Assessment of Thorium Fuel Utilization in an Equilibrium Cycle BWR

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2011
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
en
Pages
xii + 106
Series
Abstract
The task of this study is to assess whether it is possible and feasible to utilize thorium as nuclear fuel in current BWRs from technical point of view. Lattice calculation code CASMO-4E is used as a part of the analysis chain. The code is based on nuclear reactor theory and should be able to model both uranium and thorium fuels. The capability is assessed by comparing few-group constants generated by CASMO-4E and a Monte Carlo based lattice calculation code Serpent. ENDF/B-VI based libraries are used. The results show that the di_erences in few-group constants between the codes remain at similar level when similar uranium and thorium fueled assemblies are used. Basic properties of thorium fuels are studied along with nuclear fuel assembly design. CASMO-4E is used to design _ve di_erent thorium assemblies. Three of them are high thorium content assemblies and two low thorium content assemblies. CASMO-4E is also used to generate few-group cross section libraries for full core simulations. The parameters from design phase are also compared to a reference uranium assembly. Considering the basic nuclear properties the results are expected. A single assembly type BWR core running an equilibrium cycle is modeled using SIMULATE-3. Each design is compared to the reference uranium design. Considered quantities are thermal limits, shutdown margin, discharge burnups, reactivity feedbacks and resource utilization. Thorium designs improved on some quantities but no thorium design could improve all considered quantities. It is shown that it is possible to use thorium fuels from the neutronics point of view in current BWRs. There are some advantages over uranium fuels. Thorium fuels could excel when it is possible to reach higher burnups.

Työn tarkoituksena on arvioida, onko toriumin käyttö polttoaineena mahdollista ja kannattavaa teknisestä näkökulmasta nykyisissä kiehutusvesireaktorissa. Polttoainenippujen mallintamiseen käytetään CASMO-4E -ohjelmaa. Koodi pohjautuu yleiseen teoriaan neutronien kulkemisesta ja vaikutuksista, joten sen tulisi kyetä mallintaa sekä uraani- että toriumpolttoaineita. Tätä valmiutta arvioidaan vertailemalla CASMO-4E:n ja toisen polttoainenippujen mallintamiseen käytetyn Monte Carlo -pohjaisen Serpent -koodin tuottamia kaksiryhmävakioita. Ohjelmissa käytetään ENDF/B-VI -pohjaisia vaikutusalakirjastoja. Tuloksista nähdään, että erot koodien välillä eivät kasva vaihtaessa uraanipolttoaineen toriumpolttoaineeksi. Työssä tutustutaan toriumin ydinteknisiin ominaisuuksiin ja polttoainenipun suunnitteluun. CASMO-4E:ä käytetään viiden eri toriumnipun suunnittelussa. Näistä kolme on paljon toriumia sisältäviä nippua ja kaksi vähän toriumia sisältäviä nippua. CASMO-4E:ä käytetään myös tuottamaan kaksiryhmävakiokirjastot kokosydänmallinnuksia varten. Suunnitteluvaiheessa laskettuja parametreja verrataan vertailukohtana käytettyyn uraaninippuun. Ottaen huomioon toriumin ydintekniset ominaisuudet tulokset ovat odotettuja. Vain yhtä nipputyyppiä käyttävän kiehutusvesilaitoksen tasapainosykliä mallinnetaan SIMULATE-3 -ohjelmalla. Syklien lämpörajoja, sulkumarginaalia, poistopalamia, reaktiivisuuskertoimia ja resurssien käyttöä verrataan vertailukohtana olevaan uraanisykliin. Toriumnippuja käyttävät syklit paransivat joitakin näistä, mutta yksikään toriumnippuja käyttävä sykli ei kyennyt parantamaan jokaista osa-aluetta. Työssä näytetään, että toriumpolttoainetta voi käyttää neutroniikan kannalta nykyisissä kiehutusvesireaktoreissa. Joitakin etujakin on saavutettavissa. Toriumpolttoaineiden parhaat puolet pääsevät esiin vasta korkeammilla palamilla
Description
Supervisor
Salomaa, Rainer
Thesis advisor
Ranta-aho, Anssu
Keywords
thorium, torium, equilibrium cycle, tasapainosykli, BWR, kiehutusvesireaktori
Other note
Citation