Grant: Alliance Grants
The University of Western Ontario
$119,930.00
Safe-to-fail: Accident-tolerant fuel cladding
EF 2023-24
Résumé
Conventional water-cooled nuclear reactors, including the current fleet of CANDU reactors and the small modular reactor (SMR) planned for construction at the Darlington nuclear power plant site, use uranium oxide fuel that is clad in protective tubes of a zirconium-tin alloy called Zircaloy. However, during a severe loss-of-coolant accident (LOCA) in a reactor, the reaction of the Zircaloy with high-temperature steam can generate large volumes of hydrogen, a gas that is explosive when mixed with air. Such a scenario previously played out during the Fukushima-Daiichi reactor accident in 2011, resulting in multiple hydrogen explosions. A variety of "accident tolerant fuel" (ATF) concepts have been explored to help decrease or eliminate the risk of cladding-steam reactions leading to hydrogen explosions under severe LOCA conditions. Much of this research has focused on either applying a protective coating to the Zircaloy to decrease its reactivity with steam under severe LOCA conditions or replacing Zircaloy with a material that would not react so dangerously during an accident. Unfortunately, the current suite of coatings and replacements are not durable enough to withstand a LOCA without significant degradation. Since Canada is now preparing to build new SMRs, there is considerable value in building expertise in ATF cladding to match that of other leading countries, such as the USA, France, and China. This knowledge will be particularly valuable for government decision-making and regulatory oversight and licensing of SMR construction and operation. The European Parliament has recently mandated that all reactors implement ATFs approved by their respective country's regulators in order to qualify as "green energy" sources. Implementing such policy and regulatory decisions in Canada will require a robust domestic understanding of the various factors related to ATF cladding performance, established by studying existing ATF cladding concepts and developing novel Canadian solutions. This research program aims to develop novel ATF claddings and to perform fundamental studies on existing ATF cladding concepts meant to eliminate the potential for hydrogen explosions during a severe LOCA. Les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau, y compris le parc actuel de réacteurs CANDU et le petit réacteur modulaire (PRM) dont la construction est prévue à Darlington, utilisent un combustible qui est gainé de tubes protecteurs en alliage zirconium-étain appelé Zircaloy. Cependant, lors d'un accident grave de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans un réacteur, la réaction du Zircaloy avec de la vapeur à haute température peut générer de grands volumes d'hydrogène, un gaz explosif lorsqu'il est mélangé à l'air. Un tel scénario s'était déjà produit lors de l'accident du réacteur Fukushima-Daiichi en 2011, entraînant de multiples explosions d'hydrogène. Divers concepts de combustible tolérant aux accidents (CTA) ont été explorés pour aider à réduire ou à éliminer le risque de tels explosions d'hydrogène. Une grande partie de ces recherches s'est concentrée soit sur l'application d'un revêtement protecteur sur le Zircaloy pour diminuer sa réactivité avec la vapeur dans des conditions APRP sévères, soit sur le remplacement du Zircaloy par un matériau qui ne réagirait pas si dangereusement lors d'un accident. Malheureusement, la suite actuelle de revêtements et de remplacements n'est pas suffisamment durable pour résister à un APRP sans dégradation significative. Étant donné que le Canada se prépare maintenant à construire de nouveaux PRM, il y a une valeur considérable à développer une expertise dans le revêtement CTA. Ces connaissances seront particulièrement précieuses pour la prise de décision gouvernementale, la surveillance réglementaire et l'octroi de licences pour la construction et l'exploitation de PRM. Le Parlement européen a exigé que tous les réacteurs mettent en oeuvre des CTA approuvés par les régulateurs de leur pays respectif afin d'être qualifiés de sources « d'énergie verte ». La mise en oeuvre de telles politiques et décisions réglementaires au Canada nécessitera une solide compréhension nationale des divers facteurs liés à la performance du revêtement CTA. Ce programme de recherche vise à développer de nouveaux revêtements CTA et à réaliser des études fondamentales sur les concepts de revêtement CTA existants destinés à éliminer le potentiel d'explosions d'hydrogène lors d'un APRP sévère.
