Contents 

1 General Aspects of High-Temperature Reactors ........................ 1 

1.1 Overview ................................................. 1 

1.2 FutureSustainableEnergyTechnologies .......................... 2 

1.3 PrincipleCharacteristicsofHTR ................................ 4 

1.4 ApplicationofModularHTRintheEnergyEconomy ............... 8 

1.5 SafetyAspectsofModularHTR ................................ 10 

1.6 FuelCyclesofModularHTR .................................. 11 

1.7  IntermediateandFinalStorage ................................. 13 

1.8  OverviewontheHTR-PMProject .............................. 13 

1.9 OverviewontheHTRDevelopmentuptoNow .................... 20  References ....................................................... 21 

2 Physical Aspects of Core Layout .................................... 23 

2.1  Overview on Physical Aspects of Core Layout and Design ofModularHTRPlants....................................... 23 

2.2  SomeAspectsofCriticality.................................... 27 

2.3  In.uence of Re.ectors ....................................... 31 

2.4  Coef.cientsofReactivity ..................................... 33 

2.4.1  PrincipleConsideration ............................... 33 

2.4.2  Temperature Coef.cients.............................. 34 

2.5  Demand of Reactivity Compensation and Worth of Control Systems .... 38 

2.6  Fast Neutron Doses on Re.ectors ............................... 43 

2.7  In.uenceofFlowofBalls,ActionontheBurnupofFuel ............ 46 

2.8  Distributions of Fuel, Neutron Flux, and Power Density intheReactorCore .......................................... 52 

2.9  PrinciplesofKineticsofNuclearReactors ........................ 54 

2.9.1  OverviewonSomeGeneralAspects ..................... 54 

2.9.2  KineticEquations.................................... 58 

2.9.3  Simple Solutions of the Kinetic Equations.... .... ..... .... 60 

2.10 ProgramSystemsforPhysicalLayoutoftheCore .................. 61 

2.10.1  GeneralRemarks .................................... 61 

2.11 AspectsofCoreLayoutandDesign ............................. 67 

2.11.1  General Overview and Aspects of Core and Fuel Element Design............................................ 67 

2.11.2  Discussions on Different Core Parameter . .... .... ..... .... 69 

2.12  Physical Aspect of the First Loading and Running in Period ofaPebbleCore ............................................ 74 

2.13 DischargingofPebble-BedCores ............................... 80  References ....................................................... 80 

3 Thermo-Hydraulic Aspects of Core Layout ............................ 83 

3.1 HeatProductionInsidetheCore ................................ 83 

3.2 ThermalPoweroftheCore.................................... 87 

3.3 DataoftheCoolantGasHelium ................................ 88 

L 

LL  Contents 

3.4 Basic Equations of the Thermo-Hydraulics of the Core . .... ..... .... 90 

3.5 HeatingupofHeliumCoolantintheCore ........................ 94 

3.6  Temperature Pro.lesinFuelElements ........................... 98 

3.7  HeatTransferinthePebble-BedCore............................ 102 

3.8  Pressure Drops in the Core and Re.ectorStructures ................. 104 

3.9  Special Aspects of Thermo-Hydraulic Layout of the Core of Modular HTR..................................................... 107 

3.9.1  MixingofHotGasBehindtheCore ..................... 107 

3.9.2  In.uenceofBypassesontheCoreCooling ................ 110 

3.9.3  Uncertainties of Calculation of Power Density and Other Thermo-HydraulicParameters .......................... 111 

3.9.4  MeasurementofFuelTemperature....................... 112 

3.9.5  c HeatingofCoreInternalsandCooling .................. 113 

3.10 PrincipleofCoreLayout...................................... 114 

3.11 Comparison of Data of Core Cooling in Some HTR Concepts ..... .... 117 

3.12  Comparison of Thermo-Hydraulic Aspects of Different ReactorTypes .............................................. 118 References ....................................................... 119 

4 Fuel Elements.................................................... 121 

4.1 DescriptionoftheComponent ................................. 121 

4.2 AspectsofLayoutandDesignofHTRFuelElements ............... 123 

4.3 Temperature Distributions in HTR Fuel Elements.. .... .... ..... .... 128 

4.4 IrradiationBehaviorofFuelElements............................ 130 

4.5 StressesinFuelElements ..................................... 134 

4.6 CorrosionofFuelElements.................................... 138 

4.7 Fission Product Release from Fuel Elements in Normal Operation .. .... 141 

4.8  DifferentTypesofSphericalFuelElements ....................... 150 

4.9  Some Further Experiences with HTR Fuel Elements.... .... ..... .... 151 

4.10 ComparisonofLWRandHTRFuelElements ..................... 157  References ....................................................... 161 

