Thermal analysis of accident conditions is an important problem during safety assessment of the dry spent nuclear fuel storage facilities. Thermal aspects of accident conditions with channel blockage of ventilated storage containers are considered in this article. Analysis of flow structure inside ventilated containers is carried out by numerical simulation. The main mechanisms of heat and mass transfer, which take part in spent nuclear fuel cooling, were detected. Classification of accidents on the basis of their influence on the maximum temperatures inside storage casks is proposed.
Park, Chanwoo;Baek, Min Kyu;Kang, In-soo;Lee, Seongyeon;Chung, Heejun;Chung, Yong Hyun
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.2
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pp.601-607
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2022
In recent years, monitoring of spent nuclear fuel inside dry cask storage has become an important area of national security. Muon tomography is a useful method for monitoring spent nuclear fuel because it uses high energy muons that penetrate deep into the target material and provides a 3-D structure of the inner materials. We designed a muon tomography system consisting of four 2-D position sensitive detector and characterized and optimized the system parameters. Each detector, measuring 200 × 200 cm2, consists of a plastic scintillator, wavelength shifting (WLS) fibers and, SiPMs. The reconstructed image is obtained by extracting the intersection of the incoming and outgoing muon tracks using a Point-of-Closest-Approach (PoCA) algorithm. The Geant4 simulation was used to evaluate the performance of the muon tomography system and to optimize the design parameters including the pixel size of the muon detector, the field of view (FOV), and the distance between detectors. Based on the optimized design parameters, the spent fuel assemblies were modeled and the line profile was analyzed to conduct a feasibility study. Line profile analysis confirmed that muon tomography system can monitor nuclear spent fuel in dry storage container.
Due to excess reactivity, fresh nuclear fuel often contains burnable poisons. This research looks at six different burnable poisons and their impacts on reactivity, material attractiveness, and waste management. An MCNP simulation of a PWR fuel pin was performed with a fuel burnup of 60 GWd/MTHM to determine when each burnable poison fuel type would decrease below a k∞ of 1. For determining the plutonium material attractiveness in each burnable poison fuel type, the plutonium isotopic content of the used fuel was evaluated using Bathke's Figure of Merit formula. For the waste management analysis, the thermal output of each burnable poison fuel type was determined through ORIGEN decay simulations at 100 and 300 years after being discharged from the core. The performance of all six burnable poisons varied over the three criteria considered and no single burnable poison performed best in all three considerations.
The International Atomic Energy Agency (IAEA) mandates safeguards to ensure non-proliferation of nuclear materials. Among inspection techniques used to detect partial defects within spent nuclear fuel (SNF), gamma emission tomography (GET) has been reported to be reliable for detection of partial defects on a pin-by-pin level. Conventional GET, however, is limited by low detection efficiency due to the high density of nuclear fuel rods and self-absorption. This paper proposes a new type of GET named Spent Fuel Internal Tomography (SFIT), which can acquire sinograms at the guide tube. The proposed device consists of the housing, shielding, C-shaped collimator, reflector, and gadolinium aluminum gallium garnet (GAGG) scintillator. For accurate attenuation correction, the source-distinguishable range of the SFIT device was determined using MC simulation to the region away from the proposed device to the second layer. For enhanced inspection accuracy, a proposed specific source-discrimination algorithm was applied. With this, the SFIT device successfully distinguished all source locations. The comparison of images of the existing and proposed inspection methods showed that the proposed method, having successfully distinguished all sources, afforded a 150 % inspection accuracy improvement.
The Integral Pressurized Water Reactors (IPWRs) as the innovative advanced and generation-III + reactors are under study and developments in a lot of countries. This paper is aimed at the thermal hydraulic study of the hot and average fuel sub-channel in a Generation III + IPWR by loose external coupling to the neutronic simulation. The power produced in fuel pins is calculated by the neutronic simulation via MCNPX2.6 then fuel and coolant temperature changes along fuel sub-channels evaluated by computational fluid dynamic thermal hydraulic calculation through an iterative coupling. The relative power densities along the fuel pin in hot and average fuel sub-channel are calculated in sixteen equal divisions. The highest centerline temperature of the hottest and the average fuel pin are calculated as 633 K (359.85 ℃) and 596 K (322.85 ℃), respectively. The coolant enters the sub-channel with a temperature of 557.15 K (284 ℃) and leaves the hot sub-channel and the average sub-channel with a temperature of 596 K (322.85 ℃) and 579 K (305.85 ℃), respectively. It is shown that the spacer grids result in the enhancement of turbulence kinetic energy, convection heat transfer coefficient along the fuel sub-channels so that there is an increase in heat transfer coefficient about 40%. The local fuel pin temperature reduction in the place and downstream the space grids due to heat transfer coefficient enhancement is depicted via a graph through six iterations of neutronic and thermal hydraulic coupling calculations. Working in a low fuel temperature and keeping a significant gap below the melting point of fuel, make the IPWR as a safe type of generation -III + nuclear reactor.
