This study presents an optimal design of the coolant system of a non-refueling full-life small reactor by analyzing the space-integrated geometrical and electromagnetic variables of an extra vessel electromagnetic pump (EVEMP) for the circulation of a lead-bismuth eutectic (LBE) coolant. The EVEMP is an ideal alternative to the thermal-hydraulic system of non-refueling full-life micro reactors as it possesses no internal structures, such as impellors or sealing structures, for the transportation of LBE. Typically, the LBE passes through the annular flow channel of a reactor, is cooled by the heat exchanger, and then circulates back to the EVEMP flow channel. This thermal-hydraulic flow method is similar to natural circulation, which enhances thermal efficiency, while providing a golden time for cooling cores in the event of an emergency. When the forced circulation technology of the EVEMP was applied, the non-refueling full-life micro reactor achieve an output power of 60 MWt, which is higher than that achievable via the natural circulation method (30 MWt). Accordingly, an optimized EVEMP for Micro URANUS with a flow rate of 4196 kg/s and developed pressure of 73 kPa under a working temperature of 250 ℃ was designed.
Liquid lead-bismuth cooled fast reactor is one of the most promising reactor types among the fourth-generation nuclear energy systems. The flow and heat transfer characteristics of lead-bismuth eutectic (LBE) are completely different from ordinary fluids due to its special thermal properties, causing that the traditional Reynolds analogy is no longer recommended and appropriate. More accurate turbulence flow and heat transfer model for the liquid metal lead-bismuth should be developed and applied in CFD simulation. In this paper, a specific CFD solver for simulating the flow and heat transfer of liquid lead-bismuth based on the k - 𝜀 - k𝜃 - 𝜀𝜃 model was developed based on the open source platform OpenFOAM. Then the advantage of proposed model was demonstrated and validated against a set of experimental data. Finally, the simulation of LBE turbulent flow and heat transfer in a 7-pin wire-wrapped rod bundle with the k - 𝜀 - k𝜃 - 𝜀𝜃 model was carried out. The influence of wire on the flow and heat transfer characteristics and the three-dimensional distribution of key thermal hydraulic parameters such as temperature, cross-flow velocity and Nusselt number were studied and presented. Compared with the traditional SED model with a constant Prt = 1.5 or 2.0, the k - 𝜀 - k𝜃 - 𝜀𝜃 model is more accurate on predicting the turbulence flow and heat transfer of liquid lead-bismuth. The average relative error of the k - 𝜀 - k𝜃 - 𝜀𝜃 model is reduced by 11.1% at most under the simulation conditions in this paper. This work is meaningful for the thermal hydraulic analysis and structure design of fuel assembly in the liquid lead-bismuth cooled fast reactor.
Baoquan Xue;Jibo Tan;Xinqiang Wu;Ziyu Zhang;Xiang Wang
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.5
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pp.1887-1894
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2024
Fatigue strength of the structural materials of lead-cooled fast reactors (LFRs) and accelerator-driven systems (ADS) may be degraded in liquid metal (Lead or lead-bismuth eutectic (LBE)) environments. The fatigue crack growth (FCG) data of structural materials in liquid LBE are necessary for damage tolerance design, safety assessment and life management of key equipment. A novel monitoring system for fatigue crack length was designed on the compliance method and the monitor technology of crack opening displacement (COD) of CT specimens by the linear variable differential transformers (LVDT) system. It can be used to predict the crack length by monitoring the COD of CT specimens in harsh high-temperature liquid LBE using a LVDT system. The prediction accuracy of this system was verified by FCG experiments in room temperature air and liquid LBE at 150, 250 and 350 ℃. The first results obtained in the FCG test for T91 steel in liquid LBE at 350 ℃ are presented.
A windowless spallation target can provide a neutron source and maintain neutron chain reaction for a subcritical reactor, and is a key component of China's nuclear waste transmutation of coupling accelerator and subcritical reactor. The main issue of the windowless target design is to form a stable and controllable free surface that can ensure that energy spectrum distribution is acquired for the neutron physical design when the high energy proton beam beats the lead-bismuth eutectic in the spallation target area. In this study, morphology and flow characteristics of the free surface of the windowless target were analyzed through the volume of fluid model using computational fluid dynamics simulation, and the results show that the outlet cross section size of the target is the key to form a stable and controllable free surface, as well as the outlet with an arc transition. The optimization parameter of the target design, in which the radius of outlet cross section is $60{\pm}1mm$, is verified to form a stable and controllable free surface and to reduce the formation of air bubbles. This work can function as a reference for carrying out engineering design of windowless target and for verification experiments.
A typical ferritic/martensitic (F/M) steel sheet was subjected to pulsed laser surface remelting (LSR) and corrosion test in lead-bismuth eutectic (LBE) at 550 ℃. There present two modification zones with distinct microstructures in the LSRed specimen: (1) remelted zone (RZ) consisting of both bulk δ-ferrite grains and martensitic plates and (2) heat-affected zone (HAZ) below the RZ, mainly composed of martensitic plates and high-density precipitates. Martensitic transformation occurs in both the RZ and the HAZ with the Kurdjumov-Sachs and Nishiyama-Wassermann orientation relationships followed concurrently, resulting in scattered orientations and specific misorientation characteristics. Hardnesses of the RZ and the HAZ are 364 ± 7 HV and 451 ± 15 HV, respectively, considerably higher than that of the matrix (267 ± 3 HV). In oxygen-saturated and oxygen-depleted LBE, thicknesses of oxide layers developed on both the as-received and the LSRed specimens increase with prolonging corrosion time (oxide layers always thinner under the oxygen-depleted condition). The corrosion resistance of the LSRed F/M steel in oxygen-saturated LBE is improved, which can be attributed to the grain-refinement accelerated formation of dense Fe-Cr spinel. In oxygen-depleted LBE, the growth of oxide layers is very low with both types of specimens showing similar corrosion resistance.
