Transmutation of Actinides Using Heavy Water Reactors and Sodium Cooled Fast Reactors

Abstract

The management of spent nuclear fuel is one of the largest challenges preventing widespread acceptance and expansion of nuclear energy. One strategy to alleviate the concerns surrounding spent nuclear fuel is to transmute long-lived actinides. In this work a heavy water reactor (HWR) was proposed to be employed as an intermediate burner of transuranic elements (plutonium, americium, curium, and neptunium) from light water reactor (LWR) spent fuel, prior to further transmutation in a sodium cooled fast reactor. Reactor physics modelling of the HWR was performed using the lattice cell code WIMS-AECL 3.1, and the sodium cooled fast reactor was modelled using the Monte Carlo code Serpent. Basic safety criteria were analyzed for both the HWR and the fast reactor models. Dynamic simulations to determine the impact of transitioning to actinide burning fuel cycles were performed using the VISION fuel cycle systems model. Five fuel cycles were modeled, in order to determine the impact of an intermediate burner HWR: 1: a reference case, once-through LWR; 2: LWR, transitioning to fast reactors; 3: LWRs, transitioning to HWR intermediate actinide burners, then to fast reactors; 4: LWRs, transitioning to both HWR intermediate burners and LWR-derived fuel fast reactors; and 5: an LWR to HWR modified open fuel cycle (no fast reactors). Fuel cycles that include a transition to fast reactors have the most favourable impact on sustainability metrics, such as uranium consumption. Relative to a reference once-through LWR case, a transition to fast reactors reduces consumption by 70%. Fuel cycles utilizing HWRs as intermediate burner of minor actinides reduce this somewhat, giving a reduction in uranium requirements of 55-59%. The fuel cycles studied here significantly reduce the amount of spent fuel requiring long term storage. 527 kt of spent fuel in the reference once through LWR case is reduced by 76% to 126 kt in the LWR to HWR modified open fuel cycle, and by 98% to 10 kt for the fast reactor scenarios. The determination of the actinide burning abilities of the different fuel cycles was complicated by the concentration of minor actinides (i.e. Am and Cm) in the fast reactor fuel. When a sufficient number of fast reactors are built in relation to the supply of fuel from LWR or HWRs, the scenario runs out of minor actinides, and is forced to “borrow” these elements from a region outside of that being modelled. However, it can be concluded that since these scenarios are forced to import minor actinides, they do a sufficient job of dispositioning actinides.

La gestion du combustible nucléaire usé est l’un des défis les plus importants empêchant une acceptation généralisée et une expansion de l’énergie nucléaire. Une stratégie visant à répondre aux inquiétudes reliées au combustible nucléaire usé est de transmuter les actinides à longues vies. Dans ce présent travail, on propose l’emploi d’un réacteur à eau lourde (HWR) comme un brûleur intermédiaire d’éléments transuraniens (plutonium, américium, curium, et neptunium) provenant du combustible usé de réacteurs à eau légère (LWR), préalablement à une transmutation ultérieure dans un réacteur rapide refroidi au sodium. La modélisation de la physique du réacteur à eau lourde a été effectuée à l’aide du logiciel de calcul de cellule WIMS-AECL 3.1, et celle du réacteur rapide refroidi au sodium fut accomplie grâce au logiciel Serpent qui est basé sur une méthode de Monte Carlo. Des critères de base en sûreté ont été analysés pour le réacteur à eau lourde et le réacteur rapide modélisés. On a effectué des simulations dynamiques pour déterminer l’impact des transitions vers des cycles de combustible consommant des actinides à l’aide du modèle VISION de systèmes de cycles de combustible. On a modélisé cinq cycles de combustible afin de déterminer l’impact du réacteur à eau légère intermédiaire : 1: un cas de référence, celui du cycle à passage unique dans un réacteur à eau légère; un cycle partant d’un passage initial dans un réacteur à eau légère suivi d’une transition dans un réacteur rapide; 3: un cycle commençant par un passage dans des réacteurs à eau légère, suivi d’une transition dans des réacteurs à eau lourde, puis dans des réacteurs rapides; 4: un cycle démarrant par un passage dans des réacteurs à eau légère, suivi par une transition dans des réacteurs à eau lourde en parallèle avec une transition de combustible irradié dans des réacteurs à eau légère vers des réacteurs rapides; et, 5: un cycle ouvert dans lequel le combustible irradié dans des réacteurs à eau légère est envoyé dans des réacteurs à eau lourde (sans réacteur rapide). Les cycles de combustible qui impliquent des réacteurs rapides ont l’impact le plus favorable sur les paramètres de faisabilité, comme celui de la consommation de l’uranium. Relativement au cas de référence qui est le cycle à passage unique dans un réacteur à eau légère, une transition vers des réacteurs rapides diminue la consommation d’uranium par 70%. Les cycles de combustible qui incluent des réacteurs à eau lourde comme brûleur intermédiaire d’actinides mineurs diminuent cela quelque peu, donnant une réduction de 55-59% des besoins en uranium. Les cycles de combustible étudiés ici réduisent de façon significative les quantités produites de combustible usé qui demandent un entreposage de longue durée. Les 527 kt de combustible usé produites dans le cycle de référence à passage unique dans un réacteur à eau légère sont diminuées par 76% à 126 kt dans le cycle ouvert modifié avec passage d’un réacteur à eau légère à un réacteur à eau lourde, et par 98% à 10 kt pour les cycles impliquant des réacteurs rapides. La détermination des capacités de brûler les actinides des différents cycles de combustible était rendue compliquée par la concentration des actinides mineurs (i.e. Am et Cm) dans le combustible du réacteur rapide. Lorsqu’un nombre suffisant de réacteurs rapides sont construits en relation avec les quantités de combustible produites par les réacteurs à eau légère et les réacteurs à eau lourde, le scénario épuise les quantités disponibles d’actinides mineurs, et on est forcé d’ « emprunter » ces éléments de sources situées dans une région extérieure à celle modélisée. Cependant, on peut conclure que, puisque ces scenarios doivent importer des actinides mineurs, ils effectuent un travail suffisant de disposition des actinides.