초록 ▼

본 과제에서는 가압경수로 설계용 고효율 고성능 몬테칼로 코드개발을 목표로 새로운 몬테칼로 코드 MCS를 개발하였다. 개발 목표로 설정하였던 전산시간 목표치는 모두 초과달성하였으며, 세계최초로 핵연료봉 연소계산과 열수력 피드백을 고려하여 가압경수로 1주기 계산 결과를 도출하였다.

전산시간 목표
- 기존 상용 몬테칼로 코드 대비 성능 (FOM) 100배 향상
핵연료봉 단위 tally 수가 33개인 경우 상용 몬테칼로 코드 MCNP보다 4,000배 빠른 전산속도를 확인하였다.

- 1시간내 봉출력 1%

본 과제에서는 가압경수로 설계용 고효율 고성능 몬테칼로 코드개발을 목표로 새로운 몬테칼로 코드 MCS를 개발하였다. 개발 목표로 설정하였던 전산시간 목표치는 모두 초과달성하였으며, 세계최초로 핵연료봉 연소계산과 열수력 피드백을 고려하여 가압경수로 1주기 계산 결과를 도출하였다.

전산시간 목표
- 기존 상용 몬테칼로 코드 대비 성능 (FOM) 100배 향상
핵연료봉 단위 tally 수가 33개인 경우 상용 몬테칼로 코드 MCNP보다 4,000배 빠른 전산속도를 확인하였다.

- 1시간내 봉출력 1% 통계오차 (95/95) 계산
BEAVRS 벤치마크 전노심 계산 시 1% 통계오차 (95/95)달성을 위하여 필요한 시간은 14분으로 목표치 1시간을 초과 달성하였다.

가압경수로 해석을 위하여 전노심 해석용 3차원 몬테칼로 코드 개발, OTF 핵단면적 자료생산 기능, 열수력 코드 커플링, 임계붕소 농도 추정 기능 등을 개발하였고, 전산시간 향상을 위하여 고성능 핵단면적 라이브러리 개발, parallel fission bank, tally indexing 기법 등을 개발하였다. 자세한 연구 개발 결과는 아래와 같다.
1. 몬테칼로 계산에 사용될 ACE 형식 연속에너지 핵단면적 자료를 생산하였다.

2. 열수력 피드백에 따른 핵단면적 도플러확장 효과를 고려하기 위하여 OTF(On-The-Fly) 핵단면적 자료 생산 모듈 OpenW 모듈을 연계하였다.

3. 전노심 해석용 3차원 몬테칼로 코드를 개발하였다.
- 중성자의 충돌 반응을 모사하는 전산코드를 개발하였다.
S(α,β), 탄성충돌, 비탄성충돌, resonance upscattering (DBRC), probability table 등
- Parallel Fission bank 알고리즘을 도입하여 효율적인 병렬계산 기능을 구현하였다.
- 효율적인 원자로 모델링을 위하여 Universe/Lattice 기능을 구현하였다.

4. 원자로 운전에 따른 핵연료의 수밀도 변화를 모사하기 위한 연소계산 모듈을 구현하였다.

5. 출력분포에 따른 핵연료와 냉각재의 온도와 밀도를 계산하기 위하여 열수력 코드 TH1D와 연계하였다.

6. 몬테칼로 비활성/활성 주기를 가속하기 위하여 CMFD (Coarse Mesh Finite Difference Method)와 MPM (Modified Power Method)을 개발 하였다.

7. VERA, BEAVRS, ICSBEP, Analytic 벤치마크 문제 등을 활용하여 전산코드의 정확성을 검증하였다.

8. 국내외에서 널리 사용되는 몬테칼로 코드 McCARD, Serpent, MCNP와 비교하여 성능을 검증하였다.

9. 가압경수로 벤치마크 문제 BEAVRS 1주기 계산을 수행하여 개발된 코드의 활용성과 성능을 검증하였다.

(출처 : 요약서 5p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results of research
In this project, a new Monte Carlo code, MCS, has been developed with high performance and accuracy for commercial PWR design. The initial target value of computational time is exceeded, and the calculation result of PWR 1 cycle considering fuel pin-wise burnup and thermal/

Ⅳ. Results of research
In this project, a new Monte Carlo code, MCS, has been developed with high performance and accuracy for commercial PWR design. The initial target value of computational time is exceeded, and the calculation result of PWR 1 cycle considering fuel pin-wise burnup and thermal/hydraulic feedback is presented first time in the world.

Achievement on the computational time
- 100 times improvement of performance (FOM) compared to existing conventional Monte Carlo codes.

When the number of tally per one fuel rods is 33, the improvement of the computational time is 4,000 times faster than the conventional Monte Carlo code, MCNP.
- Achievement of the computational time within 1 hour satisfying with fuel pin power calculation within 1% statistical error (95/95).

