A heat pipe residual heat removal system is proposed to be incorporated into the reactor driven subcritical (RDS) facility, which has been proposed by MIT Nuclear Reactor Laboratory for testing and demonstrating the Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactor (FHR). It aims to reduce the risk of the system operation after the shutdown of the facility. One of the main components of the system is an air-cooled heat pipe heat exchanger. The alkali-metal high-temperature heat pipe was designed to meet the operation temperature and residual heat removal requirement of the facility. The heat pipe model developed in the previous work was adopted to simulate the designed heat pipe and assess the heat transport capability. 3D numerical simulation of the subcritical facility active zone was performed by the commercial CFD software STAR CCM + to investigate the operation characteristics of this proposed system. The thermal resistance network of the heat pipe was built and incorporated into the CFD model. The nominal condition, partial loss of air flow accident and partial heat pipe failure accident were simulated and analyzed. The results show that the residual heat removal system can provide sufficient cooling of the subcritical facility with a remarkable safety margin. The heat pipe can work under the recommended operation temperature range and the heat flux is below all thermal limits. The facility peak temperature is also lower than the safety limits.
Numerical analysis is carried out to assess the temperature distribution on the mixing tee line of Residual Heat Removal System (RHRS). In RHRS, hot and cold fluids of main and bypass piping are mixed and unmixed by the flow rate or piping layout. Thermal stratification phenomenon is a cause of major degradation on RHRS piping. According to the analysis for each operation modes, maximum temperature difference between top and bottom of piping were evaluated about 60K when the flow rate of main and bypass lines is same. Temperature difference will be decreased at the elbow on RHRS piping if the length of vertical piping is increased.
Ta Van Thuong;O.L. Tashlykov;S.M. Glukhov;D.E. Shumkov;Yu.V. Volchikhina
Nuclear Engineering and Technology
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제55권6호
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pp.2088-2095
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2023
The safety of nuclear installations is largely determined by the tightness of fuel elements cladding. As the Fukushima nuclear accident showed, the main task in case of loss of power supply is to ensure reliable removal of residual heat release from spent fuel pool (SFP) with irradiated fuel assemblies (IFAs). The paper presents the results of calculated-experimental studies and thermal-hydraulic modeling of temperature storage modes of IFAs in SFP. Experimental studies of SFP's temperature regime and calculated evaluation of residual heat removal due to the thermal conductivity of building structures surrounding the SFP were performed. To ensure the safe operation of research reactors, it's necessary to know the IFA's residual heat power (RHP) in the reactor and SFP, which is determined depending on the operating time of fuel assemblies (FAs) and the IFAs calculated holding time. The FAs operating time depends on the reactor energy output. The IFAs calculated holding time is determined by the fuel burnup, U-235 mass in the fuel, and reactor utilization factor. The IFAs fuel burnup was calculated using the MCU-PTR program. Also presented are the RHP's calculation results using some of the empirical dependencies. The concept of a passive heat removal system (PHRS) based on thermosyphon's operating principle was proposed.
Na, Min Wook;Shin, Doyoung;Park, Jae Hyung;Lee, Jeong Ik;Kim, Sung Joong
Nuclear Engineering and Technology
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제52권5호
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pp.964-974
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2020
The small modular reactors (SMRs) of the integrated pressurized water reactor (IPWR) type have been widely developed owing to their enhanced safety features. The SMR-IPWR adopts passive residual heat removal system (PRHRS) to extract residual heat from the core. Because the PRHRS removes the residual heat using the latent heat of the water stored in the emergency cooldown tank, the PRHRS gradually loses its cooling capacity after the stored water is depleted. A quick restoration of the power supply is expected infeasible under station blackout accident condition, so an advanced PRHRS is needed to ensure an extended grace period. In this study, an advanced design is proposed to indirectly incorporate a dry air cooling tower to the PRHRS through an intermediate loop called indefinite PRHRS. The feasibility of the indefinite PRHRS was assessed through a long-term transient simulation using the MARS-KS code. The indefinite PRHRS is expected to remove the residual heat without depleting the stored water. The effect of the environmental temperature on the indefinite PRHRS was confirmed by parametric analysis using comparative simulations with different environmental temperatures.
