In a secondary cooling system of a sodium-cooled fast reactor (SFR), rapid detection of hydrogen due to sodium-water reaction (SWR) caused by water leakage from a heat exchanger tube of a steam generator (SG) is important in terms of safety and property protection of the SFR. For hydrogen detection, the hydrogen detectors using atomic transmission phenomenon of hydrogen within Ni-membrane were used in Japanese proto-type SFR "Monju". However, during the plant operation, detection signals of water leakage were observed even in the situation without SWR concerning temperature up and down in the cooling system. For this reason, the study of a new hydrogen detector has been carried out to improve stability, accuracy and reliability. In this research, the authors focus on the difference in composition of hydrogen and the difference between the background hydrogen under normal plant operation and the one generated by SWR and theoretically estimate the hydrogen behavior in liquid sodium by using ultra-accelerated quantum chemical molecular dynamics (UA-QCMD). Based on the estimation, dissolved H or NaH, rather than molecular hydrogen (H2), is the predominant form of the background hydrogen in liquid sodium in terms of energetical stability. On the other hand, it was found that hydrogen molecules produced by the sodium-water reaction can exist stably as a form of a fine bubble concerning some confinement mechanism such as a NaH layer on their surface. At the same time, we observed experimentally that the fine H2 bubbles exist stably in the liquid sodium, longer than previously expected. This paper describes the comparison between the theoretical estimation and experimental results based on hydrogen form in sodium in the development of the new hydrogen detector in Japan.
Kim, Jong-Bum;Jeong, Ji-Young;Lee, Tae-Ho;Kim, Sungkyun;Euh, Dong-Jin;Joo, Hyung-Kook
Nuclear Engineering and Technology
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제48권5호
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pp.1083-1095
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2016
The design of Prototype Gen-IV Sodium-Cooled Fast Reactor (PGSFR) has been developed and the validation and verification (V&V) activities to demonstrate the system performance and safety are in progress. In this paper, the current status of test activities is described briefly and significant results are discussed. The large-scale sodium thermal-hydraulic test program, Sodium Test Loop for Safety Simulation and Assessment-1 (STELLA-1), produced satisfactory results, which were used for the computer codes V&V, and the performance test results of the model pump in sodiumshowed good agreement with those in water. The second phase of the STELLA program with the integral effect tests facility, STELLA-2, is in the detailed design stage of the design process. The sodium thermal-hydraulic experiment loop for finned-tube sodium-to-air heat exchanger performance test, the intermediate heat exchanger test facility, and the test facility for the reactor flow distribution are underway. Flow characteristics test in subchannels of a wire-wrapped rod bundle has been carried out for safety analysis in the core and the dynamic characteristic test of upper internal structure has been performed for the seismic analysis model for the PGSFR. The performance tests for control rod assemblies (CRAs) have been conducted for control rod drive mechanism driving parts and drop tests of the CRA under scram condition were performed. Finally, three types of inspection sensors under development for the safe operation of the PGSFR were explained with significant results.
A simple model to analyze non-linear density-wave instability in a sodium-cooled helically coiled steam generator is developed. The model is formulated with three regions with moving boundaries. The homogeneous equilibrium flow model is used for the two-phase region and the shell-side energy conservation is also considered for the heat flux variation in each region. The proposed model is applied to the analysis of two-phase instability in a JAEA (Japan Atomic Energy Agency) 50MWt No.2 steam generator. The steady state results show that the proposed model accurately predicts the six cases of operating temperatures on the primary and secondary sides. The sizes of three regions, the secondary side pressure drop according to the flow rate, and the temperature variation in the vertical direction are also predicted well. The temporal variations of the inlet flow rate according to the throttling coefficient, the boiling and superheating boundaries and the pressure drop in the two-phase and superheating regions are obtained from the unsteady analysis.
We developed an achievable control logic for the reactor power level during a power maneuvering event and set up some constraints for the control of the reactor power in a conceptual sodium-cooled fast reactor (KALIMER-600) that was developed at KAERI. For simulating the dynamic behaviors of the plant, we developed a fast-running performance analysis code. Through various simulations of the power maneuvering event, we evaluated some suggested control logic for the reactor power and found an achievable control logic. The objective of the control logic is to search for the position of the control rods that would keep the average temperature of the primary pool constant and, concurrently, minimize the power deviation between the reactor and the BOP cycle during the power maneuvering. In addition, the flow rates of the primary pool and the intermediate loop should be changed according to the power level in order to not violate the constraints set up in this study. Also, we evaluated some movement speeds of the control rods and found that a fast movement of the control rods might cause the power to fluctuate during the power maneuvering event. We suggested a reasonable movement speed of the control rods for the developed control logic.
Martin, Ph.;Anzieu, P.;Rouault, J.;Serpantie, J.P.;Verwaerde, D.
Nuclear Engineering and Technology
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제39권4호
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pp.237-248
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2007
Sodium-cooled fast reactor is considered in France as a potential candidate for a prototype of 4th generation system to be built by 2020. A detailed working program has been launched recently to identify by 2012 the potential improvement tracks for later industrial development of these reactors. The goals for innovation are first identified: Progress of the safety with a special attention to severe accidents risk minimization and mitigation (defense in depth approach); Economic competitiveness of the system mainly by reducing the capital cost, the investment risks by enhancing in service inspection and repair capacities, and raising the availability; Sustainability with fissile material management while reducing the proliferation risk; capacity for long-lived waste transmutation.
