This research work investigates the design and optimization of the high conversion small modular reactor (HCSMR) core. The HCSMR has a thermal output of 600 MW for 200 MW electrical. It is an integrated PWR with a tightened fuel assembly lattice. The rod-to-rod pitch is 1.15 cm in a hexagonal fuel assembly geometry. As a result the moderation ratio (1.0) is reduced compared to large PWRs (around 2.0) and the HCSMR has an improved ability to convert 238U into 239Pu and use plutonium isotopes more efficiently. The core is loaded with MOX fuel. The HCSMR concept finds its roots both in large high conversion light water reactors and small modular reactor (SMR) concepts. The reduced core size results in an increased neutron leakage rate compared to large cores. This intrinsically supports the core behavior in voided situations. The necessity to introduce fertile fuel materials in the core to keep negative void coefficients is reduced, contributing to the HCSMR safety and limited core heterogeneity. The fuel of light-water reactors (LWRs) is mostly low-enriched uranium. Considering current industrial practices, close to 20 tons of natural uranium are needed to generate one TWhe. LWR natural uranium needs could be reduced by increasing the conversion of 238U into 239Pu. This can be achieved by tightening the fuel assembly lattice, which reduces the moderation ratio and hence hardens the neutron spectrum. Such cores loaded with MOX fuel in a closed fuel cycle can reach conversion factors above 0.8 compared to LWR conversion factors close to 0.5. It also enables a better plutonium utilization and limits the production of minor actinides. A renewed interest in small modular reactors (SMRs) can be seen worldwide. The intention to reach long cycle lengths influenced SMR designers to adopt fuel management strategies resulting in low fuel discharge burnup. This leads to a substantial increase in natural uranium needs compared to today’s LWRs. For such SMR designs close to 40 tons of natural uranium are needed to generate one TWhe. The HCSMR core is designed using multi-objective optimization methods. This aims at addressing the multiple parameters influencing the core design by exploring all possible trade-offs between core performances and safety requirements. The objectives are not weighted in a global optimization function: Pareto optimum HCSMR cores are designed. The neutron-physics computations are performed with the deterministic code APOLLO2, CRONOS2 and APOLLO3®. For comparison the Monte-Carlo code TRIPOLI-4® is employed. The URANIE platform is used to perform the optimization: to set-up design of experiment, create surrogate model functions and implement genetic algorithms optimization. The outcome is a population of Pareto optimal HCSMR cores. This population makes it possible to reach cycle lengths up to 1200 EFPD, conversion ratios above 0.9 with negative void coefficients and maximum linear power below 400 W/cm. The associated natural uranium needs are significantly reduced, under seven tons of natural uranium are needed to generate one TWhe.     «

This research work investigates the design and optimization of the high conversion small modular reactor (HCSMR) core. The HCSMR has a thermal output of 600 MW for 200 MW electrical. It is an integrated PWR with a tightened fuel assembly lattice. The rod-to-rod pitch is 1.15 cm in a hexagonal fuel assembly geometry. As a result the moderation ratio (1.0) is reduced compared to large PWRs (around 2.0) and the HCSMR has an improved ability to convert 238U into 239Pu and use plutonium isotopes more...     »

