Being based on the Segal method, calculation was carried out for the natural uranium nuclear fuel cost with Zircaloy-4 cladding having design Parameters of Wolsung Nuclear Power Plant, CANDU-PHWR (Unit 1) , currently under construction in Korea aiming at its completion in 1982. An attempt was also made for tile sensitivity analysis of each fuel component; j. e., depreciation of fuel manufacturing plant caused by its life time, its load factor, production scale expansion of plant facilities, variations of construction and operating costs of fuel manufacturing plant, fluctuation of interest rates, extent of uranium ore price increases and effect of learning factor.
Kim, Ju-Seong;Kim, Tae-Hoon;Kim, Kyung-min;Kim, Yong-Soo
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.8
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pp.1742-1748
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2020
TSSD, TSSP, and TSSP2 of hydrogen for optimized-Zirlo (Zirlo™) alloy were measured by DSC in the range of 53-457 wppm. Solvus curves of the TSSs are derived and proposed in this study. The results show that the temperature gap between TSSD and TSSP solvus lines of Zirlo™ are similar to those of other zirconium alloys, but another gap between the TSSD and TSSP2 line differs significantly. In particular, the TSSP2 solvus line becomes closer to the TSSD solvus line than to TSSP unlike Zircaloy-4, so ΔTTSSD-TSSP2 of Zirlo™ decreases with decreasing temperature. This implies that hydride reorientation can take place more significantly in Zirlo™ than in Zircaloy-4, and the limited temperature variation of 65 ℃ during the vacuum drying and the cooling-down process may not be sufficient to prevent the triggering of hydride reorientation in Zirlo™ cladding under long-term dry storage.
The fretting wear behavior of the contact between Zircaloy-4 tube and Inconel 600, which are used as the fuel rod cladding and grid, respectively, in PWR nuclear power plants was investigated in air. In the study, number of cycles, slip amplitude and normal load were selected as the main factors of fretting wear. The results indicated that wear increased with load, slip amplitude and number of cycles but was affected mainly by the slip amplitude. SEM micrographs revealed the characteristics of fretting wear features on the surface of the specimens such as stick, partial slip and gross slip which depended on the slip amplitude. It was found that fretting wear was caused by the crack generation along the stick-slip boundaries due to the accumulation of plastic flow at small slip amplitudes and by abrasive wear in the entire contact area at high slip amplitudes.
To investigate wall-thinning impact on axial load resistance of Zircaloy-4 cladding rods after a LOCA transient, axial tensile samples have been machined on as-received tubes with reduced thicknesses between 370 and 580 ㎛. After high temperature oxidation under steam at 1200 ℃ with measured ECR ranging from 10 to 18% and water quenching, machined samples were axially loaded until fracture. These tests were modeled using a fracture mechanics approach developed in a previous study. Fracture stresses are rather well predicted. However, the slightly lower fracture stress observed for wall-thinned samples is not anticipated by this modeling approach. The results from this study confirm that characterizing the axial load resistance using semi-integral tests including the creep and burst phases was the best option to obtain accurate axial strengths describing accurately the influence of wall-thinning at burst region.
Metal waste generated from the pyroprocessing of 10 MtU of spent fuel was classified by comparing the specific activity of a relevant radionuclide with the limit value of the specific activity specified in the Korean acceptance criteria for a lowand intermediate-level waste repository. A Korean Optimized Fuel Assembly design with a 17${\times}$17 array, an initial enrichment of 4.5 weight-percent, discharge burn-up of 55 GWD/MtU, and a 10-year cooling time was considered. Initially, the mass and volume of each structural component of the assembly were calculated in detail, and a source term analysis was subsequently performed using ORIGEN-S for these components. An activation cross-section library generated by the KENO-VI/ORIGEN-S module was utilized for top-end and bottom-end pieces. As a result, an Inconel grid plate, a SUS plenum spring, a SUS guide tube subpart, SUS top-end and bottom-end pieces, and an Inconel top-end leaf spring were determined to be unacceptable for the Gyeongju low- and intermediate-level waste repository, as these waste products exceeded the acceptance criteria. In contrast, a Zircaloy grid plate and guide tube can be placed in the Gyeongju repository. Non-contaminated Zircaloy cladding occupying 76% of the metal waste was found to have a lower level of specific activity than the limit value. However, Zircaloy cladding contaminated by fission products and actinides during the decladding process of pyroprocessing was revealed to have 52 and 2 times higher specific activity levels than the limit values for alpha and $^{90}Sr$, respectively. Finally, it was found that 88.7% of the metal waste from the 17${\times}$17 Korean Optimized Fuel Assembly design should be disposed of in a deep geological repository. Therefore, it can be summarized that separation technology with a higher decontamination factor for transuranics and strontium should be developed for the efficient management of metal waste resulting from pyroprocessing.
