RGN N° 4 Juillet-Août 2007 p. 30–39

The Potential of the LFR and the ELSY Project

Le potentiel du LFR et du projet ELSY

¹ Del Fungo Giera Energia
² LLNL
³ ANL
⁴ SCK-CEN
⁵ ENEA
⁶ Ansaldo Nucleare
⁷ JRC/IE
⁸ FZK
⁹ Empresarios Agrupados
¹⁰ NUTRECK-KESRI

Abstract

This paper presents the current status of the development of the Lead-cooled Fast Reactor (LFR) in support of Generation IV (GEN IV) Nuclear Energy Systems.

The approach being taken by the GIF plan is to address the research priorities of each member state in developing an integrated and coordinated research program to achieve common objectives, while avoiding duplication of effort. The integrated plan being prepared by the LFR Provisional System Steering Committee of the GIF, known as the LFR System research Plan (SRP) recognizes two principal technology tracks for pursuit of LFR technology:

- a small, transportable system of 10–100 MWe size that features a very long refueling interval,

- a larger-sized system rated at about 600 MWe, intended for central station power generation and waste transmutation.

This paper, in particular, describes the ongoing activities to develop the Small Secure Transportable Autonomous Reactor (SSTAR) and the European Lead-cooled SYstem (ELSY), the two research initiatives closely aligned with the overall tracks of the SRP, and outlines the Proliferation-resistant Environment-friendly Accidenttolerant Continual & Economical Reactors (PEACER) conceived with particular focus on burning/transmuting of long-living TRU waste and fission fragments of concern, such as Tc and I.

The current reference design for the SSTAR is a 20 MWe natural circulation pool-type reactor concept with a small shippable reactor vessel. Specific features of the lead coolant, the nitride fuel containing transuranics, the fast spectrum core, and the small size combine to promote a unique approach to achieve proliferation resistance, while also enabling fissile self-sufficiency, autonomous load following, simplicity of operation, reliability, transportability, as well as a high degree of passive safety. Conversion of the core thermal power into electricity at a high plant efficiency of 44 % is accomplished utilizing a supercritical carbon dioxide Brayton cycle power converter.

The ELSY reference design is a 600 MWe pool-type reactor cooled by pure lead. This concept has been under development since September 2006, and is sponsored by the Sixth Framework Programme of EURATOM. The ELSY project is being performed by a consortium consisting of twenty organizations including seventeen from Europe, two from Korea and one from the USA. ELSY aims to demonstrate the possibility of designing a competitive and safe fast critical reactor using simple engineered technical features while fully complying with the Generation IV goal of minor actinide (MA) burning capability.

The use of a compact and simple primary circuit with the additional objective that all internal components be removable, are among the reactor features intended to assure competitive electric energy generation and longterm investment protection. Simplicity is expected to reduce both the capital cost and the construction time; these are also supported by the compactness of the reactor building (reduced footprint and height). The reduced footprint would be possible due to the elimination of the Intermediate Cooling System, the reduced elevation the result of the design approach of reducedheight components.

Résumé

Cet article présente l’état d’avancement du développement du LFR (réacteur rapide refroidi au plomb) dans le cadre des systèmes nucléaires de Génération IV (GEN IV).

L’approche adoptée par le plan GIF (Forum International Génération IV) est de répondre aux priorités de recherche de chaque Etat-membre par la réalisation d’un programme de recherche intégré et coordonné visant à atteindre des objectifs communs, tout en évitant la duplication des efforts. Le plan intégré actuellement préparé par le LFR Provisional System Steering Committee du GIF, baptisé SRP (System Research Plan) considère deux grandes pistes technologiques pour poursuivre la technologie LFR :

- un petit système transportable de 10-100 MWe caractérisé par un très long intervalle entre rechargements,

- un système plus important d’environ 600 MWe, pour la production d’énergie et la transmutation des déchets du réacteur nucléaire.

Cet article s’attache en particulier à décrire les activités en cours dans le cadre du développement du SSTAR (Small Secure Transportable Autonomous Reactor) et de l’ELSY (European Lead-cooled System), les deux projets de recherche pleinement en ligne avec les grands axes du SRP, et présente les PEACERs (Proliferation-resistant Environment-friendly Accident-tolerant Continual & Economical Reactors) conçus avec une attention toute particulière à la combustion/transmutation des déchets transuraniens à vie longue et des produits de fission les plus problématiques, tels que le Tc et l’I.

Dans sa conception de référence actuelle, le SSTAR est un réacteur intégré à circulation naturelle de 20 MWe avec une petite cuve de réacteur embarquable. Les caractéristiques spécifiques du liquide de refroidissement au plomb, le combustible à base de nitrures contenant des transuraniens, le spectre rapide, et la petite taille se combinent pour aboutir à une approche unique pour assurer la résistance à la prolifération, tout en apportant auto-suffisance fissile, autonomie du suivi de charge, simplicité de fonctionnement, fiabilité, transportabilité, ainsi qu’un haut degré de sécurité passive. La conversion de l’énergie thermique du coeur en électricité à un rendement élevé de 44 % est obtenue en utilisant un convertisseur d’énergie supercritique à cycle de Brayton au dioxyde de carbone.

Dans sa conception de référence, l’ELSY est un réacteur intégré de 600 MWe refroidi par du plomb pur. Ce concept est en développement depuis septembre 2006 et il est soutenu par le Sixième Programme-cadre d’EURATOM. Le projet ELSY est mis en oeuvre par un consortium de vingt organisations, dont dix-sept sont européennes, deux coréennes, et une américaine. Le projet ELSY vise à montrer qu’il est possible de concevoir un réacteur rapide critique compétitif et sûr en faisant appel à des caractéristiques techniques simples tout en respectant pleinement l’objectif de la Génération IV de présenter une capacité de combustion des actinides mineurs.

L’utilisation d’un circuit primaire compact et simple, et l’objectif supplémentaire que tous les composants internes soient amovibles, sont parmi les caractéristiques du réacteur visant à garantir une production d'électricité compétitive et une protection de l'investissement à long terme. La simplicité devrait alléger à la fois les coûts d'investissement et les délais de construction ; ce qui est aussi favorisé par la compacité du bâtiment réacteur (surface et hauteur réduites). La réduction de la surface d’implantation sera rendue possible par la suppression du système de refroidissement intermédiaire, et la moindre hauteur résultera de la conception de composants de hauteur réduite.