Mignot, Guillaume;Anderson, Mark;Corradini, Michael
Nuclear Engineering and Technology
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v.40
no.2
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pp.133-138
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2008
The use of Supercritical Fluids(SCF) has been proposed for numerous power cycle designs as part of the Generation IV advanced reactor designs, and can provide for higher thermal efficiency. One particular area of interest involves the behavior of SCF during a blowdown or depressurization process. Currently, no data are available in the open literature at supercritical conditions to characterize this phenomenon. A preliminary computational analysis, using a homogeneous equilibrium model when a second phase appears in the process, has shown the complexity of behavior that can occur. Depending on the initial thermodynamic state of the SCF, critical flow phenomena can be characterized in three different ways; the flow can remain in single phase(high temperature), a second phase can appear through vaporization(high pressure low temperature) or condensation(high pressure, intermediate temperature). An experimental facility has been built at the University of Wisconsin to study SCF depressurization through several diameter breaks. The preliminary results obtained show that the experimental data can be predicted with good agreement by the model for all the different initial conditions.
A determination method for $^{237}Np$ in spent nuclear fuel samples was developed using an isotope dilution method with $^{239}Np$ as a spike. In this method, inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was taken for the $^{237}Np$ instead of the previously used alpha spectrometry. $^{237}Np$ and $^{239}Np$ were measured by ICP-MS and gamma spectrometry, respectively. The recovery yield of $^{237}Np$ in synthetic samples was $95.9{\pm}9.7$% (1S, n=4). The $^{237}Np$ contents in the spent fuel samples were 0.15, 0.25, and $1.06{\mu}g/mgU$ and these values were compared with those from ORIGEN-2 code. A fairly good agreement between the measurements (m) and calculations (c) was obtained, giving ratios (m/c) of 0.93, 1.12 and 1.25 for the three PWR spent fuel samples with burnups of 16.7, 19.0, and 55.9 GWd/MtU, respectively.
Small animal PET using a dual layer phoswich detector has been developed to obtain high and uniform spatial resolution. In this study, a simple analytic model to optimize the lengths of a dual layer phoswich detector was derived and validated by Monte Carlo simulation. For a small animal PET scanner with a 10㎝ ring diameter, the optimal length of the phoswich detector consisting of various crystal materials, such as LSO and LuYAP, were calculated analytically and validated using GATE. The detector module consisted of 8×8 arrays of crystals, with each phoswich detector element having a 2㎜×2㎜ sensitive area. The total crystal length was fixed to 20㎜. The optimal lengths of the phoswich detector layers, as functions of the crystal materials and order, conveniently derived by the analytic equation, showed good agreement with those estimated by the time consuming simulation. The simple analytical model can be used for the fast and accurate design of an optimal phoswich detector for small animal PET to achieve high spatial resolution and uniformity.
Multigroup cross section (MG XS) generation by the UNIST in-house Monte Carlo (MC) code MCS for fast reactor analysis using nodal diffusion codes is reported. The feasibility of the approach is quantified for two sodium fast reactors (SFRs) specified in the OECD/NEA SFR benchmark: a 1000 MWth metal-fueled SFR (MET-1000) and a 3600 MWth oxide-fueled SFR (MOX-3600). The accuracy of a few-group XSs generated by MCS is verified using another MC code, Serpent 2. The neutronic steady-state whole-core problem is analyzed using MCS/RAST-K with a 24-group XS set. Various core parameters of interest (core keff, power profiles, and reactivity feedback coefficients) are obtained using both MCS/RAST-K and MCS. A code-to-code comparison indicates excellent agreement between the nodal diffusion solution and stochastic solution; the error in the core keff is less than 110 pcm, the root-mean-square error of the power profiles is within 1.0%, and the error of the reactivity feedback coefficients is within three standard deviations. Furthermore, using the super-homogenization-corrected XSs improves the prediction accuracy of the control rod worth and power profiles with all rods in. Therefore, the results demonstrate that employing the MCS MG XSs for the nodal diffusion code is feasible for high-fidelity analyses of fast reactors.
The crossflow is the key phenomenon in turbulent flow inside rod bundles. In order to establish confidence on application of computational fluid dynamics (CFD) to simulate the crossflow in rod bundles, three Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) models i.e. the realizable k-ε model, the k-ω SST model and the Reynolds stress model (RSM), and the Large Eddy simulations (LES) with the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model are validated based on the Particle Image Velocimetry (PIV) flow measurement experiment in a 5 × 5 rod bundle. In order to investigate effects of periodic boundary condition in the gap, the numerical results obtained with four inner subchannels are compared with that obtained with the whole 5 × 5 rod bundle. The results show that periodic boundaries in the gaps produce strong errors far downstream of the spacer grid, and therefore the full 5 × 5 rod bundle should be simulated. Furthermore, it can be concluded, that the realizable k-ε model can only provide reasonable results very close to the spacer grid, while the other investigated models are in good agreement with the experimental data in the whole downstream flow in the rod bundle. The LES approach shows superiority to the RANS models.