Jeon, Min Ku;Lee, Chang Hwa;Lee, You Lee;Choi, Yong Taek;Kang, Kweon Ho;Park, Geun Il
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.11
no.1
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pp.55-61
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2013
The recovery of Zr from Zircaloy-4 (Zry-4) cladding hulls using a chlorination method was demonstrated for complete conversion of Zr into $ZrCl_4$. A chlorination reaction was performed by reacting Zry-4 hulls for 8 h under a 70 cc/min $Cl_2$ + 70 cc/min Ar flow at $380^{\circ}C$. The initial weight of the reactant (51.7 g) decreased to 0.49 g after 8 h of operation, which is only 0.95wt% of the initial weight. The weight of the total reaction products was 121.7 g with a high Zr purity of 99.80wt%. Fe and Sn were identified as major (0.18wt%) and minor (0.02wt%) impurities of the reaction products, respectively. It was also shown that Zr exhibited a high recovery ratio of 96.95wt% with a relatively small experimental loss of 2.34wt%. Observation of the reaction residues revealed that the chlorination reaction was dominant along the longitudinal direction, and surface oxide layers remained as reaction residues. The high purity and recovery ratio of Zr proposed the feasibility of the chlorination technique as an effective hull waste treatment method.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2000.05a
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pp.5-5
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2000
In the severe accident case like LOCA, Zircaloy(Zry) claddings are oxidized not only in high temperature but also in high pressures. It is a concem whether the safety of high bum up fuels can be maintained during severe accident. The effects of steam pressure on Zry-4 oxidation, and the effect of prc-existing oxide layer on the cladding in the high temperature-high pressure oxidation of Ziy-4 were investigated. The experimental temperature range was $700-900^{\circ}C$, and the pressures were between 0.1 and l5.0MPa. Partial pressure of steam tumed out to be the important one rather than total gas pressure. The higher the steam pressure was applied, the thicker the oxide became. nle effect of st,earn pressure on the oxidation of claddings with preexisting oxide was about 40-60% less effective than that of pickled cladding. Aocelerated oxidation in highpressure slean1 seems to be originated from the formation of microcracks produced during the transformation of tetragonal zirconia to monoclinic phase. Steam pressure seems to affect the stability of tetragonal phase.
Kim, Jinsu;Yoon, Jeong Whan;Kim, Hyochan;Lee, Sung-Uk
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.10
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pp.3379-3397
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2021
In this study, a multi-physics modeling method was developed to analyze a nuclear fuel rod's thermo-mechanical behavior especially for high temperature anisotropic creep deformation during ballooning and burst occurring in Loss of Coolant Accident (LOCA). Based on transient heat transfer and nonlinear mechanical analysis, the present work newly incorporated the nuclear fuel rod's special characteristics which include gap heat transfer, temperature and burnup dependent material properties, and especially for high temperature creep with material anisotropy. The proposed method was tested through various benchmark analyses and showed good agreements with analytical solutions. From the validation study with a cladding burst experiment which postulates the LOCA scenario, it was shown that the present development could predict the ballooning and burst behaviors accurately and showed the capability to predict anisotropic creep behavior during the LOCA. Moreover, in order to verify the anisotropic creep methodology proposed in this study, the comparison between modeling and experiment was made with isotropic material assumption. It was found that the present methodology with anisotropic creep could predict ballooning and burst more accurately and showed more realistic behavior of the cladding.
Recently, many utilities have considered interim dry storage of spent nuclear fuel as an option for increasing spent fuel storage capacity. Foreign nuclear regulatory committees have provided some regulatory and licensing requirements for relatively low- and medium-burned spent fuel with respect to the prevention of spent fuel degradation during transportation and interim dry storage. In the present study, the effect of cladding creep and hydride distribution on spent fuel degradation is reviewed and performance tests with high-burned Zircaloy-4 and advanced Zr alloy spent fuel are proposed to investigate the effect of burnup and cladding materials on the current regulatory and licensing requirements. Creep tests were also performed to investigate the effect of temperature and tensile hoop stress on hydride reorientation and subsequently to examine the temperature and stress limits against cladding material failure. It is found that the spent fuel failure is mainly caused by cladding creep rupture combined with mechanical strength degradation and hydride reorientation. Hydride reorientation from the circumferential to radial direction may reduce the critical stress intensity that accelerates radial crack propagation. The results of cladding creep tests at $400^{\circ}C$ and 130MPa hoop stress performed in this study indicate that hydride reorientation may occur between 2.6% to 7.0% strain in tube diameter with a hydrogen content range of 40-120ppm. Therefore, it is concluded that hydride re-orientation behaviour is strongly correlated with the cladding creep-induced strain, which varies as functions of temperature and stress acting on the cladding.
The contents of a new book currently in preparation are described. The dearth of books in the field of nuclear materials has left both students in nuclear materials classes and professionals in the same field without a resource for the broad fundamentals of this important sub-discipline of nuclear engineering. The new book is devoted entirely to materials problems in the core of light-water reactors, from the pressure vessel into the fuel. Key topics deal with the $UO_2$ fuel, Zircaloy cladding, stainless steel, and of course, water. The restriction to LWR materials does not mean a short monograph; the enormous quantity of experimental and theoretical work over the past 50 years on these materials presents a challenge of culling the most important features and explaining them in the simplest quantitative fashion. Moreover, LWRs will probably be the sole instrument of the return of nuclear energy in electric power production for the next decade or so. By that time, a new book will be needed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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