Splijtstof met thorium voor CANDU-reactoren

Het Amerikaanse consortium CCTE °) heeft met financiering van het energieministerie DoE splijtstof ontwikkeld, die toepasbaar is in CANDU-reactoren. De splijtstof bestaat uit een mengsel van HALEU en thorium. HALEU is lichtverrijkt uranium met een verrijkingspercentage van 19,75%. De precieze verhouding is niet gepubliceerd. Omdat CANDU-reactoren zijn ontworpen om energie te produceren met natuurlijk uranium, dat een 235U-gehalte heeft van 0,71%, zal de materiaalverhouding ongeveer liggen op 20 delen thorium op een deel HALEU. Met deze splijtstof zijn al splijtstofelementen gemaakt, die echter nog niet in CANDU-reactoren zijn toegepast. CCTE zou de nieuwe splijtstofelementen in 2024 op de markt willen brengen. De naam van de nieuwe splijtstof is ANEEL °°).

Het gebruik van ANEEL-splijtstof in CANDU-reactoren biedt voordelen. De opbrand van de nieuwe splijtstof, die een maat is voor de hoeveelheid energie, die zij produceert, is 55 MWd/kg (MegaWattdag per kilogram splijtstof), tegenover 7 MWd/kg voor de gewone splijtstof. CANDU-reactoren wisselen tijdens normaal bedrijf acht splijtstofelementen per dag. Voor de nieuwe splijtstofelementen volstaat het wisselen van slechts één element per dag. De uitgeputte splijtstofelementen van de CANDU-reactoren zijn niet meer te gebruiken en zijn dus radioactieve afval. Het gebruik van acht maal minder splijtstofelementen betekent dan ook een acht maal minder groot afvalvolume.

Een mogelijk nadeel van de nieuwe splijtstof is, dat de regelmarge afneemt. Dat zou bezwaarlijk kunnen zijn, omdat een CANDU-reactor een positieve temperatuurcoëfficiënt heeft. Dat betekent, dat als de temperatuur in de reactorkern stijgt er een positief reactiviteitseffect optreedt, waardoor het vermogen toeneemt. De veilige regelmarge voor de reactiviteit is gelijk aan de fractie van de nakomende neutronen, die na splijting vrijkomen. Voor 235U is dat één vertraagd neutron op elke 140 prompte neutronen. De regelmarge is gelijk aan 0,7% (ofwel 1/140). Voor 233U, dat uit 232Th ontstaat, is dat één vertraagd neutron op elke 360 prompte neutronen. De regelmarge is dan 0,28%.

Er draaien 49 CANDU-reactoren in de verschillende landen, maar geen enkele in de VS. Ze staan in Canada, Argentinië, China, India, Pakistan, Roemenië en Zuid-Korea.

Meer informatie:
https://engineering.tamu.edu/news/2020/10/texas-am-researchers-developing-game-changing-clean-nuclear-fuel.html

°) CCTE: Clear Core Thorium Energy is een consortium onder leiding van het Nuclear Engineering & Science Center van de Texas A&M universiteit met als partner INL (Idaho Nuclear Laboratory)
°°) ANEEL: Advanced Nuclear Energy for Enriched Life