FR2620558A1 - Minimisation or elimination of the reloading of a nuclear reactor - Google Patents

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FR2620558A1
FR2620558A1 FR8811386A FR8811386A FR2620558A1 FR 2620558 A1 FR2620558 A1 FR 2620558A1 FR 8811386 A FR8811386 A FR 8811386A FR 8811386 A FR8811386 A FR 8811386A FR 2620558 A1 FR2620558 A1 FR 2620558A1
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fuel
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heart
fissile
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FR8811386A
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Richard Allen Doncals
Sandra Varner Andre
Roy Wayne Rathbun
Nam-Chin Paik
Charles Arnold Porter
Ambrose Leo Schwallie
Diane Susan Petras
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Westinghouse Electric Corp
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Abstract

A liquid-metal fast-neutron nuclear reactor 23 which has a reloading cycle of between 10 and 30 years is obtained by making the reactor 23 operate with a low linear power density, typically at 0.08 kW/cm of the fuel rods 77, instead of the 0.25 or 0.5 kW/cm of the existing technique. The height of the core 37 and its diameter are sized so that the ratio of the height to the diameter approaches 1 as far as possible, bearing in mind the control constraints and bearing in mind the fact that the pressure drop in the heat carrier must not be excessive. The surface area of a cylinder of a given volume is minimal when this height-to-diameter ratio is employed. When the surface area is minimised the neutron leakages are reduced by virtue of the reduction in the linear power density, of the increase in the core volume, of the reduction in the enrichment in fissile materials and in the optimisation of the core geometry, and the breeding of fissile fuel inside the core is substantially improved, and this makes it possible to take the reloading cycle to 30 years.

Description

MINIMISATION OU ELIMINATION DU RECHARGEMENT
D'UN REACTEUR NUCLEAIRE
Cette invention concerne le fonctionnement de centrales électriques dont la principale source d'énergie est un réacteur à neutrons rapides à métal liquide et les réacteurs pour ces centrales. Cette invention concerne en particulier le chargement des réacteurs pour ces centrales.
MINIMIZATION OR ELIMINATION OF RECHARGING
OF A NUCLEAR REACTOR
This invention relates to the operation of power plants whose main source of energy is a fast liquid metal neutron reactor and the reactors for these plants. This invention relates in particular to the loading of reactors for these power stations.

Bien que cette invention ne soit applicable qu'aux centrales dont les réacteurs sont du type à neutrons rapides et à métal liquide, on réalise que, dans ses aspects les plus généraux, elle peut trouver une application dans les centrales dont les réacteurs sont de types differents, tels que les réacteurs à eau pressurisée, les réacteurs à eau bouillante ou les réacteurs à refroidissement au gaz.Dans la mesure où cette invention est appliquée, ou trouve son utilisation, dans les centrales ayant des réacteurs de types différents des réacteurs à neutrons rapides à métal liquide ou dans les réacteurs de ces autres centrales, une telle application et une telle utilisation sont comprises à l'intérieur de l'étendue de l'applicabilité des équivalences de cette invention
Un réacteur nucléaire à reutrons rapides à métal liquide (LMFR) comporte un coeur de combustible fissile et de matériau fertile. Le combustible fissile est habituellement de l'oxyde de plutonium. Le plutonium dans le
PuO2 comporte un certain nombre d'isotopes : Pu238, Pu239,
Pu240, Pu241, Pu242. Le Pu239 et le Pu241 sont fissiles. Le
Pu239 constitue environ 86 du Pu et le Pu241 environ 2%.Le combustible fissile se trouve sous la forme de barres de combustible, chaque barre comportant une gaine d'acier inoxydable ou d'alliage de zirconium qui contient des pastilles d'oxydes de plutonium et d'uranium mélangés désignés par [(Pu-U)O2] et des pastilles de UO2. Dans les deux cas, le U02 contient de l'uranium appauvri. Le U02 sert de matériau fertile; la proportion de U235 dans cet uranium est d'environ 0,2. La proportion de PuO2 dans les barres de combustible est d'environ 12 à 25; le reste est du UO2. Le coeur comporte également des couvertures d'uranium appauvri servant de matériau fertile, disposées de façon circonférentielle et- au-dessus et en dessous.Egalement, le combustible fissile peut être du UO2 enrichi entre 12 et 25% en U235 mélangé à du U02 avec de l'uranium appauvri. On peut utiliser des carbures de plutonium et d'uranium à la place des oxydes.
Although this invention is only applicable to power plants whose reactors are of the fast neutron and liquid metal type, it is realized that, in its most general aspects, it can find an application in power plants of which the reactors are of the types different, such as pressurized water reactors, boiling water reactors or gas-cooled reactors. To the extent that this invention is applied, or finds its use, in power plants having reactors of different types from neutron reactors liquid metal rapids or in the reactors of these other plants, such an application and such use are included within the scope of the applicability of the equivalences of this invention
A liquid metal fast reutron nuclear reactor (LMFR) has a core of fissile fuel and fertile material. The fissile fuel is usually plutonium oxide. Plutonium in the
PuO2 contains a number of isotopes: Pu238, Pu239,
Pu240, Pu241, Pu242. Pu239 and Pu241 are fissile. The
Pu239 constitutes approximately 86 of Pu and Pu241 approximately 2%. The fissile fuel is in the form of fuel rods, each rod comprising a sheath of stainless steel or of zirconium alloy which contains pellets of plutonium oxides and mixed uranium designated as [(Pu-U) O2] and UO2 pellets. In both cases, U02 contains depleted uranium. U02 is used as fertile material; the proportion of U235 in this uranium is approximately 0.2. The proportion of PuO2 in the fuel rods is about 12 to 25; the rest is UO2. The core also has covers of depleted uranium used as fertile material, arranged circumferentially and above and below. Also, the fissile fuel can be UO2 enriched between 12 and 25% in U235 mixed with U02 with depleted uranium. Plutonium and uranium carbides can be used in place of the oxides.

De façon caractéristique, le coeur peut être considéré comme ayant globalement la forme d'un cylindre circulaire, bien que, de façon stricte, sa section transversale soit polygonale avec un grand nombre de côtés. Les barres de combustible fissile sont assemblées dans une unité globalement cylindrique. Les couvertures peuvent comporter un anneau encerclant l'extérieur du cylindre fissile et des disques disposes sur les bases du cylindre fissile. Les barres de combustible fissile peuvent également être montées dans un anneau eomportant une partie de couverture dans le centre en plus des parties de couverture externes. Le caloporteur pour le LMFR est un metal liquide, de façon caractéristique du sodium liquide.  Typically, the core can be considered to have the overall shape of a circular cylinder, although, strictly speaking, its cross section is polygonal with a large number of sides. The fissile fuel rods are assembled in a generally cylindrical unit. The covers may include a ring encircling the exterior of the fissile cylinder and disks arranged on the bases of the fissile cylinder. The fissile fuel rods can also be mounted in a ring having a cover part in the center in addition to the external cover parts. The coolant for LMFR is a liquid metal, typically liquid sodium.

Les coeurs des réacteurs à neutrons rapides à métal liquide ont une forte capacité de densité de puissance linéaire. La densité de puissance linéaire est définie comme étant le nombre de kilowatts par centimètre (kW/cm) de la barre de combustible. Selon les enseignements de la technique existante, les LMFR ont été conçus pour tirer parti de leur grande capacité de densité de puissance. The cores of fast liquid metal neutron reactors have a high capacity for linear power density. Linear power density is defined as the number of kilowatts per centimeter (kW / cm) of the fuel rod. According to the lessons of the existing technique, the LMFRs were designed to take advantage of their large capacity of power density.

Les volumes des coeurs ont été maintenus à un minimum afin d'obtenir une densité de puissance linéaire moyenne d'environ 0,246 kW/cm pour le combustible à l'oxyde et de 0,492 kW/ cm pour le combustible au carbure. Cette minimisation du volume du coeur a produit comme résultat des niveaux de fluence et d'épuisement qui limitent la durée de vie des ensembles de combustible à une plage située entre trois et cinq ans. De plus, l'intervalle de rechargement était habituellement limité, de par les possibilités des systèmes de commande actuels, à environ un an à cause de la perte importante de réactivité due à ltépuisement. The core volumes were kept to a minimum in order to obtain an average linear power density of approximately 0.246 kW / cm for the oxide fuel and 0.492 kW / cm for the carbide fuel. This minimization of core volume has resulted in fluency and exhaustion levels that limit the life of the fuel assemblies to a range of three to five years. In addition, the recharging interval was usually limited, by the possibilities of current control systems, to about one year due to the significant loss of reactivity due to exhaustion.

La nécessité de rechargements fréquents présente de sérieux inconvénients. Le rechargement est en lui-même un processus complexe comprenant le retrait de la tête d'un réacteur et le remplacement de barres de combustible radioactif dans un environnement radioactif. Il est également nécessaire de manipuler le caloporteur hautement réactif qui se transforme rapidement en base caustique à l'air. Le coût de la main d'oeuvre est substantiel et le réacteur est éteint pendant des intervalles relativement longs. Les rechargements fréquents provoquent également des pertes de combustible initial, car des ensembles de combustible partiellement brûlé sont retirés durant les quelques premiers cycles de rechargement.Dans un cycle de rechargement annuel, durant lequel un quart du coeur est remplacé chaque année, les premier, deuxieme et troisième rechargements retirent du combustible qu n'est brûlé qu'au quart, à moitié et aux trois quarts, respectivement. Dans ce cas, la perte est des trois huitièmes d'un coeur; dans le cas d'un rechargement tous les cinq ans, cette perte est des deux cinquièmes d'un coeur. La perte peut être compensée par le retraitement, mais le retraitement n'est pas possible aux Etats-Unis, et, s'il devient possible, il sera coûteux. The need for frequent recharging has serious drawbacks. Reloading is in itself a complex process including removing the head from a reactor and replacing radioactive fuel rods in a radioactive environment. It is also necessary to handle the highly reactive coolant which quickly transforms into a caustic base in air. The cost of labor is substantial and the reactor is shut down for relatively long intervals. Frequent refueling also causes initial fuel loss, as partially burned fuel assemblies are removed during the first few refueling cycles; in an annual refueling cycle, during which a quarter of the core is replaced each year, the first and second and third reloads remove fuel that is only quarter, half and three-quarters burned, respectively. In this case, the loss is three-eighths of a heart; in the case of recharging every five years, this loss is two-fifths of a heart. The loss can be offset by reprocessing, but reprocessing is not possible in the United States, and, if it becomes possible, it will be costly.

La construction d'une centrale électrique avec un LMFR de la technique existante est compliquée et le coût est matériellement accru par la nécessité de fournir l'appareillage de manipulation du combustible, les bâtiments pour renfermer cet équipement et les appareils pour déplacer cet équipement entre les bâtiments et le réacteur. De plus, il doit y avoir des piscines de stockage du combustible et des équipements de refroidissement pour manipuler les lots de combustible retirés annuellement, qui sont encore hautement fissiles et qui sont également hautement radioactifs. Un autre inconvénient est la détérioration de la gaine des barres de combustible et du combustible par la désagrégation résultant du fonctionnement avec une densité de puissance linéaire élevée.The construction of a power plant with an LMFR of the existing technique is complicated and the cost is materially increased by the need to provide the fuel handling apparatus, the buildings to contain this equipment and the apparatuses for moving this equipment between the buildings and the reactor. In addition, there must be fuel storage pools and cooling equipment to handle the annually removed fuel batches, which are still highly fissile and which are also highly radioactive. Another drawback is the deterioration of the fuel rod cladding and of the fuel by the disintegration resulting from operation with a high linear power density.

