Journal of the Korean Society of Systems Engineering
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v.19
no.2
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pp.46-58
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2023
Deterministic safety analysis is a crucial part of safety assessment, particularly when it comes to demonstrating the safety of nuclear power plant designs. The traditional approach to deterministic safety analysis models is to model the nuclear core using point kinetics. However, this simplified approach does not fully reflect the real core behavior with proper moderator and fuel reactivity feedbacks during the transient. The use of Multi-Physics approach allows more precise simulation reflecting the inherent three-dimensionality (3D) of the problem by representing the detailed 3D core, with instantaneous updates of feedback mechanisms due to changes of important reactivity parameters like fuel temperature coefficient (FTC) and moderator temperature coefficient (MTC). This paper addresses a CEA ejection accident at hot full power (HFP), in which the underlying strong and un-symmetric feedback between thermal-hydraulics and reactor kinetics exist. For this purpose, a multi-physics analysis tool has been selected with the nodal kinetics code, 3DKIN, implicitly coupled to the thermal-hydraulic code, RELAP5, for real-time communication and data exchange. This coupled approach enables high fidelity three-dimensional simulation and is therefore especially relevant to reactivity initiated accident (RIA) scenarios and power distribution anomalies with strong feedback mechanisms and/or un-symmetrical characteristics as in the CEA ejection accident. The Systems Engineering approach is employed to provide guidance in developing the work in a systematic and efficient fashion.
Reactivity Initiated Accident (RIA) scenarios require special attention using advanced simulation techniques due to their complexity and importance for nuclear power plant (NPP) safety. While the conservative approach has traditionally been used for safety analysis, it may lead to unrealistic results which calls for the use of best estimate plus uncertainty (BEPU) approach, especially with the current advances in computational power which makes the BEPU analysis feasible. In this work an Uncontrolled Control Element Assembly (CEA) Withdrawal at Full Power accident scenario is analyzed using the BEPU approach by loosely coupling the thermal hydraulics best-estimate system code (RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4) to the statistical analysis software (DAKOTA) using a Python interface. Results from the BEPU analysis indicate that a realistic treatment of the accident scenario yields a larger safety margin and is therefore encouraged for accident analysis as it may enable more economic and flexible operation.
Kim Jun Hwan;Lee Myoung Ho;Choi Byoung Kwon;Bang Je Geon;Jeong Yong Hwan
Korean Journal of Materials Research
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v.15
no.2
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pp.126-133
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2005
Mechanical properties of zirconium cladding were evaluated by ring tension test to simulate Reactivity-Initiated Accident (RIA) at high burnup situation as an out-reactor test. Zircaloy-4 cladding was hydrided up to 1000 ppm as well as oxidized up to $100\;{\mu}m$ to simulate high-burnup situation. After simulated high-burnup treatment, ring tension test was carried out from 0.01 to 1/sec to correlate with actual RIA event. The results showed that ductility and circumferential toughness decreased with the hydrogen content and oxide thickness. Hydride generated inside cladding acted as brittle failure. Oxygen influenced cladding tube by the reduction of load bearing area, oxygen embrittlement, and thermal aging. Correlation between in-reactor RIA parameter like fuel enthalpy and out-reactor toughness was performed and showed a reasonable result.
FRAPCON-3.4a and FRAPTRAN 1.4 are the most recent versions of the U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) steady-state and transient fuel performance codes, respectively. These codes have been assessed against separate effects data and integral assessment data and have been determined to provide a best estimate calculation of fuel performance. Recent updates included in FRAPCON-3.4a include updated material properties models, models for new fuel and cladding types, cladding finite element analysis capability, and capability to perform uncertainty analyses and calculate upper tolerance limits for important outputs. Recent updates included in FRAPTRAN 1.4 include: material properties models that are consistent with FRAPCON-3.4a, cladding failure models that are applicable for loss-of coolant-accident and reactivity initiated accident modeling, and updated heat transfer models. This paper briefly describes these code updates and data assessments, highlighting the particularly important improvements and data assessments. This paper also discusses areas of improvements that will be addressed in upcoming code versions.
