Neutronic analysis of SEALER with accident tolerant fuels

Abstract

À medida que as demandas globais de energia continuam a aumentar, a energia nuclear desempenha um papel essencial no atendimento à necessidade de eletricidade limpa e confiável de carga base. Os SMRs integram-se naturalmente nesse contexto, oferecendo vantagens-chave, como modularidade, adaptabilidade a diversos contextos geográficos e infraestruturais, e recursos de segurança aprimorados que facilitam a implantação. Entre as tecnologias avançadas de SMR, os reatores refrigerados a chumbo oferecem benefícios adicionais, particularmente em termos de segurança do reator, uma vez que suas capacidades de resfriamento passivo e pontos de ebulição elevados contribuem para a estabilidade e redução de riscos em caso de perda de refrigerante. Essa abordagem de projeto posi ciona os SMRs refrigerados a chumbo como uma solução resiliente, alinhando-se tanto às necessidades de escalabilidade quanto de segurança dos sistemas modernos de energia nuclear. Entre esses projetos, o projeto SEALER, desenvolvido no KTH, destaca-se como um SMR refrigerado a chumbo e de espectro rápido, projetado especificamente para fornecer energia confiável em regiões remotas do Ártico. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo avaliar o desempenho neutrônico dos combustíveis ATF — UN e U3Si2 — propostos para aumentar a segurança no reator SEALER, sem alterar a configuração da geometria. Para atingir esse objetivo, modelos foram desenvolvidos utilizando tanto o OpenMC quanto o MCNP, com o OpenMC definido como a estrutura principal desta dissertação. Primeiramente, os modelos são validados comparando parâmetros de segurança com dados de referência. Em seguida, os resultados obtidos no OpenMC são validados em relação aos gerados pelo MCNP para garantir precisão. Por fim, os resultados das simulações para os combustíveis ATF são avaliados e comparados com os do combustível convencional UO2. Os resultados mostram que o combustível U3Si2 oferece uma margem de desligamento do reator significativamente maior, um espectro de energia de nêutrons mais duro, uma distribuição de potência mais uniforme no núcleo ativo, um número médio maior de nêutrons produzidos por absorção e uma eficiência muito alta no uso de material fissionável, preservando o 235U. Por outro lado, o combustível UN exibe a menor perda de reatividade por intervalo de tempo, produz mais plutônio e demonstra boa eficiência no uso de material fissionável; no entanto, é menos eficiente na produção geral de nêutrons. Para todos os parâmetros analisados, o UO2 geralmente é menos eficiente ou, na melhor das hipóteses, comparável, exceto para a queima do combustível, onde atinge 35 GW d tU−1.