Wu, Xiangcheng;Yan, Changqi;Meng, Zhaoming;Chen, Kailun;Song, Shaochuang;Yang, Zonghao;Yu, Jie
Nuclear Engineering and Technology
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제48권6호
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pp.1321-1329
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2016
To get an insight into the operating characteristics of the passive residual heat removal system of molten salt reactors, a two-phase natural circulation test facility was constructed. The system consists of a boiling loop absorbing the heat from the drain tank, a condensing loop consuming the heat, and a steam drum. A steady-state experiment was carried out, in which the thimble temperature ranged from $450^{\circ}C$ to $700^{\circ}C$ and the system pressure was controlled at levels below 150 kPa. When reaching a steady state, the system was operated under saturated conditions. Some important parameters, including heat power, system resistance, and water level in the steam drum and water tank were investigated. The experimental results showed that the natural circulation system is feasible in removing the decay heat, even though some fluctuations may occur in the operation. The uneven temperature distribution in the water tank may be inevitable because convection occurs on the outside of the condensing tube besides boiling with decreasing the decay power. The instabilities in the natural circulation loop are sensitive to heat flux and system resistance rather than the water level in the steam drum and water tank. RELAP5 code shows reasonable results compared with experimental data.
Hossam H. Abdellatif;Palash K. Bhowmik;David Arcilesi;Piyush Sabharwall
Nuclear Engineering and Technology
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제56권6호
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pp.2375-2387
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2024
The passive safety systems (PSSs) within water-cooled reactors are meticulously engineered to function autonomously, requiring no external power source or manual intervention. They depend exclusively on inherent natural forces and the fundamental principles of reactor physics, such as gravity, natural convection, and phase changes, to manage, alleviate, and avert the release of radioactive materials into the environment during accident scenarios like a loss-of-coolant accident (LOCA). PSSs are already integrated into such operating commercial reactors as the Advanced Pressurized Reactor-1000 MWe (AP1000) and the Water-Water Energetic Reactor-1200 MWe (WWER-1200) are adopted in most of the upcoming small modular reactor (SMR) designs. Examples of water-cooled SMR PSSs are the passive emergency core-cooling system (ECCS), passive containment cooling system (PCCS), and passive decay-heat removal system, the designs of which vary based on reactor system-design requirements. However, understanding the accident-event progression and phases of a LOCA is pivotal for adopting a specific PSS for a new SMR design. This study covers the accident-event progression for direct vessel injection (DVI) small-break loss-of-coolant accident (SB-LOCA), associated physics phenomena, knowledge gaps, and important figures of merit (FOMs) that may need to be evaluated and assessed to validate thermal-hydraulics models with an available experimental dataset to support new SMR design and development.
Pressing demands of economic competitiveness, the need for large-scale deployment, minimizing the need of human intervention, and experience from the past events and incidents at operating reactors have guided the evolution and innovations in reactor technologies. Indian innovative reactor 'AHWR' is a pressure-tube type natural circulation based boiling water reactor that is designed to meet such requirements, which essentially reflect the needs of next generation reactors. The reactor employs various passive features to prevent and mitigate accidental conditions, like a slightly negative void reactivity coefficient, passive poison injection to scram the reactor in event of failure of the wired shutdown systems, a large elevated pool of water as a heat sink inside the containment, passive decay heat removal based on natural circulation and passive valves, passive ECC injection, etc. It is designed to meet the fundamental safety requirements of safe shutdown, safe decay heat removal and confinement of activity with no impact in public domain, and hence, no need for emergency planning under all conceivable scenarios. This paper examines the role of the various passive safety systems in prevention and mitigation of severe plant conditions that may arise in event of multiple failures. For the purpose of demonstration of the effectiveness of its passive features, postulated scenarios on the lines of three major severe accidents in the history of nuclear power reactors are considered, namely; the Three Mile Island (TMI), Chernobyl and Fukushima accidents. Severe plant conditions along the lines of these scenarios are postulated to the extent conceivable in the reactor under consideration and analyzed using best estimate system thermal-hydraulics code RELAP5/Mod3.2. It is found that the various passive systems incorporated enable the reactor to tolerate the postulated accident conditions without causing severe plant conditions and core degradation.