Kim, Do Hyun;Kim, Jiseok;Lee, Han Rim;Sun, Gwang Min;Shin, Chang Ho;Kim, Jong Kyung
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.6
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pp.2011-2018
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2021
Nowadays, evaluation of amounts and distributions of radioactive waste is an important preparatory step in the process of nuclear reactor decommissioning. For tentative estimation of radioactive waste, a cell-based rigorous 2 step (R2S) method usually is used; however, a poor resolution caused by the averaged flux and spectrum in a cell is still a great challenge because of leading to underestimated or overestimated results. To overcome the poor resolution, several systems were introduced. Neither system, however, provides any function for evaluation of radioactive waste amount and distribution. Thus, it is additionally required to classify radioactive waste based on the results of activation calculation. In this study, the advanced R2S (AR2S) system was developed. To verify the performance of the system, its results for a verification problem were compared with those of the cell-based R2S method. The results showed good agreement, which is to say, within 2.0% relative error. Also, several characteristics of fine/coarse mesh were analyzed. To demonstrate the performance of the AR2S system, the radioactive waste from the Japan Power Demonstration Reactor (JPDR) was estimated, and the result indicated a high-resolution distribution. Therefore, it is expected that the AR2S system will prove useful for precise evaluation of radioactive waste.
Ricciardi, Guillaume;Peybernes, Jean;Faucher, Vincent
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.7
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pp.2714-2719
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2022
The present paper proposes some new computational methods and results in the framework of flow computation through congested domains seen as porous media, as it can be found in the core of a Pressurized Water Reactor (PWR). The flow is thus mostly governed by the distribution of pressure losses, both through the porous structures, such as fuel assemblies, and in the thin fluid layers between them. The purpose of the present paper is to consider the question of the interaction of a flow and a rod bundle from an analytical point of view gathering all the contributions through a set of equations as simple and representative as possible. It aims at demonstrating a sound understanding of the relevant phenomena governing the flow establishment in the geometry of interest instead of relying mainly on a posteriori observations obtained both experimentally and numerically. Comparison with two set of experimental results showed good agreement. The model proposed being analytical it appears easily implementable for studies needing an expression of fluid forces in a rod array as for fuel assembly bowing issue. It would be interesting to test the reliability of the model on other geometry with different P/R ratios.
Xiangyu Chi;Shengjie Li;Mingzhou Gu;Yaru Li;Xixi Zhu;Naihua Wang
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.8
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pp.2757-2772
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2023
The fluid retention effect of the Volume Control Tank (VCT) leads to a long time delay in Reactor Coolant System (RCS) concentration during the boration process. A coupled model combining a lumped-parameter sub-model and a computational fluid dynamics sub-model is currently used to investigate the concentration dynamic characteristic of RCS during the boration process. This model is validated by comparison with experimental data, and the predicted results show excellent agreement with experimental data. We provide detailed fields in VCT and concentration variations of RCS to study the interaction between mixing in VCT and the transient responses of RCS. Moreover, the impacts of the inlet flow rate, inlet nozzle diameter, original concentration, and replenishing temperature of VCT on the RCS concentration characteristic are studied. The inlet flow rate and nozzle diameter of VCT remarkably affect the RCS concentration characteristic. Too-large or too-small inlet flow rates and nozzle diameters will lead to unacceptable long delays. In this work, the optimal inlet flow rate and nozzle diameter of VCT are 5 m3/h and 58.8 mm, respectively. Besides, the impacts of the original concentration and replenishing temperature of VCT are negligible under normal operating conditions.
In the one-dimensional thermal-hydraulic (TH) codes, a subcooled boiling model to predict the void fraction profiles in a vertical channel consists of wall heat flux partitioning, the vapor condensation rate, the bubbly-to-slug flow transition criterion, and drift-flux models. Model performance has been investigated in detail, and necessary refinements have been incorporated into the Safety and Performance Analysis Code (SPACE) developed by the Korean nuclear industry for the safety analysis of pressurized water reactors (PWRs). The necessary refinements to models related to pumping factor, net vapor generation (NVG), vapor condensation, and drift-flux velocity were investigated in this study. In particular, a new NVG empirical correlation was also developed using artificial neural network (ANN) techniques. Simulations of a series of subcooled flow boiling experiments at pressures ranging from 1 to 149.9 bar were performed with the refined SPACE code, and reasonable agreement with the experimental data for the void fraction in the vertical channel was obtained. From the root-mean-square (RMS) error analysis for the predicted void fraction in the subcooled boiling region, the results with the refined SPACE code produce the best predictions for the entire pressure range compared to those using the original SPACE and RELAP5 codes.
Muon tomography is a useful method for monitoring special nuclear materials (SNMs) such as spent nuclear fuel inside dry cask storage. Multiple Coulomb scattering of muons can be used to provide information about the 3-dimensional structure and atomic number(Z) of the inner materials. Tomography using muons is less affected by the shielding material and less harmful to health than other measurement methods. We developed a muon detector for muon tomography, which consists of a plastic scintillator, 64 long wavelength-shifting (WLS) fibers attached to the top of the plastic scintillator, and silicon photomultipliers (SiPMs) connected to both ends of each WLS fiber. The muon detector can acquire X and Y positions simultaneously using a position determination algorithm. The design parameters of the muon detector were optimized using DETECT2000 and Geant4 simulations, and a muon detector prototype was built based on the results. Spatial resolution measurement was performed using simulations and experiments to evaluate the feasibility of the muon detector. The experimental results were in good agreement with the simulation results. The muon detector has been confirmed for use in a muon tomography system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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