제 4세대 원자로로 개발되고 있는 소듐냉각고속로는 냉각재로 사용되는 소듐의 물과 공기에 의한 반응을 방지하기 위하여 원자로 헤드의 개방 없이 회전 구동만을 이용하여 핵연료 교환을 수행한다. 따라서 핵연료 교환을 위해서는 노심과 상부내부구조물 사이의 공간에 원자로 헤드의 회전 구동을 방해하는 장애물의 존재 여부를 확인하는 검사가 반드시 선행되어야 하는데, 소듐의 불투명성으로 인해 통상적인 광학 장비를 사용한 검사방법으로는 장애물의 확인이 어렵고, 초음파를 이용한 검사방법이 적용되어야 한다. 이 연구에서는 불투명한 소듐 중에서 노심과 상부내부구조물 사이의 장애물 존재 여부를 확인하기 위하여 판형 웨이브가이드 초음파 센서를 적용한 원격주사 검사기법을 개발하였다. 웨이브가이드 센서는 원자로헤드 상부의 저온 구간에 초음파 트랜스듀서를 설치하고 길이가 긴 웨이브가이드를 사용하여 노심 상부의 고온 고방사능 소듐 내부로 초음파를 전파시키기 때문에, 고온 고방사능에 의한 손상 없이 장시간 적용이 가능한 장점을 가지고 있다. 먼저, 수평 방향으로 초음파를 방사시킬 수 있는 10 m 길이의 수평 빔 웨이브가이드 센서를 설계 제작하였고, 제작된 센서의 특성 분석을 위한 빔 프로파일 측정 및 기초 실험을 수행하여 방사되는 초음파의 빔 폭과 전파 거리를 평가하였다. 또한, 실제 장애물로 작용할 수 있는 부품들의 형상인 원형 목표물에 대한 원격탐지 성능시험을 수행하여 개발된 원격주사 기술의 유용성을 평가하였다.
New 80-MW (electric) ultra-long-life sodium cooled fast reactor core having inherent safety characteristics is designed with heterogeneous fuel assemblies comprised of driver and blanket fuel rods. Several options using upper sodium plenum and SSFZ (Special Sodium Flowing Zone) for reducing sodium void reactivity are neutronically analyzed in this core concept in order to improve the inherent safety of the core. The SSFZ allowing the coolant flow from the peripheral fuel assemblies increases the neutron leakage under coolant expansion or voiding. The Monte Carlo calculations were used to design the cores and analyze their physics characteristics with heterogeneous models. The results of the design and analyses show that the final core design option has a small burnup reactivity swing of 618 pcm over ~54 EFPYs cycle length and a very small sodium void worth of ~35pcm at EOC (End of Cycle), which leads to the satisfaction of all the conditions for inherent safety with large margin based on the quasi-static reactivity balance analysis under ATWS (Anticipated Transient Without Scram).
Thermal striping is a complex thermal-hydraulic phenomenon caused by fluid temperature fluctuations that can also cause high-cycle thermal fatigue to the structural wall of sodium-cooled fast reactors (SFRs). Numerical simulations using large-eddy simulation (LES) were performed to predict and evaluate the characteristics of the temperature fluctuations related to thermal striping in the upper internal structure (UIS) of the prototype generation-IV sodium-cooled fast reactor (PGSFR). Specific monitoring points were established for the fluid region near the control rod driving mechanism (CRDM) guide tubes, CRDM guide tube walls, and UIS support plates, and the normalized mean and fluctuating temperatures were investigated at these points. It was found that the location of the maximum amplitude of the temperature fluctuations in the UIS was the lowest end of the inner wall of the CRDM guide tube, and the maximum value of the normalized fluctuating temperatures was 17.2%. The frequency of the maximum temperature fluctuation on the CRDM guide tube walls, which is an important factor in thermal striping, was also analyzed using the fast Fourier transform analysis. These results can be used for the structural integrity evaluation of the UIS in SFR.
In this research, we investigated the burnup characteristics and the conversion of fertile $^{232}Th$ into fissile $^{233}U$ in the core of a Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR). The SFR fuel assemblies were designed for burning $^{232}Th$ fuel (fuel pin 1) and $^{233}U$ fuel (fuel pin 2) and include mixed minor actinide compositions. Monte Carlo simulations were performed using Serpent Code1.1.19 to compare with CRAM (Chebyshev Rational Approximation Method) and TTA (Transmutation Trajectory Analysis) method in the burnup calculation mode. The total heating power generated in the system was assumed to be 2000 MWth. During the reactor operation period of 600 days, the effective multiplication factor (keff) was between 0.964 and 0.954 and peaking factor is 1.88867.
A sodium-cooled demonstration fast reactor with the KALIMER-600 as a reference plant is under design by KAERI. The safety grade decay heat removal system (DHRS), which is important to mitigate design basis accidents, was changed in the reactor design. A loss of heat sink and a vessel leak in design basis accidents were simulated using the MARS-LMR system transient analysis code on two plant systems. In the analyses, the DHRS of KALIMER-600 had a weakness due to elevation of the overflow path for the DHRS operation, while it was proved that the DHRS of the demonstration reactor had superior heat transfer characteristics due to the simplified heat transfer mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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