Investigating the possibility of extending the BWR cycle length for 15 years of operation by mixing highly enriched UO2 fuel with burnable absorbers
Description
This paper investigates the possibility to extend the cycle length of boiling water reactor bundles to 15 years of operation with three different burnable poisons; gadolinium, erbium, and boron carbide. This can be carried out by mixing highly enriched UO2 fuel (15-19.9% U-235) with high concentrations of Gadolinium oxide (3-14% Gd2O3) or Erbium oxide (2-4% Er2O3).The boron carbide B4C was modeled as (Al2O3-B4C) rods in the bundle guide tubes. MCNPX code 2.7 was used to evaluate infinite multiplication factor (K-inf), power distribution, peaking factor, void reactivity coefficient, fuel cycle length, depletion of U-235, and fissile inventory ratio for the three designs at 40% void. The MCNPX simulation showed that introducing gadolinium rods at the bundle periphery has the advantage of lowering reactivity swing throughout the exposure range. The uniform distribution of erbium in all fuel rods contributed to the flattening of peaking factor at all the burnup stages. For the B4C design, the author found that the assembly with B4C-Al performs best in terms of reactivity flattening when five of the B4C-AL2O3 rods are positioned in the central region of the assembly. Furthermore, the fuel temperature coefficient is more negative for gadolinium design at all burnup stages. On the other hand, the boron model delivers the lowest control rod worth. Finally, the moderator temperature coefficient is more negative for erbium and WABA designs due to the enhanced thermal neutrons capture by the effect of the strategic arrangement of WABA rods and the uniform distribution of erbium.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تبحث هذه الورقة في إمكانية تمديد طول دورة حزم مفاعل الماء المغلي إلى 15 عامًا من التشغيل مع ثلاثة سموم مختلفة قابلة للاحتراق ؛ الجادولينيوم والإربيوم وكربيد البورون. يمكن القيام بذلك عن طريق خلط وقود UO2 عالي التخصيب (15-19.9 ٪ U -235) بتركيزات عالية من أكسيد الجادولينيوم (3-14 ٪ Gd2O3) أو أكسيد الإربيوم (2-4 ٪ Er2O3). تم نمذجة كربيد البورون B4C على شكل قضبان (Al2O3 - B4C) في أنابيب توجيه الحزمة. تم استخدام رمز MCNPX 2.7 لتقييم عامل الضرب اللانهائي (K - inf)، وتوزيع الطاقة، وعامل الذروة، ومعامل تفاعلية الفراغ، وطول دورة الوقود، واستنفاد U -235، ونسبة المخزون الانشطاري للتصاميم الثلاثة عند فراغ 40 ٪. أظهرت محاكاة MCNPX أن إدخال قضبان الجادولينيوم في محيط الحزمة له ميزة خفض أرجوحة التفاعل في جميع أنحاء نطاق التعرض. ساهم التوزيع المنتظم للإربيوم في جميع قضبان الوقود في تسطيح عامل الذروة في جميع مراحل الاحتراق. بالنسبة لتصميم B4C، وجد المؤلف أن التجميع مع B4C - Al يعمل بشكل أفضل من حيث تسطيح التفاعل عندما يتم وضع خمسة من قضبان B4C - AL2O3 في المنطقة الوسطى من التجميع. علاوة على ذلك، فإن معامل درجة حرارة الوقود أكثر سلبية لتصميم الجادولينيوم في جميع مراحل الاحتراق. من ناحية أخرى، يوفر نموذج البورون أقل قيمة لقضيب التحكم. أخيرًا، يكون معامل درجة حرارة الوسيط أكثر سلبية بالنسبة لتصميمات الإربيوم و WABA بسبب التقاط النيوترونات الحرارية المحسنة من خلال تأثير الترتيب الاستراتيجي لقضبان WABA والتوزيع المنتظم للإربيوم.Translated Description (French)
Cet article étudie la possibilité d'étendre la durée du cycle des faisceaux de réacteurs à eau bouillante à 15 ans de fonctionnement avec trois poisons combustibles différents ; le gadolinium, l'erbium et le carbure de bore. Cela peut être réalisé en mélangeant du combustible UO2 hautement enrichi (15-19,9 % U-235) avec des concentrations élevées d'oxyde de gadolinium (3-14 % Gd2O3) ou d'oxyde d'erbium (2-4 % Er2O3). Le carbure de bore B4C a été modélisé comme des tiges (Al2O3-B4C) dans les tubes de guidage du faisceau. Le code MCNPX 2.7 a été utilisé pour évaluer le facteur de multiplication infini (K-inf), la distribution de puissance, le facteur de crête, le coefficient de réactivité du vide, la longueur du cycle du combustible, l'épuisement de l'U-235 et le taux d'inventaire fissile pour les trois conceptions à 40 % de vide. La simulation MCNPX a montré que l'introduction de tiges de gadolinium à la périphérie du faisceau a l'avantage de réduire l'oscillation de réactivité dans toute la plage