Automated Refueling Simulations of a CANDU for the Exploitation of Thorium Fuels

Les réacteurs nucléaires CANDU ont la caractéristique unique de pouvoir utiliser et exploiter différentes options ou choix de combustibles afin de produire de la puissance électrique utilitaire. Le Thorium, un isotope fertile naturel, est une option qui doit être explorée. Le thorium est plus abondant que l'Uranium, qui est le combustible type actuellement utilisé. De plus, le Thorium est disponible dans de nombreux pays qui désirent développer l'énergie nucléaire. Ce document est l'aboutissement d'un projet qui explore, teste et analyse la faisabilité de l'utilisation du thorium dans un réacteur CANDU. Dans le cadre de ce projet, nous avons premièrement développé un ensemble de calculs de réseau bidimensionnels et de calculs de mécanismes de réactivité tridimensionnels en utilisant le code DRAGON4. Cette étape est répétée pour plusieurs concentrations de thorium. Les données générées par ces calculs sont par la suite utilisées pour déterminer un enrichissement opérationnel du thorium. Cette recherche est effectuée par une procédure d'élimination et d'optimisation de certains paramètres clés incluant, mais non limité, au burnup moyen et à l'évolution de la réactivité. À cette fin, le projet a permis de déterminer qu'un enrichissement de 1 % du thorium était viable. Les calculs de coeur complet ont été réalisés par le code DONJON4. Un programme qui simule les opérations de rechargement dans un réacteur CANDU pour ce type de combustible a été développé et a été exécuté pour une période de simulation d'une centaine de jours. Le programme et la sélection en combustible ont satisfait toutes les conditions fixées sur la totalité de la période de simulation. Le programme nécessitera davantage d'optimisation avant qu'il puisse être largement utilisé. La sélection de combustible a également été examinée dans le cas où une insertion de réactivité est simulée. Le retrait de la barre de compensation numéron 11 a été analysé et comparé à un cas classique CANDU antérieur afin de s'assurer de l'absence de déviations ou d'évolutions indésirables. Dans ce cas, les résultats de la simulation ont été trouvés acceptables, sans déviations sensibles par rapport au cas classique CANDU.

Abstract

CANDU nuclear reactors are in a unique circumstance where they are able to utilize and exploit a number of different fuel options to provide power as a utility. Thorium, a fertile isotope found naturally, is one option that should be explored. Thorium is more abundant than uranium, which is the typical fuel in the reactor and the availability of thorium makes nuclear energy desirable to more countries. This document contains the culmination of a project that explores, tests, and analyzes the feasibility of using thorium in a CANDU reactor. The project first develops a set of two-dimensional lattice and three dimensional control rod simulations using the DRAGON Version 4 nuclear physics codes. This step is repeated for many concentrations of thorium. The data generated in these steps is then used to determine a functional enrichment of thorium. This is done via a procedural elimination and optimization of certain key parameters including but not limited to average exit burnup and reactivity evolution. For the purposes of this project, an enrichment of 1 % thorium was found viable. Full core calculations were done using the DONJON 4 code. CANFUEL, a program which simulates the refueling operations of a CANDU reactor for this fuel type was developed and ran for a simulation period of one hundred days. The program and the fuel selection met all selected requirements for the entirety of the simulation period. CANFUEL requires optimization for fuel selection before it can be used extensively. The fuel selection was further scrutinized when a reactivity insertion event was simulated. The adjuster rod 11 withdrawal from the core was analyzed and compared to classical CANDU results in order to ensure no significant deviations or unwanted evolutions were encountered. For this case, the simulation results were deemed acceptable with no significant deviations from the classical CANDU case.