Due to excess reactivity, fresh nuclear fuel often contains burnable poisons. This research looks at six different burnable poisons and their impacts on reactivity, material attractiveness, and waste management. An MCNP simulation of a PWR fuel pin was performed with a fuel burnup of 60 GWd/MTHM to determine when each burnable poison fuel type would decrease below a k∞ of 1. For determining the plutonium material attractiveness in each burnable poison fuel type, the plutonium isotopic content of the used fuel was evaluated using Bathke's Figure of Merit formula. For the waste management analysis, the thermal output of each burnable poison fuel type was determined through ORIGEN decay simulations at 100 and 300 years after being discharged from the core. The performance of all six burnable poisons varied over the three criteria considered and no single burnable poison performed best in all three considerations.
A defect model for UO$_2$ fuel containing soluble fission products was devised based on the defect structure of pure and doped uranias. Using the equilibrium between fuel solid-solution and fission-products and the material balance within the fuel, a tracing method to get the stoichiometry change of urania fuel with burnup was made. This tracing method was applied to high burnup urania fuel and DUPIC fuel. The oxygen potential of urania fuel turned out to increase slightly with burnup. The stoichiometry change was calculated to be negligible due to the buffering role f Mo. The oxygen potential of DUPIC fuel out to be sensitive to the initial chemical state of Mo in the fuel.
The results of process development for the blending of waste salt from the electrorefining of spent fuel with zeolite-A are presented. This blending is a key step in the ceramic waste process being used for treatment of EBR-II spent fuel and is accomplished using a high-temperature v-blender. A labscale system was used with non-radioactive surrogate salts to determine optimal particle size distributions and time at temperature. An engineering-scale system was then installed in the Hot Fuel Examination Facility hot cell and used to demonstrate blending of actual electrorefiner salt with zeolite. In those tests, it was shown that the results are still favorable with actinide-loaded salt and that batch size of this v-blender could be increased to a level consistent with efficient production operations for EBR-II spent fuel treatment. One technical challenge that remains for this technology is to mitigate the problem of material retention in the v-blender due to formation of caked patches of salt/zeolite on the inner v-blender walls.
Kim, Daejong;Ko, Myoungjin;Lee, Hyeon-Geun;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.51
no.5
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pp.453-458
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2014
SiC and its composites have been considered for use as nuclear fuel cladding materials of pressurized light water reactors. In this study, a $SiC_f$/SiC composite as a constituent layer of SiC triplex fuel cladding was fabricated using a chemical vapor infiltration (CVI) process in which tubular SiC fiber preforms were prepared using a filament winding method. To enhance the matrix density of the composite layer, winding patterns, deposition temperature, and gas input ratio were controlled. Fiber arrangement and porosity were the main parameters influencing densification behaviors. Final density of the composites decreased as the SiC fiber volume fraction increased. The CVI process was optimized to densify the tubular preforms with high fiber volume fraction at a high $H_2$/MTS ratio of 20 at $1000^{\circ}C$; in this process, surface canning of the composites was effectively retarded.
$UO_2$ microsphere particles, core material of HTGR(High Temperature Gas Reactor) nuclear fuel, were prepared using by the GSP(Gel Supported Precipitation) method which is a modified-method of the wet sol-gel process. The spherical shape of initial liquid ADU droplets from the vibration nozzle system was continuously kept till the conversion to the final $UO_2$ microsphere. But the size of a final $UO_2$ microsphere was shrunken to about 25% of an initial ADU droplet size. Also, we found that the composition of dried-ADU gel particles was constituted of the very complicated phases, coexisted the U=O, C-H, N-H, N-O, and O-H functional groups by FT-IR. The important factors for obtain the no-crack $UO_2$ microsphere during the thermal treatment processes must perfectly wash out the remained-$NH_4NO_3$ within the ADU gel particle in washing process and the selections of an appropriate heating rate at a suitable gas atmosphere, during the calcining of ADU gel particles, the reducing of $UO_3$ particles, and the sintering of $UO_2$ particles, respectively.
