Kim, Ji-Seok;Kim, Yun-Jae;Lee, Myeong-Woo;Jeon, Jun-Young;Kim, Jong-Sung
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.2
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pp.666-676
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2021
This paper presents numerical estimation of burst pressures of axial cracked U-bend tubes, considering the U-bending process analysis. The validity of the FE simulations is confirmed by comparing with published experimental data. From parametric analyses, it is shown that existing EPRI burst pressure estimation equations for straight tubes can be conservatively used to estimate burst pressures of the U-bend tubes. This is due to the increase in yield strength during the U-bending process. The degree of conservatism would decrease with increasing the bend radius and with increasing the crack depth.
The Improved Deterministic Truncation of Monte Carlo (iDTMC) is a powerful acceleration and variance reduction scheme in the Monte Carlo analysis. The concept of the iDTMC method and correlated sampling-based real variance estimation are briefly introduced. Moreover, the application of the iterative scheme to the correlated sampling is discussed. The iDTMC method is utilized in a 3-dimensional small modular reactor (SMR) model problem. The real variances of burnup-dependent criticality and power distribution are evaluated and compared with the ones obtained from 30 independent iDTMC calculations. The impact of the inactive cycles on the correlated sampling is also evaluated to investigate the consistency of the correlated sample scheme. In addition, numerical performances and sensitivity analysis on the real variance estimation are performed in view of the figure of merit of the iDTMC method. The numerical results show that the correlated sampling accurately estimates the real variances with high computational efficiencies.
Abdelhameed, Ahmed Amin E.;Chaudri, Khurrum Saleem;Kim, Yonghee
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.12
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pp.2699-2708
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2020
Helical-coil steam generator (HCSG) technology is a major design candidate for small modular reactors due to its compactness and capability to produce superheated steam with high generation efficiency. In this paper, we investigate the feasibility of the passively autonomous power maneuvering by coupling the 3-D transient multi-physics of a soluble-boron-free (SBF) core with a time-dependent HCSG model. The predictor corrector quasi-static method was used to reduce the cost of the transient 3-D neutronic solution. In the numerical system simulations, the feedwater flow rate to the secondary of the HCSGs is adjusted to extract the demanded power from the primary loop. This varies the coolant temperature at the inlet of the SBF core, which governs the passively autonomous power maneuvering due to the strongly negative coolant reactivity feedback. Here, we simulate a 100-50-100 load-follow operation with a 5%/minute power ramping speed to investigate the feasibility of the passively autonomous load-follow in a 450 MWth SBF PWR. In addition, the passively autonomous frequency control operation is investigated. The various system models are coupled, and they are solved by an in-house Fortran-95 code. The results of this work demonstrate constant steam temperature in the secondary side and limited variation of the primary coolant temperature. Meanwhile, the variations of the core axial shape index and the core power peaking are sufficiently small.
Jongin Yang;Hong Hyun Son;Yong Jae Lee;Doyoung Shin;Taejin Kim;Seong Soo Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.6
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pp.1974-1987
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2023
The load-following operation of small modular reactors (SMRs) requires accurate prediction of transient behaviors that can occur in the balance of plants (BOP) and the nuclear steam supply system (NSSS). However, 1-D thermal-hydraulics analysis codes developed for safety and performance analysis have conventionally excluded the BOP from the simulation by assuming ideal boundary conditions for the main steam and feed water (MS/FW) systems, i.e., an open loop. In this study, we introduced a lumped model of BOP fluid system and coupled it with NSSS without any ideal boundary conditions, i.e., in a closed loop. Various methods for coupling boundary conditions at MS/FW were tested to validate their combination in terms of minimizing numerical instability, which mainly arises from the coupled boundaries. The method exhibiting the best performance was selected and applied to a transient simulation of an integrated NSSS and BOP system of a SMART. For a transient event with core power change of 100-20-100%, the simulation exhibited numerical stability throughout the system without any significant perturbation of thermal-hydraulic parameters. Thus, the introduced boundary-condition coupling method and BOP fluid system model can expectedly be employed for the transient simulation and performance analysis of SMRs requiring daily load-following operations.
Jae Hyung Park;Jihun Im;Hyo Jun An;Yonghee Kim;Jeong Ik Lee;Sung Joong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.7
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pp.2534-2544
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2024
This paper proposes a flooding safety system (FSS) and its operation strategy that can provide long-term safety and effective maintenance for modules of small modular reactor (SMR) and metal containment maintained at dried environment during normal operation. During hypothesized accidents, the FSS re-collects the evaporated steam into the common pool by the condenser installed above the common water pool and provides an emergency coolant for the cavities and auxiliary pools. This study suggested that the condensate re-collection strategy using the FSS can effectively delay the depletion of available water in response to the accidents. Without recollection, the achievable grace periods ranged from 44 to 1507 days for six-module and one-module accidents, respectively. However, with a full re-collection (ratio = 1.0), the time to total depletion of emergency coolant was estimated indefinite. Even with a partial re-collection ratio of 0.3, a grace period of 83.5 days could be ensured for a six-module transient. This study reported the effectiveness of condensate re-collection and the FSS as an innovative safety management strategy and system. Employing a condensate re-collection strategy with a high re-collection ratio can enhance the long-term safety and effective convenience of SMR operations and maintenance.