Diese Forschungsarbeit untersucht die Auslegung und Optimierung eines kleinen modularen Reaktors mit erhöhten Brutraten (HCSMR: High Conversion Small Modular Reactor). Der HCSMR hat eine thermische Leistung von 600 MW und erzeugt 200 MW elektrisch. Es ist ein integrierter DWR (Druckwasserreaktor) mit kompaktem Reaktorgitter. Der Abstand zwischen zwei Brennstäben beträgt 1,15 cm in einem hexagonalen Gitter. Damit ist das Moderator-zu-Brennstoffverhältnis (1,0) im Vergleich zu einem großen DWR (2,0) reduziert, und daher hat der HCSMR eine verbesserte Fähigkeit zur Konversion von 238U nach 239Pu und kann Plutonium Isotope effizienter spalten. Im Kern des HCSMR sind MOX Brennelemente eingesetzt. Das HCSMR Konzept leitet sich vom großen DWR mit erhöhten Konversionsraten und von kleinen modularen Reaktoren (SMR) ab. Eine reduzierte Kernhöhe und -breite führten zu einer größeren Neutronenleckage im Vergleich zu einem Standard DWR. Dies wirkt sich positiv auf das Sicherheitsverhalten bei Kühlmittelverluststörfällen aus. Der Bedarf an Brutmaterial zur Minimierung des Kühlmitteldichtekoeffizienten wird damit ebenso reduziert, so dass die gesamte Sicherheit des HCSMR aufgrund verringerter Heterogenität profitiert. DWR Brennstoff besteht heutzutage hauptsächlich aus schwach angereichertem Uran. Moderne DWR benötigen ca. 20 Tonnen natürliches Uran (U-nat), um eine TWhe zu erzeugen. Der Verbrauch an Uran könnte reduziert werden, wenn sich die interne Konversion von 238U auf 239Pu erhöhen ließe. Ein kompakteres Brennstoffgitter ermöglicht dies, und das reduzierte Moderationsverhältnis macht das Neutronenspektrum härter. Solche Kerne ermöglichen Konversionsraten über 0,8 in einem geschlossenen Brennstoffkreislauf. Im Vergleich dazu haben aktuelle DWR-Konversionsraten von ca. 0,5. Dadurch wird auch eine bessere Nutzung von Plutonium möglich bei gleichzeitig verringertem Aufbau der minoren Aktinoide. International wird ein erneutes Interesse an kleinen Reaktoren (SMR) beobachtet. Der Wunsch nach großer Zykluslänge führt bei SMR zwangsläufig auf niedrige Entlade-Abbrände. Das bedeutet einen Anstieg des Bedarfs an natürlichem Uran im Vergleich zu heutigen DWR. Solche SMR haben einen Bedarf von ca. 40 Tonnen natürlichem Uran für die Erzeugung einer TWhe. Der HCSMR Kern wurde mit einer multi-Parameter Optimierungsmethode ausgelegt. Damit sind die verschiedenen Parameter, die die Kernauslegung betreffen, als Gesamtheit berücksichtigt. Die Optimierungsziele werden dabei als Pareto-Optimum erreicht. Die neutronenphysikalischen Berechnungen wurden mit den deterministischen Programmen APOLLO2, CRONOS2 und APOLLO3® und mit dem Monte-Carlo-Programm TRIPOLI-4® durchgeführt. Das Programm URANIE wurde für die Optimierung verwendet: Eingabe-Erstellung, Bildung von Ersatz-Funktionen und die Anwendung der Optimierungs-Algorithmen. Als Ergebnis wurde eine Population von optimierten HCSMR-Kernen erzeugt. Diese Pareto-optimalen Kerne ermöglichen Zyklen über 1200 VLT, Konversionsraten über 0,9 mit negativem Kühlmitteldichtekoeffizienten und eine maximale lineare Leistung unter 400 W/cm. Der U-nat Bedarf des HCSMR ist damit reduziert auf sieben Tonnen U-nat für die Erzeugung einer TWhe.     «

Diese Forschungsarbeit untersucht die Auslegung und Optimierung eines kleinen modularen Reaktors mit erhöhten Brutraten (HCSMR: High Conversion Small Modular Reactor). Der HCSMR hat eine thermische Leistung von 600 MW und erzeugt 200 MW elektrisch. Es ist ein integrierter DWR (Druckwasserreaktor) mit kompaktem Reaktorgitter. Der Abstand zwischen zwei Brennstäben beträgt 1,15 cm in einem hexagonalen Gitter. Damit ist das Moderator-zu-Brennstoffverhältnis (1,0) im Vergleich zu einem großen DWR (2,...     »