PBMR Fuel Development Laboratories - Lessons Learnt ·  · 2015-08-24PBMR Fuel Development...

15
PBMR Fuel Development Laboratories - Lessons Learnt Dieter Zimolong P.O. Box 465, Pinegowrie 2123, Johannesburg [email protected] +27 83 626 5257 Copyright © 2013 by Dieter Zimolong. Published and used by INCOSE SA with permission. Abstract The paper presents the general background to the PBMR Fuel Project followed by detail about the establishment of the Fuel Development Laboratories (FDL) and lessons learnt. The FDL was successful in international terms. The success of the FDL was embedded in the way that the project was planned and managed and this included the development of management systems for FDL, the technology transfer from the very successful German HTR fuel production program, the design, construction and commissioning of fuel manufacturing equipment, the development and implementation of all manufacturing and QC processes and the most important of all the development of the human capital. The licensing of the FDL proved to be the biggest challenge. The basis of the project was to be able to use the German fuel design and manufacturing processes to obtain a licence for operation of the Pebble Bed Modular Reactor in South Africa. The activities in the FDL were terminated when the PBMR project was brought to an end. Background General background and a brief history of events Eskom started investigating the feasibility of a pebble type High Temperature gas cooled Reactor (HTR) in 1996. This reactor was known as the Pebble Bed Modular Reactor, of which the acronym PBMR gave rise to the company’s name. In 1999 PBMR started working on a reactor concept design and the South African Nuclear Energy Corporation (Necsa) was initially contracted to establish the capabilities to manufacture the pebble fuel for such a reactor. As part of this process PBMR had attracted some of the best engineering and scientific talent in South Africa including some that had previous experience and skills in light water reactor technology. The PBMR was originally planned to be a 190 MW th modular nuclear power reactor using a helium cooled Brayton direct cycle; that is dispensing with the more conventional Rankine cycle utilising a steam generator and turbine. This evolved in time, first to a 235 MW th and finally to a 400 MW th system. The nuclear pebble fuel required for the reactor was defined at the outset to be the spherical high temperature fuel made for the German HTR programme. The fuel project was integrated into the overall project schedule to ensure that the nuclear fuel was qualified and available at the startup of the first reactor. The PBMR fuel project was divided into three parts; being fuel design, establishment of a fuel manufacturing plant and the Fuel Development Laboratories (FDL). This paper focuses on the FDL, which was responsible for establishing the fuel manufacturing technology for PBMR in South Africa. In the early 1990s South Africa made the decision to close the Pressurized Water Reactor (PWR) fuel manufacturing facility at Necsa’s Pelindaba site. This facility had supplied nuclear fuel to South Africa’s (and Africa’s) only commercial nuclear power reactors at Koeberg in the Western Cape. A small group of engineers that were involved in the production of the PWR fuel started the PBMR fuel

Transcript of PBMR Fuel Development Laboratories - Lessons Learnt ·  · 2015-08-24PBMR Fuel Development...

PBMR Fuel Development Laboratories - Lessons Learnt Dieter Zimolong 

P.O. Box 465, Pinegowrie 2123, Johannesburg 

[email protected] 

+27 83 626 5257 

Copyright © 2013 by Dieter Zimolong.  Published and used by INCOSE SA with permission. 

Abstract    The paper presents  the general background  to  the PBMR Fuel Project  followed by 

detail about  the establishment of the Fuel Development Laboratories  (FDL) and  lessons  learnt. The 

FDL was successful in international terms. The success of the FDL was embedded in the way that the 

project was planned and managed and this  included the development of management systems  for 

FDL,  the  technology  transfer  from  the  very  successful German HTR  fuel  production  program,  the 

design,  construction  and  commissioning  of  fuel manufacturing  equipment,  the  development  and 

implementation  of  all  manufacturing  and  QC  processes  and  the  most  important  of  all  the 

development of the human capital. The licensing of the FDL proved to be the biggest challenge. The 

basis of the project was to be able to use the German  fuel design and manufacturing processes to 

obtain a licence for operation of the Pebble Bed Modular Reactor in South Africa. The activities in the 

FDL were terminated when the PBMR project was brought to an end.  

Background

General background and a brief history of events Eskom started investigating the feasibility of a pebble type High Temperature gas cooled Reactor 

(HTR)  in 1996. This  reactor was known as  the Pebble Bed Modular Reactor, of which  the acronym 

PBMR gave rise to the company’s name. In 1999 PBMR started working on a reactor concept design 

and  the South African Nuclear Energy Corporation  (Necsa) was  initially contracted  to establish  the 

capabilities  to manufacture  the pebble  fuel  for  such  a  reactor. As part of  this process PBMR had 

attracted some of the best engineering and scientific talent  in South Africa  including some that had 

previous experience and skills in light water reactor technology. The PBMR was originally planned to 

be a 190 MWth modular nuclear power  reactor using a helium  cooled Brayton direct  cycle;  that  is 

dispensing with  the more conventional Rankine cycle utilising a  steam generator and  turbine. This 

evolved in time, first to a 235 MWth and finally to a 400 MWth system.  

The nuclear pebble fuel required for the reactor was defined at the outset to be the spherical high 

temperature  fuel made  for  the German HTR programme. The  fuel project was  integrated  into  the 

overall project schedule to ensure that the nuclear fuel was qualified and available at the start‐up of 

the first reactor. 

The PBMR  fuel project was divided  into  three parts; being  fuel design, establishment of a  fuel 

manufacturing plant and  the Fuel Development Laboratories  (FDL). This paper  focuses on  the FDL, 

which was responsible for establishing the fuel manufacturing technology for PBMR in South Africa. 

