Core design analysis of the supercritical water fast reactor

Abstract

Light Water Reactor technology is nowadays the most successful commercial application of fission reactors for the production of electricity. However, in the next years, nuclear industry will have to face new and demanding challenges. The need for sustainable and cheap sources of energy, the need for public acceptance, the need for even higher safety standards, the need to minimize waste production are only a few examples. It is for these very reasons that a few next generation nuclear reactor concepts were selected for extensive research and development. Super critical water cooled reactors are one of them. The use of a supercritical coolant would in fact allow for higher thermal efficiencies and a more compact plant design. As a matter of fact, steam generators, or steam separators and driers would not be needed thus, significantly reducing construction costs. Moreover, because of the high heat capacity of supercritical water, comparatively less coolant would be needed to refrigerate the reactor. Consequently, a water-cooled reactor with a fast neutron spectrum could potentially be designed: the SuperCritical water Fast Reactor. This system presents unique features combining well-known fast and light water reactor characteristics in one design (e.g. the tendency to a positive void reactivity coefficient together with Loss Of Coolant Accidents, as design basis). The core is in fact loaded with highly enriched Mixed OXide fuel (average plutonium content of ~23%), and presents a peculiar and significant geometrical and material heterogeneity (use of radial and axial blankets, solid moderator layers, several enrichment zones). The safety analysis of this very complex core layout, the development of suitable tools of investigation, and the optimization of the void reactivity effect through core design, is the main objective of this work.

Bei der Leichtwasserreaktortechnologie handelt es sich um die zur Zeit erfolgreichste kommerzielle Anwendung von Spaltreaktoren zur Erzeugung von Elektrizität. In den kommenden Jahren steht die Nuklearindustrie jedoch vor neuen großen Herausforderungen. Der Bedarf an nachhaltigen und preisgünstigen Energiequellen, die öffentliche Akzeptanz, immer höhere Sicherheitsstandards und die Minimierung der Abfallproduktion sind nur ein paar Beispiele. Vor diesem Hintergrund wurden ein paar Reaktorkonzepte der nächsten Generation ausgewählt und umfangreicher Forschung und Entwicklung unterzogen. Ein solches Konzept bezieht sich auf superkritische wassergekühlte Reaktoren. Die Verwendung eines superkritischen Kühlmittels würde tatsächlich höhere thermische Wirkungsgrade und eine kompaktere Anlagenauslegung ermöglichen. Dampferzeuger bzw. Dampfseparatoren und –trockner wären nicht mehr erforderlich, wodurch die Baukosten beträchtlich reduziert würden. Darüber hinaus wäre aufgrund der hohen Wärmekapazität von superkritischem Wasser eine vergleichsweise geringe Kühlmittelmenge zur Kühlung des Reaktors erforderlich. Somit könnte auch ein wassergekühlter Reaktor mit einem schnellen Neutronenspektrum konzipiert werden: der Schnelle Superkritische Wasserreaktor. Dieses System besitzt einzigartige Merkmale und vereint die bekannten Eigenschaften von schnellen Reaktoren und Leichtwasserreaktoren in sich (z. B. positiver Voidkoeffizient und Kühlmittelverluststörfälle als Auslegungsgrundlage). Der Kern besteht aus hoch angereichertem Mischoxidbrennstoff (durchschnittlicher Plutoniumgehalt ~ 23 %) und ist sowohl von der Geometrie als auch vom Material her sehr heterogen (radiale und axiale Blankets, Feststoffmoderatorschichten, mehrere Anreicherungszonen). Eine Sicherheitsanalyse dieser sehr komplexen Kernanordnung, die Entwicklung geeigneter Analysewerkzeuge sowie die Optimierung des Voidkoeffizienten mittels Kernauslegung sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit.