Feasible Ways to Achieve High Conversion in Thorium-Fueled CANDU and PWR Reactors

Recherche de la haute conversion en cycle thorium dans les réacteurs CANDU et REP

¹ LPSC, Université Joseph Fourier Grenoble 1, CNRS/IN2P3, Institut National Polytechnique de Grenoble
² Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO) (France)

Abstract

This paper focuses on Th-fueled CANDU and PWR reactors as the third and last component of a reactor fleet. Plutonium extracted from spent fuel of a standard CANDU or PWR is converted in the second component (FR or CANDU) to Uranium (mainly 233U) which feeds a Th/U multirecycling third component. Breeding and multirecycling of ²³³U in CANDU is optimized by modifying the core. It has been shown that slight Moderation Ratio (MR) variations have no sensible impact on conversion. We demonstrate that heterogeneous bundles with fertile and fissile zones allow savings of about 7% of²³³U initial inventory for the same burnup. However, for all the examined geometric modifications in Th/U fueled CANDU, the fissile inventory ratio at end of cycle is observed to be only dependent on the final burnup. Breeding is achieved for short burnups of 6-7GWd/t. Multirecycling in CANDU is also simulated. In the multirecycling regime, higher burnup (̃ 15-20GWd/t at slightly lower conversion) can be sustained by the addition of a small quantity of Uranium from the second component of the reactor fleet at each recycle. A simple Th/U cycle neutronic analysis explains why the irradiation time is identical at each recycle if the 233U initial mass introduced is kept constant. For the PWR case, studies show that variations in either the MR or the use of heterogeneous seed/blanket assemblies do little to improve conversion. In fact, it is found that at equivalent burnup the Th/U conversion progress margin by standard modifications is smaller in PWR than in CANDU. The faster neutron spectra, achievable by extreme submoderation, are required to expect breeding in existing PWR vessel and core. Obviously lower values of MR provoke difficulties in proper heat extraction and thermalhydraulics. To get rid of these difficulties, we propose to use the so-called Spectrum Shift Control technique with a standard MR, a heavy water coolant and reactivity managed by progressive addition of H₂O in the coolant. But managing reactivity this way has a cost in terms of conversion. Finally we evaluate another reactivity management technique based on fertile material withdrawal.

Résumé

Cet article porte sur les réacteurs CANDU et REP (Réacteurs à Eau Pressurisée) en cycle thorium, en tant que troisième et dernière strate d'un parc de réacteurs nucléaires. Le plutonium extrait du combustible usé des réacteurs CANDU ou REP standards est converti, via l'utilisation de thorium, dans la deuxième strate (Réacteurs à Neutrons Rapides ou CANDU) en uranium (principalement en ²³³ U), lequel alimente une troisième strate dédiée au multirecyclage du combustible oxyde (Th/U)0₂ . La haute conversion et le multirecyclage de l'²³³ U dans un réacteur CANDU sont étudiés en modifiant la géométrie du cœur du réacteur. Il a été démontré que de légères variations du Rapport de Modération (RM) n'ont pas d'impact significatif sur la conversion. Nous montrons par ailleurs que l'utilisation de grappes de combustible hétérogènes présentant des zones fertiles et fissiles permet une économie d'environ 7 % de l'inventaire initial en ²³³ U pour un taux de combustion identique. Cependant, pour toutes les modifications géométriques étudiées dans un réacteur CANDU fonctionnant en combustible (Th/U)O₂ , le FIR (Fissile Inventory Ratio) en fin d'irradiation dépend uniquement du taux de combustion final. La régénération est obtenue pour de faibles taux de combustion de 6 à 7 GWj/t. Dans le régime de multirecyclage également simulé en CANDU, il est possible de maintenir des taux de combustion plus élevés (̃15 à 20 GWj/t pour des cas légèrement sous-générateurs) en ajoutant, à chaque cycle, une petite quantité d'uranium provenant de la deuxième strate du parc de réacteurs. L'analyse neutronique du cycle Th/U explique pourquoi la durée d'irradiation est identique à chaque cycle si la masse initiale d'²³³ U introduite en cœur est maintenue constante.

Dans le cas des REP, les variations du RM ou l'utilisation d'assemblages hétérogènes avec couvertures fertiles (concept dit "seed-blanket") améliorent très faiblement la conversion. En réalité, il a été prouvé qu'à taux de combustion équivalent, la marge de progression de la conversion en combustible Th/U résultant de modifications discrètes est plus faible dans un REP que dans un CANDU. Des spectres de neutrons plus rapides, permis par une sous-modération accrue, sont requis pour approcher la régénération dans une cuve et un cœur de REP existant. Bien entendu, des valeurs plus faibles du RM soulèvent des difficultés pour obtenir une extraction correcte de la chaleur et des conditions thermohydrauliques appropriées. Pour surmonter ces difficultés, nous proposons de mettre en place une technique de contrôle de la réactivité par variation de spectre avec un RM standard et de l'eau lourde comme caloporteur. Le maintien de la réactivité constante s'opère alors par ajout progressif d'eau légère dans le caloporteur. Une autre technique de gestion de la réactivité basée sur le retrait de crayons fertiles initialement insérés dans les assemblages est par ailleurs évaluée.