5 Reactor Components .............................................. 163 

5.1 OverviewontheComponents .................................. 164 

5.2 InternalReactorStructures .................................... 165 

5.2.1  OverviewontheComponents .......................... 165 

5.2.2  TechnicalAspectsofCoreInternals...................... 165 

5.2.3  LoadsonCoreInternals............................... 175 

5.2.4  GraphiteandItsIrradiationBehavior ..................... 178 

5.2.5  Results of Analysis of Re.ector Structures During Operation .......................................... 183 

5.3 PrimaryEnclosure ........................................... 186 

5.3.1  Overview .......................................... 186 

5.3.2  Aspects of Dimensioning and Materials for Pressure VesselsofPrimaryCircuit ............................. 189 

5.3.3  Neutron Irradiation of Reactor Pressure Vessel andDesignAspects .................................. 197 

5.3.4  ActivationoftheReactorPressureVessel ................. 201 

5.4 Comparison of Different Reactor Pressure Vessles . .... .... ..... .... 203 

5.5 ShutdownandControlSystems................................. 203 

5.5.1  OverviewonReactivityAspects ........................ 203 

5.5.2  WorthesofShutdownSystemsinHTR ................... 206 

5.5.3  Technical Concepts of Control and Shutdown Systems ... .... 208 

5.6 FuelHandlingSystem ........................................ 217 

Contents  LLL 

5.6.1  Overview .......................................... 217 

5.6.2  Technical Aspects of the Fuel Handling System ... ..... .... 220 

5.6.3  AlternativesfortheFuelHanding ....................... 226 

5.6.4  SomeSpecialAspectsofFuelHandling .................. 231 

5.7 Measurement Installations for Core Parameters .... .... .... ..... .... 233 

5.7.1  MeasurementofNeutronFlux .......................... 233 

5.7.2  Measurements of the Thermo-Hydraulic Parameters oftheCore......................................... 236 References ....................................................... 238 

6 Components of the Helium Cycle .................................... 241 

6.1 Overview ................................................. 241 

6.2 HotGasDuct .............................................. 245 

6.2.1  DescriptionoftheComponent .......................... 245 

6.2.2  TechnicalAspects ................................... 250 

6.3 SteamGenerator ............................................ 257 

6.3.1  GeneralDescriptionoftheComponent ................... 257 

6.3.2  Thermo-HydraulicAspects............................. 267 

6.3.3  PressureDrops ...................................... 273 

6.3.4  FlowStabilityoftheSteamGenerator .................... 276 

6.3.5  Aspects of Mechanical Design of Steam Generator Tubes . .... 278 

6.3.6  Experiences with Steam Generators of Gas-Cooled Reactors........................................... 283 

6.4 HeliumCirculator ........................................... 290 

6.4.1  Overview Some Thermosdynamic Aspects ... .... ..... .... 290 

6.4.2  Aspects of Technology of Helium Circulators . .... ..... .... 296 

6.4.3  ConceptsofHeliumCirculators ......................... 298 

6.5 Gas Puri.cationPlant ........................................ 306 

6.5.1  Overview .......................................... 306 

6.5.2  Concept of the Gas Puri.cation......................... 311 

6.5.3  Experiences with Gas Puri.cationPlants .................. 314 

6.6 HeliumCircuitsforDecayHeatRemoval ......................... 316 

6.7 HeliumAuxiliarySystems .................................... 320 

6.7.1  Overview .......................................... 320 

6.7.2  AuxiliaryHeliumCircuits ............................. 320 

6.7.3  MeasurementsinHeliumCircuits ....................... 322 

6.8 ReactorProtectionSystem .................................... 326  References ....................................................... 327 

7 Reactor Containment Building ...................................... 331 

7.1  GeneralRemarksandRequirements ............................. 331 

7.2  Aspects of LWR and HTR Containments or Containment Buildings .... 334 

7.3  Several Overview on Concepts of Reactor Containment Buildings forHTR .................................................. 336 

