To improve the heat transfer efficiency of the reactor fuel assembly, it is necessary to accurately calculate the two-phase flow boiling characteristics and the critical heat flux (CHF) in the fuel assembly. In this paper, a Eulerian two-fluid model combined with the extended wall boiling model was used to numerically simulate the 5 × 5 fuel rod bundle with spacer grids (four sets of mixing vane grids and four sets of simple support grids without mixing vanes). We calculated and analyzed 11 experimental conditions under different pressure, inlet temperature, and mass flux. After comparing the CHF and the location of departure from the nucleate boiling obtained by the numerical simulation with the experimental results, we confirmed the reliability of computational fluid dynamic analysis for the prediction of the CHF of the rod bundle and the boiling characteristics of the two-phase flow. Subsequently, we analyzed the influence of the spacer grid and mixing vanes on the void fraction, liquid temperature, and secondary flow distribution. The research in this article provides theoretical support for the design of fuel assemblies.
Kim, Soojong;Lee, Jungpyo;Kim, Gihun;Cho, Jungtae;Kim, Hakchul;Woo, Kyoungjin;Moon, Heejang;Sung, Hong-Gye;Kim, Jin-Kon
Journal of Aerospace System Engineering
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v.2
no.4
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pp.1-6
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2008
In generally, the regression rate was expressed with average value and oxidizer mass flux in hybrid propulsion system. This can not represent the local value of regression rate along with oxidizer flow direction. In this study, experimental studies were performed with Separation method and Cutting method for measure local regression rate. In axial injection, the local regression rate decreases rapidly with axial location near entrance and increases with axial direction from the leading edge and the empirical formula for local regression rate with function of oxidizer mass flux and location was derived. Swirl injection regression rate has higher value at the leading edge of the fuel and comparatively uniform regression rate at the downstream. Overall regression rate of swirl injection is higher increased about 54 % than regression rate of axial injection.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.791-796
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2017
In this study, the combustion characteristics of paraffin blended fuel on aluminum particle size were investigated. The combustion experiments were carried out using aluminum particles with an average particle size of 100 nm and $8{\mu}m$ and microcrystalline paraffin wax (Sasol 0907). A series of comparison was conducted on the regression rate, the pressure curve and the characteristic velocity of pure paraffin and paraffin blended fuels with aluminum particles. It was found that the micro-sized particles enhance the regression rate as the oxidizer mass flux increased. However, the nano-sized particles decrease the regression rate as the oxidizer mass flux is increased.
Kim Jong-Gyu;Lee Kwang-Jin;Seo Seong-Hyeon;Han Yeoung-Min;Choi Hwan-Seok;Cho Won-Kook
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2005.11a
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pp.346-350
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2005
Effects of the changes of a film cooling mass flow rate and operating conditions on the heat flux characteristics of the subscale calorimeter were studied. A film cooling ring with twelve orifices is inserted between the injector head and the calorimeter. The calorimeter is composed of nineteen cooling channels. When a mass flow rate of film cooling is 10.5 % of a main fuel mass flow rate, maximum heat flux at the nozzle throat is decreased by 30% compared to that without film cooling. In the OD3(of-design point) test result, maximum heat flux at the nozzle throat is increased by 31% compared to that of the DP(design point) test when a film cooling flow rate is zero.
