Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3632
Mulder, Eben Johan
Pebble bed reaktor with equalisedcore power distribution - inherently safe and simple -
150 S., 1999

Der Kugelhaufenreaktor erlaubt aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften vielfältige Variationen in der Auslegung der Brennelemente und der Beschickungsweise. Diese Möglichkeiten werden zur Konzeption einer besonderen Variante genutzt, welche ihrerseits unter den Gesichtspunkten der Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und der Einfachheit optimiert wird. Die vorteilhaften Eigenschaften dieser Konzeption werden durch die Gegenüberstellung mit einem Reaktor in herkömmlicher Beschickungsweise erläutert.

Das Konzept ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet: In einer OTTO-Beladungsweise (Once Through Then Out) durchlaufen die Kugeln das Core nur einmal, und dadurch vermeiden sich die Einrichtungen für die Rückführung der Brennelemente. Eine PAP2- Beschickung (Power Adjustment by Poison) sieht die Zugabe von Kugeln mit abbrennbarem Absorber vor, wodurch eine starke Vergleichmäßigung der axialen Leistungsdichteverteilung im Core erzielt wird. Diese Absorberkugeln enthalten coated particles mit B₄C-Kernen anstelle der Brennstoffparticles. In radialer Dimension wird eine Vergleichmäßigung der Leistungsdichte durch erhöhte Zugabe von Graphitkugeln im zentralen Beschickungskanal erzielt (2-Zonen-Beschickung). Der Wirtschaftlichkeit dient die Wahl einer relativ großen Leistungseinheit (250 MWt_th), eines hohen Brennstoffeinsatzes in den Kugeln (14 g_SM und eines hohen Abbrandes (120 MWd/Kg_SM. Als Brennstoffwird niedrig angereichertes Uran eingesetzt. Die Regelkapazität umfaßt Leistungsänderungen im Bereich 100-20-100%. Der Reaktor wird unter den Betriebsbedingungen einer Einkreisanlage mit Heliumturbine konzipiert. -Im Störfall des Kühlmittelverlustes (DLOFC= Depressurized Loss Of Forced Cooling) wird die Brennelementtemperatur wie bei allen modularen Kugelhaufenkonzepten in passiver Weise selbsttätig auf unterhalb 1600°C begrenzt, so daß auch dann eine Freisetzung von Radioaktivität vermieden wird.

Die rechnerische Simulation des Reaktors wird mit dem Programmzyklus VSOP durchgeführt, und hierfür werden die folgenden Neuerungen entwickelt: Für die B₄C- Kernchen wird ein Zwiebelschalen-Abbrandmodell eingeführt. Innerhalb der Absorberkugeln wird der Abbrand der particles in mehreren Kugelzonen separat verfolgt. In Anlehnung an experimentelle Befunde früherer Kugelhaufenreaktoren wird ein Kugelfließschema entwickelt, welches im oberen Bereich vertikal parallel, im unteren Bereich verjüngend zum Kugelabzug hin ausgerichtet ist. Für eine aufgeweitete Core-Kaverne mit nasenförmigen Graphiteinbauten, die das Abschaltsystem enthalten, wird eine 3-dimensionale Fassung des Programmzyklus in Zylinderkoordinaten [phi]-r-z erstellt. Sie gestattet die Anwendung unterschiedlicher Kugelfließschemata in azimutalen Segmenten.

Die Möglichkeiten zur Modeliierung der Leistungsdichteverteilung im Reaktor durch den Einsatz des abbrennbaren Absorbers werden in einer Parameterstudie analysiert. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem fortschreitenden Abbrand von Spaltstoff und Absorber wird durch Wahl der Größe der Absorberparticles, ihrer Fülldichte in den Absorberkugeln und deren Anteil in den Beschickungschargen eingestellt.

Die Eigenschaften des neuen Reaktorkonzeptes OTTO-PAP2 werden durch den Vergleich mit einem Reaktor in MEDUL-Beschickung (MehrfachDUrchLauf), welcher für die gleiche Core- Kaverne ausgelegt ist, verdeutlicht:

1. Für den Reaktor in 0TTO-PAP2-Beschickung werden keine technischen Innovationen eingeführt, welche die Genehmigungsfähigkeit beeinträchtigen würden.
2. Der Leistungsformfaktor liegt um 10 % niedriger als- bei einer vergleichbaren MEDUL- Beschickung, wodurch die Erhöhung der Reaktorleistung auf250 MW_th ermöglicht wird.
3. Ein uneingeschränkter Lastfolgebetrieb kann im Leistungsbereich zwischen 100% und 20% erfolgen. Dies wird wesentlich durch den Einfluß des Bor auf die Neutronenbilanz insbesondere bei Xenontransienten erreicht.
4. Der Zielabbrand kann im Rahmen der vorliegenden Testerfahrungen auf 120.000 MW d/t gesteigert werden. Im DLOFC -Störfall treten die höchsten Temperaturen in der Mitte des Cores auf, wo bei 0TTO-PAP2-Beschickung Abbrand und Dosis in den Elementen nur die Hälfte ihres Zielwertes besitzen. Bei MEDUL-Beschickung werden demgegenüber in Core-Mitte in den Elementen des letzten Durchlaufes die Zielwerte nahezu erreicht.
5. Die Zugabe von B₄C bedingt für den OTTO-PAP2-Zyklus eine Erhöhung in Uranerzbedarf und Trennarbeit. Das hiermit verbundene Malus in den Brennstoffzykluskosten wird weitgehend durch einen Bonus in den Kapitalkosten aufgewogen, der sich aus den Vereinfachungen der Anlage ergibt. Die Kosten für den erhöhten Spaltstoffeinsatz im Erstkern müssen in die allgemeine Kostenbilanz mit einbezogen werden.
6. Aufgrund der Gegebenheiten der Arbeit ist dem 0TTO-PAP2 eine hohe Proliferationsresistenz zuzuschreiben.

