French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -kth -3 rd December 2013


Download 4.89 Mb.
Pdf просмотр
Sana25.12.2019
Hajmi4.89 Mb.

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

The JHR project : a new High Performances European MTR 

(Material Testing Reactor) with modern experimental 

capacities : toward an International User Facility

Dr Gilles Bignan; Christian Gonnier

CEA / Nuclear Energy Directorate (France) 

Contact: gilles.bignan@cea.fr


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

Plan of the presentation

- Context (why a new MTR ?)

- Generalities  

- Status of the building project

- Experimental capacities (enhancement of on-line 

instrumentation)

- Operating Rules -Secondee Program (including VR-

CEA agreement)



Jules Horowitz 

1921-1995

Pioneer and 

leading expert 

in nuclear and reactor

Physics (CEA)

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

MTR allows to reproduce on 

a small scale, real power plant 

conditions and in some cases, 

more severe conditions for

Material screening

(comparison of materials 

tested under representative conditions)

Material characterisation

(behaviour of one material in a wide 

range of operating conditions, up to off-normal and severe conditions)

Fuel element qualification

(test of one / several fuel rods (clad+fuel)) 

What are the Objectives of an MTR 

(Material Testing Reactor) ?

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

AGEING MATERIAL TEST REACTOR (MTR) 

FLEET IN  EUROPE

HBWR

HFR

BR2

OSIRIS

LVR-15

MARIA

JHR

PHENIX

Under construction



Age of current E.U. main 

MTRs

in 2011 (years)

BR2  (B)


48

HALDEN  (N)

51

HFR  (NL)



50

LVR 15  (CZ)

54

MARIA (PO)                  38



OSIRIS  (F)

45

PHENIX (F)             shutdown



R2  (S)

shutdown


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR:A new MTR funded and steered 

by an international Consortium

JHR International Consortium:

A European Framework with International Partners (India, Israel, Japan)

Industrial Partners ( France, Sweden , Spain, Finland…)

Operation Rules allows flexibility for :

Implementing bilateral programs with full property of results

Participating to 

Multilateral Programs open to non Consortium Members



CEA is mandate by the Consortium to promote JHR and its ancillary labs 

to the International Community and to build international joint Programs

The 12 JHR Consortium Members (May 2013) :



IAEC

Associated Partnership: JAEA

March 2013 : UK/CEA agreement; NNL is

taking the role of the UK representative to 

JHR


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

R&D in support to nuclear Industry 

Safety and Plant life time management (ageing & new plants)

Fuel behavior validation in incidental and accidental situation

Assess innovations and related safety for future NPPs (either LWR or GENIV concepts)

Radio-isotopes supply for medical application 

MOLI production

JHR will supply 25% of the European demand (today about 8 millions   

protocols/year)  and up to 50% upon specific request 

JHR will be a key tool to support expertise (ESFRI Label)

Training of new generations

Maintaining a national expertise staff and credibility for public acceptance

Assessing safety requirements evolution and international regulation harmonisation



JHR 3 MAIN OBJECTIVES

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

6

0



 c

m

Hot cells and storage pools 



(Non destructive examinations)

FP lab and 

experimental 

cubicles

Reactor 

pool

Core and 

reflector

(60x60 cm

2

)

JHR General presentation



Cycle Length  : 25 to 30 days

Power : 70 Mth to 100 Mth

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

Thermal Neutrons 

flux In reflector

JHR: 5.5 10

14

n/cm².s


and 6 displacement systems

OSIRIS: ~ 1.5 10

14

n/cm².s

and 1 displacement system

Displacement systems in 

JHR to:

• Adjust the fissile power



• Study transients

Material 

ageing

JHR : up to 16 dpa/y 



OSIRIS : ~ 5 dpa/y

Fast neutrons flux 

in core

JHR: 5.5 10

14

n/cm².s


OSIRIS: 1.5 10

14

n/cm².s 

In JHR : 

-Highly Instrumented



Experiments

- On-line fission 

Gas analysis

- 20 simultaneous 

experiments

JHR : experimental capacity & performances

at 100 MW power level (*) 

(*) 70 MW operation also possible          



French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

piping 


penetration

cubicle ; 

Control of Thy

conditions and 

water treatment

Connection 

lines

FP piping 



penetration

Reactor 


vessel

Quantitative online 

gamma spectrometry 

reservation



JHR experimental capacity

general architecture of an experimental loop: 

in-pile test device and out-of-pile device

Test 


device

FP laboratory

cubicle dedicated

to on-line FP 

measurement


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR experimental capacity, general characteristics 

the core 

|  PAGE 10



In reflector

Up to 5.5 10

14

n/cm².s


~20 fixed positions 

(F 100mm ; 1 position F 200mm)

and 6 displacement systems

Fuel studies: up to 

600 W/cm with a 

1% 


235

U PWR rod



In core

Up to 5.5 10

14

n/cm².s > 1 MeV



Up to 10

15

n/cm².s > 0.1 MeV



Displacement systems:

