Because the interaction layers that form between U-Mo particles and the Al matrix degrade the thermal properties of U-Mo/Al dispersion fuel, an investigation was undertaken of the undesirable feedback effect between an interaction layer growth and a centerline temperature increase for dispersion fuel. The radial temperature distribution due to interaction layer growth during irradiation was calculated iteratively in relation to changes in the volume fractions, the thermal conductivities of the constituents, and the oxide thickness with the burnup. The interaction layer growth, which is estimated on the basis of the temperature calculations, showed a reasonable agreement with the post-irradiation examination results of the U-Mo/Al dispersion fuel rods irradiated at the HANARO reactor. The U-Mo particle size was found to be a dominant factor that determined the fuel temperature during irradiation. Dispersion fuel with larger U-Mo particles revealed lower levels of both the interaction layer formation and the fuel temperature increase. The results confirm that the use of large U-Mo particles appears to be an effective way of mitigating the thermal degradation of U-Mo/Al dispersion fuel.
In order to advance understanding of the breakaway swelling behavior of U-Mo/Al dispersion fuel under a high-power irradiation condition, the effects of fuel-matrix interaction on the fuel performance of U-Mo/Al dispersion fuel were investigated. Fission gas release into large interfacial pores between interaction layers and the Al matrix was analyzed using both mechanistic models and observations of the post-irradiation examination results of U-Mo dispersion fuels. Using the model predictions, advantageous fuel design parameters are recommended to prevent breakaway swelling.
Kim, Hyun-Jung;Yim, Jeong-Sik;Jeong, Yong-Jin;Lee, Kang-Hee
Nuclear Engineering and Technology
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제51권2호
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pp.495-500
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2019
When a new fuel is developed, various mechanical properties are absolutely necessary for a safety analysis of the fuel for the licensing and prediction of its mechanical behavior during operation and accident conditions. In this paper, a mechanically equivalent surrogate plate of U-Mo dispersion fuel is presented using tungsten, substitute material of U-Mo particle. A surrogate plate, composed of tungsten/aluminum dispersion meat and aluminum alloy cladding, is manufactured with the same fabrication process with that of fuel plate except that a tungsten powder is used instead of U-Mo powder. A modal test showed that the surrogate plate and fuel plate have similar dynamic characteristics, and a tensile test demonstrated the similarity of the material property up to the yield strength range. The conducted tests proved that the surrogate tungsten plate has equivalent mechanical behaviors with that of a fuel plate, which leads to the acceptable use of a surrogate fuel assembly using tungsten/aluminum dispersion meat in various mechanical tests. The surrogate fuel assembly can be utilized for various out-of-pile characteristic tests, which are necessary for the licensing achievement of a research reactor that uses U-Mo dispersion fuel as a driver.
Kim, Ki-Hwan;Kwon, Hee-Jun;Park, Jong-Man;Lee, Yoon-Sang;Kim, Chang-Kyu
Nuclear Engineering and Technology
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제33권4호
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pp.365-374
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2001
In order to examine the in-reactor performance of very-high-density dispersion fuels for high flux performance research reactors, U-l0wt.%Mo microplates containing centrifugally atomized powder were irradiated at low temperature. The U-l0wt.%Mo dispersion fuels show stable in- reactor irradiation behaviors even at high burn-up, similar to U$_3$Si$_2$ dispersion fuels. The atomized U-l0wt.%Mo fuel particles have a fine and a relatively uniform fission gas bubble size distribution. Moreover, only one of third of the area of the atomized fuel cross-sections at 70a1.% burn-up shows fission gas bubble-free zones, This appears to be the result of segregation into high Mo and low Mo.
A centrifugal atomization process for uranium fuel was developed in order to fabricate high uranium density dispersion fuel for advanced research reactors. Spherical powders of $U_3Si$ and U-Mo were successfully fabricated and dispersed in aluminum matrices. Thermal and mechanical properties of dispersion fuel meat were characterized. Irradiation tests at the research reactor HANARO confirm the excellent performance of high uranium density dispersion fuel.
Lee, Jeongmook;Park, Jai Il;Youn, Young-Sang;Ha, Yeong-Keong;Kim, Jong-Yun
Nuclear Engineering and Technology
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제49권3호
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pp.645-650
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2017
This technical note demonstrates the feasibility of using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry for the characterization of U-7Mo/Ale5Si dispersion fuel. Our measurements show 5.0% Relative Standard Deviation (RSD) for the reproducibility of measured $^{98}Mo/^{238}U$ ratios in fuel particles from spot analysis, and 3.4% RSD for $^{98}Mo/^{238}U$ ratios in a NIST-SRM 612 glass standard. Line scanning allows for the distinction of U-7Mo fuel particles from the Al-5Si matrix. Each mass spectrum peak indicates the presence of U-7Mo fuel particles, and the time width of each peak corresponds to the size of that fuel particle. The size of the fuel particles is estimated from the time width of the mass spectrum peak for $^{98}Mo$ by considering the scan rate used during the line scan. This preliminary application clearly demonstrates that laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry can directly identify isotope ratios and sizes of the fuel particles in U-Mo/Al dispersion fuel. Once optimized further, this instrument will be a powerful tool for investigating irradiated dispersion fuels in terms of fission product distributions in fuel matrices, and the changes in fuel particle size or shape after irradiation.
