Safety-related Investigations on a soluble-boron-free Small Modular Reactor Core

Weltweit werden zahlreiche wassergekühlte SMRs (WC-SMRs) entwickelt und deren Einsatz in verschiedenen Ländern erwogen. Einige Konzepte verzichten dabei auf lösliches Bor im Kühlmittel. Dies bietet Vorteile wie einen verbesserten negativen Moderator-Temperaturkoeffizienten, reduzierte Korrosion sowie vereinfachte chemische Systeme, wodurch das Interesse an borfreien SMR-Konzepten (Soluble-Boron-Free, SBF-SMR) wächst.
Die Eliminierung von löslichem Bor stellt jedoch spezifische Herausforderungen für das Kerndesign und die Sicherheit dar. Da die verteilte Reaktivitätskontrolle durch Bor entfällt, muss die Kontrolle der Überschussreaktivität vollständig durch abbrennbare Gifte (Burnable Absorbers) und Kontrollstäbe erfolgen. ... mehrDies kann potenziell zu erhöhten lokalen Leistungsdichtefaktoren (Power Peaking Factors) führen. Aufgrund der kompakten Größe des SMR-Kerns ist eine sorgfältige Gestaltung der Core-Geometrie erforderlich, um die Sicherheitsparameter einzuhalten. Darüber hinaus kann der im Vergleich zu einem borierten SMR höhere Gesamtwert des Kontrollstabsystems in einem SBF-SMR zu einem übermäßig hohen Reaktivitätsbeitrag einzelner Stäbe führen, was im Falle eines hypothetischen Stabauswurfunfalls (Rod Ejection Accident, REA) die Kühlfähigkeit beeinträchtigen könnte.
Diese Dissertation begegnet diesen Herausforderungen durch die Entwicklung einer Methodik zur Optimierung des SBF-SMR-Kerns über den ersten und den Gleichgewichtskernzyklus. Ausgehend vom akademischen KSMR-Kerndesign, das sich bisher auf die Performance des frischen Brennstoffs zu Beginn des Zyklus konzentrierte, erweitert diese Arbeit die Untersuchung auf das Kernverhalten über den gesamten Abbrandzyklus. Der entwickelte SBF-SMR-Kern basiert auf ausgereifter Druckwasserreaktor-Technologie mit UO₂-Anreicherungen unter 5 % und Gd₂O₃ als Material für das abbrennbare Gift. Der Optimierungsprozess umfasst die Definition einer Reihe fester Parameter und Variablen (u. a. Brennstoffanreicherung, Konfiguration der Absorberstäbe und Gd₂O₃-Gehalt) und die anschließende systematische Exploration dieses großen Variablenraums zur Identifizierung optimaler Konfigurationen. Dabei kommt ein Zwei-Schritt-Ansatz zur Anwendung: CASMO5 generiert Wirkungsquerschnitte, und SIMULATE5 nutzt diese Daten für die Core-Simulationen. Zur Automatisierung der Eingabedatei-Generierung, Simulationsausführung und Ergebnisextraktion wurde ein in Golang entwickeltes Tool namens CoreOptimizer erstellt, was eine effiziente Kernoptimierung ermöglicht.
Abschließend werden die optimalen Kernkonfigurationen einer neutronischen und sicherheitstechnischen Bewertung über den ersten und den Gleichgewichtskernzyklus unterzogen. Dies stellt sicher, dass die angestrebte Zykluslänge erreicht wird und gleichzeitig alle Sicherheitskriterien eingehalten werden. Zusätzlich wurde ein hypothetischer Kontrollstabauswurfunfall simuliert, um die Sicherheitsperformance der optimierten Kerne unter Auslegungsstörfallbedingungen (Design-Basis Accident Conditions) zu validieren.

Many water-cooled small modular reactors (WC-SMRs) are being developed and their deployment is being considered in different countries world-wide, with some designs considering no soluble boron in the coolant. The elimination of soluble boron offers several advantages such as an enhanced negative moderator temperature coefficient, reduced corrosion, and simplified chemical systems, etc. leading to the growing interest in soluble-boron-free (SBF) SMR-designs.
However, the removal of soluble boron introduces distinct challenges in core design and safety. Without soluble boron for distributed reactivity control, excess reactivity control relies entirely on burnable absorbers and control rods, potentially increasing power peaking factors. ... mehrDue to the small size of the SMR core, careful core design is necessitated to ensure safety margins. Moreover, the higher total worth of control rod system in a SBF SMR, compared to a boron-based SMR, may result in an excessively high single control rod worth, may damaging the cooling capability in the event of a hypothetical rod ejection accident.
This doctoral thesis addresses these challenges by establishing a methodology for SBF-SMR-core optimization across first and equilibrium cycles. Building on the foundational academic KSMR-core design, which previously focuses solely on fresh fuel performance at beginning of cycle, this research extends the investigation to core behaviour throughout the entire burnup cycle. The work develops the SBF SMR core using mature PWR technology with UO2 enrichment below 5% and Gd₂O₃ as burnable absorber material. The design optimization process involves defining a set of fixed parameters and variables (including fuel enrichment, burnable absorber rod configuration, and Gd₂O₃ content), and then systematically exploring this large variable space to identify optimal configurations. The two-step approach is applied in this process: CASMO5 generate cross sections and SIMULATE5 use these data to conduct the core simulation. A Golang-based tool, named CoreOptimizer, was developed to automate the input file generation, simulation execution and output data extraction, enabling efficient core optimization.
Finally, the optimal core configurations undergo the neutronic and safety evaluations throughout first and equilibrium cycles to ensure target cycle length achievement while satisfying all safety criteria. Furthermore, a hypothetical control rod ejection accident was simulated to confirm the safety performance of the optimized cores under design-basis accident conditions.