In the early 1990s South Africa made the decision to close the Pressurized Water Reactor (PWR) 

fuel manufacturing facility at Necsa’s Pelindaba site. This facility had supplied nuclear fuel to South 

Africa’s  (and Africa’s) only  commercial nuclear power  reactors at Koeberg  in  the Western Cape. A 

small group of engineers that were involved in the production of the PWR fuel started the PBMR fuel 

project  in 1997/98 and ultimately established  the FDL  in some of  the buildings previously used  for 

the manufacture of the PWR fuel.  

The FDL developed a staff complement of 66 over the ten years from 1999 to 2010. The core staff 

with nuclear  fuel experience  and  the  carefully  selected  young  engineers  and  scientists offered  an 

ideal  opportunity  to  develop  a  young  integrated  team  to  acquire  the  skills  and  experience  in  a 

business  that  had worldwide  and  locally  been  ageing  since  few  significant  nuclear  projects were 

launched  in  the  recent  past.  The  development  of  these  young  talents  turned  out  to  be  highly 

successful. 

The PBMR Fuel Product.

The PBMR product.  The Low Enriched Uranium (LEU) UO2 Tristructural‐isotropic (TRISO) fuel (Figure 

1) is made up of a uranium dioxide kernel which is coated by four isotropic layers of carbon or silicon 

carbide  and  embedded  in  a  sphere  of  graphite  matrix.  This  is  the  fuel  design  that  was  very 

successfully manufactured, qualified, and used in the German HTR reactors.  

 

 

 

 

 

 

The fuel manufacturing processes.

The kernel manufacturing process.  Uranium dioxide micro‐spheres 

(or kernels) of 0.5 mm  in diameter were manufactured using  this 

process. These kernels need to have low levels of impurities, with a 

density just below the theoretical value of 10.96 g/cm3. The kernels 

are manufactured by an external gelation multi‐step process which 

consists of casting of the kernels from a uranyl nitrate solution into 

an ammonia atmosphere  (Figure 2) resulting  in the  formation of a 

solid ammonium di‐uranate ‘gel’. This is aged, washed and dried in 

a  jacketed  rotary  flat  tank  prior  to  being  calcined  up  to  around 

430 °C to form UO3 kernels. The final conversion to UO2 is done by 

reducing and sintering the kernels at temperatures up to 1600 °C before these are sieved and sorted. 

The kernels shrink from 2 mm diameter when cast to 0.5 mm when sintered (Figure 3). 

 

 

Figure 2 Casting of kernels 

Figure 1 LEU UO2 TRISO fuel 

 

 

 

The  coating  process.    Four  coating  layers  are  deposited  on  the  kernels  in  a  heated  furnace  by  a 

process known as chemical vapour deposition (CVD). Flowing gases in a furnace suspend the kernels 

so  that  they  form  a  fluidised  bed.  Gases  are  chosen  which  decompose  and  deposit  at  various 

temperatures up to 1600°C. The coated particle diameter is 0.92 mm. The four layers deposited are (Figure 4): (mean thickness in brackets) 

Buffer layer – low density carbon layer (95 μm) 

Inner  pyrolytic  carbon  layer  –  high  density  isotropic  carbon 

(40 μm)  

Silicon carbide layer – crystalline, ceramic (35 μm) 

Outer pyrolytic carbon  layer – similar to  inner pyrocarbon  layer 

(40 μm) 

 

The fuel sphere manufacturing process.  As a first step matrix graphite powder, or pressing powder, 

consisting of a mix of natural graphite, electro graphite and a phenolic resin binder, is produced. The 

TRISO  coated particles are over‐coated with matrix graphite powder  to give an additional  layer of 

about 200 µm thickness. This is to ensure that the coated particles are more evenly distributed in the 

fuelled core and do not touch each other during the fuel sphere pressing stage. 

These particles are mixed with matrix graphite powder and compressed  into a sphere, known as 

the  fuelled  core.  The  core  is  covered  with more matrix  graphite  powder  and  pressed  again  to 

produce a  ‘green’  fuel sphere. These spheres are machined  to exact dimensions and heat  treated: 

carbonising and a final purifying annealing step. The fuel sphere (Figure 5 & 6) has a diameter of 60 

mm  that  includes a 5 mm  thick outer  shell known as  the  fuel  free 

zone. 

 

 

 

 

 

 

The  fuel quality control processes.   The QC processes 

included  all  physical,  chemical  and  optical  tests  that  characterised  all  the  feed  material,  the 

intermediate products  as well  as  the  fuel. About  70 different  tests were developed  and qualified 

including chemical, optical and physical tests. 

The Fuel Development Laboratories Laboratory Facilities  

Figure 3 Kernel formation through all stages 

Figure 4 Coated particle 

with the four layers 

Figure 5 Fuel sphere core and fuel free zone  Figure 6 X‐Ray of coated particle 

distribution in the fuel sphere 

The Fuel Development Laboratories (FDL).   These were  located  in radiologically classified buildings 

on Necsa’s Pelinbada. These  laboratories were operated by PBMR  staff of which a number of key 

people  were  seconded  to  Necsa  for  certain  responsibilities  associated  with  the  Safety,  Health, 

Environment  and  Quality  (SHEQ),  radiological  safety  and  licensing  requirements;  ensuring 

operational  control by Necsa. All  laboratories processed depleted uranium  and  a  single  campaign 

was  licensed  for  using  LEU. Utilities were  supplied  by  the Necsa  site  including  electricity, water, 

steam and compressed air. The FDL consisted of four laboratories and various support functions.  