Programme
Alliance Grants
Bénéficiaire
Emplacement
Ontario, Canada
Type de bénéficiaire
Academia
Type
Grant
Source
NSERC's Awards Data
Tel que publié
Application id
580476-2022
Name nom
Noel, James JJ
Department département
Chemistry
Organization id
36
Institution établissement
The University of Western Ontario
Province en
Ontario
Province fr
Ontario
Country en
CANADA
Country fr
CANADA
Fiscal year exercice financier
2023
Competition year année de concours
2022
Award amount
119930
Program id
ALLRP
Program name en
Alliance Grants
Program name fr
Subventions Alliance
Group en
RESEARCH PARTNERSHIPS
Group fr
PARTENARIATS DE RECHERCHE
Committee code
96
Committee name en
RPP Internal Decision Cttee
Committee name fr
Cté de décision interne - PPR
Area of application code
302
Area of application group en
Energy resources
Area of application group fr
Ressources d'énergie
Area of application en
Nuclear energy
Area of application fr
Énergie nucléaire
Research subject code
2001
Research subject group en
Materials science and technology
Research subject group fr
Materials structure, properties and testing
Research subject en
Science et technologie des matériaux
Research subject fr
Structure, propriétés et essais des matériaux
Application title
Safe-to-fail: Accident-tolerant fuel cladding
Keyword
accident-tolerant fuel; corrosion resistant; electrochemistry; hard-facing; hydrogen absorption; neutron scattering; nuclear fuel; protective cladding; small modular reactor fuel; zircon
Application summary
Conventional water-cooled nuclear reactors, including the current fleet of CANDU reactors and the small modular reactor (SMR) planned for construction at the Darlington nuclear power plant site, use uranium oxide fuel that is clad in protective tubes of a zirconium-tin alloy called Zircaloy. However, during a severe loss-of-coolant accident (LOCA) in a reactor, the reaction of the Zircaloy with high-temperature steam can generate large volumes of hydrogen, a gas that is explosive when mixed with air. Such a scenario previously played out during the Fukushima-Daiichi reactor accident in 2011, resulting in multiple hydrogen explosions. A variety of "accident tolerant fuel" (ATF) concepts have been explored to help decrease or eliminate the risk of cladding-steam reactions leading to hydrogen explosions under severe LOCA conditions. Much of this research has focused on either applying a protective coating to the Zircaloy to decrease its reactivity with steam under severe LOCA conditions or replacing Zircaloy with a material that would not react so dangerously during an accident. Unfortunately, the current suite of coatings and replacements are not durable enough to withstand a LOCA without significant degradation. Since Canada is now preparing to build new SMRs, there is considerable value in building expertise in ATF cladding to match that of other leading countries, such as the USA, France, and China. This knowledge will be particularly valuable for government decision-making and regulatory oversight and licensing of SMR construction and operation. The European Parliament has recently mandated that all reactors implement ATFs approved by their respective country's regulators in order to qualify as "green energy" sources. Implementing such policy and regulatory decisions in Canada will require a robust domestic understanding of the various factors related to ATF cladding performance, established by studying existing ATF cladding concepts and developing novel Canadian solutions. This research program aims to develop novel ATF claddings and to perform fundamental studies on existing ATF cladding concepts meant to eliminate the potential for hydrogen explosions during a severe LOCA. Les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau, y compris le parc actuel de réacteurs CANDU et le petit réacteur modulaire (PRM) dont la construction est prévue à Darlington, utilisent un combustible qui est gainé de tubes protecteurs en alliage zirconium-étain appelé Zircaloy. Cependant, lors d'un accident grave de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans un réacteur, la réaction du Zircaloy avec de la vapeur à haute température peut générer de grands volumes d'hydrogène, un gaz explosif lorsqu'il est mélangé à l'air. Un tel scénario s'était déjà produit lors de l'accident du réacteur Fukushima-Daiichi en 2011, entraînant de multiples explosions d'hydrogène. Divers concepts de combustible tolérant aux accidents (CTA) ont été explorés pour aider à réduire ou à éliminer le risque de tels explosions d'hydrogène. Une grande partie de ces recherches s'est concentrée soit sur l'application d'un revêtement protecteur sur le Zircaloy pour diminuer sa réactivité avec la vapeur dans des conditions APRP sévères, soit sur le remplacement du Zircaloy par un matériau qui ne réagirait pas si dangereusement lors d'un accident. Malheureusement, la suite actuelle de revêtements et de remplacements n'est pas suffisamment durable pour résister à un APRP sans dégradation significative. Étant donné que le Canada se prépare maintenant à construire de nouveaux PRM, il y a une valeur considérable à développer une expertise dans le revêtement CTA. Ces connaissances seront particulièrement précieuses pour la prise de décision gouvernementale, la surveillance réglementaire et l'octroi de licences pour la construction et l'exploitation de PRM. Le Parlement européen a exigé que tous les réacteurs mettent en oeuvre des CTA approuvés par les régulateurs de leur pays respectif afin d'être qualifiés de sources « d'énergie verte ». La mise en oeuvre de telles politiques et décisions réglementaires au Canada nécessitera une solide compréhension nationale des divers facteurs liés à la performance du revêtement CTA. Ce programme de recherche vise à développer de nouveaux revêtements CTA et à réaliser des études fondamentales sur les concepts de revêtement CTA existants destinés à éliminer le potentiel d'explosions d'hydrogène lors d'un APRP sévère.