Kim, Juseong;Kook, Donghak;Sim, Jeehyung;Kim, Yongsoo
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.11
no.4
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pp.333-349
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2013
As the capacity of spent nuclear fuel storage pool at reactor sites becomes saturated in ten years, long term dry storage strategy has been recently discussed as an alternative option in Korea. In this study, we reviewed safety-criteria-related research results on spent nuclear fuel performance and integrity under long-term dry storage and proposed the direction and the scope of future domestic research and development. Creep and hydride effect in relation to the embrittlement are known to be the major degradation mechanisms of the spent fuels during the long term dry storage. However, recent research results showed that hydride reorientation and hydride embrittlement are one of the most critical factors to the spent fuel integrity. Accordingly safety criteria of US and Japan for the storage system are basically founded on those mechanisms. However, in Korea, not only in-pile but out-of-pile experimental data have not been generated to understand fuel cladding degradation and to determine the criteria to ensure the safety. In addition, the transient behavior of the spent fuel during transportation also needs to be thoroughly examined. Therefore, various experimental research and development will be required to establish our own safety criteria for future long-term dry storage of domestic spent fuels.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.3
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pp.303-313
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2023
Spent fuels (SFs) are stored in a storage pool after discharge from nuclear power plants. They can be transferred to for the further processes such as dry storage sites, processing plants, or disposal sites. One of important measures of SF is the burnup. Since the radioactivity of SF is strongly dependent on its burnup, the burnup of SF should be well estimated for the safe management, storage, and final disposal. Published papers about the methodology for the burnup estimation from the known activities of important radioactive sources are somewhat rare. In this study, we analyzed the dependency of the burnup on the important radiation source activities using ORIGEN-ARP, and suggested simple correlations that relate the burnup and the important source activities directly. A burnup estimation equation is suggested for PWR fuels relating burnup with total neutron source intensity (TNSI), initial enrichment, and cooling time. And three burnup estimation equations for major gamma sources, 137Cs, 134Cs, and 154Eu are also suggested.
Estimated dose rates in spent fuel pool storage with the extended fuel cycle core management were reviewed and compared with design limit after calculation with the aid of DLC-23/CASK(22 n, 18 g) nuclear data and ANISN code. Radioactivity and gamma spectrum within spent fuel assemblies were calculated with ORIGEN code by extended fuel cycle model. In the calculation of dose rate, the fuel pool geometry was assumed to be infinite slab. Also, composition materials and radiation source within assemblies which are being stored in pool storage were assumed to be uniformly distributed throughout all the assemblies. As a result of culculation of dose rate from stored assemblies and waterborne radionuclides in pool water, the calculated dose rates appear to be lower than design basis limit under normal condition as well as abnormal condition.
Non-destructive gamma-ray spectrometry was carried out on the spent PWR fuel assemblies at the spent fuel pool of reactor-site. Attention was focused on the determination of burnup distribution and cooling time. For the measurement of burnup distribution, the concentration ratio of $^{134}$ Cs$^{137}$ Cs was used and the results showed these ratios varied with the positions of assemblies in the core during their irradiation. For the measurement of cooling time, $^{144}$ Ce$^{137}$ Cs was used and the results were agreed considerably well with the operator declared cooling time.
The thermal analysis on the spent fuel shipping cask for a PWR fuel assembly is performed. Under the normal and fire-accident conditions the temperature distribution through a multilayer cask calculated in compliance with 10 CFR Part 71. A KNU 5&6 spent fuel assembly is assumed to be the decay heat source, which has the maximum discharge turnup of 45, 000MWD/MTU and has been stored in the spent fuel storage pool for 300 days. As a result of thermal analysis, the maximum cladding temperature in case of dry cavity under fire-accident conditions is calculated to be 455$^{\circ}C$. This value is much less than the limiting value specified in 10 CFR Part 50.46. It indicates that no fuel rod cladding rupture could occur under fire-accident conditions. It was also found that no melting of lead would take place in the major shield region.