Insgesamt zeigt die neue Konzeption einen sehr vielversprechendes Potential, die Vorteile der OTTO-Beschickung mit den Erfordernissen inhärent sicherer modularer Kugelhaufen- Reaktoren bei günstigen Kosten zu verbinden.

Based on the physical properties of pebble bed reactors, a multitude of variations are possible in the layout of the fuel and fuelling schemes. These properties are being exploited in a conceptual design, offering an attractive layout in terms of the inter-related aspects of safety, economy and simplicity. Advantages of this layout are highlighted by means of a direct comparison to a similar reactor characterised by a conventional fuelling scheme.

The proposed concept is characterised by the following: In the OTTO (Once Through Then Out) fuelling scheme the fuel spheres pass through the core once only. Therefore the fuel re- circulation subsystems may be negated in the design. The PAP2 (Power-Ajusted-by-Poison) fuelling scheme involves adding of pebbles with burnable poison that will lead to a strong flattening of the axial core power density. These absorber spheres contain coated particles of B₄C instead of fuel. In the radial direction flattening of the power density is achieved by increasing the loading of graphite spheres into the central fuelling channel (2-zone fuelling). The advantages of a relatively high power performance (250 MW_th, a high heavy metal loading per fuel element (14g_HM), and high burnup (120 MWd/Kg_HM) can be directly translated into an economical advantage. Lowly enriched uranium is employed as fuel which provides a highly proliferation resistant solution when coupled to the high burnup and once through only cycle. The control capability includes unlimited power variations within the operational range of 100-20-100%. In the proposed concept the reactor is coupled to a power conversion unit which employs a direct cycle helium power turbine. -During a loss of coolant (DLOFC = Depressurised Loss Of Forced Coolant) event, the fuel element temperature is passively limited below 1600°C, thus avoiding any radioactive release.

Computationally the reactor is simulated by means of the VSOP (Very Superior Old Programs) stable of codes. For this purpose the following extensions to the code have been developed: A so-called onion-skin burnup model is introduced to calculate the burnup of the B₄C kernels. Within the absorber spheres the burnup of the coated (B₄C) particles are being followed in a number of separate fuel zones. Based on experimental.findings a fuel sphere flow scheme has been developed, which moves downward in parallel in the top area, while the bottom area is re-organised in a funnel shape towards the de-fuelling pipe in accordance with the angle ofthe conus and discharge rate. A 3-D geometric modeller, FIRZIT (i.e. in [phi]- r-z co-ordinates) has been exclusively developed for modelling the so-called noses, employed for housing the cold shut down system in a core with 3,5 m diameter. This enables the modelling of various pebble flow schemes in azimuthal segments.

Modelling the power density distribution in the reactor by introducing burnable poison into the core is analysed by means of a parametric investigation. A sensitivity analysis is performed of the size of B₄C particles, associated particle packing density within absorber spheres, and specific loading within the fuel charge to establish the relational balance between the burnup of fuel and burnable poison.

The properties of the new OTTO-PAP2 reactor concept is characterised as follows when comparing it to a reactor of similar geometric layout under the MEDUL {MEhrfach- DUrchLauf = German for multiple passing) fuelling scheme:

1. No technical innovation is introduced that will threaten or enhance the risk profile for licensing the PBMR core under OTTO-PAP2fuelling;
2. A neutron power density distribution under the 0TTO-PAP2 regime is achieved with a peaking factor of about 10% lower than in the MEDUL fuelling, thus offering a reactor power increase to 250 MW_th;
3. Unlimited load-following capability within the range 100-20-100% is demonstrated due to the impact of Boron on the neutronic balance anddynamic behaviour of Xenon;
4. Consideration of a burnup of 120.000 MW d/t_HM is enabled without exceeding the limits of current experimental know-how, due to the axial burnup distribution profile in an OTTO- PAP2 core. The maximum fuel temperature under upset conditions will appear axially in the lower, central area of the core where only about half of the target burnup and fast fluence are achieved. During the MEDUL fuelling, on the other hand; the fuel composition in the core centre will include fuel that has almost reached the target burnup of80.000MWd/t_HM;
5. The loading ofB₄C in the OTTO-PAP2 core leads to an increase ofthe uranium ore requirement and SWU (Separative Working Unit) term in the fuel cycle cost formula, thus causing a fuel cycle cost increase. This cost implication is placed in perspective versus the capital cost advantages brought about by simplifying the plant.
6. The enhanced proliferation resistance performance awards an attractive export possibility.

The promising potential of the new concept is demonstrated by combining the advantages of OTTO fuelling to the set requirements of inherently safe modular pebble bed reactors and cost.

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