The evolution of a high burnup structure (HBS) in a light water reactor (LWR) $UO_2$ fuel was simulated using the Potts model. A simulation system for the Potts model was defined as a two-dimensional triangular lattice, for which the stored energy was calculated from both the irradiation damage of the $UO_2$ matrix and the formation of a grain boundary in the newly recrystallized small HBS grains. In the simulation, the evolution probability of the HBS is calculated by the system energy difference between before and after the Monte Carlo simulation step. The simulated local threshold burnup for the HBS formation was 62 MWd/kgU, consistent with the observed threshold burnup range of 60-80 MWd/kgU. The simulation revealed that the HBS was heterogeneously nucleated on the intergranular bubbles in the proximity of the threshold burnup and then additionally on the intragranular bubbles for a burnup above 86 MWd/kgU. In addition, the simulation carried out under a condition of no bubbles indicated that the bubbles played an important role in lowering the threshold burnup for the HBS formation, thereby enabling the HBS to be observed in the burnup range of conventional high burnup fuels.
Ha, Yeong-Keong;Han, Sun-Ho;Kim, Hyun-Gyum;Kim, Won-Ho;Jee, Kwang-Yong
Nuclear Engineering and Technology
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v.40
no.4
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pp.311-318
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2008
In modem power reactors, nuclear fuels have recently reached 55,000 MWd/MtU from the initial average burnup of 35,000 MWd/MtU to reduce the fuel cycle cost and waste volume. At such high burnups, a fuel pellet produces fission products proportional to the burnup and creates a typical high burnup structure around the periphery region of the pellet, producing the so called 'rim effect'. This rim region of a highly burnt fuel is known to be ca. $200\;{\mu}m$ in width and is known to affect the fuel integrity. To characterize the local burnup in the rim region, solid sampling in the micro meter region by laser ablation is needed so that the distribution of isotopes can be determined by ICP-MS. For this procedure, special radiation shielding is required for personnel safety. In this study, we installed a radiation shielded laser ablation ICP-MS system, and a performance test of the developed system was conducted to evaluate the safe operation of instruments.
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 behavior of fission gas in all major types of nuclear fuel has been reviewed with an emphasis on more recently discovered aspects. It is proposed that the behavior of fission gas can be classified in a number of characteristic types that occur at a high or low operating temperature, and/or at high or low fissile burnup. The crystal structure and microstructure of the various fuels are the determinant factors in the proposed classification scheme. Three types of behavior, characterized by anisotropic $\alpha$-U, high temperature metallic $\gamma$-U, and cubic ceramics, are well-known and have been extensively studied in the literature. Less widely known are two equally typical low temperature kinds: one associated with fission induced grain refinement and the other with fission induced amorphization. Grain refinement is seen in crystalline fuel irradiated to high burnup at low temperatures, whereas breakaway swelling is observed in amorphous fuel containing sufficient excess free-volume. Amorphous fuel, however, shows stable swelling if insufficient excess free-volume is available during irradiation.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.3
no.4
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pp.301-307
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2005
The morphology of the high burnup $UO_2$ spent fuel, which was oxidized and annealed in a PIA (Post Irradiation Annealing) apparatus, has been observed. The high burnup fuel irradiated in Ulchin Unit 2, average rod burnup 57,000 MWd/tU, was transported to the KAERI's PIEF. The test specimen was used with about 200 mg of the spent $UO_2$ fuel fragment of the local burnup 65,000 MWd/tU. This specimen was annealed at $1400^{\circ}C$ for 4hrs after the oxidation for 3hrs to grain boundary using the PIA apparatus in a hot-cell. In order to oxidize the grain boundary, the oxidation temperature increased up to $500^{\circ}C$ and held for 3hrs in the mixed gas (60 ml He and 100 ml STD-air) atmosphere. The amount of 85Kr during the whole test process was measured to know the fission gas release behavior using the online system of a beta counter and a gamma counter. The detailed micro-structure was observed by a SEM to confirm the change of the fuel morphology after this test. As the annealing temperature increased, the fission products were observed to move to the grain surface and grain boundary of the $UO_2$ matrix. This specimen was re-structured through the reduction process, and the grain sizes were distributed from 5 to $10\;{\mu}m$.
