A depletion analysis of the GT-MHR using different uranium and plutonium TRISO fuel compositions

Abstract

Der modulare Gasturbine-Helium-Reaktor (GT-MHR), ein graphitmoderierter, gasgekühlter Hochtemperaturreaktor (HTGR) hat einem prismatischem Kernaufbau. Er verwendet isotrop-beschichteten Partikelbrennstoff (TRISO) auf einer Keramikbasis, um im Normalbetrieb Kerntemperaturen von bis zu 1600°C im Brennstoff standzuhalten. Durch seine hohe Konfigurierbarkeit ist der TRISO-Brennstoff in der Lage, aus einer breiten Auswahl typischer sowie exotischer Brennmaterialien produziert zu werden. Dies ist von dem Verwendungszweck oder den externen Anwendungen des Reaktorsystems abhängig. In diesem Zusammenhang werden drei mögliche Verwendungszwecke vorgeschlagen: kommerzieller Betrieb mit Uranbrennstoff, Entsorgung von waffenfähigem Plutonium (WGPu) und Wiederverwendung von Reaktor-Plutonium (RGPu) aus abgebrannten Brennelementen von Leichtwasserreaktoren (LWRs).Im Betrieb werden zusätzliche abbrennbare Absorber innerhalb der Brennelemente eingesetzt, die eine Schlüsselrolle der erhöhten Reaktorsicherheit und -stabilität, sowie der Reaktivitätskontrolle des Kernes darstellen. Mittels dem Monte Carlo N-Particle (MCNP) Programm werden mehrere Abbrand- und Neutronikanalysen, inklusive deren Abschätzungen über die angefallenen Aktiniden und Zerfallsprodukte durchgeführt. Dabei wird eine Einschätzung bezüglich der Modularität und Akzeptanz in Hinblick auf verschiedene Brennstoffe des GT-MHRs ohne zusätzliche, strukturelle Änderungen am Kern sowie die Eignung der Brennstoffe für die vorgeschlagenen Verwendungszwecke durchgeführt.

The Gas Turbine - Modular Helium Reactor (GT-MHR), a graphite-moderated, high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) with a prismatic core design, utilizes coated tristructural-isotropic (TRISO) fuel in ceramic form to withstand temperatures up to 1600°C during nominal operation. Being highly configurable, the TRISO kernels may bear a wide range of typical and more exotic fuel materials, depending on the use-case and external application of the reactor system. In that regard, three applications of the GTMHR are proposed: commercial operation using uranium fuel, disposal of weapons-grade plutonium (WGPu) and re-utilization of reactor-grade plutonium (RGPu) from spent light-water reactor (LWR) fuel. A key feature to increased reactor safety and stability, burnable absorbers (BAs) are deployed inside the fuel elements and depleted alongside the fuel to provide additional control over the lifetime reactivity. Several depletion and neutronic analyses, including estimations of accumulated actinide and fission product inventories, are performed for each fuel type using the Monte Carlo N-Particle (MCNP) code to judge the GT-MHR’s modularity and fuel-agnostic core design and the viability of the fuels for their proposed application.