L'objet de cette invention est de remédier aux inconvénients de la technique existante et de procurer un procédé pour utiliser une centrale électrique dont la principale source d'énergie est un LMFR, de telle façon que le rechargement ne soit pas nécessaire durant toute la durée de vie du LMFR, de procurer un LMFR pour mettre ce procédé en oeuvre, et de procurer un procédé pour utiliser une centrale électrique dont la source d'énergie principale est un LMFR de telle sorte que des rechargements peu fréquents soient nécessaires durant la durée de vie de la centrale, de façon caractéristique à des intervalles d'au moins dix ans. The object of this invention is to remedy the drawbacks of the existing technique and to provide a method for using a power plant whose main source of energy is an LMFR, so that recharging is not necessary throughout the duration life of the LMFR, to provide an LMFR to implement this process, and to provide a process for using a power plant whose main source of energy is an LMFR so that infrequent recharging is necessary during the period of plant life, typically at intervals of at least ten years.

Selon cette invention, le fonctionnement d'une centrale à LMFR sans recharger le réacteur pendant la durée de vie du coeur est réalisé en se basant sur la surrégénération fu combustible fissile à partir du matériau fertile afin d'étendre la durée de vie utile du coeur tout en travaillant à une faible densité de puissance linéaire. De façon caractéristique, la durée de vie du coeur est d'environ 30 ans. La surrégénération de combustible fissile limite, ou compense, la perte de réactivité. La surrégénération de combustible fissile est augmentée en minimisant la fuite des neutrons hors du coeur. Cet objet est accompli en dimensionnant le coeur de telle sorte que le rapport de sa hauteur sur son diamètre soit aussi proche que possible de 1.On peut montrer qu'un cylindre circulaire a une surface minimale pour un rapport de 1, de telle sorte que, dans un tel cylindre, la fuite des neutrons par la surface soit minimisée. Toutefois, le rapport de 1 ne peut pas, dans la pratique, être réalise, car il faut prendre en considération les nécessités de la commande (de longues barres de commande et un déplacement des barres de commande sur des distances substantielles) et la chute de pression dans le caloporteur lorsqu'il s'écoule à travers le coeur. According to this invention, the operation of an LMFR power station without recharging the reactor during the lifetime of the core is carried out based on the over-regeneration of the fissile fuel from the fertile material in order to extend the useful lifetime of the core while working at a low linear power density. Typically, the life of the heart is about 30 years. Over-generation of fissile fuel limits, or compensates for, the loss of reactivity. The over-generation of fissile fuel is increased by minimizing the escape of neutrons from the core. This object is accomplished by dimensioning the core so that the ratio of its height to its diameter is as close as possible to 1. It can be shown that a circular cylinder has a minimum surface for a ratio of 1, so that , in such a cylinder, the neutron leakage from the surface is minimized. However, the ratio of 1 cannot, in practice, be achieved, since it is necessary to take into account the necessities of the control (long control rods and displacement of the control rods over substantial distances) and the fall of pressure in the coolant as it flows through the core.

Pour éviter des coûts de commande trop élevés et une trop forte chute de pression, ou une augmentation excessive du coût des pompes de caloporteur, le rapport est habituellement inférieur à 1. En ce qui concerne certains réacteurs, on a constaté que l'amélioration obtenue pour un accroissement du rapport hauteur-diamètre au-delà de 39t environ ne permettait pas de garantir les coûts additionnels. De façon caractéristique, la densité de puissance linéaire est limitée à environ un tiers de la densité de puissance linéaire de la technique existante. Pour le combustible à l'oxyde, la densité de puissance linéaire est limitée à environ 0,082 kW/cm.Pour produire avec un LMFR fonctionnant avec une faible densité de puissance linéaire une énergie de la même valeur que celle produite par un LMFR de la technique existante, qui fonctionne avec des densités de puissance linéaire élevées, le volume du coeur doit être accru afin de s-adapter aux barres de combustibles agrandies et au matériau fertile accru qui sont nécessaires. La hauteur d'un coeur de la technique existante est de façon caracteristique de 1,016 m environ. Le coeur selon cette invention a une hauteur comprise entre 1,52 et 1,83 m. Le diamètre du coeur est également accru, mais l'idéal du rapport de 1 entre la hauteur et le diamètre est approché mais non atteint.To avoid excessively high control costs and too high a pressure drop, or an excessive increase in the cost of the heat transfer pumps, the ratio is usually less than 1. With regard to certain reactors, it has been found that the improvement obtained for an increase in the height-diameter ratio beyond around 39t did not guarantee additional costs. Typically, the linear power density is limited to about one third of the linear power density of the prior art. For oxide fuel, the linear power density is limited to approximately 0.082 kW / cm. To produce with an LMFR operating with a low linear power density an energy of the same value as that produced by an LMFR of the technique existing, which operates with high linear power densities, the core volume must be increased in order to adapt to the enlarged fuel rods and the increased fertile material which are necessary. The height of a core of the existing technique is typically 1.016 m. The core according to this invention has a height of between 1.52 and 1.83 m. The diameter of the heart is also increased, but the ideal of the ratio of 1 between the height and the diameter is approached but not reached.

En ce qui concerne l'enrichissement du combustible fissile (Pu239, Pu241, U235) pour un coeur à longue durée de vie, cela dépend des besoins spécifiques de la centrale électrique, c'est-à-dire du niveau de puissance, de la durée de vie du coeur (10 ans, 15 ans, 30 ans), etc. En général, à tout niveau de puissance, le coeur à longue durée de vie a un enrichissement plus faible qu'un coeur qui est rechargé annuellement à cause du volume plus important et des fuites en neutrons réduites du coeur à longue durée de vie. De façon caractéristique, un coeur hétérogène de 1300 MW électriques qui doit être rechargé annuellement nécessite un enrichissement en Pu de 30% environ, tandis qu'un coeur à longue durée de vie de la même puissance de sortie nécessite environ 21%.Le coeur à longue durée de vie a plus de matériau fissile au commencement du fonctionnement, comme illustre dans les Tableaux IA, IB, IC qui suivent
TABLEAU IA
UTILISATION DE LA MASSE FISSILE DANS UN COEUR DE
1000 MW ELECTRIQUES POUR UN CYCLE D'EPUISEMENT
(30 ANNEES DE FONCTIONNEMENT)
Intervalle de rechargement Annuel 15 ans 30 ans
Chargement initial en plutonium fissile (kg) 3.604 6.320 9.015
Plutonium additionnel nécessaire (kg) 20.903* 6.320
Plutonium total nécessaire (kg) 24.507 12.640 9.015 *29 rechargements annuels
TABLEAU IB
UTILISATION DE LA MASSE FISSILE DANS UN COEUR DE
330 MW ELECTRIQUES POUR UN CYCLE D'EPUISEMENT
(30 ANNEES DE FONCTIONNEMENT)
Intervalle de rechargément Annuel 15 ans 30 ans
Chargement initial en plutonium fissile (kg) 1.644 2.400 3.390
Plutonium additionnel nécessaire (kg) 11.919* 2.400
Plutonium total nécessaire (kg) 13.563 4.800 3.390 *29 rechargements annuels
TABLEAU IC
UTILISATION DE LA MASSE FISSILE DANS UN COEUR DE
110 MW ELECTRIQUES POUR UN CYCLE D'EPUISEMENT
(30 ANNEES DE FONCTIONNEMENT)
Intervalle de rechargement Annuel 15 ans
Chargement initial en plutonium fissile (kg - 1 à 1/4 du coeur) 845 1.865
Plutonium additionnel nécessaire (kg) 6.126* 1.865
Plutonium total nécessaire (kg) 6.971 3.730 *29 rechargements annuels
La mise en pratique de cette invention produit les avantages principaux suivants
1.La construction de la centrale électrique nucléaire est simplifiée, avec une réduction concomitante du coût, en particulier grâce à l'élimination de l'appareillage de rechargement et de ses bâtiments et de l'équipement de transport que cet appareillage nécessite, et, également, grâce à l'élimination des équipements de stockage pour le combustible qui est retiré année après année, c'est-à-dire les piscines de stockage du combustible, les systèmes de refroidissement, etc.
Regarding the enrichment of fissile fuel (Pu239, Pu241, U235) for a long-lived core, it depends on the specific needs of the power plant, i.e. the power level, the lifetime of the heart (10 years, 15 years, 30 years), etc. In general, at any power level, the long-lived heart has a lower enrichment than a heart which is recharged annually due to the larger volume and reduced neutron leaks from the long-lived heart. Typically, a heterogeneous core of 1300 MW electrical which must be recharged annually requires an enrichment in Pu of approximately 30%, while a long life core of the same output power requires approximately 21%. long life has more fissile material at the start of operation, as illustrated in Tables IA, IB, IC which follow
TABLE IA
USE OF FISSILE MASS IN A HEART OF
1000 MW ELECTRIC FOR A DEPLETION CYCLE
(30 YEARS OF OPERATION)
Recharge interval Annual 15 years 30 years
Initial load in fissile plutonium (kg) 3,604 6,320 9,015
Additional plutonium required (kg) 20.903 * 6.320
Total plutonium required (kg) 24,507 12,640 9,015 * 29 annual reloads
TABLE IB
USE OF FISSILE MASS IN A HEART OF
330 MW ELECTRIC FOR A DEPLETION CYCLE
(30 YEARS OF OPERATION)
Recharge interval Annual 15 years 30 years
Initial load in fissile plutonium (kg) 1,644 2,400 3,390
Additional plutonium required (kg) 11,919 * 2,400
Total plutonium required (kg) 13,563 4,800 3,390 * 29 annual reloads
TABLE IC
USE OF FISSILE MASS IN A HEART OF
110 MW ELECTRIC FOR A DEPLETION CYCLE
(30 YEARS OF OPERATION)
Annual recharging interval 15 years
Initial loading in fissile plutonium (kg - 1 to 1/4 of the core) 845 1,865
Additional plutonium required (kg) 6.126 * 1.865
Total plutonium required (kg) 6,971 3,730 * 29 annual reloads
Practicing this invention produces the following main advantages
1.The construction of the nuclear power plant is simplified, with a concomitant reduction in cost, in particular thanks to the elimination of the recharging equipment and its buildings and of the transport equipment that this equipment requires, and, also, thanks to the elimination of fuel storage equipment which is withdrawn year after year, i.e. fuel storage pools, cooling systems, etc.

2. Il y a une augmentation significative du temps durant lequel le LMFR est disponible, parce qu'aucun temps, ou peu de temps dans le cas de rechargements peu fréquents, n'est perdu au rechargement. 2. There is a significant increase in the time during which the LMFR is available, because no time, or little time in the case of infrequent reloads, is lost on reloading.

3. La nécessité de la fabrication, du transport et du retraitement du combustible est éliminée, sauf lors du démarrage et de la mise hors service d'une centrale électrique. 3. The need to manufacture, transport and reprocess fuel is eliminated, except during the start-up and decommissioning of a power plant.

