The fuel rod performance has great importance for the safety and economy of an operating reactor. The fuel rod performance analysis code, which considers the thermal-mechanical response and irradiation effects of fuel rod, is usually developed in order to predict fuel rod performance accurately. The FRIPAC (${\underline{F}}uel$${\underline{R}}od$${\underline{I}}ntegral$${\underline{P}}erformance$${\underline{A}}nalysis$${\underline{C}}ode$) is such a fuel rod performance analysis code that has been developed recently by China Nuclear Power Technology Research Institute Co. Ltd. The code aims at the computational simulation of the Pressurized Water Reactor fuel rod behavior for both steady-state and power ramp condition. A brief overview of FRIPAC is presented including the computational framework and the main behavioral models. Validation of the code is also presented and it focuses on the fuel rod behavior including fuel center temperature, fission gas release, rod internal pressure/internal void volume, cladding outer diameter and cladding corrosion thickness. The validation is based on experimental data from several international projects. The validation results indicate that FRIPAC is an accurate and reliable fuel rod performance analysis code because of the satisfactory comparison results between the experimental measurements and the code predictions.
Park, Nam-Gyu;Rhee, Hui-Nam;Moon, Hoy-Ik;Jang, Young-Ki;Jeon, Sang-Youn;Kim, Jae-Ik
Nuclear Engineering and Technology
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제41권6호
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pp.821-830
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2009
In this paper, modal testing and finite element modeling results to identify the modal parameters of a nuclear fuel rod as well as its cladding tube are discussed. A vertically standing full-size cladding tube and a fuel rod with lead pellets were used in the modal testing. As excessive flow-induced vibration causes a failure in fuel rods, such as fretting wear, the vibration level of fuel rods should be low enough to prevent failure of these components. Because vibration amplitude can be estimated based on the modal parameters, the dynamic characteristics must be determined during the design process. Therefore, finite element models are developed based on the test results. The effect of a lumped mass attached to a cladding tube model was identified during the finite element model optimization process. Unlike a cladding tube model, the density of a fuel rod with pellets cannot be determined in a straightforward manner because pellets do not move in the same phase with the cladding tube motion. The density of a fuel rod with lead pellets was determined by comparing natural frequency ratio between the cladding tube and the rod. Thus, an improved fuel rod finite element model was developed based on the updated cladding tube model and an estimated fuel rod density considering the lead pellets. It is shown that the entire pellet mass does not contribute to the fuel rod dynamics; rather, they are only partially responsible for the fuel rod dynamic behavior.
In this paper, a deformation measurement technology for nuclear fuel rods is proposed. The deformation measurement system includes a high-definition CMOS image sensor, a lens, a semiconductor laser line beam marker, and optical and mechanical accessories. The basic idea of the proposed deformation measurement system is to illuminate the outer surface of a fuel rod with a collimated laser line beam at an angle of 45 degrees or higher. For this method, it is assumed that a nuclear fuel rod and the optical axis of the image sensor for observing the rod are vertically composed. The relative motion of the fuel rod in the horizontal direction causes the illuminated laser line beam to move vertically along the surface of the fuel rod. The resulting change of the laser line beam position on the surface of the fuel rod is imaged as a parabolic beam in the high-definition CMOS image sensor. An ellipse model is then extracted from the parabolic beam pattern. The center coordinates of the ellipse model are taken as the feature of the deformed fuel rod. The vertical offset of the feature point of the nuclear fuel rod is derived based on the displacement of the offset in the horizontal direction. Based on the experimental results for a nuclear fuel rod sample with a formation of surface crud, an inspection resolution of 50 ${\mu}m$ is achieved using the proposed method. In terms of the degree of precision, this inspection resolution is an improvement of more than 300% from a 150 ${\mu}m$ resolution, which is the conventional measurement criteria required for the deformation of neutron irradiated fuel rods.
Choi, Hyung-joo;Cheon, Bo-Wi;Baek, Min Kyu;Chung, Heejun;Chung, Yong Hyun;You, Sei Hwan;Min, Chul Hee;Choi, Hyun Joon
Nuclear Engineering and Technology
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제54권6호
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pp.1982-1990
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2022
The purpose of this study was to verify the possibility of fuel rod pattern analysis in a fresh fuel assembly using the Yonsei single-photon emission computed tomography (YSECT) system. The YSECT system consisted of three main parts: four trapezoidal-shaped bismuth germanate scintillator-based 64-channel detectors, a semiconductor-based multi-channel data acquisition system, and a rotary stage. In order to assess the performance of the prototype YSECT, tomographic images were obtained for three representative fuel rod patterns in the 6 × 6 array using two representative image-reconstruction algorithms. The fuel-rod patterns were then assessed using an in-house fuel rod pattern analysis algorithm. In the experimental results, the single-directional projection images for those three fuel-rod patterns well discriminated each fuel-rod location, showing a Gaussian-peak-shaped projection for a single 10 mm-diameter fuel rod with 12.1 mm full-width at half maximum. Finally, we successfully verified the possibility of the fuel rod pattern analysis for all three patterns of fresh fuel rods with the tomographic images obtained by the rotational YSECT system.
