험과 수치해석을 통해 검증하였다. 본 연구 결과는 연구용 원자로의 제어봉 및 정지봉 반응도 측정의 신뢰성을 크게 향상시키며, 향후 고도화된 계측 기술 개발, 원자로 안전해석 모델의 개선 등 다양한 분야에서 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study background 1
• 1.2. Purpose and scope 3
• Chapter 2. HANARO Reactor and Modeling 6
• 2.1. Overview of the HANARO reactor 6
• 2.2. Experimental System 8
• 2.2.1 Ex-core detectors 9
• 2.2.2. Shut-off rods 11
• 2.3. Neutronic Modeling using McCARD/G 12
• 2.3.1. Calculation options 14
• 2.3.2. Calculation of Kinetic Parameters 15
• Chapter 3. Methodology of Reactivity Estimation 16
• 3.1. Static reactivity estimation 16
• 3.2. Dynamic reactivity estimation 17
• 3.2.1. Extrapolation method 19
• 3.2.2. Inverse method 21
• 3.2.3. Integral counting method 24
• Chapter 4. Modified Rod Drop Technique 28
• 4.1. Limitation of the Conventional Point-Kinetics-Based Rod Drop Analysis 29
• 4.2. Detector signal correction 32
• 4.2.1. Constraining the shape function 34
• 4.2.2. Shape function at detector position 36
• Chapter 5. Application to Experiments 39
• 5.1. Detector signal correction factor analysis 40
• 5.2. Dynamic reactivity estimation in rod-drop experiments 44
• 5.2.1. Experiment 1 (SOR 1 Excluded) 44
• 5.2.2. Experiment 2 (SOR 2 Excluded) 47
• 5.2.3. Experiment 3 (SOR 3 Excluded) 50
• 5.2.4. Experiment 4 (SOR 4 Excluded) 53
• 5.3. Summary of R.Diff in Experiments 56
• Chapter 6. Application to Numerical Experiments 58
• 6.1. Dynamic reactivity estimation in rod-drop simulations 60
• 6.1.1. Simulation 1 (SOR 1 Excluded) 60
• 6.1.2. Simulation 2 (SOR 1 & 2 Excluded) 63
• 6.2. Summary of R.Diff in Numerical Experiments 66
• Chapter 7. Conclusion 69
• Bibliography 72
• Appendix 74
• A1. Dynamic Reactivity Correction 74
• A1.1. Application of dynamic reactivity correction in Experiments 78
• Abstract in Korean (국문 초록) 81
• Acknowledgement (감사의 글) 83