4. La sûreté du fonctionnement de la centrale électrique est amélioree parce que le réacteur fonctionne avec une faible densité de puissance linéaire et que la possibilité que le coeur ou le caloporteur subissent une surchauffe est réduite. 4. The operational reliability of the power plant is improved because the reactor operates with a low linear power density and the possibility that the core or the coolant will overheat is reduced.

5. Le stockage de déchets nucléaires à fort niveau de radioactivite est éliminé. 5. Storage of nuclear waste with a high level of radioactivity is eliminated.

6. La prolifération de plutonium qui pourrait accidentellement tomber entre les mains de terroristes ou de dangereux fanatiques est réduite. 6. The proliferation of plutonium which could accidentally fall into the hands of terrorists or dangerous fanatics is reduced.

7. Comme, dans le cas d'un réacteur non rechargeable, la tête de fermeture du réacteur n'a pas besoin d'être retirée jusqu'a la mise hors service de la centrale, la structure de la tête de fermeture est simplifiée. 7. Since, in the case of a non-refillable reactor, the reactor closing head does not need to be removed until the plant is decommissioned, the structure of the closing head is simplified.

8. La détérioration des barres de combustible est réduite et/ou la fraction du volume de combustible peut être augmentée. 8. The deterioration of the fuel rods is reduced and / or the fraction of the fuel volume can be increased.

9. On estime que la capacité de combustion du combustible est augmentée d'environ 30%. Les progrès technologiques ont actuellement porté la capacité de combustion de 170.000 mégawatts-jours par tonne métrique environ à 220.000
MW-jour/t environ. Avec un coeur non rechargeable sur 30 ans selon cette invention, une capacité de combustion de 290.000
MW-jour/t environ est possible.
9. It is estimated that the fuel combustion capacity is increased by about 30%. Technological advances have currently brought the combustion capacity from 170,000 megawatt-days per metric ton to approximately 220,000
MW-day / t approximately. With a non-rechargeable core over 30 years according to this invention, a combustion capacity of 290,000
MW-day / t approximately is possible.

10. On estime que le coût de l'énergie est réduit d'environ 20%. 10. It is estimated that the cost of energy is reduced by around 20%.

Cette invention privilégie l'extension de la durée de vie du combustible, au détriment de l'élévation de la densité de puissance. Cela suppose que la quantité de métaux lourds (matériau fertile) et le volume du coeur soient augmentés, de façon caractéristique d'un facteur compris entre 2 et 3,5, selon que le combustible comporte des carbures ou des oxydes d'uranium ou de plutonium. Cette augmentation de volume produit une diminution correspondante du niveau de flux, et un environnement moins agressif qui produit moins de détériorations dues à l'irradiation du combustible dans une période de temps donnée. Lorsque cette augmentation de volume est combinée à la capacité en énergie accrue du combustible mentionnée précédemment, une durée de vie de 30 ans sans rechargement de l'ensemble parait hautement attractive d'un point de vue économique. This invention favors the extension of the life of the fuel, to the detriment of the increase in power density. This assumes that the amount of heavy metals (fertile material) and the volume of the heart are increased, typically by a factor of between 2 and 3.5, depending on whether the fuel contains carbides or oxides of uranium or plutonium. This increase in volume produces a corresponding decrease in the level of flux, and a less aggressive environment which produces less deterioration due to the irradiation of the fuel in a given period of time. When this increase in volume is combined with the increased energy capacity of the fuel mentioned above, a lifetime of 30 years without recharging the assembly appears highly attractive from an economic point of view.

Pour un coeur non rechargeable avec un combustible aux métaux lourds et aux carbures, les caractéristiques de surrégénération interne au coeur limitent les pertes de réactivité à un niveau facilement contrôlé situé entre 2 et 3t AK/K. Les combustibles aux oxydes produisent une surrégénération de matériaux fissiles moindre et souffrent par conséquent de pertes de réactivité plus importantes. Les prévisions pour le fonctionnement d'un coeur à oxyde à longue durée de vie sont réalisables en quantifiant la sensibilité de la réactivité nucléaire à la hauteur du coeur.Un coeur à oxyde d'une hauteur de la technique existante de 102 cm (40 pouces), mais avec trois fois le volume de la technique existante, présente des pertes de réactivité supérieures à 10t AK/K. Si ce même volume de coeur est conservé tout en portant la hauteur à 183 cm (72 pouces), les pertes de réactivité sont réduites à 3t AK/K.  For a non-refillable core with a fuel containing heavy metals and carbides, the internal over-regeneration characteristics within the core limit the losses of reactivity to an easily controlled level situated between 2 and 3 t AK / K. Oxide fuels produce less over-regeneration of fissile materials and therefore suffer from greater reactivity losses. Predictions for the operation of a long-lived oxide core are achievable by quantifying the sensitivity of nuclear reactivity to the height of the core. An oxide core with a height of the existing technique of 102 cm (40 inches) ), but with three times the volume of the existing technique, presents losses of reactivity greater than 10t AK / K. If this same core volume is kept while bringing the height to 183 cm (72 inches), the reactivity losses are reduced to 3t AK / K.

Grâce à une sélection appropriée des paramètres du combustible, par exemple le diamètre des broches, le rapport pas-diamètre, l'augmentation de température du coeur, etc., l'augmentation de la chute de pression du caloporteur lorsqu'il s'écoule à travers le coeur -st minimisée ou entièrement éliminée. Thanks to an appropriate selection of the fuel parameters, for example the diameter of the spindles, the pitch-diameter ratio, the increase in core temperature, etc., the increase in the pressure drop of the coolant as it flows through the heart -st minimized or entirely eliminated.

Les changements du coeur, selon cette invention, peuvent également affecter les coefficients températureréactivité. La valeur de la constante Doppler augmente de 17%, tandis que le coefficient de dilatation radiale diminue approximativement de 5%. Le coefficient de dilatation radiale relie le changement de la réactivité du coeur (AK/K) aux changements du rayon du coeur se produisant du fait de la dilatation thermique des structures de support du coeur. Changes in the heart, according to this invention, can also affect temperature-reactivity coefficients. The value of the Doppler constant increases by 17%, while the coefficient of radial expansion decreases by approximately 5%. The coefficient of radial expansion relates the change in the reactivity of the heart (AK / K) to the changes in the radius of the heart occurring due to thermal expansion of the support structures of the heart.

L'augmentation des températures dilate en général le coeur, ce qui éloigne les barres de combustible, et réduit par conséquent la réactivité. L'effet Doppler consiste en une diminution de la réactivité lorsque la température du caloporteur augmente durant la mise en service et en une augmentation de la réactivité lorsque la température du caloporteur diminue lors de l'arrêt. L'effet Doppler et le coefficient de dilatation radiale introduisent des facteurs de rétroaction négative lors du démarrage et des facteurs de rétroaction positive lors de l'arrêt. Les changements du coeur décrits ci-dessus ne semblent pas avoir d'effet conséquent sur les caractéristiques en ce qui concerne l'effet
Doppler et le coefficient de dilatation radiale.
Increasing temperatures generally dilates the core, which keeps the fuel rods away, and therefore reduces reactivity. The Doppler effect consists of a decrease in reactivity when the temperature of the coolant increases during commissioning and an increase in reactivity when the temperature of the coolant decreases during shutdown. The Doppler effect and the radial expansion coefficient introduce negative feedback factors when starting and positive feedback factors when stopping. The changes in heart described above do not appear to have a significant effect on the characteristics of the effect.
Doppler and the coefficient of radial expansion.

Un réacteur non rechargeable, de façon caractéristique avec un coeur non rechargeable ayant une durée de vie de 30 ans, présente un avantage unique. Mais on peut avoir des installations de centrales électriques dans lesquelles une densité de puissance linéaire plus élevée et un coeur avec un volume plus petit, nécessitant un rechargement minimal, sont souhaitables. Un fonctionnement de centrale electrique dans lequel l'intervalle de rechargement est d'au moins 5 ans et colncide avec les autres interruptions de maintenance principales de la centrale se trouve à l'inte- rieur de l'étendue de l'applicabilité des principaux aspects de cette invention. Dans le cas où des interruptions à des intervalles plus rçpprochés deviennent nécessaires à des fins de maintenance, des rechargements limités peuvent se produire durant ces interruptions.Le rechargement limité doit être distingué du rechargement annuel qui est nécessaire pour les LMFR de la technique existante dans lesquels un quart ou un cinquième des barres de combustible est remplacé annuellement. Le cycle de rechargement de 5 ans ou plus se situe à l'intérieur de l'étendue de l'applicabilité de cette invention. Il suppose une densité de puissance linéaire substantiellement plus faible et une augmentation substantielle du volume du coeur par rapport aux LMFR de la technique existante. Un intervalle de rechargement de 5 ans ou plus procurera la disponibilité de centrale accrue d'un coeur de 30 ans de durée de vie, tout en autorisant un volume de coeur réduit par rapport au coeur de 30 ans de durée de vie.Cet aspect de l'invention n'offrira pas la simplification de la tête de fermeture, ni-l'élimination de ltéquipement de manipulation du combustible et des équipements de retraitement présentées par le coeur de 30 ans de durée de vie. A non-rechargeable reactor, typically with a non-rechargeable core having a lifespan of 30 years, has a unique advantage. But we can have power plant installations in which a higher linear power density and a core with a smaller volume, requiring minimal recharging, are desirable. A power plant operation in which the recharging interval is at least 5 years and coincides with the other main maintenance interruptions of the power plant is within the scope of the applicability of the main aspects of this invention. In the event that interruptions at shorter intervals become necessary for maintenance purposes, limited recharges may occur during these interruptions. Limited recharging must be distinguished from the annual recharging which is necessary for LMFR of the existing technique in which a quarter or a fifth of the fuel rods are replaced annually. The recharging cycle of 5 years or more is within the scope of the applicability of this invention. It assumes a substantially lower linear power density and a substantial increase in the volume of the core compared to the LMFR of the existing technique. A recharging interval of 5 years or more will provide increased central availability of a core with 30 years of lifespan, while allowing a reduced core volume compared to the core with 30 years of lifespan. the invention will not offer the simplification of the closing head, nor the elimination of the fuel handling equipment and the reprocessing equipment presented by the core with 30 years of service life.