Nuclear fuel rods are exposed to axial flow in a reactor, and flow-induced-vibration due to the flow usually causes damage in the fuel rods. Thus a prior knowledge about dynamic behavior of a fuel rod exposed to the flow condition should be provided. This paper shows that dynamic characteristics of a nuclear fuel rod depend on axial flow velocity. Assuming small lateral displacement, the effects of uniform axial flow are investigated. The analytic results show that axial flow generally reduces fuel rod stiffness and raises its damping in normal condition. Also, the critical axial velocities which make the fuel rod behavior unstable were found. That is, solving generalized eigenvalue equation of the fuel rod dynamic system, the eigenvalues with positive real part are detected. Based on the simulation results, on the other hand, it turns out that the ordinary axial flow in nuclear reactors does not affect to stability of a nuclear fuel rod even in the conservative condition.
The paper presents modal testing and analysis in order to obtain the dynamic characteristics of a middle spacer grids of a nuclear fuel rod. A spacer grid is one of the important structural elements supporting nuclear fuel rods. Such a fuel rod can be oscillated by its thermal expansion, neutron irradiation and etc. due to cooling water flow under the operation of a nuclear power plant. When the fuel rod vibrates, fretting wear due to repeated friction motion between the fuel rods and spacer grids can be occurred, and so the fuel rod is damaged. In this paper, through modal analysis and testing, natural frequencies and modes of a middle spacer grid were calculated, and the following conclusions were obtained. Firstly the numerical first-seven natural frequencies for spacer grids of a fuel rod having complicated structures have a small difference within 3.8% with experimental natural frequencies, and so the suitability of simulation results was verified. Secondly, experimental mode shapes for a middle spacer grid of a nuclear fuel rod were verified by obtaining lower non-diagonal terms through MAC(Modal Assurance Criteria), and were confirmed by the simulation modes.
A parametric study of several parameters relevant to design safety on the spent nuclear fuel (SNF) rod response under a drop accident is presented. In the view of the complexity of interactions between the independent safety-related parameters, a factorial design of experiment is employed as an efficient method to investigate the main effects and the interactions between them. A detailed single full-length fuel rod is used with consideration of post-irradiated fuel conditions under horizontal and vertical free-drops onto an unyielding surface using finite-element analysis. Critical drop heights and critical g-loads that yield the threshold plastic strain in the cladding are numerically estimated to evaluate the fuel rod structural resistance to impact load. The combinatory effects of four uncertain parameters (pellet-cladding interfacial bonding, material properties, spacer grid stiffness, rod internal pressure) and the interactions between them on the fuel rod response are investigated. The principal finding of this research showed that the effects of above-mentioned parameters on the load-carrying capacity of fuel rod are significantly different. This study could help to prioritize the importance of data in managing and studying the structural integrity of the SNF.
For the successful design of nuclear reactor, it is very important to investigate thermal-hydraulic characteristics of fuel rod bundle. Fluid flow and heat transfer in the non-circular cross-section of nuclear fuel rod bundle are different from those found in common circular tube. And complex three dimensional flow including secondary and vortex flow, is formed around the bundles. The purpose of this research is to examine how geometries and flow conditions affect heat transfer in fuel rod bundle. Design data for nuclear fuel rod bundle and structure are surveyed, and $3{\times}3$ sub-channel model is adopted in this study. Computational results are compared with the heat transfer data measured by naphthalene sublimation method, and numerical analysis and evaluation are performed at various design conditions and flow conditions.
This study examines how much the radiation dose rate around it varies if a crack occurs on the spent nuclear fuel rod. The spent nuclear fuel rod to be examined is that of Kori unit 3&4. The source terms are evaluated using the ORIGEN-ARP that is part of the version 5.1 of the SCALE package. The radiation dose rate is assessed using the TORT. To check if the structure of a fuel rod is appropriately modeled in the TORT calculation, the calculation results by the TORT are compared with those by the ANISN for the same case. From the code simulation, it is known that if a crack occurs on the spent nuclear fuel rod, the neutron dose rate varies depending on what material is the crack filled with, but the gamma dose rate varies irrespective of type of the material that the crack is filled with.
Long and slender body with or without flexible supports under severe operating condition can be unstabilized even by the small cross flow. Turbulent flow mixer, which actually increases thermal-hydraulic performance of the nuclear fuel by boosting turbulence, disturbs the flow field around the fuel rod and affects dynamic behavior of the nuclear fuel rods. Few studies on this problem can be found in the literature because these effects depend on the specific natures of the support and the design of the system. This work shows how the dynamics of a multi-span fuel rod can be affected by the turbulent flow, which is discretely activated by a flow mixer. By solving a state-space form of the eigenvalue equation for a multi-span fuel rod system, the critical velocity at which a fuel rod becomes unstable was established. Based on the simulation results, we evaluated how stability of a multi-spanned nuclear fuel rod with mixing vanes can be affected by the coolant flow in an operating reactor core.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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