Journal of the Korean Society of Systems Engineering
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v.18
no.2
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pp.58-74
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2022
Deterministic accident analysis plays a central role in the nuclear power plant (NPP) safety evaluation and licensing process. Traditionally the conservative approach opted for the point kinetics model, expressing the reactor core parameters in the form of reactivity and power tables. However, with the current advances in computational power, high fidelity multi-physics simulations using real-time code coupling, can provide more detailed core behavior and hence more realistic plant's response. This is particularly relevant for transients where the core is undergoing reactivity anomalies and uneven power distributions with strong feedback mechanisms, such as reactivity initiated accidents (RIAs). This work addresses a RIA, specifically a control element assembly (CEA) withdrawal at power, using the multi-physics analysis tool RELAP5/MOD 3.4/3DKIN. The thermal-hydraulics (TH) code, RELAP5, is internally coupled with the nodal kinetics (NK) code, 3DKIN, and both codes exchange relevant data to model the nuclear power plant (NPP) response as the CEA is withdrawn from the core. The coupled model is more representative of the complex interactions between the thermal-hydraulics and neutronics; therefore the results obtained using a multi-physics simulation provide a larger safety margin and hence more operational flexibility compared to those of the point kinetics model reported in the safety analysis report for APR1400. The systems engineering approach is used to guide the development of the work ensuring a systematic and more efficient execution.
In the framework of OECD/NEA Working Group on Fuel Safety, a RIA fuel-rod-code Benchmark Phase I was organized in 2010-2013. It consisted of four experiments on highly irradiated fuel rodlets tested under different experimental conditions. This benchmark revealed the need to better understand the basic models incorporated in each code for realistic simulation of the complicated integral RIA tests with high burnup fuel rods. A second phase of the benchmark (Phase II) was thus launched early in 2014, which has been organized in two complementary activities: (1) comparison of the results of different simulations on simplified cases in order to provide additional bases for understanding the differences in modelling of the concerned phenomena; (2) assessment of the uncertainty of the results. The present paper provides a summary and conclusions of the second activity of the Benchmark Phase II, which is based on the input uncertainty propagation methodology. The main conclusion is that uncertainties cannot fully explain the difference between the code predictions. Finally, based on the RIA benchmark Phase-I and Phase-II conclusions, some recommendations are made.
The design, construction, and operation of a light water reactor (LWR) are subject to compliance with safety criteria specified for accident situations, such as loss-of-coolant accident (LOCA) and reactivity-initiated accident (RIA). Because reactor fuel is the primary source of radioactivity and heat generation, such a criterion is established on the basis of the characteristics and performance of fuel under the specific accident condition. As such, fuel behavior under accident situations impact many aspects of fuel design and power generation, and in an indirect manner, even spent fuel storage and management. This paper provides a comprehensive review of: the history of the current LOCA criteria, results of LOCA-related investigations on conventional and new classes of fuel, and status of on-going studies on high-burnup fuel under LOCA situations. The objective of the paper is to provide a better understanding of important issues and an insight helpful to establish new LOCA criteria for modem LWR fuels.
Dokhane, A.;Vasiliev, A.;Hursin, M.;Rochman, D.;Ferroukhi, H.
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.5
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pp.1804-1812
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2022
The aim of this paper is to assess the reliability and accuracy of the PSI standard method, used in many previous works, for the quantification of ND uncertainties in the SPERT-III RIA transient, by quantifying the discrepancy between the actual inserted reactivity and the original static reactivity worth and their associated uncertainties. The assessment has shown that the inherent S3K neutron source renormalization scheme, introduced before starting the transient, alters the original static reactivity worth of the transient CR and reduces the associated uncertainty due to the ND perturbation. In order to overcome these limitations, two additional methods have been developed based on CR adjustment. The comparative study performed between the three methods has showed clearly the high sensitivity of the obtained results to the selected approach and pointed out the importance of using the right procedure in order to simulate correctly the effect of ND uncertainties on the overall parameters in a RIA transient. This study has proven that the approach that allows matching the original static reactivity worth and starting the transient from criticality is the most reliable method since it conservatively preserves the effect of the ND uncertainties on the inserted reactivity during a RIA transient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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