Pour une meilleure compréhension de cette invention, aussi bien en ce qui concerne son organisation que son procédé de fonctionnement, ainsi que des objets et avantages additionnels de celle-ci, référence est faite à la description qui suit, prise en relation avec les dessins joints, dans lesquels
la Figure 1 est une vue schématique montrant une centrale électrique dans le fonctionnement de laquelle le procédé de cette invention est mis en pratique et montrant également un réacteur à neutrons rapides à métal liquide représentant cette invention;
la Figure 2 est une vue en coupe transversale montrant un coeur homogène inclus dans le LMFR montré en
Figure 1;
la Figure 3 est une vue en coupe transversale montrant un coeur hétérogene qui pourrait également être inclus dans le réacteur montré en Figure 1;;
la Figure 4 est un graphique montrant l'effet sur la réactivité de différents rapports hauteur sur diametre de coeurs ayant le même volume;
la Figure 5 est un graphique montrant la relation entre la durée de vie et l'excédent de réactivité pour un réacteur selon cette invention, par rapport à un réacteur selon les enseignements de la technique existante, tous les deux étant conçus pour délivrer une puissance de même valeur
la Figure 6 est un graphique montrant l'effet de la fraction de volume du combustible dans le coeur sur l'excédent de réactivité;;
les Figures 7 et 9 sont des graphiques similaires à la Figure 4 montrant l'effet sur la durée de vie du rapport hauteur sur diamètre du coeur avec le même volume pour des réacteurs de 330 MW électriques et de 110 MW électriques fonctionnant avec une faible densité de puissance linéaire, et la Figure 8 est un graphique comparant l'effet d'une disposition de coeur hétérogène à une disposition de coeur homogene pour un réacteur de 330 MW électriques;
la Figure 10 est un graphique comparant la réac- tivité et la durée de fonctionnement avec une faible densité de puissance linéaire et une densité de puissance linéaire élevée; ;
la Figure 11 est un graphique comparant l'excédent de réactivité en fonction du temps pour des barres à longue durée de vie contenant du combustible à l'oxyde d'uranium et un combustible à oxydes mélangés [(Pu-U)O2], tous deux utilisés avec une faible densité de puissance linéaire;
la Figure 12 est un graphique montrant l'indispo nibilité de la centrale électrique en fonction de l'intervalle de rechargement, et
la Figure 13 est un graphique montrant l'excédent de réactivité en fonction du temps pour des coeurs conçus pour fonctionner pendant des durées de vie différentes.
For a better understanding of this invention, as regards both its organization and its operating method, as well as additional objects and advantages, reference is made to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings , wherein
Figure 1 is a schematic view showing a power plant in the operation of which the method of this invention is practiced and also showing a fast liquid metal neutron reactor representing this invention;
Figure 2 is a cross-sectional view showing a homogeneous core included in the LMFR shown in
Figure 1;
Figure 3 is a cross-sectional view showing a heterogeneous core which could also be included in the reactor shown in Figure 1;
Figure 4 is a graph showing the effect on reactivity of different height to diameter ratios of hearts having the same volume;
Figure 5 is a graph showing the relationship between service life and excess reactivity for a reactor according to this invention, compared to a reactor according to the teachings of the existing technique, both being designed to deliver a power of same value
Figure 6 is a graph showing the effect of the volume fraction of fuel in the core on the excess reactivity;
Figures 7 and 9 are graphs similar to Figure 4 showing the effect on the lifetime of the height to diameter ratio of the core with the same volume for reactors of 330 MW electric and 110 MW electric operating at low density linear power, and Figure 8 is a graph comparing the effect of a heterogeneous core layout to a homogeneous core layout for a 330 MW electric reactor;
Figure 10 is a graph comparing reactivity and run time with low linear power density and high linear power density; ;
Figure 11 is a graph comparing excess reactivity versus time for long life bars containing uranium oxide fuel and mixed oxide fuel [(Pu-U) O2], all two used with a low linear power density;
FIG. 12 is a graph showing the unavailability of the power station as a function of the recharging interval, and
Figure 13 is a graph showing the excess reactivity as a function of time for cores designed to operate during different lifetimes.

La Figure 1 montre une centrale électrique 21 comportant un réacteur 23 à neutrons rapides à métal liquide du type piscine, un échangeur de chaleur extérieur 25 et une turbine 27. La Figure 1 est une présentation simplifiée. FIG. 1 shows a power station 21 comprising a reactor 23 for rapid neutrons with liquid metal of the swimming pool type, an external heat exchanger 25 and a turbine 27. FIG. 1 is a simplified presentation.

Le réacteur 23 est suspendu sur un support 29. Principalement, les composants du réacteur comprennent une cuve de réacteur 31 qui est enfermée dans une cuve de sécurité 33. A l'intérieur de la cuve de réacteur se trouvent une pompe 35, un coeur 37, un échangeur de chaleur intermédiaire 39, et des équipements internes supérieurs globalement indiqués en 41. Ces composants sont entourés par une piscine 42 de sodium liquide, renfermée de façon caractéristique à l'inte- rieur de la cuve de réacteur 31. On notera que cette invention est aussi bien applicable à un réacteur du type à boucle qu'à un réacteur du type à piscine.The reactor 23 is suspended on a support 29. Mainly, the components of the reactor include a reactor vessel 31 which is enclosed in a safety vessel 33. Inside the reactor vessel there is a pump 35, a core 37 , an intermediate heat exchanger 39, and upper internal equipment generally indicated at 41. These components are surrounded by a pool 42 of liquid sodium, typically enclosed inside the reactor vessel 31. It will be noted that this invention is equally applicable to a loop type reactor as to a pool type reactor.

Dans sa section transversale, le coeur 37 a la forme d'un polygone. Cependant, comme la dimension de la section transversale à travers le centre du coeur est grande et que le nombre de côtés du polygone est élevé, pour des raisons pratiques, on peut considérer que la section transversale du coeur est circulaire, avec un rayon égal au rayon du cercle circonscrivant le polygone. Le coeur peut être considéré comme étant circulaire et cylindrique. In its cross section, the heart 37 has the shape of a polygon. However, as the dimension of the cross section through the center of the heart is large and the number of sides of the polygon is high, for practical reasons, it can be considered that the cross section of the heart is circular, with a radius equal to the radius of the circle circumscribing the polygon. The heart can be considered to be circular and cylindrical.

Les LMFR sont décrits comme étant homogènes ou hétérogènes en fonction de la structure de leur coeur. LMFRs are described as being homogeneous or heterogeneous depending on the structure of their heart.

La Figure 2 montre la coupe transversale d'un coeur homo gene 37M. Un tel coeur comporte un cylindre central 51 de combustible fissile à faible enrichissement, de façon carac téristique entre 17 et 19%, encerclé par un anneau 53 de combustible fissile à enrichissement plus élevé, de façon caractéristique entre 25 et 30%. Le cylindre 51 et l'anneau 53 sont composés d'oxydes ou de carbures de Pu et de U mélangés [(Pu-U)O2; (Pu-U)C] du combustible fissile, et d'oxyde ou de carbure d'uranium appauvri. Le plutonium comprend la totalité de ses isotopes qui sont habituellement présents, mais comporte de grandes quantités des isotopes fissiles : Pu239 (environ 86%) et Pu241 (environ 2%). La proportion du plutonium dans les pastilles de combustible est comprise entre 20 et 30% environ.L'uranium dans le cylindre et l'anneau sert de matériau fertile et est converti en plutonium par la réaction neutronique. L'anneau 53 est encerclé par un anneau 55 de matériau fertile, de façon caractéristique de l'oxyde ou du carbure d'uranium appauvri avec environ 0,2t de U235. Il y a également des disques de couverture d'uranium appauvri au-dessus et en dessous .du coeur 37.Figure 2 shows the cross section of a homogeneous 37M core. Such a core comprises a central cylinder 51 of fissile fuel with low enrichment, characteristically between 17 and 19%, surrounded by a ring 53 of fissile fuel with higher enrichment, typically between 25 and 30%. The cylinder 51 and the ring 53 are composed of oxides or carbides of Pu and U mixed [(Pu-U) O2; (Pu-U) C] of fissile fuel, and depleted uranium oxide or carbide. Plutonium comprises all of its isotopes which are usually present, but contains large quantities of the fissile isotopes: Pu239 (approximately 86%) and Pu241 (approximately 2%). The proportion of plutonium in the fuel pellets is between 20 and 30% approximately. The uranium in the cylinder and the ring serves as fertile material and is converted into plutonium by the neutron reaction. The ring 53 is surrounded by a ring 55 of fertile material, typically oxide or depleted uranium carbide with about 0.2t of U235. There are also depleted uranium cover discs above and below the core 37.

Si l'on se réfère à la Figure 3, le coeur hétérogène 37T comporte un cylindre central 57 de matériau fertile encerclé par des anneaux 59, 61, 63, 65, 67, 69, alternativement en matériau fertile et en combustible fissile. Referring to Figure 3, the heterogeneous core 37T comprises a central cylinder 57 of fertile material surrounded by rings 59, 61, 63, 65, 67, 69, alternately in fertile material and in fissile fuel.

Le coeur 37 est monté sur des supports de coeur 71 et est enfermé dans un fût de blindage 73. Le caloporteur, du sodium liquide, est transmis à la base du coeur 37 par la pompe 35 par l'intermédiaire du conducteur 75 et est entralné par la pompe vers le haut à travers le coeur. Les barres de commande 77 sont actionnées par un mécanisme (non représenté) dans les équipements internes supérieurs 41 de façon à rentrer et à sortir du coeur en fonction de la demande de puissance ou d'autres indications. The core 37 is mounted on core supports 71 and is enclosed in a shielding barrel 73. The coolant, liquid sodium, is transmitted to the base of the core 37 by the pump 35 via the conductor 75 and is entrained by pump up through the heart. The control bars 77 are actuated by a mechanism (not shown) in the upper internal equipment 41 so as to enter and leave the core as a function of the demand for power or other indications.

Le combustible fissile se trouve sous la forme de pastilles enrobées dans des cylindres d'acier inoxydable ou d'alliage de zirconium. Les cylindres contenant les pastilles sont décrits comme étant des barres de combustible. La densité de puissance linéaire ou niveau de puissance réactive est déterminé par une procédure de démarrage appropriée par l'intermédiaire du déplacement et du positionnement des barres de commande 77. The fissile fuel is in the form of pellets coated in cylinders of stainless steel or zirconium alloy. The cylinders containing the pellets are described as fuel rods. The linear power density or reactive power level is determined by an appropriate starting procedure by moving and positioning the control rods 77.

Selon cette invention, le fonctionnement avec une longue durée de vit du réacteur est obtenu en réduisant la densité de puissance linéaire à une fraction, de façon caractéristique environ un tiers, de la densité de puissance qui est utilisée dans le fonctionnement de la technique existante et en augmentant le volume du coeur, c'est-à-dire le nombre ou la longueur des barres de combustibles, de telle sorte que la puissance nécessaire soit dérivée pour la centrale électrique à LMFR.De plus, le coeur est di mensionné de telle sorte que le rapport de sa hauteur sur son diamètre soit aussi proche de 1 que possible, en prenant en considération les autres contraintes du réacteur et du fonctionnement de la centrale électrique, et, en particulier, les contraintes de commande et de chute de pression dans le caloporteur lorsqu'il est entraîné à travers le coeur 37 par la pompe 35. Le fait est qu'il doit exister un compromis entre le souhait d'atteindre l'idéal d'égalité entre la hauteur et le diamètre et la réalité de l'entralne- ment d'un caloporteur à travers le coeur avec des pompes raisonnablement disponibles et des barres de commande de dimensions raisonnables.Lorsque l'on est arrivé à cette invention, on s'est rendu compte que dans certaines situations, une augmentation de hauteur au-delà d'un rapport hauteur sur diamètre de 39t environ n'apportait qu'une faible amélioration au fonctionnement ou a la durée de vie du réacteur. According to this invention, the operation with a long lifespan of the reactor is obtained by reducing the linear power density to a fraction, typically about a third, of the power density which is used in the operation of the existing technique and by increasing the volume of the core, i.e. the number or length of the fuel rods, so that the necessary power is derived for the LMFR power plant. In addition, the core is dimensioned in such a way so that the ratio of its height to its diameter is as close to 1 as possible, taking into account the other constraints of the reactor and the operation of the power plant, and, in particular, the constraints of control and pressure drop in the coolant when driven through the core 37 by the pump 35. The fact is that there must be a compromise between the desire to achieve the ideal of equality between the height and the di and the reality of the entrainment of a coolant through the heart with reasonably available pumps and control rods of reasonable dimensions. When we arrived at this invention, we realized that in in certain situations, an increase in height beyond a height-to-diameter ratio of approximately 39 t only brought about a slight improvement in the operation or in the life of the reactor.