In a SCWR (SuperCritical pressure Water cooled Reactor), the coolant temperature initially at below the pseudo-critical temperature at the bottom of a reactor core increases as the coolant flows upward through the sub-channels of the fuel assemblies, and it finally becomes higher than the pseudo-critical temperature when it leaves the reactor core. At certain conditions, heat transfer deterioration occurs near the pseudo-critical temperature and it may cause a drastic rise of the fuel surface temperature resulting a fuel failure. Therefore, an accurate estimation of the heat transfer coefficient is very important for the thermal-hydraulic design of a reactor core. An experiment on heat transfer to the vertically upward flowing $CO_2$ at a supercritical pressure in a circular tube were performed at KAERI. The internal diameter of the test section is 6.32 mm, which corresponds to the hydraulic diameter of a sub-channel in the conceptional design proposed by KAERI. The test range of the mass flux is 285 to 1200 kg/m$^2$s and the maximum heat flux is 170 kW/m$^2$. The inlet pressure is maintained at 8.12 MPa, which is 1.1 times the critical pressure. A new correlation, which covers both the normal and deterioration heat transfer regimes was proposed and compared with the estimations by exiting correlations.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.957-967
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2017
Firing test of the fuel grain for solid fuel ramjet with additives and ignition support material was conducted. Fuel grain consist of HTPB mixed with AP particle 15 wt.%, Boron particle 5 wt.%. To cause the short ignition delay, ignition support consist of $NC/BKNO_3$ and composite propellant was coated to the fuel grain. An oxidant gas having a controlled temperature, pressure and oxygen composition close to the air condition in the ramjet combustor was supplied using the Ethanol blended $H_2O_2$ gas generator. Gas was set to flow at a mass flow rate of 150 g/s and mass flux of $200kg/m^2s$ in the grain port. Through the test, ignition support operated well and ignition delay of 0.5. During the test, stable chamber pressure with 8 bar and high combustion efficiency of 0.86 was confirmed.
In this study, a 3D model of the proton exchange membrane fuel cell is established, and a new 3D baffle structure is designed, which is combined with the parallel flow field and then optimized by numerical simulation methods. The number of baffles and the cross-sectional trapezoidal base angle are taken as the main variables, and their impacts on the performance indexes of the cathode side are analyzed. The results show that the 3D baffle can facilitate the convection and diffusion mass transfer of reactants, improve the uniformity of oxygen distribution, enhance the drainage capacity, and make the cell performance superior; however, too small angle will lead to excessive local convective mass flux, resulting in the decrease of the overall uniformity of oxygen distribution and lowering the cell performance. Among them, the optimal number of baffles and angle are 9 and 58°, respectively, which improves the net output power density by 10.8% than conventional flow field.
Kim, Jung-Suk;Jeon, Young-Shin;Park, Soon-Dal;Song, Byung-Chul;Han, Sun-Ho;Kim, Jong-Goo
Nuclear Engineering and Technology
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v.38
no.3
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pp.301-310
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2006
Destructive methods were used for the burnup determination of U-Zr alloy nuclear fuel irradiated in the High-flux Advanced Neutron Application Reactor (HANARO) at KAERI. The dissolution rate of unirradiated U-Zr alloy fuel in $HNO_3$/HF mixtures was investigated for the experimental conditions of a different temperature, and initial concentrations of HF and $HNO_3$. The irradiated U-Zr alloy fuel specimen was dissolved in a mixed acid condition of 3 M HNO3 and 1 M HF at $90^{\circ}C$ for 8 hours under reflux. The total burnup was determined from measurement of the Nd isotope burnup monitors. The method includes U, Pu, $^{148}Nd,\;^P{145}Nd+^{146}Nd,\;^{144}Nd+^{143}Nd$ and total Nd isotopes determination by the isotope dilution mass spectrometric method (IDMS) using triple spikes $(^{233}U,\;^{242}Pu\;and\;^{150}Nd)$. The effective fission yield was calculated from the weighted fission yields averaged over the irradiation period. The results are compared with that obtained by the destructive -spectrometric measurement of the $^{137}Cs$ monitor.
Journal of the Korean Society of Systems Engineering
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v.16
no.2
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pp.38-46
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2020
The accurate measurement of critical heat flux (CHF) in flow boiling is important for the safety requirement of the nuclear power plant to prevent sharp degradation of the convective heat transfer between the surface of the fuel rod cladding and the reactor coolant. In this paper, a System Engineering approach is used to develop a model that predicts the CHF using machine learning. The model is built using artificial neural network (ANN). The model is then trained, tested and validated using pre-existing database for different flow conditions. The Talos library is used to tune the model by optimizing the hyper parameters and selecting the best network architecture. Once developed, the ANN model can predict the CHF based solely on a set of input parameters (pressure, mass flux, quality and hydraulic diameter) without resorting to any physics-based model. It is intended to use the developed model to predict the DNBR under a large break loss of coolant accident (LBLOCA) in APR1400. The System Engineering approach proved very helpful in facilitating the planning and management of the current work both efficiently and effectively.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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