• Adjust the fissile power

• Study transients

Fuel experiment

(fast neutron flux – GEN IV)

7 Small locations (F ~ 32 mm)

3 Large locations (F ~ 80 mm)

Material ageing

(low ageing rate)

~20 simultaneous 

experiments

Core Designed for UMo-Al fuel 

Start-up with U

3

Si

2

-Al fuel

70 MWth  /  100 MWth

25 to 30 days cycle length 

6-7 days shutdown

0

0.05



0.1

0.15


0.2

0.25


1.0E-09

1.0 E-07


1.0E -05

1.0E -03


1.0E-0 1

1.0E+ 01


E  [MeV]

1

/L



e

th

a



rg

y

Position 103



Position 101

Position C313

SFR core reference

Material ageing

(up to 16 dpa/y)

GEN II & III + GEN IV



Thermal neutron flux

Fast neutron flux

The core is under moderated => 

high fast neutron flux in the core

and high thermal neutron flux in the reflector

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR experimental capacity 

experimental equipments: Non Destructive Examinations 

5 DÉCEMBRE 2013



Initial checks of the experimental loading

Adjustment of the experimental protocol

Final NDE after the irradiation phase

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR experimental capacity

experimental equipments: displacement systems

Real time feed back of the advance velocity based on SPNDs measurement

Stop order based on thermal balance with anticipation of dynamic effect 

total length : 450 mm

linear power of 620 W/cm for UO

2

fuel reachable with 1,3% U5 fuel



V ~5mm/s (600W/cm/mn 1%U5)

V back ~50mm/s

• Steady state conditions (long term irradiation)

• Power cycling (load follow)

• Power ramps 

Accurate power control of the experiment


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

An additional objective : medical applications (

99

Mo)

5 DÉCEMBRE 2013

Devices dedicated

to 


99

Mo production

Moving boxes

Devices in 

reflector

Devices in core



Reactor Pool View

Production capability: 

25 to 50% of EU needs

Production capability:

25 to 50% of EU needs


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR  Status 

JHR  Status 

JHR  Status 

JHR  Status 

of the Building  Project

of the Building  Project

of the Building  Project

of the Building  Project


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

GENERAL VIEW OF JHR BUILDING SITE-SPRING 2013

L = 51 meters

L = 47 meters

ϕ

= 35 meters

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

Building Site (September 2013) 

5 DÉCEMBRE 2013



French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

EXAMPLES OF IN-KIND CONTRIBUTIONS FROM JHR 

CONSORTIUM PARTNERS

Hot cells supplied by NRI (CZ)

Mockup at NRI-Rez



Underwater photonic imaging system

(X-Ray and gamma tomography)

supplied by VTT (FI)

The MELODIE sample-holder

(biaxial mechanical loading on a material 

sample)

supplied by VTT (FI)

VTT sample-holder prototype

VTT X-ray collimator


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

MANUFACTURING FACTORY (Mid-2013)

Reactor building’s  dome 

(03-2013)

Polar Crane  (03 -2013)

Primary pomp

Hydraulic tests

(Q3 2012)

GMP motorsRPP RUC RUP 

REP (01-2013)

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

VERY RECENTS PICTURES (REACTOR DOME

AND INSTALLATION OF THE 800 TONS CRANE)

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

VERY RECENT PICTURES (29TH NOVEMBER 2013)

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR  Experimental  

JHR  Experimental  

JHR  Experimental  

JHR  Experimental  

Capacities (with development 

Capacities (with development 

Capacities (with development 

Capacities (with development 

of instrumentation)

of instrumentation)

of instrumentation)

of instrumentation)


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

CALIPSO & 

MICA

For material testing

under high dpa

and controlled

thermal gradient

(250 – 450

°C)

MADISON

For LWR fuel testing

under nominal conditions 

ADELINE

For LWR fuel testing 

under off-normal 

conditions



OCCITANE

For pressure vessel

steel testing

Large experimental

feedback 

from CEA OSIRIS MTR

Fuel power ramp tests

(Isabelle loop)

Material under controlled stress

(GRIZZLY sample holder)

Etc.


Building the JHR experimental capacities

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

A high performance facility,

With test devices having a wide range of capacities

And an IMPROVED INSTRUMENTATION

In-pile instrumentation has to be : Reliable,  Accurate, Miniature, High 



temperature resistant, Corrosion resistant, Neutron / 

γγγγ


“resistant” (dose > 

1GGy/d and > 10dpa/y in MTR)

An instrumentation for an accurate control of the test parameters 

and for an « on-line » measurement of the studied phenomena 



SOME EXEMPLES of recent developpments…..