Les avantages de cette invention et certaines de ses ramifications vont à présent être présentés en se référant aux Figures 4 à 13. The advantages of this invention and some of its ramifications will now be presented with reference to Figures 4 to 13.

Dans la Figure 4, l'excédent de réactivité en pourcentage (%au) est tracé verticalement en fonction de la durée de vie en années du réacteur sans rechargement, qui est tracée horizontalement. Le graphique est basé sur les données pour un réacteur surrégénérateur à neutrons rapides à métal liquide délivrant une puissance électrique de 1000 mégawatts (2740 MW thermiques) chargé d'oxydes de plutonium mélangés à de l'oxyde d'uranium appauvri et disposés comme exposé ci-dessus. Toutes les courbes sont données pour un réacteur du même volume et avec la même proportion de métaux lourds, mais pour différentes hauteurs et différents diamètres, fonctionnant avec une densité de puissance linéaire de 0,08 kW/cm (2,5 kW/pied).Les courbes sont tracées pour des coeurs, comme indiqué, ayant des hauteurs de 240 cm (8 pieds), 180 cm (6 pieds) et 100 cm (40 pouces). Le Tableau 1, ci-dessous, montre les données pertinentes pour les coeurs. In Figure 4, the excess reactivity in percentage (% au) is plotted vertically as a function of the service life in years of the reactor without recharging, which is plotted horizontally. The graph is based on the data for a fast-neutron liquid metal breeder reactor delivering an electrical power of 1000 megawatts (2740 MW thermal) charged with plutonium oxides mixed with depleted uranium oxide and arranged as shown below. -above. All the curves are given for a reactor of the same volume and with the same proportion of heavy metals, but for different heights and different diameters, operating with a linear power density of 0.08 kW / cm (2.5 kW / foot) The curves are drawn for hearts, as shown, having heights of 240 cm (8 feet), 180 cm (6 feet) and 100 cm (40 inches). Table 1, below, shows the relevant data for hearts.

TABLEAU 1
Rapport hauteur
Hauteur en cm Diamètre en cm sur diametre
240 405 0,60
180 460 0,39
100 625 0,16
Comme indiqué, les tracés en lignes tiretées 81 et 83 représentent le cycle de durée de vie pour un réacteur ayant une hauteur de 100 centimètres (40 pouces, 3 pieds 1/3), avec un excédent de de réactivité initial (AK/K) de 2% et de 8%, respectivement, et l'amorçage EK désiré est obtenu en faisant varier l'enrichissement initial. L'excédent de réactivité dans chaque cas diminue continuellement à une vitesse réduite, le fonctionnement commençant avec un excédent de 2t AK/K ayant une durée de vie de 14 ans environ et l'autre ayant une durée de vie de 21 ans environ. La durée de vie du réacteur fonctionnant 14 ans peut être prolongée par le rechargement comme indiqué par la ligne de tirets et de points en dents de scie 85.
TABLE 1
Height ratio
Height in cm Diameter in cm on diameter
240,405 0.60
180 460 0.39
100,625 0.16
As indicated, the dashed lines 81 and 83 represent the life cycle for a reactor having a height of 100 centimeters (40 inches, 3 1/3 feet), with a surplus of initial reactivity (AK / K) by 2% and 8%, respectively, and the desired EK priming is obtained by varying the initial enrichment. The excess reactivity in each case decreases continuously at a reduced speed, the operation starting with a surplus of 2t AK / K having a lifespan of approximately 14 years and the other having a lifespan of approximately 21 years. The lifetime of the operating reactor 14 years can be extended by reloading as indicated by the line of dashes and sawtooth dots 85.

La courbe de traits et de points 87 présente l'excédent de réactivité en fonction de la durée de vie pour un coeur ayant une hauteur de 180 centimètres (6 pieds) et le même volume que pour les courbes 81 et 83. Dans le cas du coeur de 180 centimètres (6 pieds), la réactivité augmente durant les quartorze premieres annees, approximativement, puis décroit ensuit graduellement jusqu'à la fin de la durée de vie, à 30 ans. A la réactivité maximale, le coeur a délivré environ 150.000 mégawatts-jours par tonne métrique, et, à la fin de la durée de vie, le coeur a délivré environ 300.000 MW-jours/t. L'augmentation de la réactivité montrée par la courbe 87 résulte du fait que la surface exterieure du coeur est réduite en fonction de l'augmentation du rapport hauteur sur diamètre (H/D) de 0,16 à 0,39.Du fait de la surface réduite pour le cylindre de 180 centimètres (6 pieds), les fuites de neutrons sont minimisées et la surrégénération de combustible fissile est maximisée de façon correspondante. The curve of lines and dots 87 shows the excess of reactivity as a function of the lifespan for a core having a height of 180 centimeters (6 feet) and the same volume as for curves 81 and 83. In the case of the heart of 180 centimeters (6 feet), the reactivity increases during the first fourteen years, approximately, then decreases gradually thereafter until the end of the lifespan, at 30 years. At maximum reactivity, the core delivered around 150,000 megawatt-days per metric ton, and, at the end of its service life, the core delivered around 300,000 MW-days / t. The increase in reactivity shown by curve 87 results from the fact that the outer surface of the core is reduced as a function of the increase in the height to diameter ratio (H / D) from 0.16 to 0.39. the reduced surface for the cylinder of 180 centimeters (6 feet), the neutron leaks are minimized and the over-regeneration of fissile fuel is maximized correspondingly.

Les courbes en traits pleins 89 et 91 sont les courbes de durée de vie pour le coeur ayant une hauteur de 240 centimètres (8 pieds), la courbe 89 pour un excédent de réactivité au démarrage de 2%, et la courbe 91 pour un excédent de 6%, et pour H/D = 0,60. La durée de vie de ce coeur de 240 centimètres (8 pieds) n'est prolongée que jusqu'à 31 ans environ pour oX/K = 2t et jusqu a 32 ans environ pour ssK/K = 6%. Ce faible accroissement de la durée de vie ne permet pas de résoudre les contraintes de commande accrues et les problèmes de chute de pression que le coeur de 240 centimetres (8 pieds) amène en comparaison avec un coeur de 180 centimètres (6 pieds).Pour le réacteur décrit, fonctionnant avec une faible densité de puissance linéaire, le rapport de H/D = 0,39 est un compromis inhabituellement heureux. The solid lines curves 89 and 91 are the lifespan curves for the core having a height of 240 centimeters (8 feet), the curve 89 for an excess of reactivity at start-up of 2%, and the curve 91 for an excess 6%, and for H / D = 0.60. The life of this heart of 240 centimeters (8 feet) is only extended up to approximately 31 years for oX / K = 2t and up to approximately 32 years for ssK / K = 6%. This small increase in service life does not solve the increased control constraints and pressure drop problems that the 240 centimeter (8 foot) heart brings in comparison with a 180 cm (6 foot) heart. the reactor described, operating with a low linear power density, the H / D ratio = 0.39 is an unusually happy compromise.

Le Tableau 2 qui suit montre les taux de surrégénération au démarrage dans les différentes régions du coeur :
TABLEAU 2
TAUX DE SURREGENERATION PAR REGION
EN FONCTION DE LA HAUTEUR DU COEUR
(1000 MW électriques, faible densité de puissance)
Taux de surrégénération
Hauteur du Couverture Couverture coeur (cm) Total Coeur actif radiale axiale
240 1,46 1,26 0,15 0,05
180 1,45 1,23 0,14 0,08
100 1,43 1,11 0,11 0,21
Le taux de surrégénération est défini par
Combustible fissile produit
Combustible fissile consomme
La distribution de la surrégénération dans le coeur 37 que montre le Tableau 2 est significative. Un rapport H/D accru déplace la surrégénération des couvertures (principalement axiale) à la région active du coeur.La surrégénération axiale est réduite de 0,21 dans la couverture axiale du coeur de 100 centimètres (40 pouces) à 0,08 dans la couverture axiale du coeur de 180 centimètres (6 pieds), et est accrue de 1,11 dans la région active du coeur de 100 centimètres (40 pouces) à 1,23 dans la région active du coeur de 180 centimètres (6 pieds).
Table 2 below shows the start-up overgeneration rates in the different regions of the heart:
TABLE 2
OVERGENERATION RATE BY REGION
ACCORDING TO HEIGHT OF HEART
(1000 MW electric, low power density)
Over-regeneration rate
Cover Height Heart Cover (cm) Total Active Heart Axial Radial
240 1.46 1.26 0.15 0.05
180 1.45 1.23 0.14 0.08
100 1.43 1.11 0.11 0.21
The over-regeneration rate is defined by
Fissile fuel produced
Fissile fuel consumes
The distribution of overregeneration in heart 37 shown in Table 2 is significant. An increased H / D ratio shifts the overgrowth of the covers (mainly axial) to the active region of the heart. The axial overgrowth is reduced from 0.21 in the axial cover of the heart from 100 centimeters (40 inches) to 0.08 in the axial heart coverage of 180 centimeters (6 feet), and is increased from 1.11 in the active region of the heart by 100 centimeters (40 inches) to 1.23 in the active region of the heart by 180 centimeters (6 feet).

Dans tous les cas représentés en Figure 4, la fraction du volume du combustible est de 46t et le volume du coeur est maintenu constant lorsque la hauteur varie. La
Figure 4 montre que, lorsque la hauteur est accrue, les pertes due réactivité sont réduites. L'augmentation de hauteur réduit la surface, ce qui réduit les pertes de neutrons provoquées par les fuites.
In all the cases represented in FIG. 4, the fraction of the volume of the fuel is 46 t and the volume of the core is kept constant when the height varies. The
Figure 4 shows that, when the height is increased, the losses due to reactivity are reduced. The increase in height reduces the surface area, which reduces the neutron losses caused by the leaks.