Numerous advanced reactor concepts have been proposed to replace light water reactors ever since their establishment as the dominant technology for nuclear energy production. While most designs seek to improve cost competitiveness and safety, the implausibility of doing so with affordable materials or existing nuclear fuel infrastructure reduces the possibility of near-term deployment, especially in developing countries. The organic nuclear concept, first explored in the 1950s, offers an attractive alternative to advanced reactor designs being considered. The advent of high temperature fluids, along with advances in hydrocracking and reforming technologies driven by the oil and gas industries, make the organic concept even more viable today. We present a simple, cost-effective, and safe small modular nuclear reactor for offshore underwater deployment. The core is moderated by graphite, zirconium hydride, and organic fluid while cooled by the organic fluid. The organic coolant enables operation near atmospheric pressure and use of plain carbon steel for the reactor tank and primary coolant piping system. The core is designed to mitigate the coolant degradation seen in early organic reactors. Overall, the design provides a power density of 40 kW/L, while reducing the reactor hull size by 40% compared with a pressurized water reactor while significantly reducing capital plant costs.
A novel fully passive small modular superheated water reactor (SWR) for underwater deployment is designed to produce 160 MWe with steam at $500^{\circ}C$ to increase the thermodynamic efficiency compared with standard light water reactors. The SWR design is based on a conceptual 400-MWe integral SWR using the internally and externally cooled annular fuel (IXAF). The coolant boils in the external channels throughout the core to approximately the same quality as a conventional boiling water reactor and then the steam, instead of exiting the reactor pressure vessel, turns around and flows downward in the central channel of some IXAF fuel rods within each assembly and then flows upward through the rest of the IXAF pins in the assembly and exits the reactor pressure vessel as superheated steam. In this study, new cladding material to withstand high temperature steam in addition to the fuel mechanical and safety behavior is investigated. The steam temperature was found to depend on the thermal and mechanical characteristics of the fuel. The SWR showed a very different transient behavior compared with a boiling water reactor. The inter-play between the inner and outer channels of the IXAF was mainly beneficial except in the case of sudden reactivity insertion transients where additional control consideration is required.
Na, Min Wook;Shin, Doyoung;Park, Jae Hyung;Lee, Jeong Ik;Kim, Sung Joong
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.5
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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.
The tendency to renewables is one of the consequences of changing attitudes towards energy issues. As a result, solar energy, which is the leader among renewable energies based on availability and potential, plays a crucial role in full filing global needs. Significant problems with the solar thermal power plants (STPP) are the operation time, which is limited by daylight and is approximately half of the power plants with fossil fuels, and the capital cost. Exergy analysis survey of STPP hybrid with PCM storage carried out using Engineering Equation Solver (EES) program with genetic algorithm (GA) for three different scenarios, based on eight decision variables, which led us to decrease final product cost (electricity) in optimized scenario up to 30% compare to base case scenario from 28.99 $/kWh to 20.27 $/kWh for the case study. Also, in the optimal third scenario of this plant, the inner carbon dioxide gas cycle produces 1200 kW power with a thermal efficiency of 59% and also 1000 m3/h water with an exergy efficiency of 23.4% and 79.70 kg/h with an overall exergy efficiency of 34% is produced in the tetrageneration plant.
Petroski, Robert;Bates, Ethan;Dionne, Benoit;Johnson, Brian;Mieloszyk, Alex;Xu, Cheng;Hejzlar, Pavel
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.3
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pp.877-887
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2022
A new reactor concept is described that directly couples a supercritical CO2 (sCO2) power cycle with a CO2-cooled, heavy water moderated pressure tube core. This configuration attains the simplification and economic potential of past direct-cycle sCO2 concepts, while also providing safety and power density benefits by using the moderator as a heat sink for decay heat removal. A 200 MWe design is described that heavily leverages existing commercial nuclear technologies, including reactor and moderator systems from Canadian CANDU reactors and fuels and materials from UK Advanced Gas-cooled Reactors (AGRs). Descriptions are provided of the power cycle, nuclear island systems, reactor core, and safety systems, and the results of safety analyses are shown illustrating the ability of the design to withstand large-break loss of coolant accidents. The resulting design attains high efficiency while employing considerably fewer systems than current light water reactors and advanced reactor technologies, illustrating its economic promise. Prospects for the design are discussed, including the ability to demonstrate its technologies in a small (~20 MWe) initial system, and avenues for further improvement of the design using advanced technologies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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