7.4  Overview on HTR Containments and Buildings Applied Until Now .... 337 

7.5 PlanningWorkfortheContainmentsinthePast.................... 339  References ....................................................... 345 

8 Power Conversion Cycle ........................................... 347 

8.1 OverviewonFlowSheet...................................... 347 

8.2 SomeThermodynamicAspectsoftheSteamCycle ................. 348 

8.3 AspectsofSteamTurbine ..................................... 354 

8.4 CondensationandCoolingSystems ............................. 356 

8.5 Feed Water Preheating System and Feed Water Pumps . .... ..... .... 365 

8.6 OptimizationoftheSteamCycle ............................... 368 

LY  Contents 

8.7 PotentialofSteamCycles ..................................... 371 

8.8 CogenerationProcessesUsingSteamCycle ....................... 376  References ....................................................... 380 

9 Operational Aspects............................................... 381 

9.1 Overview on Requirements and Conditions of Plant Operation..... .... 381 

9.2 BurnupofFuelandProductionofHigherIsotopes.................. 384 

9.2.1  BurnupofFuel ..................................... 384 

9.2.2  ProductionofHigherIsotopes .......................... 387 

9.3 FissionProductInventory ..................................... 388 

9.4 DynamicalEquationsfortheTotalPlant.......................... 395 

9.4.1  PrincipleOverview .................................. 395 

9.4.2  SystemoftheDynamicalEquations...................... 395 

9.4.3  Program Systems for Evaluation of Dynamical Questions . .... 400 

9.5 ApplicationsoftheDynamicalEquations ......................... 402 

9.6 ConceptofControlandOperationofaModularHTR ............... 405 

9.6.1  ConceptofControl .................................. 405 

9.6.2  OperationofHTR ................................... 407 

9.7 Xenon Dynamics and In.uenceofSamariumonReactivity ........... 411 

9.8 DecayHeatRemovalDuringNormalOperation .................... 418 

9.8.1  DecayHeatProduction ............................... 418 

9.8.2  PrinciplesofDecayHeatRemoval ...................... 419 

9.8.3  Decay Heat Removal in a Modular HTR During Normal Operation .......................................... 421 

9.9 Release of Radioactive Substances During Normal Operation. ..... .... 423 

9.10 AspectsofWasteManagementinModularHTR ................... 426  References ....................................................... 433 

10 Safety Aspects and Analysis of Accidents ............................. 435 

10.1 GeneralRemarks............................................ 436 

10.2 OverviewonRelevantAccidents ............................... 444 

10.3 LossofCoolantAccidents .................................... 449 

10.4 TotalFailureoftheActiveDecayHeatRemoval ................... 450 

10.4.1  Decay Heat Production and Active Decay Heat Removal . .... 450 

10.4.2  Overview Over Different Cases of Loss of Active Decay HeatRemoval ...................................... 453 

10.4.3  Self-acting Decay Heat Removal Under Full Helium Pressure ........................................... 454 

10.4.4  The Concept of Self-acting Decay Heat Removal from the Depressurized Reactor (Outer Surface Cooler Is Working) .... 456 

10.4.5  Discussion of Parameters Relevant for the Concept ofSelf-actingDecayHeatRemoval ...................... 460 

10.4.6  Self-acting Decay Heat Removal from the Reactor, Total Loss of Active Cooling of the Core, and Failure of the Surface Cooler............................................ 464 