Seungjin Seo;Nakkyu Chae;Samuel Park;Richard I. Foster;Sungyeol Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.7
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pp.2591-2603
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2023
Simulating the Corrosion-Related Unidentified Deposit (CRUD) on the surface of fuel assemblies is necessary to predict the axial offset anomaly and the localized corrosion induced by the CRUD during the operation of nuclear power plants. A new CRUD model was developed to predict the formation of the CRUD deposits, considering the deposition and erosion mechanisms. The heat transfer and capillary flow within the CRUD were also considered to evaluate the boiling amount within the CRUD layer. This model predicted a CRUD deposit thickness of 44 ㎛ during a one-cycle operation of the Seabrook nuclear power plant. The CRUD deposition tended to accelerate and decelerate during the simulation, by being related to boiling mechanism on the deposits surface. Additionally, during a three-cycle operation corresponding to the refueling period, the CRUD deposition was saturated at a thickness of 80 ㎛, which was in good agreement with the suggested thickness for CRUD buildupin pressurized water reactors. Surface boiling on the thin CRUD deposits enhanced the acceleration of the deposition, even when the wick boiling properties were not favorable for CRUD deposition. To ensure the certainty of the simulation results, sensitivity analyses were conducted for the porosity, chimney density, and the constants employed in the proposed model of the CRUD.
Spent fuel behavior of dry storage was simulated in a continuous state from steady-state operation by modifying FRAPCON-4.0 to incorporate spent fuel-specific fuel behavior models. Spent fuel behavior of a typical PWR was compared with that of NuScale Power Module (NPMTM). Current PWR discharge burnup (60 MWd/kgU) gives a sufficient margin to the hoop stress limit of 90 MPa. Most hydrogen precipitation occurs in the first 50 years of dry storage, thereby no extra phenomenological safety factor is identified for extended dry storage up to 100 years. Regulation for spent fuel management can be significantly alleviated for LWR-based SMRs. Hydride embrittlement safety criterion is irrelevant to NuScale spent fuels; they have sufficiently lower plenum pressure and hydrogen contents compared to those of PWRs. Cladding creep out during dry storage reduces the subchannel area with burnup. The most deformed cladding outer diameter after 100 years of dry storage is found to be 9.64 mm for discharge burnup of 70 MWd/kgU. It may deteriorate heat transfer of dry storage by increasing flow resistance and decreasing the view factor of radiative heat transfer. Self-regulated by decreasing rod internal pressure with opening gap, cladding creep out closely reaches the saturated point after ~50 years of dry storage.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.4
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pp.324-329
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2010
Fuel rods using in nuclear power plants consist of uranium dioxide pellets enclosed in zirconium alloy(zircaloy) tubes. It is vitally important for the pellet surface to remain free from pits, cracks and chipping defects after it is loaded into the tubes to prevent local hot spots during reactor operation. This paper investigates the feasibility study for detecting surface flaws of pellets contained within nuclear fuel rod through X-ray tomography simulation. Reconstructed images used by parallel and fan-beam filtered back projection method were presented and confirmed the accessibility between simulation data and MPS(missing pellet surface) image data.
Targeting at simulating the application of thorium-uranium (TU) fuel in the CANDU-6 reactor, this paper analyzes the process using the code DRAGON/DONJON where the discrete TU fuel pins are applied in the CANDU-6 reactor under the time-average equilibrium refueling. The results show that the coolant void reactivity of the assembly analyzed in this paper is lower than that of 37-element bundle cell with natural uranium and 37-element bundle cell with mixed TU fuel pins; that the max time-average channel/bundle power of the core meets the limits - less than 6700kW/860 kW; that the fuel conversion ratio is higher than that of the CANDU-6 reactor with natural uranium; and that the exit burnup increases to 13400 MWd/tU. Thus, the simulation in this paper with the fuel in the 37-element bundle cell using discrete TU fuel pins can be considered to be applied in CANDU-6 reactor with adequate modifications of the core structure and operating modes.
The fuel rod performance has great importance for the safety and economy of an operating reactor. The fuel rod performance analysis code, which considers the thermal-mechanical response and irradiation effects of fuel rod, is usually developed in order to predict fuel rod performance accurately. The FRIPAC (${\underline{F}}uel$${\underline{R}}od$${\underline{I}}ntegral$${\underline{P}}erformance$${\underline{A}}nalysis$${\underline{C}}ode$) is such a fuel rod performance analysis code that has been developed recently by China Nuclear Power Technology Research Institute Co. Ltd. The code aims at the computational simulation of the Pressurized Water Reactor fuel rod behavior for both steady-state and power ramp condition. A brief overview of FRIPAC is presented including the computational framework and the main behavioral models. Validation of the code is also presented and it focuses on the fuel rod behavior including fuel center temperature, fission gas release, rod internal pressure/internal void volume, cladding outer diameter and cladding corrosion thickness. The validation is based on experimental data from several international projects. The validation results indicate that FRIPAC is an accurate and reliable fuel rod performance analysis code because of the satisfactory comparison results between the experimental measurements and the code predictions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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