‐ The Kernel Laboratory  

‐ The Coating Laboratory 

‐  The Fuel Sphere (or Graphite) Laboratory  

‐ The QC Test Laboratory 

Although they were termed  laboratories they contained some full size production equipment units, 

mainly for the processes that could have an impact on the quality of the product in the fuel plant. 

 

The Kernel Laboratory.   This was a chemical process plant  in which  the casting columns  (Figure 7) 

and sorting tables were full size plant capacity. The Ageing, 

Washing and Drying  (AWD) vessel was roughly 80% of  full 

scale.  The  calcining  and  sintering  furnaces  and  other 

equipment  were  laboratory  scale  equipment.  This 

laboratory was used to produce depleted, natural and LEU 

kernels.  The  laboratory  had  a  capacity  to  produce  2  kg 

uranium kernels per week and was  in a process of scaling 

up  to  5  kg  uranium  kernels  per  week.  Apart  from 

measurement  and  control  as well  as  standard  laboratory 

equipment all the equipment was designed and built locally 

in South Africa. 

 

The  Coater  Laboratory.    This was  a  chemical  processing 

plant  comprising  of  two  Chemical  Vapour  Deposition  (CVD)  reactors  and  additional  sorting  and 

sieving equipment. One was  the Research Coater Facility  (RCF)  (Figure 8) which had a  capacity of 

1 kg U and the other was a full size plant capacity Advance Coater Facility (ACF) (Figure 9) which had 

a capacity of 5 kg U. The Advance Coater was the full size coater in advance of the fuel manufacturing 

plant coater. The laboratory was used to coat alumina, zirconia as well as depleted, natural and low 

enriched uranium  kernels.  This  laboratory had  a  capacity  to  coat 20 kg U per week with  the ACF. 

Apart from measurement and control equipment all the equipment was designed and built locally in 

South Africa. 

 

   

 

 

 

 

 

Figure 7 Full size casting column 

Figure 9 Advance Coater Facility (ACF) Figure 8 Research Coater Facility (RCF)

The Fuel Sphere Laboratory.   This was a mechanical process 

laboratory  in  which  the  presses  (Figure  10),  equipment  to 

manufacture  resin moulds  and  the  sorting  tables  were  full 

size plant capacity. The equipment to overcoat, sieve and split 

particles,  to mix  graphite  powders,  to machine  spheres  as 

well  as  the  carbonising  furnace  and  the  high  temperature 

vacuum furnace for annealing was scaled down to laboratory 

size  equipment.  This  laboratory  was  used  to  produce  fuel 

spheres containing zirconia as well depleted, natural and low 

enriched uranium coated particles. Graphite spheres containing no particles were also produced  in 

this laboratory. The laboratory had a capacity to produce 35 spheres per week. Apart from the high 

temperature vacuum furnace, measurement and control equipment all the equipment was designed 

and built locally in South Africa. 

The Quality Control Test Laboratory.   This  laboratory consisted of four sub‐laboratories  including a 

wet chemical laboratory, a graphite testing laboratory (Figure 11), a sorting and sample preparation 

laboratory  (Figure 12) and an optical  laboratory  (figure 13). All  the  testing and analysis equipment 

was  full  scale  and  the  laboratory  was  established  to  support  a  small  fuel manufacturing  plant. 

Standard analysis and testing equipment was mostly imported and most of the dedicated equipment 

developed and built locally. This laboratory was used to analyse depleted, natural and low enriched 

uranium  products  as well  as  the  non‐nuclear materials  such  as  the  graphite  powders  and  resin, 

consumable  gasses  and  liquid  chemicals.  The  laboratory  had  a  capacity  to  support  all  the 

development and qualification tests and was planned to later, with the duplication of a few pieces of 

equipment, support a 430,000 fuel sphere per annum manufacturing plant.  

Management Systems

The  Fuel  Development  Laboratories  Management  Systems.    These  comprised  of  a  number  of 

systems.  It  is mandatory  for  any  nuclear  facility working with  uranium  to  implement  controls  for 

security, conventional and radiological safety, uranium accounting, quality assurance and licensing in 

South Africa.  

The  security,  conventional and  radiological  safety, being NNR  (Nuclear National Regulator) and 

Necsa site requirements, were well defined in Necsa procedures and instructions, which the FDL had 

to comply with being a nuclear facility operating on Necsa’s site. These systems were  implemented 

and maintained by staff that had extensive previous experience in nuclear facilities on the Necsa site. 

 

Figure 10 Full scale presses 

Figure 13 Optical laboratory Figure 11 Graphite laboratory  Figure 12 QC Sorting tables 

The Quality  Assurance  System.    This  system  complied with  the  ISO 9001  (ISO,  2009)  and  ASME 

NQA‐1  (ASME,  2008)  requirements  to  ensure  compliance  to  NNR,  international  and  US  nuclear 

quality  requirements.  The  system was  established,  implemented  and maintained  by  experienced 

staff  that  had  previously  been  involved with  such  systems  in  South  Africa’s  fuel  plants  that  had 

produced Pressurized Water Reactor  (PWR)  fuel  for  the Koeberg Power Plant and  is still producing 

Material Test Reactor (MTR) fuel for the SAFARI‐1 reactor. One part of this system that was complex 

was  the  traceability  system.  It was  able  to make  up  a  full  trace  of  any  product  down  to  all  the 

sources,  including materials, operators and  inspectors, work  instructions used, appropriate masses 

and any and all splitting and combining of production lots. This system can also do an upward trace 

from any source material or operator, etc. to all final products affected thereby. During a successful 

audit by a US DOE, QA expert, the FDL received compliments on the good QA management and the 

expert was  impressed by  the  traceability  system; which was  so well developed and  implemented. 

