Operational maturity of GEN IV nuclear reactor designs

Abstract

As multiple new nuclear projects are being commenced globally, interest in the fourth generation of nuclear reactors is growing. These innovative designs bring major conceptual changes to the existing practices and promise benefits such as increased efficiency, improved suitability for industrial cogeneration applications and in some instances, the possibility of net fissile material generation through fuel breeding. The GEN IV reactors, however, are currently not perceived as commercially mature, facing multiple design challenges that are not yet demonstrated as solved. These reactor concepts have existed for a long time, but the notable challenges compared to light-water reactors, such as with fuels and structural materials historically set them as less preferred and developed options.

This thesis conducted for Fortum's Nuclear R&D focuses on the operability-related issues of the GEN IV reactors. The main phenomena and the technological readiness to their solutions are assessed using the phenomena identification and ranking table (PIRT) method. This method is used to identify the phenomena that have the most significant impact to plant operability and show the least technological maturity. This information can be used as a guide to assess individual reactor designs, or specific vendor design choices from the viewpoint of plant operability. In addition, an overview of the current state and timeline of GEN IV reactor development is presented through an assessment of current vendors and ongoing projects.

Useita uusia ydinvoimaprojekteja on alkamassa ympäri maailmaa. Näiden ohella myös kiinnostus neljännen sukupolven ydinreaktoreita kohtaan on kasvamassa. Tämänkaltaiset innovatiiviset reaktorimallit tuovat merkittäviä muutoksia perinteisiin laitostyyppeihin nähden ja lupaavat etuja, kuten korkeampia prosessihyötysuhteita, parempaa soveltuvuutta teollisuuden yhteistuotantoon ja joissain tapauksissa mahdollisuuden nettopositiiviseen fissiilin materiaalin tuotantoon hyötämällä. Neljännen sukupolven ydinreaktorit eivät ole kuitenkaan vielä riittävän kypsiä kaupalliseen käyttöön. Ennen tätä on ratkaistava lukuisia suunnitteluhaasteita, joiden ratkaisuja ei ole vielä pystytty osoittamaan toimiviksi. GEN IV reaktorimallit ovat olleet olemassa jo kauan aikaa, mutta ne eivät ole toistaiseksi saaneet kevytvesireaktorien kaltaista kaupallista asemaa.

Tämä diplomityö on tehty toimeksiantona Fortumin Nuclear R&D:lle ja se keskittyy GEN IV-laitosten käytettävyyden ongelmiin. Tärkeimpiä käytettävyyteen liittyviä ilmiöitä ja niiden ratkaisuja arvioitiin phenomena identification and ranking table (PIRT)-menetelmällä. Tätä käytettiin tunnistamaan ja luokittelemaan ne ilmiöt, jotka ovat laitosten käytettävyyden kannalta tärkeimmät ja tällä hetkellä vähiten ymmärretyt. Tätä tietoa voidaan käyttää esimerkiksi yksittäisten reaktorien tai laitostoimittajien arviointiin. Lisäksi yleiskatsaus GEN IV laitosten kehityksen tilasta ja aikataulusta tehtiin tällä hetkellä meneillä olevien projektien ja nykyisten laitostoimittajien arvioinnilla.