Calculation of the core neutronic parameters is one of the key components in all nuclear reactors. In this research, the energy spectrum and spatial distribution of the neutron flux in a uranium target have been calculated. In addition, sensitivity of the core neutronic parameters in accelerator-driven subcritical advanced liquid metal reactors, such as electron beam energy ($E_e$) and source multiplication coefficient ($k_s$), has been investigated. A Monte Carlo code (MCNPX_2.6) has been used to calculate neutronic parameters such as effective multiplication coefficient ($k_{eff}$), net neutron multiplication (M), neutron yield ($Y_{n/e}$), energy constant gain ($G_0$), energy gain (G), importance of neutron source (${\varphi}^*$), axial and radial distributions of neutron flux, and power peaking factor ($P_{max}/P_{ave}$) in two axial and radial directions of the reactor core for four fuel loading patterns. According to the results, safety margin and accelerator current ($I_e$) have been decreased in the highest case of $k_s$, but G and ${\varphi}^*$ have increased by 88.9% and 21.6%, respectively. In addition, for LP1 loading pattern, with increasing $E_e$ from 100 MeV up to 1 GeV, $Y_{n/e}$ and G improved by 91.09% and 10.21%, and $I_e$ and $P_{acc}$ decreased by 91.05% and 10.57%, respectively. The results indicate that placement of the Np-Pu assemblies on the periphery allows for a consistent $k_{eff}$ because the Np-Pu assemblies experience less burn-up.
The free-piston Stirling engine (FPSE) has been widely used in aerospace owing to its advantages of high efficiency, high reliability, and self-starting ability. In this paper, a 20-kW FPSE is proposed by analyzing the requirements of space nuclear power reactor. A code was developed based on an improved simple analysis method to evaluate the performance of the proposed FPSE. The code is benchmarked with experimental data, and the maximum relative error of the output power is 17.1%. Numerical results show that the output power is 21 kW, which satisfies the design requirements. The results show that: a) reducing the pressure shell's thickness can improve the output power significantly; b) the system efficiency increases with the wire porosity, while the growth of system efficiency decreases when the porosity is higher than 80%, and system efficiency exhibits a linear relationship with the temperatures of the cold and hot sides; c) the system efficiency increases with the compression ratio; the compression ratio increases by 16.7% while the system efficiency increases by 42%. This study can provide valuable theoretical support for the design and analysis of FPSEs for space nuclear power reactors.
This work deals with the assessment of the burnup capabilities of the Serpent Monte Carlo code to predict spent nuclear fuel (SNF) isotopic concentrations for low-enriched uranium (LEU) fuel at different burnup levels up to 47 MWd/kgU. The irradiation of six UO2 experimental samples in three different VVER-1000 reactor units has been simulated and the predicted concentrations of actinides up to 244Cm have been compared with the corresponding measured values. The results show a global good agreement between calculated and experimental concentrations, in several cases within the margins of the nuclear data uncertainties and in a few cases even within the reported experimental uncertainties. The differences in the performances of the JEFF3.1.1, ENDF/B-VII.1 and ENDF/B-VIII.0 nuclear data libraries (NDLs) have also been assessed and the use of the newly released ENDF/B-VIII.0 library has shown an increased accuracy in the prediction of the C/E's for some of the actinides considered, particularly for the plutonium isotopes. This work represents a step forward towards the validation of advanced simulation tools against post irradiation experimental data and the obtained results provide an evidence of the capabilities of the Serpent Monte-Carlo code with the associated modern NDLs to accurately compute SNF nuclide inventory concentrations for VVER-1000 type reactors.
Heo, Jin Young;Park, Jung Hwan;Chae, Yong Jae;Oh, Seung Hwan;Lee, So Young;Lee, Ju Yeon;Gnanapragasam, Nirmal;Lee, Jeong Ik
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.8
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pp.2427-2444
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2021
The lack of plant-side energy storage analysis to support nuclear power plants (NPP), has setup this research endeavor to understand the characteristics and role of specific storage technologies and the integration to an NPP. The paper provides a qualitative review of a wide range of configurations for integrating the energy storage system (ESS) to an operating NPP with pressurized water reactor (PWR). The role of ESS technologies most suitable for large-scale storage are evaluated, including thermal energy storage, compressed gas energy storage, and liquid air energy storage. The methods of integration to the NPP steam cycle are introduced and categorized as electrical, mechanical, and thermal, with a review on developments in the integration of ESS with an operating PWR. By adopting simplified off-design modeling for the steam turbines and heat exchangers, the results show the performance of the PWR steam cycle changes with respect to steam bypass rate for thermal and mechanical storage integration options. Analysis of the integrated system characteristics of proposed concepts for three different ESS suggests that certain storage technologies could support steady operation of an NPP. After having reviewed what have been accomplished through the years, the research team presents a list of possible future works.
In advanced nuclear reactors, the passive containment cooling has been suggested to enhance the safety. The passive cooling has two mechanisms, air natural convection and oater cooling with evaporation. To confirm the coolability of PCCS, many works have been performed experimentally and numerically. In this study, the water cooling test was performed to obtain the evaporative heat transfer coefficients in a scaled don segment type PCCS facility which have same configuration with AP600 prototype containment. Air-steam mixture temperature and velocity, relative humidity and well heat flux are measured. The local steam mass flow rates through the vertical plate part of the facility are calculated from the measured data to obtain evaporative heat transfer coefficients. The measured evaporative heat transfer coefficients are compared with an analytical model which use a mass transfer coefficients. From the comparison, the predicted coefficients show good agreement with experimental data however, some discrepancies exist when the effect of wave motion is not considered. Finally, a new correlation on evaporative heat transfer coefficients are developed using the experimental values.