The US DOE QA audit was a prerequisite  for  loading any of FDL’s  fuel  into  the US  test  reactor  for 

irradiation testing. 

 

The  Safeguards  System.      This  system which  accounts  for  all  the  uranium  in  all  the  facilities  is 

overseen and annually physically inspected by experts from the International Atomic Energy Agency 

(IAEA) from Vienna. The requirements for this system are defined in numerous IAEA documents. The 

system was established, implemented and maintained by experienced staff that had previously been 

involved  in  such  systems  in  South Africa’s nuclear  fuel manufacturing  facilities.  There were  some 

challenges  for the FDL with respect to establishing an acceptable Material Unaccounted For  (MUF) 

value. This was a value made up of sampling errors, analysis errors, as well as material lost in filters 

and  cleaning equipment. The  challenge  in general  for  the FDL accounting was  the handling of  the 

millions of small masses (individual kernels and coated particles contain on average 0.62 mg uranium 

and being electrostatic were often difficult to control). 

 

Project Management.  This was handled in a very effective manner using MS Projects as a tool. There 

were two levels of scheduling and the approach was to manage the overall project carefully ensuring 

that  the essential activities were  reviewed and discussed  regularly. During  regular project meeting 

solutions were always  found  to prevent delays. One of  the most critical dates was  the delivery of 

9,6% enriched uranium coated particles for irradiation tests in the US. Due to the US AGR ‐ 2 Reactor 

outage date the particles had to be ready for  loading at that point. This date could not be delayed 

and it was made very clear by the US DOE in regular project telephone conferences that the FDL test 

fuel would be excluded from the New Generation Nuclear Plant (NGNP) project  if not delivered on 

time. Similarly the Russian irradiation tests samples had to be on time. The fuel for both the US DOE 

and Russian irradiation tests were delivered on time.  

 

The NNR Licensing.   The licensing of the laboratories included maintaining and amending the licence 

for  the  laboratories.  This  was  a  time  consuming  process  requiring  many  submissions  to  obtain 

approvals for commissioning new facilities and processes. Due to selected plant scale equipment for 

some processes, the FDL was not treated strictly as a laboratory by the NNR. The enriched uranium 

campaign was  a  once  off  approval  for  the manufacture  of  three  lots.  The  licensing  process was 

complicated  since  it  had  to  flow  via  Necsa  and  there  were  many  delays  and  communication 

challenges.  The  flow  of  information  was  formalised  and  apart  from  the  RD 0034  (NNR,  2008) 

requirements the NNR approached  its  involvement on the basis that FDL had to make submissions 

for changes and generate  the applicable documents  required after which  the NNR would  respond. 

FDL  developed  a  one  week  introductory  course  on  HTR  fuel  for  PBMR,  ESKOM  and  NNR  client 

representatives  that  covered  presentations  on  everything  including  the  history,  organisation, 

management systems, raw materials, fuel equivalence, qualifications and the project status as well as 

afternoon visits to each of the laboratories. The intention was to be pro‐active to get all stakeholders 

informed on  the  product, processes,  challenges  and  intentions  but  this was declined by  the NNR 

shortly before the course since this may have biased their independence.  

 

Staff  

The  FDL  staff.   The  staff  complement was  the most  valuable  asset which was developed over 10 

years and was a great  success. The management  style was based on empowerment and a  strong 

team approach. Throughout, the management structures changed as required and this also provided 

opportunities  towards  the  latter  years  for  some  of  the  promising  young  talent  to  move  into 

management positions.  The  FDL  staff  complement  (Figure 13)  consisted of  staff 14  Scientists  and 

Engineers; 26 Technologists and Technicians and 26 mostly experienced Support and Administrative 

Staff. 

 

 

The objective to transfer and establish the HTR Fuel technology as soon as possible in South Africa 

required an appropriate philosophy for staff development. The project had two distinct requirements 

for human resources, namely the ones that could be sourced  locally with exactly the required skills 

for the support systems, and the other being the fuel technical staff that had to be developed. This 

presented the opportunity to develop and empower a new young generation of technical staff  in a 

well‐defined nuclear environment making every effort  the meet  the Government’s  transformation 

targets.  This  approach  had  the  advantage  that  the  project  could  focus  on  the  technology 

development  and  empowerment  without  being  burdened  with  the  development  and 

implementation  problems  of  the  support  systems.  The  entire  FDL  staff  complement  was  South 

African. 

 

The  Support  Staff.    The  support  staff  implemented,  maintained  and  managed  the  security, 

conventional  and  radiological  safety,  uranium  accounting,  quality  assurance,  licensing  and  the 

normal project management  systems.  The  staff primarily  responsible  for  these  functions  included 

persons that had spent many years in Necsa’s nuclear facilities and needed no support. They adapted 

and implemented these systems which included the training of the young generation engineers and 

scientists who were not yet used to this nuclear culture.  

Figure 13 FDL staff complement 

 

The  Technical  Staff.    There was  a  core  of  experienced  technical  staff  involved  in  PWR  and MTR 

nuclear  fuel  activities  in  the  past  that were  part  of  this  group.  This  core  of  8  had  200  years  of 

cumulative experience  in nuclear fuel manufacturing. The remainder of about 70% of the technical 

staff had  just  finished  their  studies and  some had a  few years of experience. This had  the distinct 

advantage that they were open to new cultures and technologies and not focussed on specific fields. 

The great advantage for the development of the young staff was the time constraints of the project. 