A metal-fueled pool-type liquid metal fast reactor (LMFR) provides large margins to sodium boiling and fuel damage under accident conditions. The favorable passive safety results are obtained by both a reactivity feedback mechanism in the core and a passive decay heat removal system. Among the various reactivity feedbacks, the ones by a thermal expansion of a radial dimension of the core and by the control rod drivelines are strongly dependent on the flow conditions in the core and the hot pool, respectively. The effects of multidimensional thermal hydraulic characteristics on these reactivity feedbacks are investigated by the system-wide safety analysis code SSC-K with advanced thermal hydraulics models. Particularly a detailed three dimensional thermal hydraulics reactor core model is integrated into SSC-K for use in a whole system analysis of the passive safety aspects of LMR designs. The model provides fuel and cladding temperatures for every fuel pin in a reactor and coolant temperatures for every coolant sub-channel in the reactor.
A study on reliability estimation of sequential-ordered multiple failure modes, which are sequentially ordered between failure modes in a considering system, was performed. Especially, an approach to estimate the probabilities of failure modes has been proposed under an assumption that failure modes are mutually exclusive and sequentially ordered by only a critical variable. A feasibility of the proposed approach were studied by a practical example, which is a reliability estimation of passive safety systems for a probabilistic safety assessment(PSA) of a very high temperature reactor(VHTR) that is under development as a future nuclear system with enhanced safety features. It is difficult to define a robust failure state of this nuclear system because of its enhanced radiation release characteristics, so the new approach is a useful concept to estimate not only its safety but also a PSA. A feasibility study applied two failure modes(e.g., small and large release of radioactive materials) with considering the integrated behavior of this nuclear system. It is expected that the multiple release states for a practical estimation can be easily extended to the aforementioned example. It was found out that the proposed approach was a useful technique to cover the unfavorable features of this nuclear system as to performing a VHTR PSA.
The accumulator is a passive safety injection device for emergency core cooling systems. As an important safety feature for providing a high-speed injection flow to the core by compressed nitrogen gas pressure during a loss-of-coolant accident (LOCA), the accumulator injects its precharged nitrogen into the system after its coolant has been emptied. Attention has been drawn to the possible negative effects caused by such a nitrogen injection in passive safety nuclear power plants. Although some experimental work on the nitrogen injection has been done, there have been no comparative tests in which the effects on the system responses and the core safety have been clearly assessed. In this study, a new thermal hydraulic integral test facility-the advanced core-cooling mechanism experiment (ACME)-was designed and constructed to support the CAP1400 safety review. The ACME test facility was used to study the nitrogen injection effects on the system responses to the small break loss-of-coolant accident LOCA (SBLOCA) transient. Two comparison test groups-a 2-inch cold leg break and a double-ended direct-vessel-injection (DEDVI) line break-were conducted. Each group consists of a nitrogen injection test and a nitrogen isolation comparison test with the same break conditions. To assess the nitrogen injection effects, the experimental data that are representative of the system responses and the core safety were compared and analyzed. The results of the comparison show that the effects of nitrogen injection on system responses and core safety are significantly different between the 2-inch and DEDVI breaks. The mechanisms of the different effects on the transient were also investigated. The amount of nitrogen injected, along with its heat absorption, was likewise evaluated in order to assess its effect on the system depressurization process. The results of the comparison and analyses in this study are important for recognizing and understanding the potential negative effects on the passive core cooling performance caused by nitrogen injection during the SBLOCA transient.
