소형 모듈형 원자로(SMR) 초임계 $\text{CO}_2$ 브레이턴 사이클 & 1,000Hz 0-Alloc C# 6군 지연중성자 점역학(Point Kinetics) 및 도플러 반응도 피드백 제어봉 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.NuclearReactor
{
    /// 

    /// 1,000Hz SMR 중성자 점역학 및 초임계 CO2 터빈 연계 제어봉(CRDM) 서보 제어기
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct SmrReactivityControlServo
    {
        // 원자로 물리 상수
        private const float BetaTotal = 0.0065f;             // 지연중성자 총 분율 (650 pcm)
        private const float PromptGenerationTimeSec = 2.0e-5f; // Lambda = 20 us
        private const float DopplerAlphaD = -2.5e-5f;        // 도플러 반응도 계수 (/K)
        private const float MaxControlRodSpeedStepsPerSec = 120.0f;

        // 서보 제어 상태
        public float ReactorPowerFraction;                   // 공칭 1.0 (100% 출력)
        public float EstimatedTotalReactivityPcm;
        public float FuelAverageTempC;
        public float ControlRodPositionSteps;
        public float ReactorPeriodSec;
        public bool IsScramTriggered;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            ReactorPowerFraction = 1.0f;
            EstimatedTotalReactivityPcm = 0.0f;
            FuelAverageTempC = 620.0f;
            ControlRodPositionSteps = 500.0f;
            ReactorPeriodSec = 999.0f;
            IsScramTriggered = false;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: 노외 핵계측 중성자속 및 sCO2 터빈 온도 기반 제어봉 스텝 구동
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepReactorControl(
            float exCoreNeutronFluxRaw, 
            float fuelThermocoupleC, 
            float sCo2TurbineDemandFraction,
            out float commandedRodStepsDelta, 
            out float estimatedReactivityPcm, 
            out float safetyTripMargin)
        {
            FuelAverageTempC = fuelThermocoupleC;

            // 1. 중성자속 1차 필터링 및 노심 열출력 산출
            float prevPower = ReactorPowerFraction;
            ReactorPowerFraction = ReactorPowerFraction * 0.99f + exCoreNeutronFluxRaw * 0.01f;

            // 원자로 주기(Reactor Period T) 역산: dn/dt = n / T
            float powerRatePerSec = (ReactorPowerFraction - prevPower) * 1000.0f;
            if (MathF.Abs(powerRatePerSec) > 1e-4f)
            {
                ReactorPeriodSec = ReactorPowerFraction / powerRatePerSec;
            }
            else
            {
                ReactorPeriodSec = 999.0f;
            }

            // 2. 도플러 음의 반응도 피드백 기여분 (Delta_T = T - 600C)
            float deltaTemp = FuelAverageTempC - 600.0f;
            float dopplerReactivityPcm = (DopplerAlphaD * deltaTemp) * 1e5f;

            // 제어봉 위치에 따른 반응도 (스텝당 1.2 pcm)
            float controlRodReactivityPcm = (ControlRodPositionSteps - 500.0f) * 1.2f;

            EstimatedTotalReactivityPcm = controlRodReactivityPcm + dopplerReactivityPcm;
            estimatedReactivityPcm = EstimatedTotalReactivityPcm;

            // 3. 긴급 정지(SCRAM) 인터록: 원자로 주기 < 10초 또는 반응도 > +200 pcm
            if (ReactorPeriodSec > 0.0f && ReactorPeriodSec < 10.0f || EstimatedTotalReactivityPcm > 200.0f)
            {
                IsScramTriggered = true;
                // 제어봉 전량 즉각 낙하 (스텝 0으로 급속 낙하)
                commandedRodStepsDelta = -50.0f;
                ControlRodPositionSteps = MathF.Max(0.0f, ControlRodPositionSteps - 50.0f);
                safetyTripMargin = 0.0f;
                return;
            }

            IsScramTriggered = false;

            // 4. 초임계 CO2 터빈 부하 추종 1,000Hz 폐루프 제어기
            float powerError = sCo2TurbineDemandFraction - ReactorPowerFraction;
            const float KpPower = 15.0f; // 스텝 / 오차
            float desiredStepRate = powerError * KpPower;
            desiredStepRate = MathF.Max(-MaxControlRodSpeedStepsPerSec * 0.001f, 
                               MathF.Min(MaxControlRodSpeedStepsPerSec * 0.001f, desiredStepRate));

            commandedRodStepsDelta = desiredStepRate;
            ControlRodPositionSteps = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(1000.0f, ControlRodPositionSteps + commandedRodStepsDelta));

            // 안전 트립 여유도 (0~100%)
            safetyTripMargin = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(100.0f, (200.0f - EstimatedTotalReactivityPcm) * 0.5f));
        }
    }
}