Technology  had  to  be  transferred,  technical  documentation  generated,  equipment  and  processes 

specified  and  designed,  equipment  and  processes  commissioned  and  qualified  and  operating  the 

laboratories. The staff had the opportunity to be involved in all of these steps.  And this took place in 

a  well‐controlled  nuclear  facility  environment.  The  result  was  a  mainly  young,  ambitious  and 

enthusiastic  technical  group  that  had  adopted  a  good  culture  to work  under  systems  controlling 

nuclear  plants  and  becoming  experts  in  their  areas  of  processing  or  quality  control  for  high 

temperature nuclear fuel.  

 

 

The Fuel Development Project Objectives The Objectives of the FDL were: 

• To transfer and establish the German HTR fuel manufacturing technology in South Africa 

• To manufacture “Advance Fuel” for irradiation testing  

• To manufacture “Qualification Fuel” for irradiation testing 

• To support the commissioning and operations of PBMR Fuel Plants  

• The development of  commercial manufacturing processes  in order  to  reduce  the  fuel 

manufacturing and fuel cycle costs as far as possible  

• To perform development of future fuel. 

Project Plan

The Project Plan.  The project for the Fuel Development Laboratories was managed by an integrated schedule  using MS  Projects  as  a  tool.  A  high  level  project  plan  (Figure  15)  is  presented  below followed by a short paragraph on each activity. These activities do not include the maintenance and improvement actions following the initial establishment of the systems and staff appointed.  

  

ID Task Name

1 Human Capital Development

2 Licence Approvals

3 Management Systems Development

4 Transfer of Technology (HTR GmbH Archive)

5 Transfer of Technology (Nukem Experts)

6 Fuel Technical Package Development

7 Material Supplier Qualification

8 Design, Procurement & Comissioning of Equipment

9 Implementation, Commissioning and Testing of Processes

10 Qualification of Processes

11 Manufactur Advamce Irradiation Fuel

12 Irradiation Tests at the AGR - 2 Reactor in USA

13 Irradiation Tests at IVV - 2 Reactor in Russia

14 Diesign Input for Fuel Plant

H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H26 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Figure 15 High level project plan 

 

Appointment and Development of Human Capital.  The philosophy was to only appoint people that 

had the educational background required for the position, had the skills or the potential to acquire 

these  skills,  experience  where  this  was  required  such  as  for  system  implementation  and  the 

character  to  fit  into  the behavioural culture of FDL. The behavioural culture was a  team approach; 

responsibilities were fully delegated empowering  incumbents but providing support,  leadership and 

development  as  required;  encouraging  communication  at  all  levels  and  humour  was  welcomed. 

Positions that were required to develop and implement supporting systems were filled without delay 

with experienced staff  from  the nuclear  industry. The  technical posts required were  filled by some 

core  experienced  scientists  and  engineers  to  take  the  lead  immediately  and  the  remaining  posts 

were filled as the laboratories were established and focused on young promising talent which proved 

to be very successful. The project started with a few staff members and ramped up to the required 

number in about the first four years after which there was a very small increase in numbers. 

 

The Management  Systems.    These were  scheduled  to be  implemented without delay  since  all of 

these  were  required  to  either  operate  under  the  statutory  and  regulatory  requirements  or  to 

manage  the project. There were obviously many changes and refinements  to  these systems as  the 

project  progressed  and  the  organisation  developed.  Training  on  these  systems was  a  continuous 

activity  as  these  systems  were  implemented  and  revised.  Good  configuration  control  added  to 

succeed to meet the schedule. 

 

The  Transfer  of  Technology.    This  involved  the  transfer  of  the  German  HTR  fuel manufacturing 

technology which was  developed  over many  years  and  deemed  the  best  in  the world when  the 

project  was  terminated  in  1989  in  Germany  after  Chernobyl,  when  Germany  decided  to  start 

withdrawing  from new nuclear builds. PBMR’s philosophy was  to use German  reference  fuel  as  a 

basis  for  licensing which  implied  that  the  fuel  should be equivalent being a  replica of  the German 

reference  fuel  to bank  in on  the qualification  tests. This was  the  reason  that  the approach was  to 

replicate the German equipment and processes to produce equivalent fuel to the German program 

for irradiation tests. The information of this TRISO fuel technology was archived in a comprehensive 

data base at HTR GmbH which was a joint venture company between Siemens and ABB with whom 

Eskom had an agreement for the non‐exclusive rights to HTR knowhow. PBMR had an agreement to 

access  this data which consisted of documents and drawings.  In addition  to  this PBMR was  in  the 

fortunate  position  that,  although  retired,  the German  key  experts  in  the  fuel  project  on  kernels, 

coatings,  graphite,  QC  and  overall  management  were  still  available  for  consultation.  Under  a 

contractual agreement access to these key persons, known as the “old wise men” in the FDL project, 

was  possible.  This was  invaluable  since  technology  always  resorts  in  the  documentation  and  the 

minds of people involved. FDL made every effort to establish a very good relationship with the “old 

wise men” and this proved to be a great success.  

The  transfer of  the data  from Germany was achieved by  scanning all documents and drawings 

which were then categorized and the critical ones identified. These had to be translated and were a 

direct input into the generation of FDL’s technical documentation. The translated documents as well 

as FDL’s  technical documentation were  formally  reviewed with  the “old wise men”  to ensure  that 

there were no misinterpretations. Many hours were spent on this effort to ensure that no incorrect 

data was used as a technical basis for the program. Thereafter followed the design and establishment 

of equipment as well as the  implementation and commissioning of all processes. This was followed 

by  the qualification of  the processes as well as  the manufacture of  the advance  fuel. During all of 

these  stages  extensive use was made of  the  “old wise men”  at  each defined  review point  in  the 

program. These interactions were all integrated into the schedule and throughout the program many 

hours were spent  in Germany and South Africa by both FDL staff and the “wise old men” reviewing 

the equipment, processes and products. This approach of  transferring  the  technology proved very 

successful and was one of the important contributors to the success of the project. 

