Reactivity worth of fuel rods at the JSI TRIGA research reactor was measured. Differently burned fuel rods were chosen to validate fuel burnup calculations. Two methods of measuring reactivity worth of fuel rods are used, traditional method is compared to newly introduced method using fuel rods swapping. Connection between both methods is described theoretically and the theory is validated experimentally. Fuel rod worth calculated using the newly introduced fuel rod swap method was within 1σ of worth measured using the traditional method. In addition to the recently performed experiments, weekly measurements of reactor core reactivity throughout the operational history are used for validation. The measured data were used to validate the fuel burnup and core criticality calculations. Fuel burnup calculations are performed using three different computer codes: the deterministic TRIGLAV, the Monte Carlo Serpent-2, and the hybrid RAPID. Great agreement was observed for Serpent-2 and RAPID by simulating fuel rod worth and its burnup, indicating that the fuel burnup and criticality calculations are accurate and that reactivity changes due to small burnup differences on the order of 10 pcm can be accurately simulated. In addition it was shown using ex-core detectors and large fission chamber that detector response changes due to fuel swapping are evident for fuel rod burnup differences of 20 MWd/kg. Fuel burnup calculations were further validated on excess reactivity measurements for three mixed TRIGA cores. The calculated burnup reactivity coefficient ΔρBU using Serpent-2 and RAPID was within 1σ of the measurements, showing both codes are capable of calculating burnup for different TRIGA fuel types.
KHNP recently has obtained the approval for the commercialization of the modified 37-element (or 37 M) fuel bundle and now is loading the 37 M fuel bundles in CANDU-6 reactors in KOREA. One of the main issues for approval was the burnup limit. Due to CANDU design and neutronic characteristics, there was no specific burnup restriction of a fuel bundle. The absence of a burnup limit does not mean that a fuel bundle can stay in the CANDU reactor without a time limit. However, the regulator requested traditional design values as well as the burnup limit reflecting the computer code uncertainty. The method for the PWR burnup limit was not applied to the CANDU fuel bundle. Since there was no approved methodology to build the burnup limit with uncertainties, KHNP introduced a Monte-Carlo method coupled with a 95/95 approach to determine the conservative burnup limit from the viewpoint of the centerline temperature, internal pressure, strain measurement deviation. Moreover, to consider the uncertainties of various computing models, a converted power uncertainty was introduced. This paper presents the methodology and puts forward the limits on burnup, evaluated for each of the existing and modified fuel bundles, in consideration of the pressure tube aging condition.
The purpose of the critical evaluation of the spent fuel pool (SFP) is to verify that the maximum effective multiplication factor ($K_{eff}$) is less than the critical safety limit at 100% stored condition of the spent fuel with the maximum reactivity. At nuclear power plants, the storage standard of spent fuel, ie, the loading curve, is established to prevent criticality from being generated in SFP. Here, the loading curve refers to a graph showing the minimum discharged burnup versus the initial enrichment of spent fuel. Recently, US NRC proposed the new critical safety assessment guideline (DSS-ISG-2010-01, Revision 0) of PWR SFPs and most of utilities in US is following it. Of course, the licensed criterion of the maximum effective multiplication factor of SFP remains unchanged and it should be less than 0.95 from the 95% probability and the 95% confidence level. However, the new guideline is including the new evaluation methodologies like the application of the axial burnup profile, the validation of depletion and criticality code, and trend analysis. Among the new evaluation methodologies, the most important factor that affects $K_{eff}$ is the axial burnup profile of spent fuel. US NRC recommends to consider the axial burnup profiles presented in NUREG-6801 in criticality analysis. In this paper, criticality effect was evaluated considering three profiles, respectively: i) Axial burnup profiles presented in NUREG-6801. ii) Representative PWR axial burnup profile. iii) Uniform axial burnup profile. As the result, the case applying the axial burnup profiles presented in NUREG-6801 showed the highest $K_{eff}$ among three cases. Therefore, we need to introduce a new methodology because it can be issued if the axial burnup profiles presented in NUREG/CR-6801 are applied to the domestic nuclear power plants without any other consideration.
