Innovative nuclear fuel product for reduction of fuel cost in commercial reactors and small modular reactors

Forskningsprosjektets mål er å utvikle et nytt innovativt nukleært brenselsprodukt for å øke lengden på brenselssyklusene, øke sikkerheten, spare naturressurser og dermed redusere brenselskostnadene, utvide reaktorens levetid og øke reaktorens tilgjengelighet. Målsettingen er at det nye produktet skal kunne tas i bruk i kommersielle trykkvannsreaktorer (PWR). PWR er den mest vanlige typen kommersielle reaktorer som er i drift i verden i dag (ca 70% av all installert kapasitet i kommersielle reaktorer i verden i dag er PWR). En typisk PWR har vanligvis en installert effekt på i størrelsesorden mellom 1000 og 1500 MWe. Det nye brenselet skal være enkelt nok for å kunne lisensieres og attraktivt nok fra både et kommersielt og sikkerhetsmessig perspektiv sett fra kraftverkseiers side. Det nye produktet har også mulighet til å øke lengden på brenselssyklusene med ca 5% i eksisterende lettvannsreaktorer og dermed øke reaktorens tilgjengelighet. Dette oppnås ved at reaktoren kjøres lengre uten «shut-downs» og minimerer antall nedstengninger og således reduserer tiden reaktoren ikke produserer elektrisitet. Det nye produktet kommer til å føre til en redusert bestrålingen av nøytroner til reaktortanken og kan således bidra til en forlenget levetid for reaktoren. Det nye produktet kommer også til å føre til en besparelse av naturlig uran på i størrelsesorden 3%. Videre muliggjør det nye produktet mer fleksibilitet mht hvordan reaktoren opereres, noe som er svært viktig for stabil og sikker drift. En av de største utfordringene er å øke brenselssyklusene samtidig som alle myndighetsbestemte sikkerhetsparametre møtes, som eksempelvis maksimum pin-peak-power og maksimal utbrenning. Dette nødvendiggjør forskning og utvikling innen ulike disipliner for å sikre at man dekker alle myndighetsbestemte krav. Det skal utføres eksperimenter for å validere resultatene som en del av lisensieringsprosessen for å kunne demonstrere sikkerheten overfor regulatorer. Thor Energy har søkt patent for det nye produktet og har en klar patentstrategi for å kunne søke om flere patenter utledet av dette produktet i fremtiden. De avgjørende thermohydrauliske og materialeksperimentene planlegges startet i Q2 2020. Videre markedsforskning-/undersøkelser har også vist lovende resultater med hensyn til at produktet vil være verdifullt for sluttkundene og man har startet å identifisere den/de første mest sannsynlige kundene. Partnerne i dette prosjektet har lang internasjonal erfaring med brensel til kjernekraftverk. En av partnerne er en brenselsfabrikant som har dyp innsikt i fremstilling av og krav til produksjon av brensel til kjernekraftverk. Videre er har denne partneren datamodeller/-koder for beregninger av hvordan brenselet yteevne, kunnskap om myndighetenes krav og inngående kunnskap om kundenes behov. Nå er prosjektet i en fase hvor man starter simuleringer i en spesifikk reaktor. Den tekniske delen av prosjekt har så langt blitt løst i henhold til plan, og det synes ikke å være noen tekniske hindringer for å kunne benytte produktet i dagens lettvannsreaktorer. Utfordringen er imidlertid at produktet ikke synes å kunne innfri forventningene mht uranbesparelser og dermed er ikke produktet så økonomisk attraktivt som først antatt. På denne bakgrunn har Thor Energy besluttet å avslutte prosjektet ved utgangen av Q2 2020.

The ThX device/invention was intended to improve fuel efficiency in todays fuel and todays reactors. In the end, the effects were proven too marginal to be economically worthwhile to be introduced in a commercial framework. The fact that a patent was granted, proves the "innovation height" and novelty of the thinking behind this product, and indeed it did introduced a completely new concept in a PWR-core, the idea of i) separating neutron absorbtion material and fuel material, ii) utilizing unused control rod guide tubes as a host for fuel/absorbtion materials. The project has given valuable insight and knowledge of new ways of utilizing and operating a PWR, despite not being commercially viable in todays context, it serves as a concept and bases for future development with potentially new safety regimes and more pressure on developing commercial operating margins.

The objective is to develop a new nuclear fuel product to increase cycle length, improve safety, save natural resources and reduce fuel cost in commercial nuclear reactors by utilizing uranium and burnable absorber. The new nuclear fuel product will be simple enough to be licensed and compelling enough from both a commercial as well as a safety point of view from the perspective of end user. It is anticipated to increase cycle length by 5 % and save 2-5 % of the needed natural uranium in existing light water reactors (LWR). One of the biggest challenges is to minimize the need of natural uranium whilst meeting all safety requirements set by the regulators. It will require detailed calculations in neutronics, thermal hydraulics and mechanical. Moreover, experiments will be performed to verify the results as part of the licensing to demonstrate the safety to regulators. There will be two partners in this project, both with long and broad experience from international cooperation.