A Physics Study on Moderated SiC Blocks for High-Temperature Gas-cooled Reactors

The growing interest in High-Temperature Gas-cooled Reactors (HTGRs) has highlighted several challenges in their deployment. Notably, economic considerations related to the fuel cycle duration and fuel utilization have become prominent, particularly for prismatic HTGRs. In response to these challenges, the exploration of advanced materials such as Silicon Carbide (SiC) and Yttrium Hydride (YHX) has been proffered, to tackle some of the key limitations of such reactors due to the extensive graphite employment. Two SiC-based configurations have been envisioned, optimized, and characterized. Due to the partial or complete graphite substitution, moderation efficiency is sought, leading to YHX use. Due to the resulting large excess reactivity, the incorporation of a burnable absorber (BA), Boron Carbide (B4C), is considered, providing more realistic fuel block designs. The assessment of discharge burnup emerges as a pivotal feature in the devised layouts, with the promising performance exhibited by the novel fuel blocks despite the considerable penalty incurred due to extensive SiC absorption, which is the primary drawback of the material utilization. Nonetheless, the intrinsic fragility induced by a large SiC use in the fuel block raises concerns that may impede the achievement of the promising results estimated. Consequently, the SiC fibers-based layout (SiCf/C) emerges as the most viable candidate, albeit with trade-offs concerning structural integrity and performance. The impact of the BA on the Moderator Temperature Coefficient (MTC), one of the important safety parameters in reactor design, has been scrutinized, due to the concurrent phenomena in the fuel block. Additionally, the fuel depletion products generation coupled with the 10B consumption deteriorates the MTC, leading to more complicated effects at the End Of Life (EOL). The presented work is expected to support the development of HTGRs while it aims to characterize concurrent effects that are reflected within the MTC value. Particularly, the major contributions are highlighted to provide essential insights on the MTC changes.

L’interesse crescente manifestato verso i reattori raffreddati a gas (HTGR) ha evidenziato diverse preoccupazioni riguardanti la loro costruzione. Considerazioni di natura economica coinvolgenti il tempo di permanenza nel reattore e l’utilizzazione del combustibile sono di primaria importanza. Per affrontare queste sfide, l’impiego di materiali avanzati quali il carburo di silicio (SiC) e l’idrato di ittrio (YHX) è stato esplorato, per risolvere alcune delle limitazioni chiave dovute all’impiego estensivo di grafite. Due diverse configurazioni basate sul SiC sono state proposte, ottimizzate, e caratterizzate. La sostituzione della grafite con SiC, sia parziale che totale, forza la ricerca di un moderatore efficiente, portando all’impiego di YHX. Dato l’eccesso di reattività, e data una prospettiva al mondo reale, un veleno neutronico (BA), ovvero il carburo di tetraboro (B4C), è stato adottato per la modulazione. L’ottimizzazione ha considerato principalmente i parametri riguardanti l’utilizzazione del combustibile, chiave per l’economia del reattore, ed i blocchi di combustibile risultanti dimostrano performance promettenti. Ciononostante, uno dei casi studiati considera la sostituzione totale della grafite con il SiC, aumentando estremamente la fragilità del componente, e quindi compromettendo i risultati stimati. Di conseguenza, l’impiego di fibre di SiC in una matrice carboniosa (SiCf/C) emerge come candidato più concreto, presentando un buon compromesso tra performance e integrità strutturale. L'impatto del BA sul coefficiente di feedback del moderatore (MTC), uno dei più importanti parametri riguardanti la sicurezza nei reattori, è stato investigato, dati i numerosi effetti competitivi nel componente. Inoltre, i prodotti di fissione ed il consumo di 10B richiamano l’attenzione sull’evoluzione del coefficiente di feedback, dati anche gli isotopi di plutonio coinvolti a fine vita. Il lavoro presentato intende fornire supporto la fase di sviluppo degli HTGR e caratterizzare gli effetti competitivi nel blocco, rispecchiati poi nel MTC. in particolare, i maggiori contributi sono evidenziati in modo da dare essenziali sui cambiamenti del coefficiente di feedback.