Monte Carlo yöntemiyle VVER-1200 reaktöründe toryum içerikli alternatif yakıtların nötronik performansa etkisinin araştırılması
Investigation of effects of alternative thorium based fuels on neutronic performance in VVER-1200 reactors with Monte Carlo methods
Yazar: YASİN GENÇ
Danışman: PROF. DR. ADEM ACIR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Gelişen teknoloji sayesinde nükleer güç santrallerinde nükleer atıkların ve uranyuma olan bağımlılığın azaltılması ile yakıt maliyetlerinin düşürülmesi yönünde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Dünyada bilinen uranyum rezervlerinin sınırlı olması, nükleer güç santrallerinde yaygın olarak kullanılan uranyum dioksit yakıtların alternatiflerinin araştırılmasına neden olmuştur. Toryum kaynaklarının uranyum kaynaklarından çok daha fazla olduğu göz önüne alındığında toryum tabanlı yakıtlarla ilgili çalışmalar önemini giderek artırmaktadır. Bu çalışmada VVER-1200 reaktörünün homojen ve heterojen yakıt düzenine sahip bir yakıt demeti için düşük zenginlikli uranyum ile toryum (UO2+ThO2), reaktör sınıfı plütonyum ile toryum (rgPuO2 + ThO2), silah sınıfı plütonyum ile toryum (wgPuO2 + ThO2) yakıtı kullanımının nötronik performans üzerine etkileri ve yakıt yanma oranlarına bağlı olarak yakıt bileşimi değişimleri ile reaktör güvenliği açısından önem arz eden güvenlik parametreleri incelenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen bulgular dikkate alındığında, toryum tabanlı yakıtların kullanımıyla 235U kullanımının asgari düzeye indirilebileceği ve 235U'e olan bağımlılığın azaltılabileceği, plütonyum tabanlı yakıtların kullanımı ile VVER-1200 güç reaktörünün yakıt geometrisinde herhangi bir değişiklik yapmadan benzer işletme koşulları altında daha yüksek yanma oranlarına ya da işletme sürelerine sahip olabileceği ve böylelikle yakıt çevrimi maliyetlerini düşürebileceği değerlendirilmektedir. Toryum tabanlı plütonyum yakıtlar, geleneksel toryum tabanlı uranyum yakıtlarla karşılaştırıldığında çok daha yüksek toryum ve plütonyum tüketim oranlarına sahip oldukları belirlenmiştir. Bu yüzden hafif su reaktörlerinde tasarımında önemli bir değişiklik yapılmaksızın kullanılma imkânından dolayı umut vadeden bir yakıt karışımı olarak karşımıza çıkmaktadır.

Abstract:
Thanks to the developing technology, an immense amount of studies is carried out to reduce nuclear wastes, dependency on uranium and reduction of fuel costs in nuclear power plants. The fact that known uranium reserves are limited lead to find alternatives to uranium dioxide fuel, today commonly used fuel in nuclear reactors. Given that thorium sources are much more than uranium sources, studies on thorium-based fuels become increasingly important. In this study, the effects of using low enriched uranium and thorium mixture (UO2+ThO2), reactor grade plutonium and thorium mixture (rgPuO2 + ThO2), weapon grade plutonium and thorium mixture (rgPuO2 + ThO2) in a VVER-1200 fuel assembly on neutronic performance, changing of fuel composition according to burnup rates and some safety parameters related to safe and secure operation of reactor were investigated. Considering the findings obtained from this study, it is evaluated that the use of 235U can be minimized by the utilization of thorium-based fuels and the dependence on 235U can be decreased. With the use of plutonium-based fuels, VVER-1200 power reactor can have higher burnup rates or operating times under similar operating conditions without any change in the fuel lattice geometry, thereby fuel cycle costs can be reduced. Thorium-based plutonium fuels have been found to have much higher thorium and plutonium consumption rates compared to traditional thorium-based uranium fuels. Therefore, it emerges as a promising fuel mixture due to its possibility to be used in light water reactors without any significant changes in its design.