10.4.7  Change of Core Temperature in Accidents and Change ofStateofReactivity ................................. 466 

10.4.8  Self-acting Decay Heat Removal in Extreme Accidents (ReactorCoveredbyRubble)........................... 468 

10.5 ReactivityAccidents ......................................... 470 

10.5.1  Overview .......................................... 470 

10.5.2  Extreme Reactivity Accidents in Modular HTR .... ..... .... 470 

10.5.3  Water Ingress into the Core, Change of the Moderation Ratio ............................................. 474 

10.5.4  General Considerations on Reactivity Accidents ... ..... .... 475 

Contents  Y 

10.6 WaterIngressintothePrimarySystem ........................... 477 

10.6.1  Overview on General Aspects and Consequences oftheAccident ..................................... 477 

10.6.2  Estimation of Water Ingressing into the Primary Circuit .. .... 478 

10.6.3  Thermodynamic Equilibria for the Steam/Graphite Reactions .......................................... 479 

10.6.4  Reaction Speed of Graphite Corrosion by Steam ... ..... .... 481 

10.6.5  Some Technical Aspects of Water Ingress into a Hot PebbleBed......................................... 484 

10.6.6  RiseinPressureinPrimaryCircuit ...................... 487 

10.6.7  Gas Formation During Water Ingress into the Reactor.... .... 489 

10.6.8  Reactivity Effects caused by Water Ingress ... .... ..... .... 493 

10.6.9  ValuationofWaterIngressAccidents .................... 494 

10.7 IngressofAirintothePrimaryCircuit ........................... 497 

10.7.1  Overview on Aspects of Air Ingress Accidents .... ..... .... 497 

10.7.2  Thermodynamic Equilibria of Reactions . .... .... ..... .... 498 

10.7.3  Reaction Velocities of Air with Graphite . .... .... ..... .... 499 

10.7.4  ConsequencesofAirIngressAccidents ................... 501 

10.7.5  Principle Considerations on the Mass Flow of Air IngressingintothePrimarySystemofHTR ............... 501 

10.7.6  Conclusions on Results of Analysis of Air Ingress Accidents .......................................... 506 

10.7.7  Further Options to Reduce the Consequences of Air Ingress ............................................ 506 

10.8 Accidents on the Secondary Side of the Steam Cycle ... .... ..... .... 507 

10.8.1  Overview .......................................... 507 

10.8.2  RuptureoftheMainSteamPipe ........................ 508 

10.8.3  Failure of the Turbine-Generator System; Load Rejection ofTurbine ......................................... 509 

10.9 ImpactsfromtheOutsideontheReactorPlant ..................... 512 

10.9.1  OverviewonImpacts ................................. 512 

10.9.2  AirplaneCrash ...................................... 514 

10.9.3  Earthquakes ........................................ 519 

10.10 ReleaseofFissionProductsDuringAccidents ..................... 521 

10.10.1  Overview on Source Terms of Radioactivity .. .... ..... .... 521 

10.10.2  Fission Product Release During Operation of the Plant Over the Entitle Lifetime (First Source Term) . .... ..... .... 525 

10.10.3  Fission Product Release During Core Heatup Accidents (SecondSourceTerm) ................................ 531 

10.10.4  Transport of the Released Radioactivity from the Core totheEnvironment .................................. 532 

10.10.5  Radioactive Source Terms¡ªConclusions .................. 535 

10.11 Radiological Consequences of Accidents and Risk . .... .... ..... .... 536 

10.11.1  OverviewonConceptsofRisks......................... 536 

10.11.2  ImportanceofLandContaminations ..................... 540 

10.11.3  Dose Rates Caused by Accidents of Modular HTR . ..... .... 542 

10.11.4  General Remark on Risks Caused by Nuclear Technologies ....................................... 546 References ....................................................... 549 

11 Fuel Cycles and Waste Management ................................. 555 

11.1 OverviewonFuelCycles ..................................... 555 

11.2 FabricationofFuelElements................................... 562 

11.3 IntermediateStorageofSpentFuelElements ...................... 568 

YL  Contents 

11.4  AccidentsinIntermediateStorageSystemsforSpentFuel ElementsandDuringTransport................................. 580 

11.5  FinalStorageofSpentFuelElements............................ 584 

11.6 NonproliferationandSafeguardAspects.......................... 596  References....................................................... 605 

12 Economic Aspects of Power Plants and Questions of Optimization ......... 607 

12.1  OverviewonEconomicalConsiderations......................... 607 

12.2  EquationforCalculationoftheCostofElectricity Generation................................................. 610 

12.3  InvestmentCostsandCapitalFactors............................ 612 

12.4  Ef.ciencyandFull-PowerHoursofOperation..................... 614 

12.5  CostofFuelSupplyandWasteManagement...................... 615 

12.6  TotalCostsofElectricityGeneration ............................ 620 

12.7  ComparisonofProductionCostsofDifferentPower PlantsandSensitivityofCosts................................. 623 

12.8  EscalationofCostsandMethodsofEvaluation .................... 626 

12.9  ExternalCostsofElectricityProduction.......................... 627 

12.10  InvestmentCostsofNewlyDevelopedConcepts ofNuclearPowerPlants...................................... 630 References....................................................... 634