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.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05c
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pp.265-270
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1996
The temperature distribution in the pellet was obtained from beginning the general heat conduction equation. The thermal conductivity of pellet used the SIMFUEL data that made clear the effect of burnup on the thermal conductivity degradation. Since the pellet rim acts as the thermal barrier to heat flow. the pellet was subdivided into several rings in which the outer ring was adjusted to play almost the same role as the rim. The local burup in each ring except the outer ring was calculated from the power depression factor based on FASER results. whereas the rim burnup at the outer ring was achieved by the pellet averaged burnup based on the empirical relation. The rim changed to the equivalent Xe film so the predicted temperature shooed the thermal jump across the rim. The observed temperature profiles depended on linear heat generation rate. fuel burnup. and power depression factor. The thermal conductivity degradation modelling can be applied to the fuel performance code to high burnup fuel,
The effects of nuclear data uncertainties are studied on a typical PWR fuel assembly model in the framework of the OECD Nuclear Energy Agency UAM (Uncertainty Analysis in Modeling) expert working group. The "Fast Total Monte Carlo" method is applied on a model for the Monte Carlo transport and burnup code SERPENT. Uncertainties on $k_{\infty}$, reaction rates, two-group cross sections, inventory and local pin power density during burnup are obtained, due to transport cross sections for the actinides and fission products, fission yields and thermal scattering data.
Ha, Yeong-Keong;Kim, Jung-Suck;Jeon, Young-Shin;Han, Sun-Ho;Seo, Hang-Seok;Song, Kyu-Seok
Nuclear Engineering and Technology
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v.42
no.1
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pp.79-88
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2010
Spent $UO_2$ nuclear fuel discharged from a nuclear power plant (NPP) contains fission products, U, Pu, and other actinides. Due to neutron capture by $^{238}U$ in the rim region and a temperature gradient between the center and the rim of a fuel pellet, a considerable increase in the concentration of fission products, Pu, and other actinides are expected in the pellet periphery of high burnup fuel. The characterization of the radial profiles of the various isotopic concentrations is our main concern. For an analysis, spent nuclear fuels originating from the Yeonggwang-2 pressurized water reactor (PWR) were chosen as the test specimens. In this work, the distributions of some actinide isotopes were measured from center to rim of the spent fuel specimens by a radiation shielded laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer (LA-ICP-MS) system. Sampling was performed along the diameter of the specimen by reducing the sampling intervals from 500 ${\mu}m$ in the center to 100 ${\mu}m$ in the pellet periphery region. It was observed that the isotopic concentration ratios for minor actinides in the center of the specimen remain almost constant and increase near the pellet periphery due to the rim effect apart from the $^{236}U$ to $^{235}U$ ratio, which remains approximately constant. In addition, the distributions of local burnup were derived from the measured isotope ratios by applying the relationship between burnup and isotopic ratio for plutonium and minor actinides calculated by the ORIGEN2 code.
The U-Zr or U-TRU-Zr cylindrical metallic fuel slug used in fast reactors is known to swell significantly and to grow during irradiation. In neutronics simulations of metallic-fueled fast reactors, it is assumed that the slug has swollen and contacted cladding, and the bonding sodium has been removed from the fuel region. In this research, a realistic burnup-dependent fuel-swelling simulation was performed using Monte Carlo code McCARD for a single-batch compact sodium-cooled breed-and-burn reactor by considering the fuel-swelling behavior reported from the irradiation test results in EBR-II. The impacts of the realistic burnup-dependent fuel swelling are identified in terms of the reactor neutronics performance, such as core lifetime, conversion ratio, axial power distribution, and local burnup distributions. It was found that axial fuel growth significantly deteriorated the neutron economy of a breed-and-burn reactor and consequently impaired its neutronics performance. The bonding sodium also impaired neutron economy, because it stayed longer in the blanket region until the fuel slug reached 2% burnup.
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 complete solution for a soluble-boron-free (SBF) small modular reactor (SMR) is pursued with a new burnable absorber concept, namely centrally-shielded burnable absorber (CSBA). Neutronic flexibility of the CSBA design has been discussed with fuel assembly (FA) analyses. Major design parameters and goals of the SBF SMR are discussed in view of the reactor core design and three CSBA designs are introduced to achieve both a very low burnup reactivity swing (BRS) and minimal residual reactivity of the CSBA. It is demonstrated that the core achieves a long cycle length (~37 months) and high burnup (~30 GWd/tU), while the BRS is only about 1100 pcm and the radial power distribution is rather flat. This research also introduces a supplementary reactivity control mechanism using stainless steel as mechanical shim (MS) rod to obtain the criticality during normal operation. A further analysis is performed to investigate the local power peaking of the CSBA-loaded FA at MS-rodded condition. Moreover, a simple $B_4C$-based control rod arrangement is proposed to assure a sufficient shutdown margin even at the cold-zero-power condition. All calculations in this neutronic-thermal hydraulic coupled investigation of the 3D SBF SMR core are completed by a two-step Monte Carlo-diffusion hybrid methodology.
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 $10\;{\mu}m$.
The low leakage leading pattern has features as the placement of some fresh fuel assemblies in the core interior to reduce the neutron fluence on the pressure vessel and to enhance the neutron economics. But as fresh fuel assemblies are loaded in the core interior, the local power tends to exceed safety limit due to the high reactivity of the fresh assemblies. Therefore, a large number of burnable poisons must be utilized in a low leakage scheme to suppress the high assembly power as well as the excess reactivity. In this study the effects of burnable poisons are treated as a perturbation on the power distribution, and the 'Power Sensitivity Coefficient' concept is adopted. An application study is performed for cycle 1 of the Korea Nuclear Unit-7 (KNU-7) to justify the usefulness of the reverse depletion method coupled with the above concept. To obtain the optimal burnable poision distribution at the given burnup step, the linear programming technique is adopted. The result shows maximum 4.5% error in the amount of burnable poisons between the calculated and the reference values. It is concluded that the design methodology which consists of the reverse depletion, the power sensitivity coefficient concept, and the linear programming technique can be used to find the optimal turnable poison distribution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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