The goal of this research is to propose a way to maximize small modular reactor (SMR) utilization to gain better market feasibility in support of carbon neutrality. For that purpose, a comprehensive tool was developed, combining off-design thermohydraulic models, economic objective models (levelized cost of electricity, annual profit), non-economic models (saved CO2), a parameter input sampling method (Latin hypercube sampling, LHS), and a multi-objective evolutionary algorithm (Non-dominated Sorting Algorithm-2, NSGA2 method) for optimizing a SMR-combined heat and power cycle (CHP) system design. Considering multiple objectives, it was shown that NSGA2+LHS method can find better optimal solution sets with similar computational costs compared to a conventional weighted sum (WS) method. Out of multiple multi-objective optimal design configurations for a 105 MWe design generation rating, a chosen reference SMR-CHP system resulted in its levelized cost of electricity (LCOE) below $60/MWh for various heat prices, showing economic competitiveness for energy market conditions similar to South Korea. Examined economic feasibility may vary significantly based on CHP heat prices, and extensive consideration of the regional heat market may be required for SMR-CHP regional optimization. Nonetheless, with reasonable heat market prices (e.g. district heating prices comparable to those in Europe and Korea), SMR can still become highly competitive in the energy market if coupled with a CHP system.
Elimination of soluble boron from reactor design eliminates boron-induced reactivity accidents and leads to a more negative moderator temperature coefficient. However, a large negative moderator temperature coefficient can lead to large reactivity feedback that could allow the reactor to return to power when it cools down from hot full power to cold zero power. In soluble boron-free small modular reactor (SMR) design, only control rods are available to control such rapid core transient. The purpose of this study is to investigate whether an SMR would have enough control rod worth to compensate for large reactivity feedback. The investigation begins with classification of reactivity and completes an analysis of the reactivity balance in each reactor state for the SMR model. The control rod worth requirement obtained from the reactivity balance is a minimum control rod worth to maintain the reactor critical during the whole cycle. The minimum available rod worth must be larger than the control rod worth requirement to manipulate the reactor safely in each reactor state. It is found that the SMR does have enough control rod worth available during rapid transient to maintain the SMR at subcritical below k-effectives of 0.99 for both hot zero power and cold zero power.
The development of soluble boron-free (SBF) operation in the innovative Small Modular Reactor (i-SMR) requires effective strategies for managing excess reactivity over extended operational cycles. This paper introduces a practical approach to reactor core design for SBF operation in i-SMR, emphasizing the use of gadolinia burnable absorbers (BA). The study investigates the feasibility of Highly Intensive and Discrete Gadolinia/Alumina Burnable Absorber (HIGA) rods for controlling excess reactivity sustainably. Through comprehensive analysis and simulations, the reactivity behavior with varying quantities of HIGA rods is examined, leading to the development of optimized fuel assembly designs. Furthermore, the integration of HIGA rods with integral gadolinia BA rods is discussed to enhance reactivity control and operational flexibility further. This approach utilizes the spatial self-shielding effect of gadolinia for extended reactivity management, crucial for stable and efficient reactor performance. The paper thoroughly addresses core design considerations, including fuel assembly configurations and control rod patterns, to ensure safety and performance in initial and reload cycles. This research advances the development of SBF operation in i-SMR by offering practical reactivity management solutions.
This paper defines a 3D full core neutronics benchmark which is based on the NuScale small modular reactor (SMR) concept. The paper provides a detailed description of the NuScale-like core, a list of expected outputs, and a reference solution to the benchmark exercises obtained with the Monte Carlo code Serpent. The benchmark was developed in the framework of the Euratom McSAFER project and can be used for verification of computational chains dedicated to 3D full-core neutronics simulations of water cooled SMRs. The paper is supplemented with a digital data set to ease the modeling process.
A detailed computational fluid dynamics (CFD) simulation analysis model was developed using ANSYS CFX 16.1 and analyzed to simulate the basic design and internal flow characteristics of a 180 MW small modular reactor (SMR) with a natural circulation flow system. To analyze the natural circulation phenomena without a pump for the initial flow generation inside the reactor, the flow characteristics were evaluated for each output assuming various initial powers relative to the critical condition. The eddy phenomenon and the flow imbalance phenomenon at each output were confirmed, and a flow leveling structure under the core was proposed for an optimization of the internal natural circulation flow. In the steady-state analysis, the temperature distribution and heat transfer speed at each position considering an increase in the output power of the core were calculated, and the conceptual design of the SMR had a sufficient thermal margin (31.4 K). A transient model with the output ranging from 0% to 100% was analyzed, and the obtained values were close to the Thot and Tcold temperature difference value estimated in the conceptual design of the SMR. The K-factor was calculated from the flow analysis data of the CFX model and applied to an analysis model in RELAP5/MOD3.3, the optimal analysis system code for nuclear power plants. The CFX analysis results and RELAP analysis results were evaluated in terms of the internal flow characteristics per core output. The two codes, which model the same nuclear power plant, have different flow analysis schemes but can be used complementarily. In particular, it will be useful to carry out detailed studies of the timing of the steam generator intervention when an SMR is activated. The thermal and hydraulic characteristics of the models that applied porous media to the core & steam generators and the models that embodied the entire detail shape were compared and analyzed. Although there were differences in the ability to analyze detailed flow characteristics at some low powers, it was confirmed that there was no significant difference in the thermal hydraulic characteristics' analysis of the SMR system's conceptual design.