In this work, new multi-recycling options of TRU nuclides using PWR fuel assemblies comprised of MOX and FCM (Fully Ceramic Micro Encapsulated) fuels are suggested and neutronically analyzed. These options do not use a fully recycling of TRU but a partial recycling where TRUs from MOX fuels are recycled while the ones from FCM fuels are not recycled due to their high consumption rate resulted from high burnup. In particular, additional external TRU feed in MOX fuels for each cycle was considered to significantly increase the TRU consumption rate and the finally selected option is to use external TRU and enriched uranium feed as a makeup for the heavy metal consumption in MOX fuels. This hybrid external feeding of TRU and enriched uranium in MOX fuel was shown to be very effective in significantly increasing TRU consumption rate, maintaining long cycle length, and achieving negative void reactivity worth during recycling.
In this study, first the ADU gel particle, an intermediate for final $UO_2$ kernel of a HTGR nuclear fuel, was prepared from sol-gel method using the broth solution which was made by mixing of the uranyl nitrate, poly vinyl alcohol and tetra-hydrofurfuryl alcohol. The prepared dried-ADU gel particles were converted to the $UO_2\;via\;UO_3$ from thermal treatment with the 4% $H_2$ atmosphere. The sizes of the spherical liquid droplets appeared $1900{\sim}2100{\mu}m$, and the harmony between the flow rate of the broth solution and the frequency and the amplitude of a vibrating system are important factors for the spherical ADU gel particles via the mono size spherical droplets. From the XRD and FT-IR analyses, the prepared ADU gel particles were judged to be a $UO_3{\cdot}xNH_3{\cdot}yH_2O$ form, and the most important factor during the thermal treatment of the dried-ADU gel particle must be avoided a rapidly heating rate in the range of $180{\sim}400^{\circ}C$, and the heating rate should be kept below $5^{\circ}C/min$.
Kim, Sun-Ki;Bang, Je-Geon;Kim, Dae-Ho;Lim, Ik-Sung;Yang, Yong-Sik;Song, Kun-Woo
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.47
no.2
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pp.106-112
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2010
This paper presents some experimental results on incubation time for massive hydriding of Zr alloys with oxide thickness. Oxide effects experiments on massive hydriding reaction of commercial Zr alloy claddings and pre-oxidized Zr alloys with hydrogen gas were carried out in the temperature range from 300 to $400^{\circ}C$ with thermo-gravimetric apparatus. Experimental results for oxide effects on massive hydriding kinetics show that incubation time is not proportional to oxide thickness and that the massive hydriding kinetics of pre-filmed Zr alloys follows linear kinetic law and the hydriding rate are similar to that of oxide-free Zr alloys once massive hydriding is initiated. There was a difference in micro-structures between oxide during incubation time and oxide after incubation time. Physical defects such as micro-cracks and pores were observed in only oxide after incubation time. Therefore, the massive hydriding of Zr alloys seems to be ascribed to short circuit path, mechacical or physical defects, such as micro-cracks and pores in the oxide rather than hydrogen diffusion through the oxide resulting from the increase of oxygen vacancies in the hypostoichiometric oxide.
Lee, Hyeon-Geun;Kim, Daejong;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.51
no.5
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pp.435-441
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2014
Silicon carbide-based ceramics and their composites have been studied for application to fusion and advanced fission energy systems. For fission reactors, $SiC_f$/SiC composites can be applied to core structural materials. Multilayered SiC composite fuel cladding, owing to its superior high temperature strength and low hydrogen generation under severe accident conditions, is a candidate for the replacement of zirconium alloy cladding. The SiC composite cladding has to retain its mechanical properties and original structure under the inner pressure caused by fission products; as such it can be applied as a cladding in fission reactor. A hoop strength test using an expandable polyurethane plug was designed in order to evaluate the mechanical properties of the fuel cladding. In this paper, a hoop strength test of the multilayered SiC composite tube for nuclear fuel cladding was simulated using FEA. The stress caused by the plug was distributed nonuniformly because of the friction coefficient difference between the inner surface of the tube and the plug. Hoop stress and shear stress at the tube was evaluated and the relationship between the concentrated stress at the inner layer of the tube and the fracture behavior of the tube was investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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