Dans la Figure 5, l'excédent de réactivité (%AK/K) est tracé verticalement en fonction de la durée de vie en annees, qui est tracée horizontalement. Le graphique montre la durée de vie pour un coeur de 1000 MW électriques ayant une hauteur de 180 centimètres. La courbe de tirets 93 présente le fonctionnement avec une densité de puissance linéaire de 0,25 kW/cm et la courbe en trait plein 95 présente le fonctionnement à 0,08 kW/cm. Le coeur fonctionnant avec une densité de puissance linéaire élevée contenait le tiers du métal lourd contenu dans le coeur à faible densité de puissance linéaire et avait le tiers de la longueur des barres de combustible.La durée de vie pour le fonctionnement avec une densité de puissance linéaire élevée est d'environ neuf ans, tandis que la durée de vie pour le fonctionnement avec une faible densité de puissance linéaire est de trente ans. Le fonctionnement avec un tiers de la densité de puissance étend la durée de vie d'un facteur supérieur à 3. A 10 ans et à 30 ans, respectivement, l'utilisation du métal lourd est la même pour le fonctionnement à puissance élevée et à faible puissance. L'epuisement du combustible est le même pour le fonctionnement avec la faible densité de puissance et pour trois fois la faible densité de puissance, et, par conséquent, la dure de vie avec la faible densité de puissance devrait, en théorie, être égale à trois fois la durée de vie avec une densité de puissance élevée.La différence peut être attribuée aux fuites accrues et à la surrégénération interne réduite dans la région active plus petite dans le coeur à densité de puissance linéaire élevée. In Figure 5, the excess reactivity (% AK / K) is plotted vertically as a function of the service life in years, which is plotted horizontally. The graph shows the lifespan for a heart of 1000 MW electric having a height of 180 centimeters. The dashed curve 93 shows the operation with a linear power density of 0.25 kW / cm and the solid line curve 95 shows the operation at 0.08 kW / cm. The core operating at high linear power density contained one-third of the heavy metal contained in the core at low linear power density and was one-third the length of the fuel rods. The service life for operation with power density high linear power is about nine years, while the service life for operation with low linear power density is thirty years. Operation with a third of the power density extends the service life by a factor of more than 3. At 10 years and 30 years, respectively, the use of heavy metal is the same for operation at high power and at weak power. Fuel depletion is the same for operation with low power density and for three times low power density, and therefore the lifespan with low power density should, in theory, be equal to three times the lifespan with high power density.The difference can be attributed to increased leakage and reduced internal overgeneration in the smaller active region in the core with high linear power density.

Le fonctionnement avec une densité de puissance linéaire plus faible soumet la gaine à des niveaux de flux de neutrons réduits et diminue la dilatation des pastilles de combustible. Un avantage de ce fonctionnement est que l'épaisseur de la gaine peut être réduite et la fraction de volume du combustible accrue de façon correspondante, ou, également, que la gaine peut être utilisée pendant un intervalle plus long. Cet avantage, comme l'avantage du rapport
H/D plus élevé, est sujet à un compromis parce qu'une reduc- tion excessive de l'épaisseur de le gaine pourrait provoquer la détérioration de la gaine même avec de faibles densités de puissance linéaire.
Operation with a lower linear power density subjects the cladding to reduced neutron flux levels and decreases the expansion of the fuel pellets. An advantage of this operation is that the thickness of the cladding can be reduced and the fuel volume fraction correspondingly increased, or, also, that the cladding can be used for a longer interval. This advantage, like the advantage of the ratio
Higher H / D is subject to compromise because excessive reduction in sheath thickness could cause deterioration of the sheath even with low linear power densities.

La Figure 6 montre l'effet de la fraction de volume du combustible sur la durée de vie pour des coeurs de 180 centimètres (6 pieds) de haut et de 100 centimètres (40 pouces) de haut fonctionnant à 0,25 kW/cm (7,5 kW/pied). En
Figure 6, l'excédent de réactivité en pourcentage est tracé verticalement et la durée de vie est tracée horizontalement.
Figure 6 shows the effect of the fuel volume fraction on the lifespan for hearts 180 centimeters (6 feet) high and 100 centimeters (40 inches) high operating at 0.25 kW / cm ( 7.5 kW / foot). In
Figure 6, the excess reactivity in percentage is plotted vertically and the lifetime is plotted horizontally.

Les courbes de tirets 101 et 103 correspondent à des fractions de volume nominales du combustible de 42% environ pour le coeur de 100 centimètres (40 pouces) et pour le coeur de 180 centimètres (6 pieds). Les courbes en traits pleins 105 et 107 sont les courbes correspondantes pour la fraction de 46% de combustible en volume. Dans le cas du coeur de 100 centimètres, la fraction de 46% de combustible en volume étend la durée de vie d'environ trois ans à cinq ans, et, dans le cas du coeur de 180 centimètres (6 pieds), la durée de vie est étendue de 7,5 ans à environ 8,75 ans. L'augmentation résultant d'un accroissement de 5% seulement de la fraction de volume du combustible est substantielle.The dashed lines 101 and 103 correspond to nominal fuel volume fractions of approximately 42% for the 100 cm (40 inch) core and for the 180 cm (6 foot) core. The solid lines 105 and 107 are the corresponding curves for the 46% fuel by volume fraction. In the case of the 100 cm core, the fraction of 46% of fuel by volume extends the lifespan from approximately three years to five years, and, in the case of the 180 cm (6 feet) core, the duration of life is extended from 7.5 years to around 8.75 years. The increase resulting from an increase of only 5% in the volume fraction of the fuel is substantial.

Le fait qu'une augmentation du rapport H/D augmente également la durée de vie des réacteurs délivrant une puissance inférieure à 1000 MW électriques est montré dans les Figures 7 et 9. Ces graphiques sont similaires à celui de la Figure 4. La Figure 7 présente la relation pour un réacteur homogène de 330 MW electriques et la Figure 9 compare la relation entre l'excédent de réactivité et la durée de vie d'un coeur de 100 MW électriques pour différents rapports H/D. Pour la hauteur de 180 centimètres (6 pieds), H/D est supérieur à 1, ce qui n'est pas une relation optimale. The fact that an increase in the H / D ratio also increases the lifetime of the reactors delivering a power lower than 1000 MW electric is shown in Figures 7 and 9. These graphs are similar to that of Figure 4. Figure 7 presents the relation for a homogeneous reactor of 330 MW electric and Figure 9 compares the relation between the excess of reactivity and the lifespan of a heart of 100 MW electric for different H / D ratios. For the height of 180 centimeters (6 feet), H / D is greater than 1, which is not an optimal relationship.

La Figure 8 compare des coeurs hétérogène et homogène de 330 MW électriques. Figure 8 compares heterogeneous and homogeneous hearts of 330 MW electric.

Les différences dans les courbes de réactivité pour les trois niveaux de puissance peuvent être comprises en comparant les données de taux de surrégénération. Le
Tableau 3 contient Les données de taux de surrégénération pertinentes pour ces niveaux de puissance.
The differences in the reactivity curves for the three power levels can be understood by comparing the over-regeneration rate data. The
Table 3 contains the relevant over-regeneration rate data for these power levels.

TABLEAU 3
TAUX DE SURREGENERATION PAR REGION
EN FONCTION DE LA PUISSANCE DU COEUR
Faible densité de puissance avec une
hauteur de 180 centimètres (6 pieds)
Taux de surrégénération
Puissance du Couverture Couverture coeur (MWe) Total Coeur actif radiale axiale
1000 1,45 1,23 0,14 0,08
330 1,45 1,17 0,20 0,08
110 1,39 0,96 0,36 0,07
Les taux de surrégénération pour les coeurs de 1000 et de 330 MW électriques sont essentiellement les mêmes, mais le taux de surrégénération total chute substantiellement en dessous de 330 MW électriques. La distribution de la surrégénération de matière fissile a également une influence importante sur la durée de vie. Le taux de surrégénération de la couverture axiale est presque indépendant de la puissance du réacteur. Ceci correspond aux prévisions, car les coeurs sont tous de la meme hauteur.Mais la reduction de la puissance du coeur, qui s'effectue en réduisant le diametre actif du combustible, deplace la production de matière fissile du coeur actif aux couvertures radiales (on peut comparer la troisième et la quatrième colonnes). La surrégénération dans la région de couverture est symptomatique de l'accroissement des fuites de neutrons hors du coeur actif, qui diminuent la surrégénération interne et augmentent par conséquent la perte de réactivité. La diminution du niveau de puissance (et du volume) réduit la durée de vie que le coeur peut atteindre en augmentant la variation de combustion de la réactivité.
TABLE 3
OVERGENERATION RATE BY REGION
ACCORDING TO THE POWER OF THE HEART
Low power density with
height of 180 centimeters (6 feet)
Over-regeneration rate
Coverage Power Core Coverage (MWe) Total Active Axial Radial Core
1000 1.45 1.23 0.14 0.08
330 1.45 1.17 0.20 0.08
110 1.39 0.96 0.36 0.07
The over-regeneration rates for the 1000 and 330 MW electric cores are essentially the same, but the total over-regeneration rate drops substantially below 330 MW electric. The distribution of the fissile material overgrowth also has an important influence on the lifetime. The rate of over-regeneration of the axial cover is almost independent of the power of the reactor. This corresponds to the forecasts, because the hearts are all of the same height. But the reduction of the power of the heart, which is carried out by reducing the active diameter of the fuel, displaces the production of fissile material from the active heart to the radial covers (we can compare the third and fourth columns). Over-regeneration in the coverage region is symptomatic of the increased neutron leakage from the active core, which decreases internal over-regeneration and therefore increases the loss of reactivity. Decreasing the power level (and volume) reduces the lifespan that the core can achieve by increasing the combustion variation of the reactivity.

En Figure 10, la combustion estimée en MW-jours/t et la durée de vie estimée sont tracés verticalement à gauche et à droite, respectivement en fonction de la puissance du réacteur tracée horizontalement pour un réacteur avec un coeur d'oxydes mélangés homogène. La courbe 113 présente le fonctionnement avec une densité de puissance linéaire élevée et la courbe 114 présente le fonctionnement avec une faible densité de puissance linéaire. In Figure 10, the estimated combustion in MW-days / t and the estimated lifetime are plotted vertically to the left and to the right, respectively as a function of the reactor power plotted horizontally for a reactor with a homogeneous mixed oxide core. Curve 113 shows operation with a high linear power density and curve 114 shows operation with a low linear power density.

Dans les petits coeurs, les contraintes d'excédent de réactivité plus élevé pour la combustion limitent la durée de vie opérationnelle durant laquelle la criticité peut être maintenue, et limitent par conséquent la combustion maximale du combustible qui peut être obtenue. Pour de grands coeurs, un excédent de réactivité moindre est nécessaire et la capacité de combustion du combustible est limitée par les efforts sur la gaine. Les limites d'effort sur la gaine et d'excédent de réactivité sont atteints avec des combustions plus élevées pour des coeurs avec une faible densité de puissance linéaire qu'avec une densité de puissance élevée. Pour des configurations de coeurs hétérogènes, la combustion maximale du combustible sera généralement plus importante à chaque niveau de puissance que ce qui est montré en Figure 10. In small cores, the higher reactivity overload constraints for combustion limit the operational life during which criticality can be maintained, and therefore limit the maximum fuel combustion that can be achieved. For large cores, a smaller excess of reactivity is necessary and the fuel combustion capacity is limited by the forces on the cladding. The limits of sheath effort and excess reactivity are reached with higher combustions for hearts with a low linear power density than with a high power density. For heterogeneous core configurations, the maximum fuel combustion will generally be higher at each power level than what is shown in Figure 10.

Le Tableau 4 ci-dessous montre la combustion maximale estimée pouvant être obtenu en fonction du niveau de puissance. Table 4 below shows the maximum estimated combustion that can be obtained depending on the power level.