The natural circulation phenomena occurring in fully integrated nuclear reactors are associated with a unique formation mechanism. The phenomenon results from a structural feature of these reactors involving upward flow from the core, located in the central-bottom region of a single vessel, and downward flow to the steam generator in the annulus region. In this study, to understand the natural circulation in a single vessel involving a multi-layered flow path, single-phase and two-phase natural circulation tests were performed using the SMART-ITL facility, and validation analysis of the TASS/SMR-S code was performed by comparing the corresponding test results. Three single-phase natural circulation tests were sequentially conducted at 15%, 10%, and 5% of full-scaled core-power without RCP operation, following which a two-phase natural circulation test was successively conducted with an artificial discharge of coolant inventory. The simulation capability of the TASS/SMR-S code with respect to the natural circulation phenomena was validated against the test results, and somewhat conservative but reasonably comparative results in terms of overall thermalhydraulic behavior were shown.
The nuclear waste attributes of near-term deployable SMRs were assessed using established nuclear waste metrics, which are the DU mass, SNF mass, volume, activity, decay heat, radiotoxicity, and decommissioning LLW volumes. Metrics normalized per unit electricity generation were compared to a reference large PWR. Three SMRs, VOYGR, Natrium, and Xe-100, were selected because they represent a range of reactor and fuel technologies and are active designs deployable by the decade's end. The SMR nuclear waste attributes show both some similarities to the PWR and some significant differences caused by reactor-specific design features. The DU mass is equivalent to or slightly higher than the PWR. Back-end waste attributes for SNF disposition vary, but the differences have a limited impact on long-term repository isolation. SMR designs can vary significantly in SNF volume (and thus heat generation density). However, these differences are amenable to design optimization for handling, storage, transportation, and disposal technologies. Nuclear waste attributes from decommissioning vary depending on design and decommissioning technology choices. Given the analysis results in this study and assuming appropriate waste management system and operational optimization, there appear to be no major challenges to managing SMR nuclear wastes compared to the reference PWR.
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.
지반조사방법 중 표준관입시험 결과인 N치를 통해 알 수 있는 지반 지지층의 깊이는 각종 지반 구조물의 설계를 위한 기본적인 지반 정보를 제공하는 중요한 지표이다. 이러한 지반조사 결과는 시간과 비용 측면을 고려해 간헐적으로 수행될 수밖에 없으며, 그 결과는 현장 지반의 대표성을 갖게 된다. 그러나 지반 내에는 다양한 지층 변동성 및 불확실성이 존재하므로 간헐적인 현장조사를 통해 지반의 특성을 모두 파악하는 것은 어렵다. 따라서 시추공 정보로부터 미계측 지점을 예측하기 위한 방법들이 제시되어 왔으며, 대표적인 방법으로는 공간보간기법인 크리깅(Krigging), 역거리가중법(IDW)등이 있다. 최근에는 보간기법의 정확성을 높이기 위해 지반분야와 딥러닝 기술을 접목한 연구들이 수행되고 있다. 본 연구에서는 약 2만 2천공의 지반조사 결과를 바탕으로 딥러닝과 공간보간기법으로 지반 지지층 깊이 예측을 위한 비교 연구를 수행하였다. 이를 위해 딥러닝 알고리즘인 완전연결 네트워크와 포인트넷 방법, 공간보간기법으로는 IDW를 사용하였다. 각 분석 모델의 지지층 예측 결과 중 오차의 평균은 IDW가 3.01m 였으며, 완전연결 네트워크 및 포인트넷이 각 3.22m와 2.46m 였다. 결과의 표준편차는 IDW가 3.99였으며, 완전연결네트워크와 포인트넷이 3.95와 3.54로 나타났다. 연구 결과 3차원 정보에 특화된 포인트넷 구조를 적용한 네트워크가 IDW 및 완전연결 네트워크에 비해 개선된 결과를 나타냈다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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