Lee, Kuk-Hee;Kim, Yun-Jae;Ryu, Kang-Mook;Hwang, Il Soon;Yoo, Bong
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.7
no.3
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pp.30-39
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2011
URANUS (Ubiquitous, Robust, Accident-forgiving, Non-proliferating, Ultra-lasting and Sustainer) has been developed with 35MWe (100MWth) operating without primary coolant pump, capitalizing on natural circulation capability of lead-bismuth eutectic (LBE) for long-life small and robust power units. To ensure the structural integrity, the large safety margin against Safe Shutdown Earthquake, 0.3g, and furthermore the cost effectiveness for URANUS, three-dimensional seismic base isolation design has been developed. The analytical model has been developed and seismic time history analyses have been carried out. The advantage for using three-dimensional seismic base isolation for URANUS has been discussed.
Lead bismuth eutectic (LBE) is used as coolant for MicroURANUS, a small marine nuclear power plant, and this coolant is transported in the plant by an electromagnetic pump. Given the considerable heat generated by the electromagnetic pump, the cooling of the pump is essential. This study compared air cooling and water-cooling methods and found that the maximum temperatures during air and water cooling were 640 K and 372 K, respectively. These findings were utilized to design an electromagnetic pump with water-cooling. The maximum temperature of the pump was lower than the boiling point of water; thus, the pump did not require a separate pressurization. Consequently, the resistance problem of the coil and the deformation problem of the material caused by generated heat can be solved through water-cooling.
The Generation IV Lead-cooled fast reactor (LFR) take the liquid lead or lead-bismuth eutectic alloy (LBE) as the coolant of the primary cooling circuit. Combined with the natural characteristics of lead alloy and the design features of LFR, the system is the simplest and the number of equipment is the least, which reflects the inherent safety characteristics of LFR. The nuclear main coolant pump (MCP) is the only power component and the only rotating component in the primary circuit of the reactor, so the various operating characteristics of the MCP are directly related to the safety of the nuclear reactor. In this paper, various working conditions that may occur in the normal rotation (positive rotating) of the MCP and the corresponding internal flow characteristics are analyzed and studied, including the normal pump condition, the positive-flow braking condition and the negative-flow braking condition. Since the corrosiveness of LBE is proportional to the fluid velocity, the distribution of flow velocity in the pump channel will be the focus of this study. It is found that under the normal pump condition and positive-flow braking conditions, the high velocity region of the impeller domain appears at the inlet and outlet of the blade. At the same radius, the pressure surface is lower than the back surface, and with the increase of flow rate, the flow separation phenomenon is obvious, and the turbulent kinetic energy distribution in impeller and diffuser domain shows obvious near-wall property. Under the negative-flow braking condition, there is obvious flow separation in the impeller channel.
Shin, Yong-Hoon;Park, Jaeyeong;Hur, Jungho;Jeong, Seongjin;Hwang, Il Soon
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.11
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pp.3580-3596
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2021
An integral test facility, PILLAR, was commissioned, aiming to provide valuable experimental results which can be referenced by system and component designers and used for the performance demonstration of liquid-metal-cooled, passive small modular reactors (SMRs) toward their licensing. The setup was conceptualized by a scaling analysis which allows the vertical arrangements to be conserved from its prototypic reactor, scaled uniformly in the radial direction achieving a flow area reduction of 1/200. Its final design includes several heater rods which simulate the reactor core, and a single heat exchanger representing the steam generators in the prototype. The system behaviors were characterized by its data acquisition system implementing various instruments. In this paper, we present not only a detailed description of the facility components, but also selected experimental results of both steady-state and transient cases. The obtained steady-state test results were utilized for the benchmark of a system code, achieving a capability of accurate simulations with ±3% of maximum deviations. It was followed by qualitative comparisons on the transient test results which indicate that the integral system behaviors in passive LBE-cooled systems are able to be predicted by the code.
The design concept of a Small High-flux Multipurpose LBE(Lead Bismuth Eutectic) cooled Fast Reactor (SHMLFR) was proposed in the paper. The primary cooling system of the reactor is forced circulation, and the fuel element form is arc-plate loaded high enrichment MOX fuel. The core is cylindrical with a flux trap set in the center of the core, which can be used as an irradiation channel. According to the requirements of the core physical design, a series of physical design criteria and constraints were given, and the steady and transient parameters of the reactor were calculated and analyzed. Regarding the thermal and hydraulic phenomena of the reactor, a simplified model was used to conduct a preliminary analysis of the fuel plates at special positions, and the temperature field distribution of the fuel plate with the highest power density under different coolant flow rates was simulated. The results show that the various parameters of SHMLFR meet the requirements and design criteria of the physical design of the core and the thermal design of the reactor. This implies that the conceptual design of SHMLFR is feasible.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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