 

The Technical Documentation.   The  technical  documentation  was  established  in  the  structure 

defined by the QA management system and included a Fuel Technical Package (FTP) as well as level 

three technical documentation. This documentation was based on the German reference data. The 

FTP  defined  the  product  and  included  Product  Specifications,  Inspection  Specifications, Material 

Specifications  and  Internal  Release  Specifications.  Some  of  the  more  important  level  three 

documentation included equipment data packs, work instructions, inspection instructions, operating 

procedures,  training  instructions  and parameter  lists. The  FTP was established  and  approved  as  a 

priority  in order to be able to establish the  laboratories and all specifications were reviewed by the 

“wise old men”. This was  followed by  the generation of  level  three documentation as  the project 

progressed and laboratories were established. 

 

The National Nuclear Regulator .  The NNR required the nuclear facility to operate under a licence in 

accordance with the requirements of RD  0034 (NNR, 2008). The arrangement was not easy since the 

FDL  team  operated  on  the Necsa  site  under  secondment  and  all  licensing  applications  had  to  be 

channelled via Necsa to the NNR. Although there was a baseline  licence under which FDL operated 

the modus operandi was that for all the development work and new  laboratory equipment  licence 

change  requests  had  to  be  approved.  These  activities were  integrated  into  the  schedule  for  the 

various  aspects  such  as new processes, new  equipment  and different nuclear materials.  FDL only 

made use of one experienced person to write and manage the  interaction and submittals with the 

NNR  via  Necsa.  FDL  experienced  by  far  the  longest  delays  awaiting  responses  and  approvals  to 

proceed with work  from  the NNR.  Licensing was  clearly  the  critical path  in  the project. Although 

there were  some delays due  to  technical  and  supplier problems, none of  these  ever delayed  the 

project since  the  licensing delays were always  longer. There were cases where FDL waited up  to a 

year for. The licensing was the biggest challenge with respect to the schedule.  

 

Design, procurement, construction, installation and commissioning of equipment.  These activities 

proceeded as soon as the technical data packs for the equipment had been finalized and reviewed by 

the  “wise  old men”.  This  was  followed  as  for  commercial  projects  by  the  design,  procurement, 

construction, installation and commissioning. The QC laboratory had priority in order to support the 

other laboratories. During commissioning of the important equipment, interaction with the “wise old 

men“ was ensured. The ACF was the equipment which took the longest and was sub‐contracted to a 

South African company.  Apart from the ACF the schedule delays during this phase were minimal and 

did not negatively affect the overall schedule. 

 

The implementation, commissioning and testing of processes.   This  could  only  proceed  once  the 

equipment had been commissioned. With the same priorities as for the equipment the QC laboratory 

enjoyed priority. This phase required close interaction with the “old wise men” since this is the area 

where the detail was not always recorded. The process development of the ACF (full industrial size) 

proved  to  be  the  biggest  challenge worsened  by  the  regulatory  interventions  since  this  piece  of 

equipment  was  large  and  new  technology  to  the  regulator.  While  some  FDL  laboratories  were 

handled as  laboratories by them, they viewed the full size ACF as a production facility and handled 

this with more stringent requirements.  Although there were schedule delays during this phase none 

appeared on the critical path due to the  longest delays consistently being on the  licensing process. 

Test  programs  were  scheduled  and  executed  to  determine  all  process  parameters  before 

qualification could proceed. 

 

Material Supplier Qualification .    This  was  a  very  challenging  task  since  the  natural  graphite, 

synthetic graphite, phenol resin and uranium had to be the same as used by the German program. 

The uranium is a commodity and really only required the specification. For the other three materials 

FDL approached the original suppliers of the German program and had to re‐establish the process, 

testing  and  quality  requirements  since  these were  not  part  of  the HTR GmbH  data  but  company 

specific. Involving the “wise old men” FDL managed to obtain this information, perform comparative 

tests with material  still available and  subsequently qualify  the  suppliers. From a  schedule point of 

view this was quite critical since the graphite laboratory was dependent on these three materials for 

commissioning, testing and qualification.  

 

The qualification of processes.   This was  a  very  important  activity  scheduled  after  successful  test 

programs  had  been  completed  on  all  processes.  This  was  the  point  at  which  all  equipment, 

processes,  instructions  and  parameters  were  frozen.  Materials  were  only  used  from  qualified 

suppliers and staff had to be trained and qualified to perform the work. Prior to the production of 

the standard quality runs an equivalence review was undertaken with the “old wise men” looking at 

each piece of equipment, manufacturing process, QC process and material used to ensure that this 

was  as  equivalent  as  possible  in  order  to  ensure  that  replica  fuel  could  be manufactured.  This 

program  required each  laboratory  to produce 10  lots of product which was  staggered  so  that  the 

coater  laboratory  could  produce  their  particles  from  qualified  kernels  and  similar  for  the  fuel 

spheres. From these ten lots a standard quality was determined which was statistically calculated on 

the  same  basis  as  the  German  standard  quality  for  which  FDL  had  the  data.  This  exercise  was 

carefully  overseen  by  the  “old wise men”  to  ensure  that  FDL would  be  ready  to  produce  9,6% 

enriched irradiation fuel with a low risk of not meeting specification and equivalence. The burn leach 

statistics as presented in (Nabielek, 2010) demonstrated that the PBMR fuel compared very well with 

the German reference fuel.  

