Accessible Requires Authentication Published by De Gruyter April 25, 2013

Performance analysis of 233U for fixed bed nuclear reactors

Analyse der Leistungsfähigkeit von 233U für Festbettreaktoren
S. Şahin, A. Acır and H. M. Şahin
From the journal Kerntechnik

Abstract

Criticality and burn up behavior of the Fixed Bed Nuclear Reactor (FBNR) are investigated for the mixed fuel 233UO2/ThO2 as an alternative to low enriched 235UO2 fuel. CERMET fuel with a zirconium matrix and cladding has been used throughout the study. The main results of the study can be summarized as follows: Reactor criticality is already achieved by ∼2% 233UO2 with the mixed 233UO2/ThO2 fuel. At higher 233U fractions, reactor criticality rises rapidly and exceeds keff > 1.5 already by 9% 233UO2. With 100% 233UO2, start up criticality can reach keff = 2.0975. Time dependent reactor criticality keff and fuel burn up have been investigated for two different mixed fuel 233UO2/ThO2 compositions, namely: 4% 233UO2 + 96% ThO2 for a reactor power of 40 MWel (120 MWth) and 9% 233UO2 + 91% ThO2 for a reactor power of 70 MWel (210 MWth). Sufficient reactor criticality (keff > 1.06) for continuous operation without fuel change can be sustained during ∼5 and 12 years with 4% and 9% 233UO2 fractions in the mixed fuel, leading to burn ups of ∼36000 and >105000MWD/t, respectively. Thorium based fuel produces no prolific uranium. Plutonium production remains negligible.

Kurzfassung

Kritikalität und Abbrandverhalten des Festbettreaktorkonzepts (FBNR) mit dem Mischbrennstoff 233UO2/ThO2 als Alternative zum niedrig angereicherten Brennstoff 235UO2 wurden untersucht. Während der gesamten Studie wurde CERMET-Brennstoff mit einem Zirkonium-Matrix und -Mantel verwendet. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie können folgendermaßen zusammengefasst werden: Reaktorkritikalität kann bereits mit ∼2% 233UO2-Anteil im Mischbrennstoff 233UO2/ThO2 erreicht werden. Bei höherem 233U-Anteil hat die Reaktorkritikalität einen steilen Anstieg und übertrifft keff > 1.5 bereits bei 9% 233UO2. Mit 100% 233UO2 beträgt Die Ausgangkritikalität keff = 2,0975. Zeitabhängige Reaktorkritikalität keff und Abbrandverhalten wurden für zwei verschiedene Mischbrennstoffkompositionen untersucht, nämlich: 4% 233UO2 + 96% ThO2 für eine Reaktorleistung von 40 MWel (120 MWth) und 9% 233UO2 + 91% ThO2 für eine Reaktorleistung von 70 MWel (210 MWth). Ausreichende Reaktorkritikalität (keff > 1,06) für einen kontinuierlichen Betrieb ohne Brennstoffwechsel kann mit 4% und 9% 233UO2-Anteilen im Mischbrennstoff während ∼5 beziehungsweise 12 Jahre aufrechterhalten werden, was zu Abbrandwerten von ∼36000 beziehungsweise >105000 MWD/t führt. Kernbrennstoff auf der Basis von Thorium produziert hauptsächlich Uran bei vernachlässigbarer Plutoniumproduktion.

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Received: 2010-5-12
Published Online: 2013-04-25
Published in Print: 2010-09-01

© 2010, Carl Hanser Verlag, München