طراحی میله سوخت توریوم-اورانیوم-235 با پوشش سیلیسیم کاربید برای افزایش سوختگی در راکتورهای آب فشرده (PWR)

راکتورهای آب فشرده (PWR) بیش از 60% تولید برق هسته ای جهان را تامین می کنند، اما محدودیت های سوختگی سوخت UO₂/Zircaloy (معمولا <62 MWd/kgU) به دلیل خوردگی پوشش، تورم پیلت، و فشار گاز fission products، چالش های اقتصادی و مدیریت پسماند ایجاد کرده است. توریوم-232 به عنوان fertile material، پتانسیل breeding 233U را فراهم می کند که η > 2 در طیف حرارتی دارد و منجر به کاهش تولید transuranic elements (TRU) و radiotoxicity پایین تر می شود. ترکیب با 235U (enrichment حدود 7-8%) در ماتریس ThO₂، اجازه burnup بالاتر را می دهد. در این پژوهش، طراحی میله سوخت مبتنی بر اکسید مختلط توریوم-اورانیوم ((Th_{0.923}U_{0.077})O₂) با پوشش دو لایه SiC/SiC )monolithic SiC outer layer بر روی SiC/SiC composite inner layer( برای راکتورهای آب فشرده (PWR) ارائه شده است. هدف اصلی، افزایش سوختگی (burnup) تا سطوح بالاتر از 70 MWd/kgHM با حفظ حاشیه ایمنی حرارتی-مکانیکی است.با استفاده از مدل سازی چندفیزیکی (coupled neutronics-thermal hydraulics-thermo-mechanics) با ابزارهایی معادل SERPENT، MCNP و FRAPCON/BISON، عملکرد سوخت در شرایط عملیاتی نرمال و گذرا (LOCA، RIA) ارزیابی شد. نتایج نشان دهنده کاهش دمای مرکز پیلت (fuel centerline temperature) تا 15-20% نسبت به UO₂/Zircaloy، تاخیر قابل توجه در تعامل مکانیکی پیلت-پوشش (PCMI) و بهبود ضریب دمایی واکنش پذیری (FTC و MTC) منفی تر است. سوختگی تخلیه ای (discharge burnup) تا 85 MWd/kgHM با تولید TRU کمتر و ویژگی های proliferation resistance برتر حاصل شد. این طراحی، پتانسیل اقتصادی و ایمنی راکتورهای نسل II/III را ارتقا می دهد.

کلیدواژه ها:

میله سوخت توریوم-اورانیوم ، پوشش SiC ، سوختگی بالا (high burnup) ، راکتور آب فشرده ، تحلیل چندفیزیکی ، تعامل پیلت-پوشش (PCMI) ، ضریب واکنش پذیری