The Manufacture of Advance Fuel for Irradiation.  This was based on two lots of coated particles and 

was a great  success. The  required number of coated particles was  sent  to  the Oak Ridge National 

Laboratories  in  the  US  for  compaction  into  cylindrical  fuel  compacts  (Figure  16).  This work was 

overseen by FDL experts in the relevant area. The fuel spheres for the Russian irradiation test (Figure 

17) as well as the fuel spheres earmarked for the EU program were all completed within the schedule 

and deemed a great success. 

         

 Figure 16 Cylindrical fuel compacts Figure 17 Russian irradiation test spheres 

   The Advance Fuel Performance .  The Advance Fuel was test fuel in advance of the qualification fuel. Irradiation  testing  of  FDL  advance  production  coated  particles  is  progressing  as  planned  in  US irradiation test AGR‐2. In this test SA, US, and French coated particle compacts are being irradiated in a  single  irradiation  rig  in  the ATR  at  Idaho National  Laboratory. No  failure  due  to  irradiation  has occurred  to date  and measured R/B  values  indicate  that  SA  fuel  is performing  very well. The R/B values are the release‐to‐birth ratios of selected nuclides which provide initial fuel performance and quality indicators. Irradiation testing of fuel spheres in the Russian Federation was terminated when the SA government brought the PBMR project to an end. However, two fuel spheres were irradiated for about three weeks in order to test and calibrate the full scale irradiation rig. R/B values measured over a wide temperature range during calibration were found to be comparable to values for similar measurements  on  German  fuel.  SA  fuel  spheres  intended  for  EU  irradiation  tests  were  never delivered, since they were the  last  in  line and by that time the SA government had terminated the PBMR project.  The design input for the Commercial Fuel Plant .    This  was  an  ongoing  activity  in  the  form  of participation  at  reviews  within  the  fuel  plant  design  phase  and  also  hands‐on  reviews  in  the laboratories to ensure that the design engineers understood the processes. It was vital that the plant processes would be  equivalent  to  the  laboratory ones  and  that  the  equipment  that was deemed critical and established in plant size capacity in the laboratories would be used in the plant. This was important since  the  laboratories planned  to produce qualification  fuel  for  the PBMR reactor which would represent the fuel from the future fuel manufacturing plant. 

The Lessons Learnt

 

Human Capital.   The human capital developed over  ten years was a great success empowering  the people  involved 

and  meeting  the  government’s  transformation  requirements  at  the  same  time.  If  approached 

properly,  it  is possible  to develop human  capital  in  South Africa  for  any high  technology  industry 

meeting transformation targets provided that adequate time and resources are made available. This 

was a positive lesson learnt from the PBMR FDL project. 

The termination of the PBMR project on the other hand resulted in this human capital that was so 

competent and devoted to work  in the nuclear  industry being  left to their own devices. They were 

very disappointed after pursuing a career path  for  ten years of  their working  life expecting a good 

future in the nuclear industry. Most of them have left the nuclear industry. After the announcement 

to terminate the PBMR project a small group was tasked to document and package the PBMR know‐

how and assets over a  two and a half year period, as an  intellectual property  for  the company.  In 

contrast,  the  human  capital  asset  which  is  vital  to  the  project  was  literally  disposed  of  with  a 

retrenchment notice of one month. There was no plan  in place for any preservation of this human 

capital asset. The nuclear business is of long term nature and countries like Korea (Byung‐Koo, 2009) 

spent  two decades after 1958 as a  seeding period  for  their nuclear  science,  centred around  their 

TRIGA  research  reactors, which  clearly demonstrated  that  a  long  term plan had  to be  in place  to 

develop  the  human  capital  for  the  industry  to make  it  a  success which  they  certainly managed. 

Although  possible  solutions  and  alternatives were  communicated  on  numerous  occasions  for  the 

continuation of  the nuclear  fuel  laboratories, as  local and  international  fuel  research  facilities,  this 

was  not  heeded.  It  could  have  ensured  the maintenance  of  the  human  capital  and  established  a 

technology core for nuclear fuel research and development which could have supported present and 

future fuel as well as other nuclear related programs. The lesson learnt is that nuclear projects need 

a long term strategy to be successful and should only go ahead if they are confirmed and ratified by 

Government and stakeholders. Developing human capital for the nuclear ventures must fit  into the 

country’s nuclear plan to become a long term sustainable human asset contributing to the country’s 

nuclear future. 

 

Nuclear Regulator (NNR)   Any nuclear project or program  in SA will have to comply with the requirements of the NNR. Since 

there are many uncertainties in the process before a licence is approved very good management of 

this process is required. The process required FDL to make a submittal and thereafter a response had 

to  be  awaited.  The  response  to  submittals  usually  required  additional  information  and/or 

documentation to be submitted. There were no clear guidelines for this process. Communication had 

to  be  carefully  tracked  since  there  were  literally  hundreds  of  letters  linked  to  corresponding 

responses by the NNR. There were no firm commitments on response times by the NNR and  if not 

followed up  regularly  could  take  as  long  as  a  year  if not urgent.  This  is not unique  to  the  PBMR 

project, but an aspect of licensing. It was vital to have experienced persons that could generate these 

submissions  and  a  meticulous  follow  up  system  to  track  the  communication  and  elevate  late 

responses.  