TABLEAU 4
COMBUSTION MAXIMALE POUR DES COEURS
A COMBUSTION LINEAIRE
(HOMOGENES)
Puissance linéaire maximale
(kW/cm) 0,5 0,16
Puissance du réacteur
(MW électriques) Combustion (MW-jours/t)
1300 200.000 290.000
330 180.000 250.000
110 90.000 180.000
Dans les grands coeurs (par exemple, 1300 MW électriques), la pleine capacité de combustion du combustible aux oxydes mélangés (PuO2 fissile et U02 appauvri) basée sur les limites de contraintes des gaines peut être utilisée.
TABLE 4
MAXIMUM COMBUSTION FOR HEARTS
LINEAR COMBUSTION
(HOMOGENS)
Maximum linear power
(kW / cm) 0.5 0.16
Reactor power
(MW electric) Combustion (MW-days / t)
1300 200,000 290,000
330 180,000 250,000
110 90,000 180,000
In large cores (for example, 1300 MW electric), the full combustion capacity of the fuel with mixed oxides (fissile PuO2 and depleted U02) based on the stress limits of the claddings can be used.

Les combustions pouvant être obtenues sont réduites lorsque la taille du réacteur diminue à cause des limites de l'excédent de réactivité. Cependant, même dans un petit coeur, la combustion maximale du combustible pourrait être doublée en fonctionnant a une faible densité de puissance grâce à la durée de vie accrue dérivée des caractéristiques de surrégénération améliorées.The combustions that can be obtained are reduced when the size of the reactor decreases because of the limits of the excess reactivity. However, even in a small core, the maximum fuel combustion could be doubled by operating at a low power density thanks to the increased service life derived from the improved breeder characteristics.

Le Tableau 5 ci-dessous compare l'utilisation de la masse fissile ou la consommation de masse fissile pour un coeur de la technique existante et un coeur à longue durée de vie délivrant 1000 MW électriques en 30 ans. Table 5 below compares the use of fissile mass or the consumption of fissile mass for a core of the existing technique and a core with a long lifespan delivering 1000 MW of electricity in 30 years.

TABLEAU 5
UTILISATION DE LA MASSE FISSILE
(1000 MW électriques)
Coeur de la Coeur à
technique longue
existante durée de vie
Masse fissile brûlée en 30 ans 27.000 27.000
Gain fissile net 7.600 4.200
Production fissile globale (kg) 34.600 31.200
Le coeur de la technique existante a une autonomie en combustible de 5 ans avec une combustion maximale de 170.000 MW-jours/t. Un cinquième du coeur est rechargé chaque année. Le coeur à longue durée de vie nécessite un chargement initial significativement plus important que celui d'un coeur de la technique existante. Mais les nécessités de rechargement pour un coeur de 30 ans de fonctionnement de la technique existante avec un cycle de rechargement complet contrebalancent très largement cette masse fissile initiale importante.En définitive, le coeur à longue durée de vie nécessite un chargement en plutonium significativement moins important. Comme les deux concepts produisent une puissance de la même valeur, c'est essentiellement la même masse fissile qui est brûlée. Pendant cette période, le coeur de la technique existante produit un gain fissile net de 7.600 kg environ, tandis que le coeur à longue durée de vie produit un gain de 4.200 kg. Dans ce mode de fonctionnement, le coeur à longue durée de vie présente des coûts de cycle de combustible réduits car il faut moins de combustible fissile (d'un facteur proche de 2; voir Tableau IA). La plus grande partie de la masse fissile brûlée durant la durée de vie du coeur est produite in situ dans le coeur de réacteur à longue durée de vie, au lieu d'être ajoutée périodiquement par l'intermédiaire du rechargement.
TABLE 5
USE OF FISSILE MASS
(1000 MW electric)
Heart of the Heart to
long technique
existing lifespan
Fissile mass burned in 30 years 27,000 27,000
Net fissile gain 7,600 4,200
Overall fissile production (kg) 34,600 31,200
The heart of the existing technique has a fuel autonomy of 5 years with a maximum combustion of 170,000 MW-days / t. One fifth of the heart is recharged each year. The long-life core requires a significantly higher initial loading than that of an existing technique core. However, the recharging requirements for a core with 30 years of operation of the existing technique with a full recharging cycle very much outweighs this significant initial fissile mass. Ultimately, the long-lived core requires significantly less plutonium loading . As the two concepts produce a power of the same value, it is essentially the same fissile mass which is burned. During this period, the core of the existing technique produces a net fissile gain of approximately 7,600 kg, while the long-lived core produces a gain of 4,200 kg. In this operating mode, the long-life core has reduced fuel cycle costs because less fissile fuel is required (by a factor close to 2; see Table IA). Most of the fissile mass burned during the lifetime of the core is produced in situ in the long-lived reactor core, instead of being added periodically through recharging.

En Figure 11, l'excédent de réactivité en pourcentage est tracé verticalement en fonction de la durée de vie en années tracée horizontalement pour un réacteur de 1000 MW électriques chargé à l'oxyde de plutonium mélangé à du U02 appauvri, et pour un réacteur chargé à l'oxyde d'uranium enrichi mélangé à du UO2 appauvri. Les deux coeurs ont le même volume et fonctionnent avec la même faible densité de puissance. L'oxyde mélangé [(Pu-U)02) est présent dans les quantités décrites ci-dessus, c'est-à-dire entre 20% et 30% d'oxyde de plutonium et le reste d'oxyde d'uranium appauvri (enrichissement 0,2%). Le réacteur au U02 comprend de l'uranium à environ 17g d'enrichissement. La courbe 115 montre que l'excédent de réactivité pour le réacteur au UO2 décroît progressivement de 4% à 0 en 20 ans environ. L'excédent de réactivité du réacteur à oxydes mélangés comme montré par la courbe 117 augmente de 2% à 4% environ à 14 ans environ, puis décroît ensuite jusqu'à 0 à 30 ans. In Figure 11, the excess reactivity as a percentage is plotted vertically as a function of the service life in years plotted horizontally for a 1000 MW electric reactor charged with plutonium oxide mixed with depleted U02, and for a charged reactor enriched uranium oxide mixed with depleted UO2. The two cores have the same volume and operate with the same low power density. The mixed oxide [(Pu-U) 02) is present in the amounts described above, that is to say between 20% and 30% of plutonium oxide and the rest of depleted uranium oxide (0.2% enrichment). The U02 reactor includes uranium at about 17g enrichment. Curve 115 shows that the excess reactivity for the UO2 reactor decreases progressively from 4% to 0 in about 20 years. The excess reactivity of the mixed oxide reactor as shown by curve 117 increases from 2% to 4% approximately at approximately 14 years, then decreases until 0 to 30 years.

Bien qu'une durée de vie de 30 ans du coeur soit plus difficile à obtenir avec un coeur au U02 qu'avec un coeur aux oxydes mélangés, la durée de vie du coeur au U02 peut être augmentée matériellement en ajoutant au coeur des dispositions facilitant la surrégénération. Une amélioration de 5 ans de la durée de vie peut être obtenue avec l'introduction d'un modèle d'ensemble de coeur hétérogéne optimisé pour maximiser le rendement de la surrégénération. Une extension additionnelle de 5 ans de la durée de vie peut être obtenue grâce à une région de coeur active agrandie. Although a 30-year lifespan of the heart is more difficult to obtain with a U02 heart than with a mixed oxide heart, the lifespan of the U02 heart can be increased materially by adding provisions to the heart that facilitate over-regeneration. A 5-year improvement in lifespan can be obtained with the introduction of a heterogeneous core set model optimized to maximize the yield of the over-regeneration. An additional 5-year life extension can be achieved through an enlarged active heart region.

Les calculs indiquent que 20% de combustible en plus (correspondant à un écart suppplémentaire des caractéristiques du coeur de 0,066 kW/cm) seraient suffisants. Ces caractéristiques produiraient une durée de vie de 30 ans du coeur au U02. Un réacteur à longue durée de vie au U02 se situe à l'intérieur de l'étendue de l'applicabilité des équivalences de cette invention.The calculations indicate that 20% more fuel (corresponding to an additional deviation of the characteristics of the core of 0.066 kW / cm) would be sufficient. These characteristics would produce a lifetime of 30 years from the heart to U02. A long-lived U02 reactor is within the scope of the equivalences of this invention.

En Figure 12, l'indisponibilité de la centrale électrique en pourcentage est tracée verticalement en fonction des intervalles de rechargement en années, tracés horizontalement. Cette courbe 121 est basée sur les suppositions que le rechargement est effectué en un mois et que les autres arrêts sont indépendants du rechargement. Bien que ces suppositions puissent varier, la courbe procure une évaluation représentative pour la conception de grandes centrales. Avec une approche de rechargement annuel, la centrale est indisponible plus de 8% du temps. Une durée de vie de 30 ans réduit l'indisponibilité à moins de 0,3%. La plus grande partie du gain de disponibilité a été obtenue avec un intervalle de rechargement de seulement 10 ans. In Figure 12, the unavailability of the power plant in percentage is plotted vertically according to the recharging intervals in years, plotted horizontally. This curve 121 is based on the assumptions that recharging is carried out in one month and that the other stops are independent of recharging. Although these assumptions may vary, the curve provides a representative estimate for the design of large power plants. With an annual recharging approach, the plant is unavailable more than 8% of the time. A 30-year lifespan reduces downtime to less than 0.3%. Most of the gain in availability was obtained with a recharging interval of only 10 years.

On va à présent prendre en considération le rechargement après 15 ans. La Figure 13 est un graphique de l'excédent de réactivité tracé verticalement en fonction du temps en années tracé horizontalement pour un coeur de 30 ans de durée de vie et deux coeurs de 15 ans de durée de vie. La courbe 131 est le tracé pour le coeur de 30 ans de durée de vie et les courbes 133 et 135 sont les tracés pour les coeurs de 15 ans de durée de vie. Les coeurs dont traite la Figure 13 sont des coeurs comportant du PuO2 et du UQ appauvri. We will now take into account recharging after 15 years. Figure 13 is a graph of the reactivity surplus plotted vertically as a function of time in years plotted horizontally for a core of 30 years of lifespan and two hearts of 15 years of lifespan. Curve 131 is the plot for the core of 30 years of lifespan and curves 133 and 135 are the plots for hearts of 15 years of lifespan. The hearts shown in Figure 13 are hearts with PuO2 and depleted UQ.

Le Tableau 6 qui suit présente les paramètrespour les trois coeurs.  Table 6 below presents the parameters for the three cores.

