Thoria Fuel Performance Testing

Det fins en sterk interesse for å benytte thorium som en ny energikilde, men det er ikke helt enkelt å nyttiggjøre seg den 'innelåste' energien i thorium. Man kan ikke bare bytte ut uran med thorium i brenselet til kjernekraftverk da thorium ikke har noen fissile komponenter. Det betyr at atomene ikke deler seg (og frigjør energi) når de absorberer et tregt nøytron. Når thorium har absorbert et tregt nøytron forvandles det (transmuterer) til uran-233, og dette deler seg når det igjen absorberer et nøytron. Så for å få thorium til å frigjøre fissionsenergi, må man først tilføre et nøytron. I den senere tid har det vært stor i interesse knyttet til endelig lagring og håndtering av plutonium i UK og US. Den vanlige strategien er å blande plutonium med uran for å bestråle det i dagens lettvannsreaktorer og lagre det brukte kjernebrenselet i et endelig lager i 100 000 - 1000 000 år. Det kan derimot vise seg at det er en mye bedre strategi å blande plutoniumet med thorium siden det er velkjent at thorium er mye mindre løselig sammenlignet med uran og plutonium. Derfor representerer det en sikrere mulighet sammenlignet med plutonium-uran brensel. Det vil også muliggjøre bygging av et noe enklere endelig lager siden thorium-plutonium brensel ikke er så løselig i vann. Helt generelt kan man si det er vanskelig og dyrt å fremstille nøytroner. I dette prosjektet er strategien å kombinere thorium med plutonium, som er et bi-produkt i brukt konvensjonell uranbrensel. Plutonium er et fissilt materiale som er i stand til å "drive" thorium. Det fins store mengder plutonium in verden fra brukt uranbrensel, og dette betraktes som avfall og en forpliktelse som må tas hånd om; selv om det har en høy energiverdi. Thorium-plutonium teknologien muliggjør at kjernekraftverk kan oppnå både i) å konsumere, og derved destruere, lagret plutonium og ii) å nyttiggjøre seg energien fra thorium, som resulterer i en liten reduksjon i uran-etterspørselen og innebærer en diversifisering av brenselstilgangen. Prosjektet tester hvordan materialegenskapene i thorium-plutonium brenselspellets endres i løpet av den tiden hvor det sitter i en reaktor med høy temperatur og høy radioaktiviet. Det tar lang tid å gjennomføre disse bestrålingstestene og derved demonstrere brenselets sikkerhet og at det yter i henhold til simuleringene. Det fins ingen alternativer til å bestråle dette i en reaktor for å kunne studere hvordan brenselet 'oppfører' seg. IFEs forsøksreaktor i Halden og laboratorier på Kjeller er verdensledende når det handler om å lede og gjennomføre slike undersøkelser. Bestrålingseksperimentet krever mye planlegging og forberedelse. Det er spesielt krevende å skaffe testpellets av høy kvalitet, da thorium- og plutoniumoksider må blandes og brukes til å lage pellets med høy tetthet og høy grad av homogenitet. Pelletsene må også ha en uniform mikrostruktur som er representativ for pellets som produseres i kommersielle brenselsfabrikker. Innen rammen av dette prosjektet har man utviklet prosedyrer og oppskrifter for pelletsproduksjon ved å bruke cerium som et surrogat for plutonium, da det man ikke har så mye plutonium tilgjengelig og at dette kun kan brukes innen isolerte hanskebokser. En produksjonslinie for brenselspellets er blitt konstruert og bygget inn i hanskebokser på IFE Kjeller (et alpha laboratorium) og thorium-plutoniumpellets (ThMox) er blitt produsert med gode resultater, hvilket er et stort gjennombrudd. Frem til nå er det akkumulert verdifull online burn-up data på de første ThMox-pelletsene (som ble produsert hos ITU) som står i Haldenreaktoren i dag. Det er blitt foretatt analyser av temperaturen inne pelletsene som viser at pelletsene oppfører seg i henhold til forventningene. Det er produsert to test-pinner med de ThMox pellets som ble fabrikert i IFEs alpha-laboratorium. Disse pinnen er instrumentert og ble satt inn i Halden-reaktoren i desember 2017. Det planegges at disse pinnene skal bestråles i 2-3 år.

This project takes a pivotal first step on the path to developing a commercial thorium-plutonium light water reactor (LWR) fuel. This fuel-type is assessed to offer numerous fuel-cycle advantages, and will be commercially attractive as uranium prices and waste-management costs continue to rise. It is the fastest path toward exploiting thorium as a new fuel for electricity production. The commercialization path requires demonstration that the new fuel performs well - and safely - under LWR operating co nditions. The test reactor operated by IFE in Halden is a world leader in performing trial irradiations in simulated LWR conditions and so is ideally suited to acquiring the body of behavioural data needed for the thorium-plutonium fuel ceramic. Precisi on 'online' measurements will be made: (i) the temperature of the fuel operating at normal power levels, (ii) dimensional changes of the fuel pellets and cladding, (iii) internal rod pressure due to the release of fission gases from the fuel pellet. Pos t-irradiation examination will include sophisticated measurements of fuel pellet material properties, including: fission product distribution and thermal conductivity. Collectively, the suite of data will be extremely valuable since it will be used: (i ) in the approval for further necessary irradiations of the fuel in commercial LWR/s, and (ii) in building predictive thermo-mechanical computer codes. Ultimately this ongoing work will enable Thor Energy (& partners) to offer safety assurance services t o customers for new thorium-plutonium LWR fuels that it designs. There is a large potential revenue derivable from such work - given nuclear fuel growth and technology projections. The commercial qualification for thorium-plutonium LWR fuel is, however, dependent on the availability of reliable physical measurements of how the fuel behaves in LWR conditions. Now is the time to collect this data -using IFE's unique capabilities.