The Accident Tolerant Fuel (ATF) is a new concept of fuel, which can not only withstand the consequences of the accident for a longer time, but also maintain or improve the performance under operating conditions. ISAA is a self-developed severe accident analysis code, which uses modular structures to simulate the development processes of severe accidents in nuclear plants. The basic version of ISAA is developed based on UO2-Zr fuel. To study the potential safety gain of ATF cladding, an improved version of ISAA, referred to as ISAA-ATF, is introduced to analyze the station blackout accident of PWR using ATF cladding. The results show that ATF cladding enable the core to maintain a longer time compared to zirconium alloy cladding, thereby enhancing the accident mitigation capability. Meanwhile, the generation of hydrogen is significantly reduced and delayed, which proves that ATF can improve the safety characteristics of the nuclear reactor.
Kim, Hyun-Gil;Yang, Jae-Ho;Kim, Weon-Ju;Koo, Yang-Hyun
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.1
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pp.1-15
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2016
For a long time, a top priority in the nuclear industry was the safe, reliable, and economic operation of light water reactors. However, the development of accident-tolerant fuel (ATF) became a hot topic in the nuclear research field after the March 2011 events at Fukushima, Japan. In Korea, innovative concepts of ATF have been developing to increase fuel safety and reliability during normal operations, operational transients, and also accident events. The microcell $UO_2$ and high-density composite pellet concepts are being developed as ATF pellets. A microcell $UO_2$ pellet is envisaged to have the enhanced retention capabilities of highly radioactive and corrosive fission products. High-density pellets are expected to be used in combination with the particular ATF cladding concepts. Two concepts-surface-modified Zr-based alloy and SiC composite material-are being developed as ATF cladding, as these innovative concepts can effectively suppress hydrogen explosions and the release of radionuclides into the environment.
Research and development (R&D) methodology for the practical use of accident tolerant fuel (ATF) in commercial light water reactors is discussed in the present review. The identification and quantification of the R&D-metrics and the attribute of candidate ATF-concepts, recognition of the gap between the present R&D status and the targeted practical use, prioritization of the R&D, and technology screening schemes are important for achieving a common understanding on technology screening process among stakeholders in the near term and in developing an efficient R&D track toward practical use. Technology readiness levels and attribute guides are considered to be proper indices for these evaluations. In the midterm, the selected ATF-concepts will be developed toward the technology readiness level-5, at which stage the performance of the prototype fuel rods and the practicality of industrial scale fuel manufacturing will be verified and validated. Regarding the screened-out concepts, which are recognized to have attractive potentials, the fundamental R&D should be continued in the midterm to find ways of addressing showstoppers.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.1
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pp.115-147
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2023
The Fukushima accident in 2011 revealed some major flaws in traditional nuclear fuel materials under accidental conditions. Thus, the focus of research has shifted toward "accident tolerant fuel" (ATF). The aim of this approach is to develop fuel material solutions that lead to improved reactor safety. The application of protective coatings on the surface of nuclear fuel cladding has been proposed as a near-term solution within the ATF framework. Many coating materials are being developed and evaluated. In this article, an overview of different zirconium-based alloys currently in use in the nuclear industry is provided, and their performances in normal and accidental conditions are discussed. Coating materials proposed by different institutions and organizations, their performances under different conditions simulating nuclear reactor environments are reviewed. The strengths and weaknesses of these coatings are highlighted, and the challenges addressed by different studies are summarized, providing a basis for future research. Finally, technologies and methods used to synthesize thin-film coatings are outlined.
There has been a deep interest in trying to find better-performing fuel clad motivated by the desire to decrease the likelihood of the reactor barrier failure like what happened in Fukushima in recent years. In this study, the effect of move towards accident tolerant fuel (ATF) cladding as the most attracting concept for improving reactor safety is investigated for SMART modular reactor. These reactors have less production cost, short construction time, better safety and higher power density. The SiC and FeCrAl materials are considered as the most potential candidate for ATF cladding, and the results are compared with Zircaloy cladding material from reactor physics point of view. In this paper, the calculations are performed by generating PMAX library by DRAGON lattice physics code to be used for further reactor core analysis by PARCS code. The differential and integral worth of control and safety rods, reactivity coefficient, power and temperature distributions, and boric acid concentration during the cycle are analyzed and compared from the conventional fuel cladding. The rod ejection accident (REA) is also performed to study how the power changed in response to presence of the ATF cladding in the reactor core. The key quantitative finding can be summarized as: 20 ℃ (3%) decrease in average fuel temperature, 33 pcm (3%) increase in integral rod worth and cycle length, 1.26 pcm/℃ (50%) and 1.05 pcm/℃ (16%) increase in reactivity coefficient of fuel and moderator, respectively.
In this study, we investigated the possibility of employing accident tolerant fuel (ATF) in VVER-1200/V491 assembly without gadolinium-containing fuel rods using the Monte Carlo code Serpent 1.1.7 with ENDF/B-VII cross-section library. The analysis involves assembly design with reflective boundary conditions. To compare the neutronic performances, U-5Mo, U-7.5Mo, U-10Mo, and U-15Mo fuels were chosen in addition to ordinary UO2 fuel. The concentration of 135Xe, 149Sm, fissile and fertile isotopes with burnup, reactivity feedback with fuel temperature variation, and β eff values were calculated. The results indicate that the fuel cycle length increases by 54.27% for U-5Mo, 32.6% for U-7.5Mo, and 13.8% for U-10Mo, while it decreases by 16.4% for U-15Mo fuel. Additionally, the effect of 95Mo content in natural Mo was investigated by reducing the 95Mo concentration. According to the results, each proposed fuel's fuel cycle length extended when the depletion ratio of 95Mo increased. Additionally, the calculations for reactivity feedback guarantee safe operating conditions for all U-xMo fuels.
