Core Design of 3.5 MWth Heat Pipe-Cooled Microreactor Using TRISO Fuel = TRISO 연료를 이용한 3.5 MWth 히트파이프 냉각형 마이크로원자로 노심 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microreactors are being considered as compact and transportable energy systems that can provide electricity and heat for applications where grid dependence is limited or where power resilience is required. Among various concepts, heat pipe–cooled microreactors utilize passive heat removal through heat pipes, enabling a simplified primary system without active pumping. However, designing a compact core that supports long-life operation while maintaining controllable reactivity and acceptable power distribution remains a important design task, particularly for TRISO-fueled, graphite-moderated configurations. This thesis presents a neutronics-based reference core design for a TRISO-fueled heat pipe microreactor. The design approach aligns with recent microreactor developments, incorporating the eVinci philosophy of TRISO fuel, passive heat pipe cooling, and drum-based reactivity control. Heat pipe specifications are referenced from the INL gHPMR model, while TRISO fuel specifications are adopted based on the AGR program. The design criteria include a transportable modular configuration (diameter ≤ 2.5 m), long-life operation (at least 3 MWth for over five years), and inherent safety supported by negative reactivity feedback and a dual shutdown system. As this study focuses on neutronic feasibility without coupled thermal-hydraulic analysis, the heat removal capacity was conservatively limited to 10 kW per heat pipe. This constraint served as a primary sizing driver for the core layout, accounting for uncertainties such as manufacturing tolerances and potential performance degradation. Neutronic evaluations are performed using the Monte Carlo code McCARD with ENDF/B-VII.1 nuclear data, and the TRISO double-heterogeneous fuel is modeled using the FCEL function with the RPT method to support full-core depletion calculations. The core is developed from a unit-cell–based fuel-block design to a 55-block prismatic, graphite-moderated reference configuration. At the fuel-block level, multiple candidate layouts were examined by varying the arrangement of fuel pins and embedded heat pipes. A more centrally concentrated fuel-pin region was also considered by using a reduced pitch in the fuel region, to improve neutron economy within the compact core. This differs from the more uniformly distributed pin lattice typical of PWR fuel assemblies and was considered under compact-core constraints. Under the assumptions applied in this study, the core sustains 3.5 MWth for approximately six years and meets the stated long-life criterion. The neutron flux spectrum remains thermal-energy dominant over the cycle, and power distribution is examined using axial and radial peaking indicators. Temperature reactivity coefficients remain negative over the evaluated range, and the dual control system using control drums and shutdown rods provides reactivity control and shutdown capability under representative conditions. Overall, this thesis provides a reference core configuration and a stepwise neutronic process for a TRISO-fueled heat pipe microreactor, spanning from fuel-block design to full-core assessment. The resulting model and results serve as a starting point for future work that incorporates thermal-hydraulic coupling, shielding, and other considerations, along with further tuning of fuel-block design and reactivity management options.

국문 초록 (Abstract)

