Heat transfer in a simulated spent fuel pool for different types of spent fuels

Abstract

Historically, the Spent Fuel Pool (SFP) of Angra II, from Brazil, has received standard spent fuel (SF) assemblies of uranium dioxide (UO2) discharged from Pressurized Water Reactors (PWR) of the Nuclear Power Plants (NPP) of Angra. However, in case of using Mixed Oxide (MOX) or thorium-based fuels at a proportion of 1/3 or 1/4 of the total of fuel assemblies in their PWRs as it has been occurring worldwide, it would require further thermal studies of wet storage of the new mixed SF generated. It includes the determination of the water boiling time (Tb) of the SFP in case of breakdown of its external cooling system (ECS). This work presents studies of Tb of a simulated SFP storing mixed SF discharged from PWRs. The types of mixed SF studied include MOX plus UO2, oxide of thorium/uranium (U-Th)O2 plus UO2, and oxide of thorium/transuranic (TRU-Th)O2 plus UO2. All the mixed SF was considered to contain 1/3 or 1/4 of either thorium-based fuels or reprocessed fuel. The simulations were implemented in CFX Ansys and OpenFOAM© codes. Tb from simulations with Ansys ranged from 4.05 h to 5.97 h, and from 3.45 h to 5.77 h from simulations with OpenFOAM©. Results show that, independent of the mixed loading pattern of the SFP, the water would reach the saturation temperature more rapidly when (TRU-Th)O2 was present. By contrast, when MOX was present, Tb was greater.

Historicamente, o Pool de Combustível Irradiado (SFP) de Angra II, do Brasil, tem recebido montagens de combustível padrão gasto (SF) de dióxido de urânio (UO2) descarregado de Reatores de Água Pressurizada (PWR) das Usinas Nucleares (NPP) de Angra. Entretanto, no caso de utilização de combustíveis à base de óxido misto (MOX) ou tório na proporção de 1/3 ou 1/4 do total de conjuntos de combustível em suas PWRs como vem ocorrendo em todo o mundo, seriam necessários mais estudos térmicos de armazenamento úmido do novo SF misto gerado. Inclui a determinação do tempo de ebulição da água (Tb) do SFP em caso de quebra de seu sistema de resfriamento externo (ECS). Este trabalho apresenta estudos de Tb de um SFP simulado de armazenamento de SF misto descarregado de PWRs. Os tipos de SF mistos estudados incluem MOX mais UO2, óxido de tório/urânio (U-Th)O2 mais UO2, e óxido de tório/transurânico (TRUTh)O2 mais UO2. Todo o SF misto foi considerado como contendo 1/3 ou 1/4 de combustíveis à base de tório ou combustível reprocessado. As simulações foram implementadas nos códigos CFX Ansys e OpenFOAM©. Tb de simulações com Ansys variou de 4,05 h a 5,97 h, e de 3,45 h a 5,77 h de simulações com OpenFOAM©. Os resultados mostram que, independente do padrão de carga mista do SFP, a água alcançaria a temperatura de saturação mais rapidamente quando (TRU-Th)O2 estivesse presente. Em contraste, quando MOX estava presente, a Tb era maior.