In the BEAVRS benchmark whole core calculation, the computational time satisfying with fuel pin power calculation within 1% statistical error (95/95) takes 14 minutes which is excessively achieved compared to target time of 1 hour.

For the analysis of pressurized water reactor, development of 3-dimensional Monte Carlo code for whole core analysis, OTF function for neutron cross section data generation, coupled neutronics with thermal hydraulic code and critical boron concentration search function have been performed in research project. For the improvement of the computational time, various acceleration techniques have been developed such as parallel fission bank and tally indexing technique, etc. Detailed research contents and results are presented as follows:
1. Development of continuous energy cross section library for Monte Carlo PWR core analysis.

2. Implementation of OTF (On-The-Fly) cross section data generation module and OpenW module for considering doppler broadening effect by thermal/hydraulic feedback.

3. Development of Monte Carlo code for 3-dimensional whole core analysis
- Development of kernel for simulating neutron scattering reaction.
S(α,β), elastic scattering, inelastic scattering, resonance upscattering(DBRC), probability table.
- Development of parallel Fission bank algorithm for efficient parallel calculation.
- Development of Universe/Lattice system for efficient and convienient core modelling.

4. Development of depletion module for tracking isotopic inventory of nuclear fuel according to reactor operation.

5. Development of coupled Monte Carlo code with thermal/hydraulic code, TH1D, for calculating temperature and density of fuel and coolant with reactor power.

6. Development of CMFD (Coarse Mesh Finite Difference Method) and MPM(Modified Power Method) for accelerating inactive and active cycles.

7. Verification and validation of a developed Monte Carlo code using VERA, BEAVRS, ICSBEP, Analytic benchmarks.

8. Verification and performance test of a developed Monte Carlo code with conventional Monte Carlo codes such as McCARD, SERPENT, MCNP.

9. Verification on performance and applicability of developed Monte Carlo code in 3D whole core analysis by performing BEAVRS benchmark 1 cycle calculation.

(출처 : SUMMARY 11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 5
• 요 약 문 ... 7
• SUMMARY ... 10
• Table of contents ... 14
• 목차 ... 16
• 제 1장 연구개발과제의 개요 ... 18
• 제 1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 19
• 제 2절 연구개발의 목표 및 범위 ... 21
• 제 3절 연구개발의 추진 전략 ... 21
• 제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 28
• 제 1절 평가핵자료 전산체계구축 ... 28
• 1 ACE 포맷 연속에너지 핵단면적 자료 생산 ... 28
• 2 OTF 핵단면적 생산 모듈 구현 ... 34
• 제 2절 전노심 해석용 3차원 몬테칼로 코드 개발 ... 44
• 1 코드 개발 개요 ... 44
• 2 코드 개요 ... 45
• 3 중성자 충돌 커널 ... 48
• 4 병렬계산 알고리즘 구현 ... 50
• 5 Tally indexing 기법 개발 ... 54
• 6 Double-indexing 기법 개발 ... 58
• 7 연소계산 모듈 개발 ... 62
• 8 제논 수밀도 피드백 기능 개발 ... 71
• 9 열수력 코드 TH1D 연계모듈 개발 ... 80
• 10 입력/출력 시각화 모듈 개발 ... 85
• 제 3절 몬테칼로 코드 가속 기법 개발 ... 90
• 1 CMFD 기법 개발 ... 90
• 2 MPM 기법 개발 ... 116
• 제 4절 벤치마크 검증계산 수행 ... 131
• 1 Analytic 벤치마크 ... 131
• 2 VERA 벤치마크 ... 143
• 3 ICSBEP 벤치마크 ... 148
• 제 5절 BEAVRS 벤치마크 1주기 ... 154
• 1 BEAVRS 벤치마크 ... 154
• 2 BEAVRS HZP 계산 ... 158
• 3 BEAVRS HFP 계산 ... 162
• 4 BEAVRS 1주기 계산 ... 167
• 제 6절 몬테칼로 코드 성능 비교 분석 ... 180
• 1 전산 시간 분석 ... 181
• 2 메모리 요구량 분석 ... 188
• 3 1시간 내 1% 상대오차 (95/95 신뢰도) 전노심 봉출력 계산 결과 ... 193
• 제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 195
• 제 1절 목표달성도 ... 195
• 제 2절 관련분야에의 기여도 ... 197
• 제 5장 연구개발결과의 활용계획 ... 198
• 제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 200
• 제 1절 몬테칼로 코드 개발 ... 200
• 제 2절 벤치마크 문제 ... 201
• 제 7장 연구개발성과의 보안등급 ... 202
• 제 8장 연구장비의 구축 및 활용 결과 ... 203
• 제 9장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 ... 204
• 제 10장 참고문헌 ... 205
• 부록 A: Multipole OTF DB method ... 207
• 부록 B: Research on the MPM ... 227
• 끝페이지 ... 301