Often, probabilistic fracture mechanics (PFM) approaches have been adopted to quantify the failure probabilities of Ni-base alloy components, especially due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC), in a primary piping system of pressurized water reactors. In this paper, the key features of an advanced PFM code, PINEP-PWSCC (Probabilistic INtegrity Evaluation for nuclear Piping-PWSCC) for such purpose, are described. In developing the code, we adopted most recent research results and advanced models in calculation modules such as PWSCC crack initiation and growth models, a performance-based probability of detection (POD) model for Ni-base alloy welds, and so on. To verify the code, the failure probabilities for various Alloy 182 welds locations were evaluated and compared with field experience and other PFM codes. Finally, the effects of pre-existing crack, weld repair, and POD models on failure probability were evaluated to demonstrate the applicability of PINEP-PWSCC.
Jet impinging device is designed for decay heat removal on horizontal fuel rods in a low temperature heating reactor. An experimental system with a fuel rod simulator is established and experiments are performed to evaluate water film covering capacity, within 0.0287-0.0444 kg/ms mass flow rate, 0-164.1 kW/m2 heating flux and 13.8-91.4℃ feeding water temperature. An effective method to obtain the film coverage rate by infrared equipment is proposed. Water film flowing patterns are recoded and the film coverage rates at different circumference angles are measured. It is found the film coverage rate decreases with heating flux during single-phase convection, while increases after onset of nucleate boiling. Besides, film coverage rate is found affected by Marangoni effect and film accelerating effect, and surface wetting is significantly facilitated by bubble behavior. Based on the observed phenomenon and physical mechanism, dry-out depth and initial dry-out rate are proposed to evaluate film covering potential on a heating surface. A model to predict film coverage rate is proposed based on the data. The findings would have reliable guide and important implications for further evaluation and design of decay heat removal system of new reactors, and could be helpful for passive containment cooling research.
An advanced nuclear reactor based on molten salts including a molten salt reactor and pyroprocessing needs a sensitive monitoring system suitable for operation in harsh environments with limited access. Multi-element detection is challenging with the conventional technologies that are compatible with the in-situ operation; hence laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been investigated as a potential alternative. However, limited precision is a chronic problem with LIBS. We increased the precision of LIBS under high temperature by protecting optics using a gas protective layer and correcting for shotto-shot variance and lens-to-sample distance using a laser-induced acoustic signal. This study investigates cerium as a surrogate for uranium and corrosion products for simulating corrosive environments in LiCl-KCl. While the un-corrected limit of detection (LOD) range is 425-513 ppm, the acoustic-corrected LOD range is 360-397 ppm. The typical cerium concentrations in pyroprocessing are about two orders of magnitude higher than the LOD found in this study. A LIBS monitoring system that adopts these methods could have a significant impact on the ability to monitor and provide early detection of the transient behavior of salt composition in advanced molten salt-based nuclear reactors.
Background: Steam generator (SG) is one of the significant components in the nuclear steam supply system. A variety of SGs have been designed and used in nuclear reactor systems. Every SG has advantages and disadvantages. A brief account of some of the existing SG designs is presented in this study. A high surface to volume ratio of a SG is required in small modular reactors to occupy the least space. In this paper, performance improvement for SGs of integral small modular reactor is proposed. Aims/Methods: For this purpose, cross-grooved microfins have been incorporated on the inner surface of the helical tube to enhance heat transfer. The primary objective of this work is to investigate thermal-hydraulic behavior of the proposed improvements through modeling in RELAP5-3D. Results and Conclusions: The results are compared with helical-coiled SGs being used in IRIS (International Reactor Innovative and Secure). The results show that the tube length reduces up to 11.56% keeping thermal and hydraulic conditions fixed. In the case of fixed size, the steam outlet temperature increases from 590.1 K to 597.0 K and the capability of power transfer from primary to secondary also increases. However, these advantages are associated with some extra pressure drop, which has to be compensated.
A novel fully passive small modular superheated water reactor (SWR) for underwater deployment is designed to produce 160 MWe with steam at $500^{\circ}C$ to increase the thermodynamic efficiency compared with standard light water reactors. The SWR design is based on a conceptual 400-MWe integral SWR using the internally and externally cooled annular fuel (IXAF). The coolant boils in the external channels throughout the core to approximately the same quality as a conventional boiling water reactor and then the steam, instead of exiting the reactor pressure vessel, turns around and flows downward in the central channel of some IXAF fuel rods within each assembly and then flows upward through the rest of the IXAF pins in the assembly and exits the reactor pressure vessel as superheated steam. In this study, new cladding material to withstand high temperature steam in addition to the fuel mechanical and safety behavior is investigated. The steam temperature was found to depend on the thermal and mechanical characteristics of the fuel. The SWR showed a very different transient behavior compared with a boiling water reactor. The inter-play between the inner and outer channels of the IXAF was mainly beneficial except in the case of sudden reactivity insertion transients where additional control consideration is required.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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