Natural convection and thermal stratification phenomena are found in large water pools that are being used as heat sinks for decay heat removal from the reactor core using passive heat removal systems. In this study, the two-phase (water and air) natural convection and thermal stratification phenomena with conjugate heat transfer in the rectangular enclosure were investigated numerically using ANSYS Fluent 17.2 code. The transient numerical simulations of these phenomena in the full-scale computational domain of the experimental facility were performed. Generation of water vapour bubbles around the heater rod and evaporation phenomena were included in this numerical investigation. The results of numerical simulations are in good agreement with experimental measurements. This shows that the natural convection is formed in region above the heater rod and the water is thermally stratified in the region below the heater rod. The heat from higher region and from the heater rod is transferred to the lower region via conduction. The thermal stratification disappears and the water becomes well mixed, only after the water temperature reaches the saturation temperature and boiling starts. The developed modelling approach and obtained results provide guidelines for numerical investigations of thermal-hydraulic processes in the water pools for passive residual heat removal systems or spent nuclear fuel pools considering the concreate walls of the pool and main room above the pool.
Since the lack of the spent fuel storage capcity has been expected for all Korean nuclear power plants in the mid-1990s, the maximum density rack (MDR) with consolidated fuels can be proposed to overcome the shortage of the storage capacity in KNU 9 & 10 which have most limited capacities. To ensure the safety when the alternatives are applied in the KNU 9 & 10, the multiplication factor are calculated with varying the rack pitch and the thickness of consolidated storage box by the AMPX-KENO IV codes. The computing system is verified by the benchmark calculation with criticality experiments for arrays of consolidated fuel modules, which was reported by B & W in 1981. Also an abnormal condition, i.e. malposition accident, is simulated. The results indicate that the KNU 9 & 10 storage pools with consolidated fuel are safe in the view of the criticality. Thus the storage capacity can be expanded from 9/3 cores into 27/3 cores even with considering equipments and cooling spaces.
Tanks are used extensively in many engineering areas for spent fuel pool structures at nuclear power plants or for water storage tanks in bulk carriers. To ensure the structural integrity of such tanks when under dynamic loads, modal characteristics such as natural frequencies, participation factors and mode shapes should be known. Investigated in this study are the modal characteristics of a square tank by the finite element method. This approach can be used with subsequent dynamic analyses such as a response spectrum analysis or a harmonic analysis. Finite element models are prepared to determine the natural frequencies and mode shapes, which are easy to find the modal characteristics of a fluid-filled square tank. The effects of the fluid contained in the tank and the boundary conditions at top and bottom ends on the modal characteristics are assessed by several finite element analyses.
The national long-term R&D program, updated in 1997, requires Korea Atomic Energy Research Institute(KAERI) to complete by the year 2006 the basic design of Korea Advanced Liquid Metal Reactor(KALIMER), along with supporting R&D work, with the capability of resolving the issue of spent fuel storage as well as with significantly enhanced safety. KALIMER is a 150 MWe pool-type sodium cooled prototype reactor that uses metallic fuel. The conceptual design is currently under way to establish a self-consistent design meeting a set of major safety design requirements for accident prevention. Some of the current emphasis includes those for inherent and passive means of negative reactivity insertion and decay heat removal, high shutdown reliability, prevention of and protection from sodium chemical reaction, and high seismic margin, among others. All of these requirements affect the reactor design significantly and involve extensive supporting R&D programs. This paper summarizes some of the results of conceptual engineering and design analyses performed for the safety of HAMMER in the area of inherent safety, passive decay heat removal, sodium water reaction, and seismic isolation.
A simple water level measurement method based on wavelength division multiplexing (WDM) is proposed and demonstrated. The measurement principle is based on the change of Fresnel reflection occurring at the end facet of the optical fiber tip (OFT). To increase the spatial resolution of water level sensing, a broadband light source (BLS) and an arrayed waveguide grating (AWG) are employed. The OFTs are multiplexed with the dedicated wavelength channels of AWG. By measuring all of the reflection powers reflected at the OFTs with a proposed on-site reflectometer, the water level can be monitored continuously for a fast emergency response. Moreover, it can be implemented easily with the commercially available optical components and devices with the simple configuration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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