In addition, it was vital to have constant communication with the Necsa Licensing function as well 

as  the NNR  to maintain  the  chain  of  interaction  from  the  FDL  via Necsa  to  the NNR.  In  FDL  the 

resources  were  limited  for  the  licensing  function.  Only  towards  the  end  of  the  project  did  FDL 

establish a management unit to look after the licensing. The lesson learnt was that an activity such as 

nuclear  licensing has many schedule  risks, most of which had  to be managed as best possible and 

required  a  very well‐resourced  function with  experienced  staff  from  the  start  of  the  project.  An 

interactive approach with  the  regulator designed  to still keep  them  independent  in order  to avoid 

unnecessary time delays should be strived for. This licensing risk is not unique to South Africa, as was 

recently observed at  the delayed European Pressurized Reactor  (EPR)  that  is being built  in Finland 

(Laaksonen, 2009). The main  lessons  learnt  included amongst others the risks of new technologies, 

correctly  resourcing  the  project  and  communication  between  entities;  both  between  contracted 

parties / suppliers and with the regulator. All three these, to a greater or lesser degree, resonate with 

the FDL’s experience. 

 

Transfer of Technology   

The  transfer of  technology was a great  success.  It  could be attributed  to  the very detailed  logical 

approach that was followed. It was recognised that there are three components to the success, firstly 

the well‐defined reference data base available as a baseline. The second was the engagement with 

experienced  staff  from  the  German  program  that  provided  invaluable  support  but  had  to  be 

managed properly to keep the “old wise men” satisfied by scheduling the interactions professionally 

and not wasting their time. This ensured a good constructive human relationship with them, which 

was supported by some of our team speaking their language. Thirdly, the team that interacted from 

FDL’s side was young, motivated,  interested and keen to  learn  in order to transfer the  technology. 

The cold and hot results of the irradiation fuel were the proof that the technology transfer was a big 

success. The lesson learnt was that transfer of technology, if properly planned and based on a good 

data base with supporting experts and competent staff, can be very successful.  

 

Defining Equivalent Fuel

 This was  the  basis  of  the  project  to  be  able  to  use  the  German  fuel  design  and manufacturing 

processes to licence the first PBMR reactor in South Africa. After many meetings and discussions with 

technical  experts,  safety  experts,  fuel  experts,  reactor  experts,  client  experts,  the  NNR  and 

international experts, it became very obvious that PBMR had moved into a very debatable situation 

of  what  equivalent  fuel  could  be  defined  as.  The  challenge  was  that  every  different  discipline 

focussed on  their  requirements of what was  important  for equivalence and a common agreement 

could  not  be  easily  found. Once  an  agreed  upon  definition was  presented  to NNR, who  had  no 

experience  in high  temperature  reactors  fuel,  a  very  cautious  approach was  followed.  The  lesson 

learnt was  that  the  equivalence  definition  of  fuel  required  a  very  specific  project  driven  by  very 

experienced  experts  in  the  field  and  being  able  to  constructively  engage  the  stakeholders  in  this 

process.   

 

Sustainability of Nuclear Projects   

The establishment of HTR fuel technology was not just a first in South Africa’s nuclear history but also 

a first for Africa and the southern hemisphere. Attempts to continue in a constructive way with the 

technology established and skills developed, after the announcement of closure of the PBMR project, 

included  numerous  communications  to  executive management  of  both  Necsa  and  PBMR,  other 

decision makers and stake holders, including government, about the value that had been created and 

the  opportunities  that  could  have  been  pursued  for  the  Fuel  Development  Laboratories.  This 

communication included options such as continuing with the laboratories as a nuclear fuel research 

and development  laboratory  in South Africa, expanding the research and development activities to 

PWR and MTR fuels presently being used in the Koeberg and SAFARI ‐ 1 reactor respectively. The spin 

off  from  this  project was much  larger  than  perceived  or  understood  and  included  a world  class 

technology transfer and human capital development of young scientists and engineers in the nuclear 

field, almost all of whom had to change career direction after the project’s termination. The lesson in 

this  case was  that  the  stakeholders  in  a  country  need  to  commit  to  and  finance  such  long  term 

nuclear projects only if these fit into the country’s long term nuclear strategy ratified by Government 

and that all the assets developed fit into the bigger picture and are sustainable. 

 

"Those who cannot learn from history are doomed to repeat it." George Santayana 

ReferencesASME. The American Society of Mechanical Engineers, ASME NQA-1-2004. Quality Assurance Requirements for Nuclear Facility Applications. 14 March 2008. Byung-Koo, K. Nuclear Silk Road. ISBN: 1456422588. 2009. ISO. International Standards Organisation, International Standard ISO 9001 – 2008. Quality Management Systems Requirement. 15 July 2009.

Laaksonen, J. Regulatory oversight of Olkiluoto 3 (EPR) construction lessons learnt. SMiRT 20 Nuclear Power Technology Conference at Otaniemi. 10–14 August 2009.

Nabielek, H., Tang, C., Müller, A. Recent Advances in HTR Fuel Manufacture. Proceedings of HTR 2010 Prague, Czech Republic. 18-20 October 2010 Paper 094.

NNR. National Nuclear Regulator, RD 0034. Quality and Safety Management Requirements for Nuclear Installations. 15 September 2008.

Biography 

Dieter Zimolong is a mechanical engineer with more than 27 years of experience in the nuclear fuel industry. He was involved in the establishment and management of the PWR (Pressurised Water Reactor) and MTR (Material Test Reactor) nuclear fuel manufacturing facilities at Necsa (South African Nuclear Energy Corporation). Dieter Zimolong headed the HTR (High Temperature Fuel) fuel technology transfer and establishment of the FDL (Fuel Development Laboratories), for PBMR, on the Pelindaba site in South Africa. He is currently involved in Necsa’s nuclear materials program and localisation of PWR fuel manufacturing in South Africa.