TABLEAU 6
COMPARAISON DE CONCEPTS DE COEURS HOMOGENES
DE 1000 MW ELECTRIQUES A LONGUE DUREE DE VIE
30 ans de durée de vie 15 ans de durée de vie
Option 1 Option 2
Courbe 131 Courbe 133 Courbe 135
Hauteur du coeur (cm) 180 150 150
Rayon du coeur (cm) 220 195 205
Volume relatif 1,0 0,62 0,65
Puissance linéaire moyenne (kW/cm) 0,08 0,13 0,07
Diamètre extérieur des broches (mm) 10 10 8
Fraction de combustible en volume 0,46 0,42 0,38
Chute de pression dans le coeur (atmosphères) 4,5 7 7
Proportion de métal lourd 1,0 0,59 0,58
La différence importante entre les coeurs de 30 ans de durée de vie et de 1 5 ans de durée de vie est due à l'influence que la chute de pression dans le coeur exerce sur les coeurs.Idéalement, un coeur de 15 ans de durée de vie devrait contenir moitié moins de métal lourd qu'un coeur de 30 ans de durée de vie pour conserver la même combustion de combustible et maintenir par conséquent des coûts de cycle de combustible bas. Une approche consisterait à conserver les dimensions du coeur de combustible et à utiliser seulement moitié moins d'ensembles de combustible.
TABLE 6
COMPARISON OF CONCEPTS OF HOMOGENEOUS HEARTS
1000 MW LONG LIFE ELECTRICS
30 years lifespan 15 years lifespan
Option 1 Option 2
Curve 131 Curve 133 Curve 135
Heart height (cm) 180 150 150
Heart radius (cm) 220 195 205
Relative volume 1.0 0.62 0.65
Average linear power (kW / cm) 0.08 0.13 0.07
Outer diameter of the pins (mm) 10 10 8
Fuel fraction by volume 0.46 0.42 0.38
Pressure drop in the heart (atmospheres) 4.5 7 7
Proportion of heavy metal 1.0 0.59 0.58
The important difference between hearts with 30 years of life and 1 5 years of life is due to the influence that the drop in pressure in the heart exerts on hearts. Ideally, a heart of 15 years of life of life should contain half as much heavy metal as a 30-year core life to keep the same combustion of fuel and therefore keep fuel cycle costs low. One approach would be to keep the fuel core dimensions and use only half as many fuel sets.

Cependant, des dimensions identiques produisent une densité de puissance spécifique accrue qui nécessite un débit plus important et augmente la chute de pression. Par conséquent, le coeur de 15 ans de durée de vie doit être ouvert (augmentation du rapport pas sur diamètre des broches) et la hauteur du coeur doit être réduite pour diminuer la chute de pression. Ces changements réduisent effectivement la fraction de volume du combustible et réduisent par conséquent la surrégénération interne et raccourcissent la durée de vie du coeur. Une deuxième alternative consiste à utiliser des broches de combustibles plus petites; mais des broches plus petites ont également pour effet de réduire la fraction de volume du cpmbustible. D'après le Tableau 6, les deux options à 15 ans de durée de vie produisent presque la même proportion de métal lourd et de masse fissile.Les deux coeurs nécessitent presque 60% du métal lourd du coeur de 30 ans de durée de vie, ce qui est supérieur de 10% au point d'utilisation identique de métal lourd. Un coeur de 180 centimètres (6 pieds) devrait améliorer nominalement la surrégénération et réduire le métal lourd, mais la chute de pression serait trop élevée. L'option à grandes broches a une fraction de volume plus importante, et une durée de vie légèrement plus grande avec un approvisionnement moindre en matières fissiles. L'option 2 est intéressante en ce que les spécifications de réactivité des barres de commande sont inférieures de 1,5tAK, approximativement. Les coûts du cycle de combustible pour ces options à 15 ans de durée de vie sont pratiquement les mêmes puisqu'elles ont pratiquement les mêmes proportions de matières fissiles et de métal lourd. However, identical dimensions produce an increased specific power density which requires a higher flow rate and increases the pressure drop. Consequently, the 15-year-old heart must be opened (increase in the ratio not to the diameter of the pins) and the height of the heart must be reduced to reduce the pressure drop. These changes effectively reduce the volume fraction of the fuel and therefore reduce internal over-regeneration and shorten the life of the heart. A second alternative is to use smaller fuel pins; but smaller pins also have the effect of reducing the volume fraction of the fuel. According to Table 6, the two options at 15 years of life produce almost the same proportion of heavy metal and fissile mass. The two hearts require almost 60% of the heavy metal of the core of 30 years of life, which is 10% higher than the identical point of use of heavy metal. A 180-centimeter (6-foot) core should nominally improve over-regeneration and reduce heavy metal, but the pressure drop would be too high. The large spindle option has a larger volume fraction, and a slightly longer life with less supply of fissile material. Option 2 is interesting in that the reactivity specifications of the control bars are approximately 1.5tAK lower. The fuel cycle costs for these 15-year options are almost the same since they have almost the same proportions of fissile material and heavy metal.

Les Tableaux 7 à 10 qui suivent présentent des comparaisons économiques entre la technique existante et cette invention. Tables 7 to 10 which follow present economic comparisons between the existing technique and this invention.

TABLEAU 7
COUTS TOTAUX DE L'ENERGIE ELECTRIQUE
(OXYDES MELANGES)
Millièmes de dollars/kWh
LMFR de la
technique LMFR de
existante l'invention
Capital 38,0 37,1
Cycle du combustible 10,1 5,5
Fonctionnement Réduction et maintenance 6,1 6,1 du coût de
l'énergie
Coût total de électrique l'énergie électrique 54,2 48,7 10%
Disponibilité accrue 43,7 19%
TABLEAU 8
UTILISATION DE LA MASSE FISSILE*
(30 ANS)
Coeur de 10 ans
de durée de vie
Technique existante de l'invention
Chargement en plutonium fissile initial (kg) 5.830 8.430
Plutonium additionnel nécesaire pour le rechargement (kg) 56.347 16.860
Plutonium total nécessaire (kg) 62.347 25.290 *En supposant qu'il nty ait pas de retraitement
TABLEAU 9
COMPARAISON DES COUTS INITIAUX (MILLIONS DE DOLLARS)
Coeur de 10 ans
de durée de vie
Technique existante* de l'invention
Première fabrication du coeur 150 188
Plutonium du premier coeur et du rechargement, à $10/g ($25/g) 89 (223) 84 (210)
Coût initial du (des) coeur(s) 239 (373) 272 (398)
Intervalle de rechargement (années) 1 10 *1 à 2/3 de coeurs
TABLEAU 10
COUTS DU CYCLE DU COMBUSTIBLE (MILLIEMES DE DOLLARS/KWH)
Mise au rebut Retraitement
Coeur de Coeur de
Composants du Tech. l'inv. Tech. l'inv.
TABLE 7
TOTAL COSTS OF ELECTRICAL ENERGY
(MIXED OXIDES)
Thousands of dollars / kWh
LMFR of the
LMFR technique of
existing the invention
Capital 38.0 37.1
Fuel cycle 10.1 5.5
Operation Reduction and maintenance 6.1 6.1 of the cost of
the energy
Total cost of electric power 54.2 48.7 10%
Increased availability 43.7 19%
TABLE 8
USE OF FISSILE MASS *
(30 YEARS)
10 year old heart
lifetime
Existing technique of the invention
Initial fissile plutonium loading (kg) 5,830 8,430
Additional plutonium required for reloading (kg) 56,347 16,860
Total plutonium required (kg) 62,347 25,290 * Assuming there is no reprocessing
TABLE 9
COMPARISON OF INITIAL COSTS (MILLIONS OF DOLLARS)
10 year old heart
lifetime
Existing technique * of the invention
First production of the heart 150 188
First core and reload plutonium, at $ 10 / g ($ 25 / g) 89 (223) 84 (210)
Initial cost of the heart (s) 239 (373) 272 (398)
Reload interval (years) 1 10 * 1 to 2/3 of hearts
TABLE 10
FUEL CYCLE COSTS (THOUSANDS OF DOLLARS / KWH)
Disposal Reprocessing
Heart of Heart of
Components of Tech. the inv. Tech. the inv.

cycle du combustible exist. (30 ans) exist. (30 ans)*
Première fabrication du coeur 1,0 3,3 1,0 3,3
Fabrication annuelle 4,9 --- 4,9
Plutonium initial du coeur 0,6 1,2 0,6 1,2
Plutonium annuel 2,6 --
Gain annuel de plutonium --- --- -0,6
Plutonium final du coeur --- --- -0,5 -1,4
Retraitement annuel --- --- 2,7
Traitement final du coeur --- --- 0,4 1,2
Dépenses de stockage et de transport du combustible 1,0 1,0 1,0 1,0
Coût total du cycle du combustible avec un facteur de capacité = 0,65 10,1 5,5 9,5 5,3
= 0,725 --- 5,0 --- 4,9
Réduction du coût du cycle du combustible avec mise au rebut M 5,1 millièmes de dollars/kWh *Retraitement lors de la mise hors service
Ces tableaux parlent d'eux-mêmes.
fuel cycle exist. (30 years) exist. (30 years)*
First manufacturing of the heart 1.0 3.3 1.0 3.3
Annual manufacturing 4.9 --- 4.9
Initial plutonium of the heart 0.6 1.2 0.6 1.2
Annual plutonium 2.6 -
Annual plutonium gain --- --- -0.6
Final plutonium of the heart --- --- -0.5 -1.4
Annual reprocessing --- --- 2.7
Final heart treatment --- --- 0.4 1.2
Fuel storage and transport costs 1.0 1.0 1.0 1.0
Total cost of the fuel cycle with a capacity factor = 0.65 10.1 5.5 9.5 5.3
= 0.725 --- 5.0 --- 4.9
Reduction of the cost of the fuel cycle with disposal M 5.1 thousandths of dollars / kWh * Reprocessing at the time of decommissioning
These tables speak for themselves.

Bien que l'on ait décrit la pratique préférée et une réalisation préférée de cette invention, de nombreuses modifications de celle-ci sont réalisables. Cette invention ne doit pas être restreinte, sauf dans la mesure où cela est rendu nécessaire par la technique existante.  Although the preferred practice and a preferred embodiment of this invention have been described, many modifications thereof can be made. This invention should not be restricted except to the extent that this is made necessary by existing technology.

Claims (2)

RevendicationsClaims 1. Réacteur à neutrons rapides à métal liquide (23) ayant un coeur cylindrique (37) globalement circulaire avec des matériaux fissiles et fertiles disposés à l'intérieur de celui-ci, une pompe (35) pour transmettre le caloporteur à travers ledit coeur (37), et des barres de commande (77) connectées au coeur (37) pour commander la réactivité de celui-ci, caractérisé en ce que le rapport hauteur sur diamètre du coeur se situe globalement entre 0,39 et 1 et en ce que lesdites barres de combustible(77) ont des matériaux fissiles et fertiles disposés à l'intérieur de celles-ci et une faible densité de puissance linéaire, de façon à former un réacteur (23) avec un cycle de rechargement en combustible globalement compris entre 10 et 30 ans.1. Liquid metal fast neutron reactor (23) having a generally circular cylindrical core (37) with fissile and fertile materials placed inside thereof, a pump (35) for transmitting the coolant through said core (37), and control bars (77) connected to the core (37) to control the reactivity of the latter, characterized in that the height to diameter ratio of the core is generally between 0.39 and 1 and in this that said fuel rods (77) have fissile and fertile materials arranged inside them and a low linear power density, so as to form a reactor (23) with a fuel reloading cycle generally comprised between 10 and 30 years old. 2. Réacteur à neutrons rapides à métal liquide (23) de la revendication 1, caractérisé en ce que les barres de combustible ont une densité de puissance linéaire globalement comprise dans la plage de 0,08 kilowatts par centimètre.  2. Liquid metal fast neutron reactor (23) of claim 1, characterized in that the fuel rods have a linear power density generally in the range of 0.08 kilowatts per centimeter.
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