d'exposition. La distribution uniforme de l'erbium dans tous les crayons combustibles a contribué à l'aplatissement du facteur de crête à tous les stades de combustion. Pour la conception B4C, l'auteur a constaté que l'assemblage avec B4C-Al fonctionne mieux en termes d'aplatissement de réactivité lorsque cinq des tiges B4C-AL2O3 sont positionnées dans la région centrale de l'assemblage. En outre, le coefficient de température du carburant est plus négatif pour la conception en gadolinium à toutes les étapes de combustion. D'autre part, le modèle au bore fournit la valeur de tige de contrôle la plus basse. Enfin, le coefficient de température du modérateur est plus négatif pour les conceptions erbium et WABA en raison de la capture accrue des neutrons thermiques par l'effet de l'arrangement stratégique des tiges WABA et de la distribution uniforme de l'erbium.Translated Description (Spanish)
Este documento investiga la posibilidad de extender la duración del ciclo de los haces de reactores de agua en ebullición a 15 años de operación con tres venenos quemables diferentes; gadolinio, erbio y carburo de boro. Esto se puede llevar a cabo mezclando combustible de UO2 altamente enriquecido (15-19,9% de U-235) con altas concentraciones de óxido de gadolinio (3-14% de Gd2O3) u óxido de erbio (2-4% de Er2O3). El carburo de boro B4C se modeló como barras (Al2O3-B4C) en los tubos de guía del haz. Se utilizó el código MCNPX 2.7 para evaluar el factor de multiplicación infinita (K-inf), la distribución de potencia, el factor de pico, el coeficiente de reactividad de vacío, la longitud del ciclo de combustible, el agotamiento de U-235 y la relación de inventario fisible para los tres diseños al 40% de vacío. La simulación MCNPX mostró que la introducción de varillas de gadolinio en la periferia del haz tiene la ventaja de reducir la oscilación de la reactividad en todo el rango de exposición. La distribución uniforme de erbio en todas las barras de combustible contribuyó al aplanamiento del factor de pico en todas las etapas de quemado. Para el diseño B4C, el autor encontró que el ensamblaje con B4C-Al funciona mejor en términos de aplanamiento de reactividad cuando cinco de las barras B4C-AL2O3 se colocan en la región central del ensamblaje. Además, el coeficiente de temperatura del combustible es más negativo para el diseño de gadolinio en todas las etapas de combustión. Por otro lado, el modelo de boro ofrece el valor de barra de control más bajo. Finalmente, el coeficiente de temperatura del moderador es más negativo para los diseños de erbio y WABA debido a la captura de neutrones térmicos mejorada por el efecto de la disposición estratégica de las barras WABA y la distribución uniforme del erbio.Files
      
        s41598-023-37615-x.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (3.2 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:05be2ea61ae492bd00fff26e47ac8fec | 3.2 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحقيق في إمكانية تمديد طول دورة BWR لمدة 15 عامًا من التشغيل عن طريق خلط وقود UO2 عالي التخصيب مع ممتصات قابلة للاحتراق
- Translated title (French)
- Étudier la possibilité d'étendre la durée du cycle BWR pendant 15 ans de fonctionnement en mélangeant du combustible UO2 hautement enrichi avec des absorbeurs combustibles
- Translated title (Spanish)
- Investigar la posibilidad de extender la duración del ciclo de BWR durante 15 años de operación mezclando combustible de UO2 altamente enriquecido con absorbedores quemables
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4382632522
- DOI
- 10.1038/s41598-023-37615-x
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1506411369
- https://openalex.org/W1970470376
- https://openalex.org/W1987389431
- https://openalex.org/W2027529944
- https://openalex.org/W2037281080
- https://openalex.org/W2057862370
- https://openalex.org/W2082116383
- https://openalex.org/W2088099162
- https://openalex.org/W2162526793
- https://openalex.org/W2593341475
- https://openalex.org/W2922002760
- https://openalex.org/W2966680633
- https://openalex.org/W3024345114
- https://openalex.org/W3133678511
- https://openalex.org/W3204529736
- https://openalex.org/W619793534