This paper presents a high performance burnable absorber named as CIMBA (Cylindrically Inserted and Mechanically Separated Burnable Absorber) for the soluble-boron-free SMR. The CIMBA is the cylindrical gadolinia inserted into the annular fuel pellets. Although the CIMBA utilizes the spatial self-shielding effect of the fuel material, a large reactivity upswing occurs when the gadolinia is depleted. To minimize the reactivity swing of the CIMBA-loaded FA, two approaches were investigated. One is controlling the spatial self-shielding effect of the CIMBA as burnup proceeds by a multi-layered structure of the CIMBA (ML-CIMBA) and the other is the mixed-loading of two different types of CIMBA (MIX-CIMBA). Both approaches show promising performances to minimize the reactivity swing, where the MIX-CIMBA is more preferable due to its simpler fabrication process. In conclusion, the MIX-CIMBA is expected to accelerate the commercialization of the CIMBA and can be used to achieve an optimal soluble-boron-free SMR core design.
Kim, Han-Soo;Jong, Chang-Yong;Lee, Byung-Ho;Oh, Jae-Yong;Koo, Yang-Hyun
Nuclear Engineering and Technology
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v.42
no.5
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pp.576-581
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2010
KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) fabricated MOX (Mixed Oxide) fuel pellets as a cooperation project with PSI (Paul Scherrer Institut) for an irradiation test in the Halden reactor. The MOX pellets were fitted into fuel rods that included instrumentation for measurement in IFE (Institutt for Energiteknikk). The fuel rods were assembled into the test rig and irradiated in the Halden reactor up to 50 MWd/kgHM. The irradiated fuel rods were transported to the IFE, where ceramography was carried out. The fuel rods were cut transversely at the relatively higher burn-up locations and then the radial cross sections were observed. Micrographs were analyzed using an image analysis program and grain sizes along the radial direction were measured by the linear intercept method. Radial cracks in the irradiated MOX were observed that were generally circumferentially closed at the pellet periphery and open in the hot central region. A circumferential crack was formed along the boundary between the dark central and the outer regions. The inner surface of the cladding was covered with an oxide layer. Pu-rich spots were observed in the outer region of the fuel pellets. The spots were surrounded by many small pores and contained some big pores inside. Metallic fission product precipitates were observed mainly in the central region and in the inside of the Pu spots. The average areal fractions of the metallic precipitates at the radial cross section were 0.41% for rod 6 and 0.32% for rod 3. In the periphery, pore density smaller than 2 ${\mu}m$ was higher than that of the other regions. The grain growth occurred from 10 ${\mu}m$ to 12 ${\mu}m$ in the central region of rod 6 during irradiation.
Chong Chul Yook;Gee Yang Han;Byung Jin Jun;Ji Bok Lee;Chang Kun Lee
Nuclear Engineering and Technology
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v.13
no.4
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pp.264-276
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1981
A simulation procedure which can represent time-dependent nuclear characteristics of TRIGA Mark-III reactor is developed. CITATION, a multi-group diffusion-depletion program, has been utilized as calculational tool. The group structure employed in this study consists of 7 groups: -3-fast and 4-thermal-which is conventionally utilized in TRIGA type reactor analysis. Three-dimensional nuclear characteristics are synthesized by combining results from two-dimensional plane calculation and two-dimensional cylinder calculation, since direct three-dimensional approach is not yet possible. An effort ia made to develope a method which can extract effective zone and group dependent bucklings by neutron diffusion theory rather than conventional zone and/or group independent Ducklings by neutron transport theory, since neutron leakage is quite high for small core such as research reactors. It is turned out that the method developed in this study gives satisfactory results. The calculation is performed under assumptions that all control rods are fully withdrawn, that no samples are inserted in the irradiation holes and that the core is located in the center of the reactor pool. Burnup-dependent variation of core excess reactivity, time dependent change of Xe-135 poisoning and reactivity worth of rotary specimen rack are calculated and compared with operation records. Neutron flux and power distribution as well as neutron spectrum in each irradiation .facility are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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