Comparison of uranium- and thorium-based plutonium-recycling in a pressurised water reactor

This paper reports the results of a comparison of Thorium based fuels in pressurised water reactors with Uranium based mixed oxide fuels up to burn-ups of 100 GWd/t_H_M. First, consumption ratios for Plutonium and Transuranium elements are compared. It turned out that the application of Thorium based fuel doubles the consumption ratio of Plutonium in comparison to Uranium mixed oxide fuel. This also becomes evident evaluating the mass balances with respect to the generated nuclear energy. Also in this case the Thorium based fuel demonstrates its superior performance; it generates more than 90% of the energy due to Plutonium fissioning, thus performing approximately 40% better than Uranium based mixed oxide fuel. But the large amounts of Transuranium elements remaining in both types of fuel are disadvantageous; thus these fuels may not be seen as a solution of the Plutonium problem for the purposes of avoiding large Plutonium amounts to be disposed off. Besides the valuation of consumption ratios the feed back due to the change of fuel must be evaluated with respect to the safety behaviour of the ractor. Basing on the reactivity feedback coefficients of the fuel temperature, the moderator temperature, the boron concentration and the voided core, it can be shown, that Thorium based mixed oxide fuel performs better than Uranium based mixed oxide fuel. But both types of fuel run into trouble, if very high burn-ups are desired. Due to high initial Plutonium concentrations the void coefficient tends to become positive. A final judgement of this result needs a more detailed core layout analysis. (orig.)Im vorliegenden Bericht wird der Einsatz von thoriumbasierten Brennstoffen in Druckwasserreaktoren untersucht und mit den Ergebnissen von herkoemmlichen uranbasierten Brennstoffen fuer Abbraende bis zu 100 GWd/t_H_M verglichen. Als Vergleichskriterien dienen zunaechst die Umsatzraten sowohl fuer Plutonium alleine als auch fuer die Transuranelemente. Hier zeigt sich, dass der Einsatz von Thorium die Umwandlungsraten gegenueber der Verwendung von Uran als Traeger fuer Plutonium verdoppelt. Dies wird auch deutlich, wenn man die Massenbilanzen hinsichtlich der erzeugten Kernspaltenergie auswertet. Hierbei zeigt der thoriumbasierte Brennstoff mit ueber 90% der aus der Spaltung von Plutonium erzeugten Energie ebenfalls seine Vorzuege. Nachteilig ist aber, dass die abgebrannten Brennelemente noch grosse Mengen an Transuranen enthalten und somit nicht im Sinne einer Loesung des Plutoniumproblems endgelagert werden koennen. Neben der Bewertung der Umsatzraten sind auch die Rueckwirkungen des Brennstoffwechsels auf das Sicherheitsverhalten des Reaktors zu betrachten. Anhand der Rueckkopplungskoeffizienten fuer die Brennstoff- und Moderatortemperatur, die Borkonzentration und ausgedampftes Kuehlmittel (void) konnte gezeigt werden, dass der thoriumbasierte Mischoxidbrennstoff guenstigere Bedingungen aufweist als der uranbasierte Mischoxidbrennstoff. Allerdings deuten sich fuer beide Brennstofftypen bei sehr hohen Abbraenden positive Void-Koeffizienten aufgrund der sehr hohen Plutoniumkonzentrationen an. Zur abschliessenden Beurteilung dieser Problematik sind detaillierte Kernberechnungen erforderlich. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 831(3690) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekEuropean Union (Euro), Brussels (Belgium)DEGerman