In the passive residual heat removal system of a molten salt reactor, one of the residual heat removal methods is to use the thimble-type heat transfer elements of the drain salt tank to remove the residual heat of fuel salts. An experimental loop is designed and built with a single heat transfer element to analyze the heat transfer and flow characteristics. In this research, the influence of the size of a three-layer thimble-type heat transfer element on the heat transfer rate is analyzed. Two methods are used to obtain the heat transfer rate, and a difference of results between methods is approximately 5%. The gas gap width between the thimble and the bayonet has a large effect on the heat transfer rate. As the gas gap width increases from 1.0 mm to 11.0 mm, the heat transfer rate decreases from 5.2 kW to 1.6 kW. In addition, a natural circulation startup process is described in this paper. Finally, flashing natural circulation instability has been observed in this thimble-type heat transfer element.
Fouling of heat exchangers is generated by water-borne deposits, commonly known as foulants including particulate matter from the air, migrated corrosion produces; silt, clays, and sand suspended in water; organic contaminants; and boron based deposits in plants. The fouling is known to interfere with normal flow characteristics and reduce thermal efficiencies of heat exchangers. This paper describes the fouling analysis technique developed in this study which can analyze the thermal performance for heat exchangers and estimate the future fouling variations. To develop the fouling analysis technique fur heat exchangers, fouling factor was introduced based on the ASME O&M codes and TEMA standards. For the purpose or verifying the fouling analysis technique, the routing analyses were performed for four heat exchangers in several nuclear power plants; two residual heat removal heat exchangers of the residual heat removal system and two component cooling water heat exchangers of the component cooling water system.
The advanced passive pressurized water reactor (PWR) is being constructed in China and the passive residual heat removal (PRHR) system was designed to remove the decay heat. During accident scenarios with increase of heat removal from the primary coolant system, the actuation of the PRHR will enhance the cooldown of the primary coolant system. There is a risk of power excursion during the cooldown of the primary coolant system. Therefore, it is necessary to analyze the thermal hydraulic behavior of the reactor coolant system (RCS) at this condition. The advanced passive PWR model, including major components in the RCS, is built by SCDAP/RELAP5 code. The thermal hydraulic behavior of the core is studied for two typical accident sequences with PRHR actuation to investigate the core cooling capability with conservative assumptions, a main steam line break (MSLB) event and inadvertent opening of a steam generator (SG) safety valve event. The results show that the core is ultimately shut down by the boric acid solution delivered by Core Makeup Tank (CMT) injections. The effects of CMT boric acid concentration and the activation delay time on accident consequences are analyzed for MSLB, which shows that there is no consequential damage to the fuel or reactor coolant system in the selected conditions.
Convenient analytical tools for evaluation of the aperiodic and the fluctuating instabilities of the passive residual heat removal system (PRHRS) of an integral reactor are developed and results are discussed from the viewpoint of the system design. First, a static model for the aperiodic instability using the system hydraulic loss relation and the downcomer feedwater heating equations is developed. The calculated hydraulic relation between the pressure drop and the feedwater flow rate shows that several static states can exist with various numbers of water-mode feedwater module pipes. It is shown that the most probable state can exist by basic physical reasoning, that there is no flow rate through the steam-mode feedwater module pipes. Second, a dynamic model for the fluctuating instability due to steam generation retardation in the steam generator and the dynamic interaction of two compressible volumes, that is, the steam volume of the main steam pipe lines and the gas volume of the compensating tank is formulated and the D-decomposition method is applied after linearization of the governing equations. The results show that the PRHRS becomes stabilized with a smaller volume compensating tank, a larger volume steam space and higher hydraulic resistance of the path $a_{ct}$. Increasing the operating steam pressure has a stabilizing effect. The analytical model and the results obtained from this study will be utilized for PRHRS performance improvement.
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.
The MIDLOOP code has been developed for the evaluation of RES pressurization transients initiated from a loss-of-Residual Heat Removal System (RHRS) during mid-loop operation after reactor shutdown. It provides a fast running and realistic tool for studying parametrically the response of important plant parameters such as pressure, temperature, and level to various plant combinations of the primary side vent, makeup, and leakage procedures and the steam generator (SG) conditions. The code consists of ten nodes representing the primary and secondary sides of a nuclear power plant and can analyze the effect of air on the primary system pressurization and primary to secondary heat transfer. The analysis results of the MIDLOOP code are in good agreement with the ROSA-IV/LSTF experiment without opening in the RCS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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