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Performance analysis of 233U for fixed bed nuclear reactors

  • S. Şahin , A. Acır und H. M. Şahin
Veröffentlicht/Copyright: 25. April 2013
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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

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