Kim, Sung Eun;Lee, Young-Ho;Kim, Dae Ho;Kim, Hyun-Gil
Tribology and Lubricants
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v.38
no.4
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pp.136-142
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2022
This paper investigates the enhanced wear performance of a CrAl coated accident tolerant fuel (ATF) cladding. In the wake of the Fukushima accident, extensive research on ATF with respect to improving the oxidation resistance of cladding materials is ongoing. Since coated Zr claddings can be applied without major changes to the criteria for reactor core design, many researchers are studying coatings for claddings. To improve the quality of the CrAl coating layer, optimization of the manufacturing process is imperative. This study employs arc ion plating to obtain improved CrAl coated claddings using CrAl binary alloy targets through an improved coating method. Surface roughness and adhesion are improved, and droplets are reduced. Furthermore, the coated layer has a dense and fine microstructure. In scratch tests, all the tested CrAl coated claddings exhibit a superior resistance compared to the Zr cladding. In a fretting wear test, the wear volume of the CrAl coated claddings is smaller compared to the Zr cladding. Furthermore, the coated cladding manufactured through the improved process exhibits better wear resistance than other CrAl coated claddings. Based on these results, we suggest that fine microstructure is attributed to a mechanically and microstructurally robust CrAl coating layer, which enhances wear resistance.
In severe loss of coolant accidents (LOCA), similar to those experienced at Fukushima Daiichi and Three Mile Island Unit 1, the zirconiumalloy fuel claddingmaterials are rapidlyheateddue to nuclear decay heating and rapid exothermic oxidation of zirconium with steam. This heating causes the cladding to rapidly react with steam, lose strength, burst or collapse, and generate large quantities of hydrogen gas. Although maintaining core cooling remains the highest priority in accident management, an accident tolerant fuel (ATF) design may extend coping and recovery time for operators to restore emergency power, and cooling, and achieve safe shutdown. An ATF is required to possess high resistance to steam oxidation to reduce hydrogen generation and sufficient mechanical strength to maintain fuel rod integrity and core coolability. The initiative undertaken by Electric Power Research Institute (EPRI) is to demonstrate the feasibility of developing an ATF cladding with capability to maintain its integrity in $1,200-1,500^{\circ}C$ steam for at least 24 hours. This ATF cladding utilizes thin-walled Mo-alloys coated with oxidation-resistant surface layers. The basic design consists of a thin-walled Mo alloy structural tube with a metallurgically bonded, oxidation-resistant outer layer. Two options are being investigated: a commercially available iron, chromium, and aluminum alloy with excellent high temperature oxidation resistance, and a Zr alloy with demonstratedcorrosionresistance.Asthese composite claddings will incorporate either no Zr, or thin Zr outer layers, hydrogen generation under severe LOCA conditions will be greatly reduced. Key technical challenges and uncertainties specific to Moalloy fuel cladding include: economic core design, industrial scale fabricability, radiation embrittlement, and corrosion and oxidation resistance during normal operation, transients, and severe accidents. Progress in each aspect has been made and key results are discussed in this document. In addition to assisting plants in meeting Light Water Reactor (LWR) challenges, accident-tolerant Mo-based cladding technologies are expected to be applicable for use in high-temperature helium and molten salt reactor designs, as well as nonnuclear high temperature applications.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.33
no.4
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pp.279-286
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2016
To enhance the safety of nuclear reactors after the Fukushima accident, researchers are developing various types of accident tolerant fuel (ATF) to increase the coping time and reduce the generation of hydrogen by oxidation. Coated cladding, an ATF concept, can be a promising technology in view of its commercialization. We applied 3D printing technology to the fabrication of coated cladding as well as of coated pellets. Direct metal tooling (DMT) in 3D printing technologies can create a coated layer on the tubular cladding surface, which maintains stability during corrosion, creep, and wear in the reactor. A 3D laser coating apparatus was built, and parameter studies were carried out. To coat pellets with erbium using this apparatus, we undertook preliminary experiments involving metal pellets. The adhesion test showed that the coated layer can be maintained at near fracture strength.
Jeon, Sang-Chae;Kim, Dong-Joo;Kim, Dong Seok;Kim, Keon Sik;Kim, Jong Hun
Journal of Powder Materials
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v.27
no.2
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pp.119-125
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2020
One of the promising candidates for accident-tolerant fuel (ATF), a ceramic microcell fuel, which can be distinguished by an unusual cell-like microstructure (UO2 grain cell surrounded by a doped oxide cell wall), is being developed. This study deals with the microstructural observation of the constituent phases and the wetting behaviors of the cell wall materials in three kinds of ceramic microcell UO2 pellets: Si-Ti-O (STO), Si-Cr-O (SCO), and Al-Si-Ti-O (ASTO). The chemical and physical states of the cell wall materials are estimated by HSC Chemistry and confirmed by experiment to be mixtures of Si-O and Ti-O for the STO; Si-O and Cr-O for SCO; and Si-O, Ti-O, and Al-Si-O for the ASTO. From their morphology at triple junctions, UO2 grains appear to be wet by the Si-O or Al-Si-O rather than other oxides, providing a benefit on the capture-ability of the ceramic microcell cell wall. The wetting behavior can be explained by the relationships between the interface energy and the contact angle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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