Since 2001, a series of five irradiation test campaigns for atomized U-Mo dispersion fuel rods, KOMO-1, -2, -3, -4, and -5, has been conducted at HANARO (Korea) in order to develop high performance low enriched uranium dispersion fuel for research reactors. The KOMO irradiation tests provided valuable information on the irradiation behavior of U-Mo fuel that results from the distinct fuel design and irradiation conditions of the rod fuel for HANARO. Full size U-Mo dispersion fuel rods of 4-5 $g-U/cm^3$ were irradiated at a maximum linear power of approximately 105 kW/m up to 85% of the initial U-235 depletion burnup without breakaway swelling or fuel cladding failure. Electron probe microanalyses of the irradiated samples showed localized distribution of the silicon that was added in the matrix during fuel fabrication and confirmed its beneficial effect on interaction layer growth during irradiation. The modifications of U-Mo fuel particles by the addition of a ternary alloying element (Ti or Zr), additional protective coatings (silicide or nitride), and the use of larger fuel particles resulted in significantly reduced interaction layers between fuel particles and Al.
Park, Jong Man;Tahk, Young Wook;Jeong, Yong Jin;Lee, Kyu Hong;Kim, Heemoon;Jung, Yang Hong;Yoo, Boung-Ok;Jin, Young Gwan;Seo, Chul Gyo;Yang, Seong Woo;Kim, Hyun Jung;Yim, Jeong Sik;Kim, Yeon Soo;Ye, Bei;Hofman, Gerard L.
Nuclear Engineering and Technology
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제49권5호
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pp.1044-1062
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2017
The construction project of the Kijang research reactor (KJRR), which is the second research reactor in Korea, has been launched. The KJRR was designed to use, for the first time, U-Mo fuel. Plate-type U-7 wt.% Mo/Al-5 wt.% Si, referred to as U-7Mo/Ale5Si, dispersion fuel with a uranium loading of $8.0gU/cm^3$, was selected to achieve higher fuel efficiency and performance than are possible when using $U_3Si_2/Al$ dispersion fuel. To qualify the U-Mo fuel in terms of plate geometry, the first miniplates [HANARO Miniplate (HAMP-1)], containing U-7Mo/Al-5Si dispersion fuel ($8gU/cm^3$), were fabricated at the Korea Atomic Energy Research Institute and recently irradiated at HANARO. The PIE (Post-irradiation Examination) results of the HAMP-1 irradiation test were analyzed in depth in order to verify the safe in-pile performance of the U-7Mo/Al-5Si dispersion fuel under the KJRR irradiation conditions. Nondestructive analyses included visual inspection, gamma spectrometric mapping, and two-dimensional measurements of the plate thickness and oxide thickness. Destructive PIE work was also carried out, focusing on characterization of the microstructural behavior using optical microscopy and scanning electron microscopy. Electron probe microanalysis was also used to measure the elemental concentrations in the interaction layer formed between the U-Mo kernels and the matrix. A blistering threshold test and a bending test were performed on the irradiated HAMP-1 miniplates that were saved from the destructive tests. Swelling evaluation of the U-Mo fuel was also conducted using two methods: plate thickness measurement and meat thickness measurement.
High-performance research reactors require fuel that operates at high specific power to high fission density, but at relatively low temperatures. Research reactor fuels are designed for efficient heat rejection, and are composed of assemblies of thin-plates clad in aluminum alloy. The development of low-enriched fuels to replace high-enriched fuels for these reactors requires a substantially increased uranium density in the fuel to offset the decrease in enrichment. Very few fuel phases have been identified that have the required combination of very-high uranium density and stable fuel behavior at high burnup. U-Mo alloys represent the best known tradeoff in these properties. Testing of aluminum matrix U-Mo aluminum matrix dispersion fuel revealed a pattern of breakaway swelling behavior at intermediate burnup, related to the formation of a molybdenum stabilized high aluminum intermetallic phase that forms during irradiation. In the case of monolithic fuel, this issue was addressed by eliminating, as much as possible, the interfacial area between U-Mo and aluminum. Based on scoping irradiation test data, a fuel plate system composed of solid U-10Mo fuel meat, a zirconium diffusion barrier, and Al6061 cladding was selected for development. Developmental testing of this fuel system indicates that it meets core criteria for fuel qualification, including stable and predictable swelling behavior, mechanical integrity to high burnup, and geometric stability. In addition, the fuel exhibits robust behavior during power-cooling mismatch events under irradiation at high power.
Keiser, Dennis D. Jr.;Jue, Jan-Fong;Miller, Brandon D.;Gan, Jian;Robinson, Adam B.;Medvedev, Pavel;Madden, James;Wachs, Dan;Meyer, Mitch
Nuclear Engineering and Technology
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제46권2호
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pp.147-158
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2014
In order to investigate how the microstructure of fuel/matrix-interaction (FMI) layers change during irradiation, different U-7Mo dispersion fuel plates have been irradiated to high fission density and then characterized using scanning electron microscopy (SEM). Specifially, samples from irradiated U-7Mo dispersion fuel elements with pure Al, Al-2Si and AA4043 (~4.5 wt.%Si) matrices were SEM characterized using polished samples and samples that were prepared with a focused ion beam (FIB). Features not observable for the polished samples could be captured in SEM images taken of the FIB samples. For the Al matrix sample, a relatively large FMI layer develops, with enrichment of Xe at the FMI layer/Al matrix interface and evidence of debonding. Overall, a significant penetration of Si from the FMI layer into the U-7Mo fuel was observed for samples with Si in the Al matrix, which resulted in a change of the size (larger) and shape (round) of the fission gas bubbles. Additionally, solid fission product phases were observed to nucleate and grow within these bubbles. These changes in the localized regions of the microstructure of the U-7Mo may contribute to changes observed in the macroscopic swelling of fuel plates with Al-Si matrices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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