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

APRIL 30, 

2010

New self-compensated magnetic sensors (LVDT – DG) have been 



developed in partnership with IFE (Norway) for online 

measurement of sample elongation and diameter profile during 

irradiation 

Self-compensated 

LVDT

Traction 

bellows

Compression 



bellows

Sample

Self-compensated 

diameter gauge

Internal 

pressure

MELODIE device

EXAMPLES OF CEA’S RECENT DEVELOPMENTS IN 

REACTOR INSTRUMENTATION : MELODIE 

Accuracy = 1µm

Self-compensated diameter gauge

MELODIE (designed in collaboration with VTT-Finland) 

Creep test with bi-axial loading experimental device (controlled 

bi-axial load) and on-line bi-axial deformation measurement 

device (sample diameter and length) 

in a “MICA” hosting system 



to be operational in 2014 in OSIRIS reactor

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

APRIL 30, 

2010

Fission Gas Release determination using  acoustic measurement

Online measurement of the molar mass of the gas inside the fuel rod (



fraction of 

released fission gas)

Cavity 


connected to the 

fuel rod


Fuel rod

Acoustic sensor



Operational in OSIRIS reactor since 2011

(REMORA-3 experiment)

The sensor is implemented on 

pre-irradiated PWR fuel rods

Patented

M

RT

v

γ

=



French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

APRIL 30, 

2010

Sub-miniature 

fission

chambers

CF Ø 1,5mm / 4mm / 8 mm

CF Ø 

1,5mm


Operational in MTR, 

ZPR, etc.

Patented

Ionisation chambers with fissile deposit, external diameter down to 

1,5mm,  with integrated cable

Developed and manufactured by CEA in Cadarache (U, Pu, Np, 

Am, Cm, Th deposits…)


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR Operation Rules

JHR Operation Rules

JHR Operation Rules

JHR Operation Rules

Secondee Program

Secondee Program

Secondee Program

Secondee Program

VR

VR



VR

VR----CEA Agreement

CEA Agreement

CEA Agreement

CEA Agreement


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

Governing 

Board

CEA Nuclear 



Operator

Project leader

International Programme (4 years plan)

For Members of the Consortium and Non-members

Proprietary

Programs


Joint international 

Programs 

&

Validation



OPERATING RULES OF JHR : AN INTERNATIONAL USERS

FACILITY WORKING AS AN INTERNATIONAL USER FACILITY

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

ACCESS TO JHR EXPERIMENTAL CAPACITIES FOR NON-

MEMBERS

Governing Board propose a part of the ROP (Reference 

Operation Plan) open to non-members for setting-up  

International  R&D programs having access to the full 

experimental capacities of JHR including PIE

The International Programs can be open to any institutes 

working on nuclear R&D for civil purposes

Funding support can come from various sources (European 

Commission, OECD, Hosting Country…)

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

JHR AS AN INTERNATIONAL FACILITY

Create international scientific networks 

Make available facilities and resources 

to affiliates

Lead innovative joint programs with  

shared results  

Host international scientists/engineers 

Provide “hands on” nuclear 

education “in the field”


French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

TOWARDS AN INTERNATIONAL FACILITY…

JHR SECONDEE PROGRAM

Building an International User Facility around JHR: 

A key Issue for future R&D in nuclear energy 

Strong CEA intention to Welcome Scientists , Engineers for a limited period of time within 

JHR team for various topics (

Secondee

Linked to the « open » part of the Operating Mode of JHR (Joint Programs)



Link with ICERR-IAEA Initiative to support MS willing to go on Nuclear Energy via the 

setting-up of a RR (a clear benefit for the Decisison makers)  

Academic Training

Commercial Training 

linked to 

a « product »

ICERR for 

Nuclear Education 

« in the field »

Member State

A long term relationship to learn Best Practices in: 

Material and Fuel Sciences,Nuclear Safety,Reactor Operation,Nuclear Technologies….



French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

-30.00


-20.00

-10.00


0.00

10.00


20.00

30.00


200

300


400

500


600

Niveau(mm)

0.00


0.50

1.00


1.50

2.00


R

_

N

V

G

(S

a

h

a

-Z

u

b

e

r)

Mesures


Calculs CATHARE (DB+40%&Thom)

Apparition significative de la vapeur (NVG)

modèle CATHARE(Saha-Zuber mod)

= redistribution du débit

Calculs CATHARE (DB+40%)

Echanges monophasiques

Echanges ebullition nucléée sous-saturée

And what happens with Sweden ? 

