Spent fuel pool analysis for a pwr using different nuclear fuels

Abstract

Uma piscina de combustível irradiado (SFP) de um reator de água pressurizada (PWR) foi avaliada considerando seis tipos de combustíveis: combustível padrão PWR, MOX, (Th-U)O2-16%, (ThU)O2-19,5%, (TRU-Th)O2 e (TRU-U)O2. Os seguintes benchmarks: Phase IV-B Burn-up Credit Criticality benchmark bem como o Thorium Pin Cell Burnup Benchmark foram validados usando o código SCALE 6.0 com código de transporte KENO-VI na sequência CSAS6. Em seguida, as dimensões do elemento combustível do benchmark foram usadas para avaliar os estudos de queima e evolução do combustível. Os seis elementos combustíveis foram submetidos a uma queima de 16 GWd/teHM com três ciclos de operação consistindo em 420 dias com potência total durante 3,61 anos. Considerando a configuração de recarga do núcleo, adotou-se um modelo de supercélula para validar o MOX e UO2 benchmark. As supercélulas também foram irradiadas em um núcleo PWR e após a irradiação, foram inseridas na piscina de combustível irradiado. Três diferentes arranjos geométricos que levam em consideração a configuração de recarga para os elementos combustíveis foram projetados dentro da piscina. Foi necessário encontrar a distância mínima (pitch) que otimizaria a disposição dos elementos na piscina, mantendo o sistema sob o limite superior de criticalidade. Com base nas análises de criticalidade, a radioatividade, o calor de decaimento, bem como a radiotoxicidade por inalação e por ingestão também foram estudados ao longo de 50 anos dentro da piscina. Depois disso, a fração de nêutrons atrasados de cada elemento combustível e supercélula foi estudada usando o código NEWT e comparada com o combustível padrão UO2. Foi demonstrado que, em nenhum caso, a piscina precisaria ser redimensionada. Os resultados mostram ainda que a fração de nêutrons atrasados (DNF) dos elementos combustíveis que usam material reprocessado é menor que o combustível padrão, o que se deve à presença de 239Pu e à produção de 233U, contribuindo para os baixos valores obtidos para a fração de nêutrons atrasados. Esses valores mais baixos de DNF sugerem que os reatores que utilizam elementos combustíveis de (TRU-Th)O2 ou (TRU-U)O2 são mais difíceis de serem controlados. Em contraste, o uso das supercélulas de UO2 juntamente com outros tipos de combustíveis favorece a extensão da queima, principalmente quando combustíveis transurânicos são utilizados, viabilizando assim o uso dos mesmos no núcleo do PWR.