A comparative study of transuranics burning potential in ALFRED, MSFR, and NuScale reactor technologies

The increasing demand for energy generated by nuclear power plants may lead to challenges associated with significant volumes of radioactive waste. This study aims to estimate the depletion capabilities of three distinct nuclear reactor technologies: ALFRED, NuScale, and MSFR. These reactors operate at various power levels, utilize neutrons from different energy spectra, and employ diverse fuel cycles. Four different full-size core models were constructed in the OpenMC environment using open-source information, facilitating a comparative analysis. The main focus of comparison lies in the effectiveness of fuel cycles, specifically in terms of their impact on long-term high-level waste storage, with a particular emphasis on the evolution of long-living transuranic elements within the reactor cores. The analysis reveals that minor actinides are generated in all observed reactors. However, ALFRED and MSFR, which incorporate material compositions comprising spent nuclear fuel isotopes, including minor actinides, exhibit initially accelerated evolution rates compared to NuScale. Notably, ALFRED's reliance on plutonium in the U-Pu cycle significantly contributes to the heightened generation of minor actinides, despite partial burning. Conversely, MSFR, characterized by a lower concentration of plutonium resulting from the fertile Th-232 conversion into fissile U-233, demonstrates superior transuranic burning efficiency, albeit with a slightly more thermal neutron spectrum. In this study, NuScale serves as a benchmark for conventional light water reactor technology, representing the predominant design in the current nuclear reactor fleet.

La crescente domanda di energia generata dalle centrali nucleari porterà alla presenza di sfide legate alla gestione di significativi volumi di rifiuti radioattivi. Questo studio mira a stimare le capacità di trasmutazione di tre diverse tecnologie di reattori nucleari: ALFRED, NuScale e MSFR. Questi reattori operano a diversi livelli di potenza, sono caratterizzati da distribuzioni energetiche di neutroni differenti e impiegano cicli di combustibile molto diversi fra loro. Quattro modelli dei noccioli sono stati modellati nell'ambiente OpenMC utilizzando informazioni open-source, permettendo un'analisi comparativa. Il principale focus del lavoro riguarda l'efficacia dei cicli di combustibile, specificatamente in termini del loro impatto sulla presenza a lungo termine dei rifiuti ad alto livello, con particolare enfasi sull'evoluzione degli elementi transuranici a lunga durata nei core dei reattori.\\ L'analisi rivela che vengono generati attinidi minori in tutte le tecnologie osservate. Tuttavia, ALFRED e MSFR, che incorporano composizioni di materiale con una miscela di combustibile esaurito, inclusi attinidi minori, mostrano inizialmente tassi di evoluzione accelerati rispetto a NuScale. In particolare, la dipendenza di ALFRED dal plutonio nel ciclo U-Pu contribuisce significativamente all'aumento della generazione di attinidi minori, nonostante la iniziale combustione parziale. Al contrario, MSFR, è caratterizzato da una minore concentrazione di plutonio risultante dalla conversione del Th-232 fertile in U-233 fissile, dimostrando una maggiore efficienza nella distruzione di elementi transuranici, sebbene con uno spettro di neutroni leggermente più termico. In questo lavoro, NuScale è adottato come verifica, rappresentando i reattori ad acqua leggera, cioè la tecnologia predominante sul mercato oggigiorno.