Considerations in Designing a Nuclear Power Plant with a Hydrogen and Biofuels Facility

Lauren Ayers, Matthew Chapa, Lauren Chilton, Robert Drenkhahn, Brendan Ensor, Jessica Hammond, Kathryn Harris, Anonymous Student, Sarah Laderman,

Ruaridh Macdonald, Benjamin Nield, Uuganbayar Otgonbaatar, Alex Salazar, Derek Sutherland, Aditi Verma, Rebecca Krentz-Wee, and Elizabeth Wei

December 14, 2011

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Contents

I Introduction 9

II Background 10

1 Core 11 1.1 Main Goals of the Core Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.1 Biofuels Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Viability to get Licensed and Built in the Upcoming Decades . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Design Options and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Liquid Metal Fast Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Molten Salt Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.3 Gas Cooled Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.4 Supercritical Coolant Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.5 Table of Design Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Process Heat 17 2.1 Goals of the Process Heat Design Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Possible Heat Exchanger Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.1 Straight Shell-and-Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2 Modified Shell-and-Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.3 Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.4 Printed Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.5 Ceramic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Hydrogen 21 3.1 Goals of Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Design Options and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2.1 Steam-Methane Reforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.2 Water Electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.3 Westinghouse Sulfur Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.4 Hydrogen from Urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.5 Hydrogen from Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.6 High Temperature Steam Electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.7 Br-Ca-Fe UT-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4 Biofuels 27 4.1 Main Goals of Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3 Design Options and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3.1 Possible Sources of Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3.2 Electrofuels to Hydrogen Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3.3 Algae Transesterification Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.4 Fermentation to Ethanol Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.5 Fischer Tropsch Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

III Results 33

5 Overall Plant Design 33

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6 Core 35 6.1 Process Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1.1 Core Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.1.2 Secondary Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.1.3 Table of Important Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.2 Primary System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.2.1 Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.2.2 Criticality Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.2.3 Shutdown Margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 6.2.4 Thermal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 6.2.5 Depletion Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.2.6 Core Reactivity Feedback Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2.7 Natural Circulation and Flow Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2.8 Safety Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.3 Secondary System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.1 Heat Exchanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.2 Condensers and Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.3.3 Accident Scenario Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.4 Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7 Process Heat 51 7.1 Process Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 7.2 Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.2.1 Choice of Material and Working Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7.3 PCHE Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7.4 Process Heat PCHEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7.4.1 PCHE1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 7.4.2 PCHE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7.4.3 PCHE Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7.5 Fouling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.6 Heat Exchanger at Biofuels Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 7.7 Heat Sink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.7.1 Purpose, Location, and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.7.2 Heat Rate and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.7.3 Environmental Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.8 Process Heat System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.8.1 PCHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.8.2 Circulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.8.3 Piping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7.9 Heat Storage Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7.9.1 Lithium Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7.9.2 Alloy 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7.9.3 System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 7.9.4 PCM Sizing and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 7.9.5 Heat Storage Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.10 Circulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.11 Heat Sink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7.11.1 Purpose, Location, and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.11.2 Heat Rate and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.11.3 Environmental Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7.12 Piping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.13 Process Heat System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.13.1 PCHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.13.2 Circulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

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7.13.3 Piping . . . . . . . . . . . . .