마이크로원자로는 전력망 의존도가 낮거나 에너지 회복탄력성이 요구되는 다양한 응용 분야에 신뢰할 수 있는 전력과 열을 공급할 수 있는 소형 수송형 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 다양한 개념 중 히트파이프 냉각형 마이크로 원자로는 히트파이프를 통한 피동형 열 제거 방식을 활용하여 능동적인 펌프 구동 없이 계통을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 TRISO 연료와 흑연 감속재를 사용하는 노심의 경우, 제한된 노심 부피 내에서 장주기 운전을 달성하면서도 반응도 제어성과 출력분포 특성을 함께 만족시키기 위해 설계 단계에서의 일관된 핵특성 평가가 필요하다. 본 논문은 TRISO 연료와 히트파이프 수동 냉각을 적용한 마이크로원자로에 대해, 핵특성 관점의 노심 설계를 제시한다. 설계는 최근의 마이크로 원자로 개발 동향에 따라TRISO 연료, 히트파이프 냉각, 드럼 기반 반응도 제어 개념을 포함하는 eVinci의 설계 철학을 참고하였으며, 히트파이프 사양은 INL gHPMR 모델을 참고하였고, TRISO 연료 사양은 AGR 프로그램을 바탕으로 채택하였다. 주요 설계 기준으로는 노심 직경 2.5m 이하의 수송 가능한 모듈형 구성, 최소 3 MWth 출력에서 5년 이상의 장주기 운전, 그리고 음의 반응도 피드백과 제어드럼·정지봉을 이용한 이중 정지 개념을 통한 고유 안전성 확보로 설정하였다. 본 연구는 열수력 연계 해석을 수행하지 않고 핵특성 타당성 평가에 초점을 두었으므로, 제작 편차 및 성능 저하와 같은 불확실성을 고려하여 히트파이프 1개당 열제거 용량을 10 kW로 보수적으로 제한하고 이를 노심 설계의 주요 인자로 활용하였다. 핵특성 해석은 McCARD를 이용하여 ENDF/B-VII.1 핵자료 기반으로 수행하였으며, 효율적인 계산으로 노심 연소 해석을 수행하기 위해 FCEL 기능과 RPT 기법을 활용하여 TRISO 연료의 이중 비균질성을 모델링하였다. 노심 설계는 단위 셀 기반의 연료 블록 설계에서 시작하여 55개 블록으로 구성된 블록형 흑연 감속 모델을 기준으로 설계하였다. 연료 블록에서는 연료 핀과 히트파이프 배치에 따라 여러 후보 형상을 검토하였고, 제한된 노심 내 중성자 경제성을 개선하기 위해 연료 간의 간격을 줄여 블록 중앙부로 더 밀집시킨 형상을 고려하였다. 이는 일반적인 가압경수로(PWR) 연료 집합체의 균일한 격자 구조와 차별화되는 특징이며, 소형 노심이라는 제약 하 고려된 선택이다. 적용된 가정에 따라, 노심은 3.5 MWth 출력을 약 6년 동안 유지하여 명시된 장주기 설계 기준을 충족하였다. 중성자속 스펙트럼은 전 주기에 걸쳐 열중성자 영역이 지배적임을 확인하였으며, 출력 분포는 축방향 및 반경방향 첨두출력계수를 통해 검토되었다. 온도 반응도 계수는 설정한 범위에서 음의 값을 유지하였으며, 제어드럼과 정지봉으로 구성된 이중 제어계통은 대표적인 조건 하 반응도 조절 및 정지능력을 입증하였다. 종합하면, 본 논문은 TRISO 연료 기반 히트파이프 마이크로원자로에 대해 연료블록 설계부터 전노심 평가까지의 단계적 핵특성 평가 절차와 기준 노심 모델을 제시한다. 제시된 모델과 연구 결과는 향후 열수력 연계, 차폐 및 기타 고려 사항이 반영된 후속 연구뿐만 아니라, 연료 블록 배치 및 반응도 관리를 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Motivation 1
• 1.2. Purpose and Scope 3
• Chapter 2. Theoretical Background 5
• 2.1. Microreactors 5
• 2.2. Heat pipe 7
• 2.2.1. Operating Principles 7
• 2.2.2. Operating Limits 9
• 2.2.3. Wick Structures and Working Fluids 13
• 2.3. Heat Pipe-cooled Reactor 16
• 2.3.1. Concept of Heat Pipe-cooled Reactor 16
• 2.3.2. Reactor System Configuration and Key Features 17
• 2.3.3. Considerations and Challenges 18
• 2.3.4. Application Areas 23
• 2.3.5. Representative HPR Concepts 26
• 2.4. TRISO Fuel 30
• 2.4.1. Overview of TRISO Fuel 30
• 2.4.2. Structure and Key Performance Characteristics 31
• 2.4.3. TRISO Fuel Forms in Pebble-Bed and Prismatic Cores 34
• 2.5. Reference Core 37
• 2.5.1. Westinghouse eVinci Microreactor 37
• 2.5.2. Generic Heat Pipe Microreactor (gHPMR) 39
• Chapter 3. Computational Code and Methodology 41
• 3.1. McCARD 41
• 3.2. RPT Method 44
• Chapter 4. Core Design 47
• 4.1. Core Design Criteria and Strategy 47
• 4.2. Fuel and Heat Pipe Specifications 50
• 4.2.1. Fuel Specifications 50
• 4.2.2. Heat Pipe Specifications 56
• 4.3. Core Configuration 58
• 4.3.1. Heat Pipe Inventory and Block Level Allocation 58
• 4.3.2. Design Trade-Off and Core Selection 59
• 4.3.3. Fuel Block Design 62
• 4.3.4. Core Design Optimization 75
• 4.4. Reference Core Specification 82
• Chapter 5. Core Analysis 83
• 5.1. Core Depletion Analysis 86
• 5.2. Neutron Flux Spectrum Analysis 88
• 5.3. Power Distribution 89
• 5.3.1. Radial Power Distribution 89
• 5.3.2. Axial Power Distribution 91
• 5.3.3. Power Peaking Factor 93
• 5.4. Reactivity Coefficients 95
• 5.5. Reactivity Control and Shutdown Devices 97
• 5.5.1. Reactivity Control Mechanisms 97
• 5.5.2. Reactivity Worth 99
• 5.6. Additional Design Considerations 101
• 5.6.1. Preliminary Shielding Considerations 102
• 5.6.2. Burnable Absorber Concept Using QUADRISO 103
• Chapter 6. Conclusion 107
• Bibliography 109
• Abstract in Korean (국문 초록) 113