VVER reaktöründe toryum-uranyum yakıtların ısıl-hidrolik performans analizi
Thermal-hydraulic performance analysis of thorium-uranium fuels in VVER reactor
Yazar: AHMET KAĞAN MERCAN
Danışman: PROF. DR. CEMİL KOCAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Günümüzde mevcut olan nükleer reaktörlerin geleceği uranyum rezervleriyle sınırlıdır. Bu 
yüzden  dünyada  uranyumun  yerine  geçebilecek  yada  uranyumla  birlikte  kullanılarak 
benzer  veya  daha  iyi  performans  gösteren  malzeme  elde  etme  çalışmaları  yapılmaktadır. 
Toryum  elementi  de  fisil  madde  üretebildiği  için  bu  araştırmalarda  önemli  bir  yer 
tutmaktadır.
Bu  tezin  amacı,  dünyada  yaygın  olarak  kullanılan  VVER-1000  reaktöründe  homojen 
olarak  çeşitli  konsantrasyonlarda  uranyum-toryum  karışımlarının  kullanılması  ve  bu
konsantrasyonların  ısıl-hidrolik  performanslarının  incelenmesidir.  Bu  analizlerden  çıkan 
sonuçların  ışığında  en  kötü  senaryoyu  verecek  konsantrasyon  için  çeşitli  kaza  analizleri 
incelenmiştir.  Bu  tez  sayesinde  nükleer  reaktörlerde  olası  Th  kullanımları  için  bir  temel 
oluşturulması hedeflenmektir
Hesaplamalarda  VVER-1000  reaktörü  için  geometri  kullanılarak  birim  hücre 
oluşturulmuştur. Oluşturulan birim hücre içindeki  yakıtta çeşitli konsantrasyonlarda U-Th 
homojen  karışımlar  için  ısıl  iletkenlik  ve  ısı  kapasiteleri  hesaplanmıştır.  Hesaplanan  ısıl 
iletkenlik ve ısı kapasitesi parametreleri ile reaktör birim hücresi COBRA-TF koduna girdi 
olarak  verilerek  farklı  konsantrasyonların  performansları  izlenmiştir.  Yakıtların 
konsantrasyonları  farklı  ısı  profilleri  ile  de  test  edilmiştir.  Bunun  yanı  sıra  en  kötü 
performanslı  konsantrasyon  örneği  seçilip  bu  örnekte  %10  akış  azalması,  güçte  %20'lik 
artış ve azalış sağlayacak  reaktivite girişi  kazaları  işletim  koşulları için uygulanmıştır.  En 
sıcak kanal koşulları için reaktör kapanarak pompa durması kazası da incelenmiştir.  
Yapılan analizlerin sonuçları incelendiğinde en yüksek yakıt merkez sıcaklığı kütlece %40 
Th  içeren  örnekte  ortalama  kanal  koşullarında  kosinüs  ısı  akışı  için  1190  K  olarak 
hesaplanmıştır.Hesaplanan yakıt merkez sıcaklığı normal uranyum kullanımından 103,5 K
daha yüksektir. 
%40  toryum  içeren  örnek  içeren  yakıtta  %10  akış  azalması  durumu  incelendiğinde 
sıcaklıkta  ortalama  kanal  koşulları  altında  6  K'e  yakın  artış  gözlenmektedir.  Sisteme 
negatif  reaktivite girişi olduğunda  en  yüksek  yakıt merkez sıcaklığı toryum içeren örnek 
için  1367,7  K,  uranyum  içeren  örnek  için  1184  K'e  yükselmektedir.  Pozitif  reaktivite 
girildiği  koşulda  ise  sıcaklık  düşüşü  toryum  için  yaklaşık  150  K,  uranyum  için  yaklaşık 
170 K  olmuştur. Reaktör kapanması ile birlikte pompa  durması  gerçekleştiğindeen yüksek 
yakıt  merkez  sıcaklığı  maksimum  çalışma  koşulları  için  durma  yokken  Th  içeren  örnek 
için 580 K iken kaza sonrası 600 K olmuştur. 
Yapılan  hesaplamaların  sonucunda,  sistemin  içine  değişik  konsantrasyonlarda  Th 
katıldığında sistem belirlenen  isletim sınırlarının  altında kalmıştır. Sistem akış azalması ve 
reaktivite  girişi  kaza  senaryolarında  güvenli  limitlerde  kalmıştır.  En  sıcak  kanal 
koşullarında  pompa  yavaşlaması  durumunda  sistem  aşırı  düşen  akışa  rağmen  bozunum 
ısısını karşılamıştır.

Abstract:
Today,  current  nuclear  reactors'  future  depends  on  uranium  reserves.  Researches  for 
materials that can be replaced with uranium or can be used with uranium to obtain similar 
performances with uranium or better performances than uranium are being done in whole 
world. Thorium element takes important part in these researches because of creating fissile 
material.
The aim of this thesis is using different concentrated uranium-thorium mixtures in VVER-1000 reactor that is very common in world and calculating thermal performance of these 
fuels.  According to results of these  analysis, some accident analysis are examined for the 
concentration  that  will  give  the  worst  scenario.  With  this  thesis,  a  basis  information  is 
aimed for thorium usage in nuclear reactors. 
A  unit  cell  is  created  by  using  the  geometry  of  VVER-1000  reactor  in  calculations.
Thermal  conductivity  and  heat  capacitance  were  calculated  for  different  concentrated 
homogenous  Th-U  mixturesfor  fuel  that  created  inside  unit  cell.  Calculated  thermal 
conductivity  and  heat  capacitance  parameters  were  applied  to  COBRA-TF  code  and 
performance  of  different  concentrations  was  observed.  Also  performance  of  fuels  were 
tested  with  different  heat  profiles.  In  addition  to  this,  concentration  which  showed  the 
worst performance was chosen and 10%  decrease of flow, reactivity insertion  accidentthat 
increases  and  decreases  the  power  by  20%  cases  were  applied.   Pump  coastdown  with 
reactor shutdown accident at the hottest channel conditionwas also performed.
The  results  show  that  the  highest  fuel  centerline  temperatures  are  calculated  for 
concentration  that  includes  %40  Th  w/o  percent,  which  is  1190  K  for  average  channel
conditions and cosine heat skew.  Calculated  fuel centerline temperature is approximately 
103.5 K higher than normal uranium used case.  
When 10% flow decrease case for the sample that includes 40% thorium is observed, about 
6  K  rise  is  observed.  Positive  reactivity  insertion  to  the  system  leads  to  increase  of  the 
highest  fuel  centerline  temperature  by  1367.7  K  for  thorium  and  1184  K  for  uranium.
Negative reactivity insertion case results with  approximately 150 K  decline of the highest 
fuel centerline temperature for thorium and  about 170 K  decline for uranium. In case of 
pump coastdown with reactor shutdown, the highest fuel centerline temperature increases 
to  600  K  which  is  580  for  Th  included  fuel  without  coastdown  for  maximum  working 
conditions. 
According to calculations, if varied concentrated thorium is inserted to the system, system 
works under limits. System also works under limits when the flow decrease and reactivity 
insertion  accident  scenarios  exist.  In  case  of  pump  coastdown  at  the  hottest  channel
conditions, despite overly decreased flow, system can handle decay heat.