A conceptual study of an air-cooled heat exchanger is conducted to achieve the long-term passive cooling of an integral reactor. A newly designed air-cooled heat exchanger is introduced in the present study and preliminary thermal sizing is demonstrated. This study mainly focuses on feasibility of an innovative air-cooled heat exchanger to extend the cooling period of the passive residual heat removal system(PRHRS) only in passive manners. A vertical shell-and-tube air-cooled heat exchanger is installed at the top of the emergency cooldown tank(ECT) to collect evaporated steam into condensate, which enables water inventory of the ECT to be kept. Finally, thermal sizing of an air-cooled heat exchanger is presented. The length and the number of tubes required, and also the height of a stack are calculated to remove the designated heat duty. The present study will contribute to an enhancement of the passive safety system of an integral reactor.
Wooseong Park;Yong Hwan Yoo;Kyung Jun Kang;Yong Hoon Jeong
Nuclear Engineering and Technology
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제55권12호
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pp.4335-4349
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2023
Nuclear marine propulsion has been emerging as a next generation carbon-free power source, for which proper passive residual heat removal systems (PRHRSs) are needed for long-term safety. In particular, the characteristics of unlimited operation time and compact design are crucial in maritime applications due to the difficulties of safety aids and limited space. Accordingly, a compact and long-term-operable PRHRS has been proposed with the key design concept of using both air cooling and seawater cooling in tandem. To confirm its feasibility, this study conducted system design and a transient analysis in an accident scenario. Design results indicate that seawater cooling can considerably reduce the overall system size, and thus the compact and long-term-operable PRHRS can be realized. Regarding the transient analysis, the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety (MARS-KS) code was used to analyze the system behavior under a station blackout condition. Results show that the proposed design can satisfy the design requirements with a sufficient margin: the coolant temperature reached the safe shutdown condition within 36 h, and the maximum cooling rate did not exceed 40 ℃/h. Lastly, it was assessed that both air cooling and seawater cooling are necessary for achieving long-term operation and compact design.
A hybrid safety injection tank (H-SIT) can enhance the capability of an advanced power reactor plus (APR+) during a station black out (SBO) that is accompanied by a severe accident. It may a useful alternative to an electric motor. The operations strategy of the H-SIT has to be investigated to achieve maximum utilization of its function. In this study, the master logic diagram (i.e., an analysis for identifying the differences between an H-SIT and a safety injection pump) and an accident case classification were used to determine the parameters of the H-SIT operation. The conditions that require the use of an H-SIT were determined using a decision-making process. The proper timing for using an H-SIT was also analyzed by using the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety (MARS) 1.3 code (Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon, South Korea). The operation strategy analysis indicates that a H-SIT can mitigate five types of failure: (1) failure of the safety injection pump, (2) failure of the passive auxiliary feedwater system, (3) failure of the depressurization system, (4) failure of the shutdown cooling pump (SCP), and (5) failure of the recirculation system. The results of the MARS code demonstrate that the time allowed for recovery can be extended when using an H-SIT, compared with the same situation in which an H-SIT is not used. Based on the results, the use of an H-SIT is recommended, especially after the pilot-operated safety relief valve (POSRV) is opened.
As part of the $AP1000^{TM}$ pressurized water reactor design certification program, a series of integral systems tests of the nuclear steam supply system was performed at the APEX-1000 test facility at Oregon State University. These tests provided data necessary to validate Westinghouse safety analysis computer codes for AP1000 applications. In addition, the tests provided the opportunity to investigate the thermal-hydraulic phenomena expected to be important in AP1000 small-break loss of coolant accidents (SBLOCAs). The APEX-1000 facility is a 1/4-scale pressure and 1/4-scale height simulation of the AP1000 nuclear steam supply system and passive safety features. A series of eleven tests was performed in the APEX-1000 facility as part of a U.S. Department of Energy contract. In all, four SBLOCA tests representing a spectrum of break sizes and locations were simulated along with tests to study specific phenomena of interest. The focus of this paper is the SBLOCA tests. The key thermal-hydraulic phenomena simulated in the APEX-1000 tests, and the performance and interactions of the passive safety-related systems that can be investigated through the APEX-1000 facility, are emphasized. The APEX-1000 tests demonstrate that the AP1000 passive safety-related systems successfully combine to provide a continuous removal of core decay heat and the reactor core remains covered with considerable margin for all small-break LOCA events.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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