Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.4
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pp.427-438
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2023
Thermodynamic sorption modeling can enhance confidence in assessing and demonstrating the radionuclide sorption phenomena onto various mineral adsorbents. In this work, Ca-montmorillonite was successfully purified from Bentonil-WRK bentonite by performing the sequential physical and chemical treatments, and its geochemical properties were characterized using X-ray diffraction, Brunauer-Emmett-Teller analysis, cesium-saturation method, and controlled continuous acid-base titration. Further, batch experiments were conducted to evaluate the adsorption properties of Cs(I) and Sr(II) onto the homoionic Ca-montmorillonite under ambient conditions, and the diffuse double layer model-based inverse analysis of sorption data was performed to establish the relevant surface reaction models and obtain corresponding thermodynamic constants. Two types of surface reactions were identified as responsible for the sorption of Cs(I) and Sr(II) onto Ca-montmorillonite: cation exchange at interlayer site and complexation with edge silanol functionality. The thermodynamic sorption modeling provides acceptable representations of the experimental data, and the species distributions calculated using the resulting reaction constants accounts for the predominance of cation exchange mechanism of Cs(I) and Sr(II) under the ambient aqueous conditions. The surface complexation of cationic fission products with silanol group slightly facilitates their sorption at pH > 8.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.4
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pp.451-463
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2023
With South Korea increasingly focusing on nuclear energy, the management of spent nuclear fuel has attracted considerable attention in South Korea. This study established a novel procedure for selecting safety-relevant radionuclides for long-term safety assessments of a deep geological repository in South Korea. Statistical evaluations were performed to identify the design basis reference spent nuclear fuels and evaluate the source term for up to one million years. Safety-relevant radionuclides were determined based on the half-life criteria, the projected activities for the design basis reference spent nuclear fuel, and the annual limit of ingestion set by the Nuclear Safety and Security Commission Notification No. 2019-10 without considering their chemical and hydrogeological properties. The proposed process was used to select 56 radionuclides, comprising 27 fission and activation products and 29 actinide nuclides. This study explains first the determination of the design basis reference spent nuclear fuels, followed by a comprehensive discussion on the selection criteria and methodology for safety-relevant radionuclides.
Won Jun Choi;Jae Hyung Park;Juhyeong Lee;Jihun Im;Yunsik Cho;Yonghee Kim;Sung Joong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.3
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pp.1002-1012
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2024
To remove insoluble fission products, which could possibly cause reactor instability and significantly reduce heat transfer efficiency from primary system of molten salt reactor, a helium bubbling method is employed into a passive molten salt fast reactor. In this regard, two-phase flow behavior of molten salt and helium bubbles was investigated experimentally because the helium bubbles highly affect the circulation performance of working fluid owing to an additional drag force. As the helium flow rate is controlled, the change of key thermal-hydraulic parameters was analyzed through a two-phase experiment. Simultaneously, to assess the applicability of numerical model for the analysis of two-phase flow behavior, the numerical calculation was performed using the OpenFOAM 9.0 code. The accuracy of the numerical analysis code was evaluated by comparing it with the experimental data. Generally, numerical results showed a good agreement with the experiment. However, at the high helium injection rates, the prediction capability for void fraction of helium bubbles was relatively low. This study suggests that the multiphaseEulerFoam solver in OpenFOAM code is effective for predicting the helium bubbling but there exists a room for further improvement by incorporating the appropriate drag flux model and the population balance equation.
An improved mitigation system for thermally-induced steam generator tube rupture accidents was introduced to prevent direct environmental release of fission products bypassing the containment in the OPR1000. This involves injecting bypassed steam into the containment, cooling, and decontaminating it using a water coolant tank. To evaluate its performance, a severe accident analysis was performed using the MELCOR 2.2 code for OPR1000. Simulation results show that the proposed system sufficiently prevented the release of radioactive nuclides (RNs) into the environment via containment injection. The pool scrubbing system effectively decontaminated the injected RN and consequently reduced the aerosol mass in the containment atmosphere. However, the decay heat of the collected RNs causes re-vaporization. To restrict the re-vaporization, an external water source was considered, where the decontamination performance was significantly improved, and the RNs were effectively isolated. However, due to the continuous evaporation of the feed water caused by decay heat, a substantial amount of steam is released into the containment. Despite the slight pressurization inside the containment by the injected and evaporated steam, the steam decreased the hydrogen mole fraction, thereby reducing the possibility of ignition.
One of the issues in the development of the sodium-cooled fast reactor (SFR) using transuranic (TRU) metallic fuel is the absence of criticality benchmark experiment that faithfully mocks up the nuclear characteristics of the target design for validation of the reactor core design code and its uncertainty quantification (UQ). This study aims to quantify the criticality uncertainty of a typical TRU burner with metallic fuel by using the standard upper safety limit (USL) estimation framework based on the similarity analysis of existing benchmark experiments but elaborated in two aspects:1) application of two-sided rather than one-sided tolerance interval and 2) inclusion of additional uncertainty to account for fission products and minor actinides not included in the benchmark experiments. To conduct the similarity analysis and evaluate the nuclear-data induced uncertainty, existing, well-verified computing codes were integrated, including the nuclear data sampling code SANDY, the nuclear data processing code NJOY, and the continuous-energy Monte Carlo code McCARD. Finally, using the SFR benchmark database comprising both publicly available and proprietary benchmark experiments, the criticality uncertainty of the TRU core model with metallic fuel was evaluated.
