Kehittyneet ydinpolttoaineet kevytvesireaktoreille
Mustonen, Oskari (2024)
Kandidaatintyö
2024
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024062056616
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024062056616
Tiivistelmä
Tässä kirjallisuuskatsauksena tehdyssä kandidaatintyössä käsitellään Accident Tolerant Fuel (ATF) konseptiin kuuluvia ydinpolttoaineteknologioita kevytvesireaktoreille. Työn tavoitteena on selvittää kehitteillä olevat ATF-teknologiat, käsitellä eri teknologiolla saavutettavia etuja tavanomaiseen ydinpolttoaineeseen verrattuna sekä käsitellä teknologioille havaittuja haasteita ja kehitysastetta.
Fukushima Daiichi -ydinvoimalaonnettomuudessa havaittiin puutteita nykyisen ydinpolttoaineen toimintakyvyssä onnettomuusolosuhteissa. Onnettomuuden seurauksena alkoi uusien polttoaineteknologioiden tutkimus, millä pyritään saavuttamaan parempi turvallisuus sekä toimintakyky onnettomuusolosuhteissa. ATF-teknologioilla pyritään korvaamaan käytössä oleva zircaloy-UO2-ydinpolttoaine. ATF-konseptiin kuuluvat päällystetyt sekä uudet suojakuorimateriaalit (mm. FeCrAl ja Cr-päällyste), pellettien seostaminen lisäaineilla, korkean tiheyden polttoaineet (mm. UN ja UC) sekä muut ratkaisut (SiC-kanavalaatikko kiehutusvesireaktoreille). Kehittyneillä suojakuorimateriaaleilla voidaan saavuttaa parempi hapettumisresistanssi sekä materiaaliominaisuudet. Lisäaineilla seostetuilla pelleteillä saavutetaan suurempi raekoko, joka parantaa polttoaineen termisiä ominaisuuksia. Korkean tiheyden polttoaineilla saavutetaan suurempi uraanitiheys, korkeampi sulamispiste sekä parempi lämmönjohtamiskyky.
ATF-teknologioiden kehitysasteen arviointia varten käytetään 9-vaiheista Technology Readiness Levels- asteikkoa (TRL). Suurin osa ATF-teknologioista on tällä hetkellä vaiheessa 3 tai 4. ATF-teknologioista lähimpänä käyttöönottoa ovat Cr2O3:lla ja Cr2O3-TiO2:lla seostetut UO2-pelletit (vaiheet 7-9). This bachelor’s thesis, conducted as a literature review, addresses Accident Tolerant Fuels (ATF) for light-water reactors. The goal of this thesis is to explore the current ATF technologies in development, consider the possible benefits and challenges compared to the current nuclear fuel and cover the stage of development for different ATF technologies.
The Fukushima Daiichi power plant accident revealed some concerns in the current nuclear fuel’s behavior in severe conditions. The incident raised interest in exploring new nuclear fuel technologies with increased safety and performance during similar accident conditions. The aim of ATF’s is to replace the current uranium oxide (UO2) and zirconium-based alloy cladding fuel system. The technologies included in ATF’s are coated and new cladding materials (such as FeCrAl-alloy and Cr-coated zircaloy), additive-doped fuel pellets, high density fuels (such as UN an UC) and other technologies (SiC-based channel box for BWR’s). Improved cladding materials enhance the fuel’s oxidation resistance and improve other material properties. Additive-doped fuel pellets increase the fuel’s grain size, improving the thermic properties. High density fuels can be used to obtain higher uranium density, increase the melting point and achieve superior thermal conductivity compared to the currently used fuel.
The stage of development of accident tolerant fuels is evaluated with Technology Readiness Levels measuring system (TRL). Most of ATF technologies are currently in stages 3-4. The technologies closest to commercial use are Cr2O3 and Cr2O3-TiO2 doped UO2 fuel pellets (stages 7-9).
Fukushima Daiichi -ydinvoimalaonnettomuudessa havaittiin puutteita nykyisen ydinpolttoaineen toimintakyvyssä onnettomuusolosuhteissa. Onnettomuuden seurauksena alkoi uusien polttoaineteknologioiden tutkimus, millä pyritään saavuttamaan parempi turvallisuus sekä toimintakyky onnettomuusolosuhteissa. ATF-teknologioilla pyritään korvaamaan käytössä oleva zircaloy-UO2-ydinpolttoaine. ATF-konseptiin kuuluvat päällystetyt sekä uudet suojakuorimateriaalit (mm. FeCrAl ja Cr-päällyste), pellettien seostaminen lisäaineilla, korkean tiheyden polttoaineet (mm. UN ja UC) sekä muut ratkaisut (SiC-kanavalaatikko kiehutusvesireaktoreille). Kehittyneillä suojakuorimateriaaleilla voidaan saavuttaa parempi hapettumisresistanssi sekä materiaaliominaisuudet. Lisäaineilla seostetuilla pelleteillä saavutetaan suurempi raekoko, joka parantaa polttoaineen termisiä ominaisuuksia. Korkean tiheyden polttoaineilla saavutetaan suurempi uraanitiheys, korkeampi sulamispiste sekä parempi lämmönjohtamiskyky.
ATF-teknologioiden kehitysasteen arviointia varten käytetään 9-vaiheista Technology Readiness Levels- asteikkoa (TRL). Suurin osa ATF-teknologioista on tällä hetkellä vaiheessa 3 tai 4. ATF-teknologioista lähimpänä käyttöönottoa ovat Cr2O3:lla ja Cr2O3-TiO2:lla seostetut UO2-pelletit (vaiheet 7-9).
The Fukushima Daiichi power plant accident revealed some concerns in the current nuclear fuel’s behavior in severe conditions. The incident raised interest in exploring new nuclear fuel technologies with increased safety and performance during similar accident conditions. The aim of ATF’s is to replace the current uranium oxide (UO2) and zirconium-based alloy cladding fuel system. The technologies included in ATF’s are coated and new cladding materials (such as FeCrAl-alloy and Cr-coated zircaloy), additive-doped fuel pellets, high density fuels (such as UN an UC) and other technologies (SiC-based channel box for BWR’s). Improved cladding materials enhance the fuel’s oxidation resistance and improve other material properties. Additive-doped fuel pellets increase the fuel’s grain size, improving the thermic properties. High density fuels can be used to obtain higher uranium density, increase the melting point and achieve superior thermal conductivity compared to the currently used fuel.
The stage of development of accident tolerant fuels is evaluated with Technology Readiness Levels measuring system (TRL). Most of ATF technologies are currently in stages 3-4. The technologies closest to commercial use are Cr2O3 and Cr2O3-TiO2 doped UO2 fuel pellets (stages 7-9).