5 DÉCEMBRE 2013



In 2010: A collaboration agreement was signed between

the Swedish Research Council (VR) and CEA 

About 7 M€ to fund Swedish researchers on ASTRID and JHR projects

Within this agreement: The DEMO–JHR project (DEterministic MOdeling of the Jules 

Horowitz Reactor) led by Prof. Christophe Demazière consists in funding 3 PhD’s

-“

Development of new procedures for the thermal-hydraulic simulation of JHR” 



KTH - division of Reactor Technology – Henryk Anglart

-“

Improvement of the nuclear safety CATHARE code based on thermal-hydraulic



experiments”

Chalmers – Division of Nuclear Engineering – Paolo Vinai

-“

Propagation of uncertainties in depletion calculations for the JHR”



Chalmers – Division of Nuclear Engineering – Paolo Vinai

JCAISUP

ENTFILES

JFILE1

DERIV1

AVALCAI

C

A

IS

S

O

N

JFILE23

ENTFIL23

TUY23

DERIV2

JFILE2

JFILE3

FILE1

ENT_ECH1

E

C

H

1

SOR_ECH1

SOR_FIL1

LIGPOMP1

JPISC1

ASP1

SOR_FIL2

SOR_JONC1

JONC1

TUY_JONC

JONC2

ENTJONC2

SOR_FIL3

SOR_POMP

FILE2

LIGPOMP2

LIGPOMP3

ENT_BOITE

FILE3

ENT_ECH2

ENT_ECH3

SOR_ECH2

SOR_ECH3

JTE_ASP2

JTE_ASP3





ASP2







ASP3

JPISC2

JPISC3

ASP2

ASP3

E

C

H

2

E

C

H

3

R

E

T

O

U

R

RUC

JSRUP

JERUP

PISCINE

JTE_ASP1

RJH CIRCUIT PRIMAIRE

PISCINE

TE_RUC_E

TE_RUC_S

R

U

P

CLBRECH

JTE

JBRECH

TUYBRECH

TE_BRECH

CLAPET1

POMPE1

POMPE2

POMPE3

VANASP1

VANASP2

VANASP3

JCAISUP

ENTFILES

JFILE1

DERIV1

AVALCAI

C

A

IS

S

O

N

JFILE23

ENTFIL23

TUY23

DERIV2

JFILE2

JFILE3

FILE1

ENT_ECH1

E

C

H

1

SOR_ECH1

SOR_FIL1

LIGPOMP1

JPISC1

ASP1

SOR_FIL2

SOR_JONC1

JONC1

TUY_JONC

JONC2

ENTJONC2

SOR_FIL3

SOR_POMP

FILE2

LIGPOMP2

LIGPOMP3

ENT_BOITE

FILE3

ENT_ECH2

ENT_ECH3

SOR_ECH2

SOR_ECH3

JTE_ASP2

JTE_ASP3





ASP2







ASP3

JPISC2

JPISC3

ASP2

ASP3

E

C

H

2

E

C

H

3

R

E

T

O

U

R

RUC

JSRUP

JERUP

PISCINE

JTE_ASP1

RJH CIRCUIT PRIMAIRE

PISCINE

TE_RUC_E

TE_RUC_S

R

U

P

CLBRECH

JTE

JBRECH

TUYBRECH

TE_BRECH

CLAPET1

POMPE1

POMPE2

POMPE3

VANASP1

VANASP2

VANASP3

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

CEA-VR(SRC) KICK-OFF SEMINAR

(20TH-21ST NOVEMBER 2013-CADARACHE) 

5 décembre 



2013

|  PAGE 


33

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013

TO SUMMARIZE…

Experiment in MTRs will remain essential in the next decades in 

support for simulation 

and 

in support for the development and the qualification of nuclear fuel and structural materials

JHR, in the prolongation of OSIRIS, will be a 

major facility 

for the European and International 

community, considering its 

hosting capacities and its high characteristics 

about neutron 

fluxes and spectra

Its 

experimental capacity is innovating 

and with a 

large range of operating conditions 

(test 

loops, FP laboratory, NDE equipment,..)

The 

on-line measurements 

are essential for the control of the experimental conditions (it 

guaranties the quality of the experiments).

The 

complementarity of JHR with the hot labs 

dedicated to fuel and material examinations 

(LECA – LECI) will make possible to propose, to the scientific international community, a 

high level of expertise and competences 

in the fields of simulation, in-pile and out-of-pile 

experiments, and sample characterizations.

European and International Collaboration on JHR is already 

and will be a major topic for this User Facility

French-Swedish Seminar on Future Nuclear Systems -KTH -3

rd

December 2013



Do'stlaringiz bilan baham:


Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2019
ma'muriyatiga murojaat qiling