Kim, Hee-Geun;Kong, Tae-Young;Jeong, Woo-Tae;Kim, Seok-Tae
Journal of Radiation Protection and Research
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v.35
no.1
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pp.12-20
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2010
In a primary system at nuclear power plants (NPPs), various radionuclides including fission products and corrosion products are generated due to the complex water conditions. Particularly, $^3H,\;^{14}C,\;^{58}Co,\;^{60}Co,\;^{137}Cs,\;and^{131}I$ are important radionuclides in respect of dose assessment for radiation workers and management of radioactive effluents. In this paper, the dominant contributors of radiation exposure for radiation workers and the member of public adjacent to NPPs were reviewed and the process of dose assessment attributable to those contributors were introduced. Furthermore, the analysis for some examples of radiation exposure to radiation workers and the public during the NPP operation was carried out. This analysis included the notable precedents of internal radiation exposure and contamination of demineralized water occurred in Korean NPPs. Particularly, the potential issue about the dose assessment of tritium and carbon-14 was also reviewed in this paper.
Metal waste generated from the pyroprocessing of 10 MtU of spent fuel was classified by comparing the specific activity of a relevant radionuclide with the limit value of the specific activity specified in the Korean acceptance criteria for a lowand intermediate-level waste repository. A Korean Optimized Fuel Assembly design with a 17${\times}$17 array, an initial enrichment of 4.5 weight-percent, discharge burn-up of 55 GWD/MtU, and a 10-year cooling time was considered. Initially, the mass and volume of each structural component of the assembly were calculated in detail, and a source term analysis was subsequently performed using ORIGEN-S for these components. An activation cross-section library generated by the KENO-VI/ORIGEN-S module was utilized for top-end and bottom-end pieces. As a result, an Inconel grid plate, a SUS plenum spring, a SUS guide tube subpart, SUS top-end and bottom-end pieces, and an Inconel top-end leaf spring were determined to be unacceptable for the Gyeongju low- and intermediate-level waste repository, as these waste products exceeded the acceptance criteria. In contrast, a Zircaloy grid plate and guide tube can be placed in the Gyeongju repository. Non-contaminated Zircaloy cladding occupying 76% of the metal waste was found to have a lower level of specific activity than the limit value. However, Zircaloy cladding contaminated by fission products and actinides during the decladding process of pyroprocessing was revealed to have 52 and 2 times higher specific activity levels than the limit values for alpha and $^{90}Sr$, respectively. Finally, it was found that 88.7% of the metal waste from the 17${\times}$17 Korean Optimized Fuel Assembly design should be disposed of in a deep geological repository. Therefore, it can be summarized that separation technology with a higher decontamination factor for transuranics and strontium should be developed for the efficient management of metal waste resulting from pyroprocessing.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.3
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pp.249-257
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2015
A fuel assembly consists of fuel rods composed of pellets (UO2) and a cladding tube (Zircaloy). The role of the fuel rods in the reactor is to generate heat by nuclear fission, as well as to retain fission products during operation. A simulation method using a computer program was used to evaluate the safety of the nuclear fuel rods. This computer program has been called the fuel performance code. In the analysis of a light water reactor fuel rod, the gap conductance, which depended on the distance between the pellets and cladding tube, mainly influenced the thermomechanical behavior of the fuel rod. In this work, a 3D gap element was proposed to simulate the thermo-mechanical behavior of the nuclear fuel rod, considering the gap conductance. To implement the proposed 3D gap element, a 3D thermo-mechanical module was also developed using FORTRAN90. The asymmetric characteristics of the nuclear fuel rod, such as the MPS (missing pellet surface) and eccentricity, were simulated to evaluate the proposed 3D gap element.
Oxygen to metal ratio has been measured by wet and dry chemical analysis to study the properties of sintered $UO_2$ pellets and $U_3O_8$ in the lithium reduction process of spent pressurized water reactor fuels. Uranium dioxide pellets simulated for the spent PWR fuels with burnup values of 20,000~60,000 MWd/MtU were prepared by mixing $UO_2$ powder and oxides of fission product elements, pelleting the powder mixture and sintering it at $1,700^{\circ}C$ under a hydrogen atmosphere. For wet chemical analysis, the simulated spent fuels were dissolved with mixed acid (10 M HCl : 8 M $HNO_3$, 2.5 : 1, v/v) using acid digestion bomb technique. The total amount of uranium and fission products added in the simulated spent fuels were measured using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Weight change of the simulated fuel during its oxydation was measured by thermogravimetry and then the O/M ratio result was compared to that obtained by wet chemical analysis. Influence of $Mo_{0.4}-Ru_{0.4}-Rh_{0.1}-Pd_{0.1}$, quaternary alloy, on the determination of O/M ratio was investigated.
Kim, Do-Yang;Pyo, Hyung-Yeal;Park, Yong-Joon;Park, Yang-Soon;Kim, Won-Ho
Analytical Science and Technology
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v.13
no.3
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pp.309-314
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2000
The quantitative analysis of various trace metals including fission products in lithium molten salts has been performed using a inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES). The spectral interferences of lithium content, 500, 1,000 and 2,000 mg/L, in the sample solution were investigated using an optimum wavelength for the respective metal species. As a result, the line intensities for Y, Nd, Sr, and La had no influences from the lithium content up to 2,000 mg/L, while Mo, Ba, Ru, Pd, Rh, Zr and Ce showed spectral interferences of 10% to 50%. The group separation of metals from lithium in the molten salts solution was carried out by adding ammonia water into the solution. The recovery of Ru, Y, Rh, Zr, Nd, Ce, La and Eu was found to be over 90%, while Mo, Ba, Pd, and Sr provided low recovery percentages.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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