Thorium-Based Nuclear Fuel Performance Modelling with Multi-Pellet Material Fuel and Sheath Modelling Tool

Abstract

A means of improving fuel sustainability within the nuclear power industry is to develop thorium-based fuel cycles. The Canadian Super-Critical Water cooled Reactor (SCWR) concept is using this path to achieve the sustainability requirement as part of the Gen-IV Forum. The study of Th-based fuel irradiation behaviour is less advanced than that of UO2 fuel, with the majority of studies focused on (Th,U)O2, and very limited work examining the (Th,Pu)O2 fuel type proposed in the SCWR project. The Fuel and Sheath Modelling Tool (FAST), a fuel performance model for Canadian Pressurized Heavy Water Reactor UO2 fuel, was developed at the Royal Military College of Canada (RMCC). By extending FAST’s capabilities to include ThO2, (Th,U)O2 and (Th,Pu)O2 as fuel pellet materials, it seemed feasible to develop this as a tool to aid in the design and performance assessment of Th-based fuels, including the proposed SCWR (Th,Pu)O2 fuel. Development and integration of ThO2, (Th,U)O2, and (Th,Pu)O2 models into the existing FAST model led to a new version called the Multi-Pellet Material Fuel and Sheath Modelling Tool (MPM-FAST). Model development was performed in collaboration between RMCC and Canadian Nuclear Laboratories (CNL). This work presents an outline of the MPM-FAST (Th,U)O2, and (Th,Pu)O2 models. Modelling results were compared with post-irradiation examination (PIE) data from two experimental irradiations conducted at CNL under normal operating conditions of a Canadian Pressurized Heavy Water Reactor. Although the MPM-FAST model can be further improved, results are encouraging when compared to the PIE data. The ThO2, (Th,U)O2, and (Th,Pu)O2 fuel performance models in MPM-FAST show a marked improvement in replicating the PIE data, as compared to the UO2 model simulating the same geometry and irradiation conditions. MPM-FAST has demonstrated that it is able to predict high fission gas release from (Th,Pu)O2 and can be used to aide in the experimental design of new test irradiations. The measurement of the material properties of Th-based fuel is rare, but the development of MPM-FAST has taken the first step to collect and use the best available data and holistic approach. When further knowledge and experimental data becomes available, MPM-FAST could be used as a fuel performance modeling tool for test these new Th-based fuel types.

Un moyen d’améliorer la viabilité de l’industrie nucléaire est de développer des cycles de combustibles basés sur le thorium. Le concept du réacteur canadien refroidi par de l’eau surcritique utilise cette voie pour satisfaire aux exigences de viabilité comme partenaire du Forum Génération-IV. L’étude du comportement sous irradiation de combustibles basés sur le thorium est moins avancée que celle de combustibles à l’UO2, la plupart des études portant sur des mélanges de (Th,U)O2 et un nombre limité de recherches sur des mélanges de (Th,Pu)O2 proposés pour le projet du réacteur canadien refroidi par de l’eau surcritique. L’outil de modélisation du combustible et de la gaine (« Fuel and Sheath Modelling Tool (FAST) », est un modèle de la performance du combustible à l’UO2 du réacteur canadien à eau lourde pressurisée qui a été développé au Collège militaire royal du Canada (CMRC). Il apparaît possible de développer davantage cet outil en augmentant les possibilités de « FAST » pour inclure le ThO2, le (Th,U)O2 et le (Th,Pu)O2 comme matériaux des pastilles de combustible afin d’aider au design et à l’évaluation de la performance de combustibles basés sur le thorium, y compris le combustible au (Th,Pu)O2 proposé pour le réacteur canadien refroidi par de l’eau surcritique. Le développement et l’intégration de modèles de combustibles au ThO2, au (Th,U)O2, et au (Th,Pu)O2 dans le modèle présent “FAST” a conduit à une nouvelle version appelée « outil de modélisation de combustible à pastilles multiples et de la gaine » (« Multi-Pellet Material Fuel and Sheath Modelling Tool (MPM-FAST) »). Une collaboration entre le CMRC et les Laboratoires nucléaires canadiens (LNC) a permis le développement du modèle. Le présent travail décrit le « MPM-FAST » tel qu’appliqué à des modèles de combustibles au (Th,U)O2 et au (Th,Pu)O2. Les résultats de la modélisation ont été comparés à des résultats expérimentaux provenant de données d’examen post-irradiation de deux irradiations expérimentales effectuées au LCN dans des conditions d’exploitation normales dans un réacteur canadien à eau lourde pressurisée. Considérant que le modèle « MPM-FAST » peut encore être amélioré, les résultats sont encourageants à la suite d’une comparaison avec les données expérimentales des examens post-irradiation. Les modèles de la performance des combustibles au ThO2, au (Th,U)O2, et au (Th,Pu)O2 utilisant “MPM-FAST” montrent une nette amélioration en comparaison des données expérimentales des examens post-irradiation, lorsque l’on compare avec un modèle d’un combustible à l’UO2 simulant une même géométrie et des conditions d’irradiation identiques. « MPM-FAST» a démontré qu’il est capable de prédire des relâchements importants de produits de fission gazeux du (Th,Pu)O2 et peut être utilisé pour la conceptions de nouveaux test expérimentaux sous irradiation. Les propriétés matérielles des combustibles basés sur le thorium sont encore peu connues, mais le développement de « MPM-FAST » représente un premier pas et utilise l’approche la plus disponible. Lorsque des nouvelles connaissances et des données expérimentales deviendront disponibles, le modèle pourra servir comme outil de modélisation de la performance du combustible pour des combustibles basés sur le thorium.