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.
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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,...
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