KIM, JUNG SUK;JEON, YOUNG SHIN;PARK, SOON DAL;HA, YEONG-KEONG;SONG, KYUSEOK
Nuclear Engineering and Technology
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v.47
no.7
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pp.924-933
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2015
The correlation of the isotopic composition of uranium, plutonium, neodymium, and cesium with the burnup for high burnup pressurized water reactor fuels irradiated in nuclear power reactors has been experimentally investigated. The total burnup was determined by Nd-148 and the fractional $^{235}U$ burnup was determined by U and Pu mass spectrometric methods. The isotopic compositions of U, Pu, Nd, and Cs after their separation from the irradiated fuel samples were measured using thermal ionization mass spectrometry. The contents of these elements in the irradiated fuel were determined through an isotope dilution mass spectrometric method using $^{233}U$, $^{242}Pu$, $^{150}Nd$, and $^{133}Cs$ as spikes. The activity ratios of Cs isotopes in the fuel samples were determined using gamma-ray spectrometry. The content of each element and its isotopic compositions in the irradiated fuel were expressed by their correlation with the total and fractional burnup, burnup parameters, and the isotopic compositions of different elements. The results obtained from the experimental methods were compared with those calculated using the ORIGEN-S code.
The Real-time Analysis for Particle-transport and In-situ Detection (RAPID) Code System, developed based on the Multi-stage Response-function Transport (MRT) methodology, enables real-time simulation of nuclear systems such as reactor cores, spent nuclear fuel pools and casks, and sub-critical facilities. This paper presents the application of a novel fission matrix-based burnup methodology to the well-characterized JSI TRIGA Mark II research reactor. This methodology allows for calculation of nuclear fuel depletion by combination and interpolation of RAPID's burnup dependent fission matrix (FM) coefficients to take into account core changes due to burnup. The methodology is compared to experimentally validated Serpent-2 Monte Carlo depletion calculations. The results show that the burnup methodology for RAPID (bRAPID) implemented into RAPID is capable of accurately calculating the keff burnup changes of the reactor core as the average discrepancies throughout the whole burnup interval are 37 pcm. Furthermore, capability of accurately describing 3D fission source distribution changes with burnup is demonstrated by having less than 1% relative discrepancies compared to Serpent-2. Good agreement is observed for axially and pin-wise dependent fuel burnup and nuclear fuel nuclide composition as a function of burnup. It is demonstrated that bRAPID accurately describes burnup in areas with high gradients of neutron flux (e.g. vicinity of control rods). Observed discrepancies for some isotopes are explained by analyzing the neutron spectrum. This paper presents a powerful depletion calculation tool that is capable of characterization of spent nuclear fuel on the fly while the reactor is in operation.
A defect model for UO$_2$ fuel containing soluble fission products was devised based on the defect structure of pure and doped uranias. Using the equilibrium between fuel solid-solution and fission-products and the material balance within the fuel, a tracing method to get the stoichiometry change of urania fuel with burnup was made. This tracing method was applied to high burnup urania fuel and DUPIC fuel. The oxygen potential of urania fuel turned out to increase slightly with burnup. The stoichiometry change was calculated to be negligible due to the buffering role f Mo. The oxygen potential of DUPIC fuel out to be sensitive to the initial chemical state of Mo in the fuel.
The U-Zr or U-TRU-Zr cylindrical metallic fuel slug used in fast reactors is known to swell significantly and to grow during irradiation. In neutronics simulations of metallic-fueled fast reactors, it is assumed that the slug has swollen and contacted cladding, and the bonding sodium has been removed from the fuel region. In this research, a realistic burnup-dependent fuel-swelling simulation was performed using Monte Carlo code McCARD for a single-batch compact sodium-cooled breed-and-burn reactor by considering the fuel-swelling behavior reported from the irradiation test results in EBR-II. The impacts of the realistic burnup-dependent fuel swelling are identified in terms of the reactor neutronics performance, such as core lifetime, conversion ratio, axial power distribution, and local burnup distributions. It was found that axial fuel growth significantly deteriorated the neutron economy of a breed-and-burn reactor and consequently impaired its neutronics performance. The bonding sodium also impaired neutron economy, because it stayed longer in the blanket region until the fuel slug reached 2% burnup.
Taehyung Na;Youngoh Lee;Yeji Kim;Donghee Lee;Taehyeon Kim;Kiyoung Kim;Yongdeog Kim
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.22
no.2
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pp.201-210
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2024
Because most spent nuclear fuel storage casks have been designed for low burnup fuel, a safety-significant high burnup dry storage cask must be developed for nuclear facilities in Korea to store the increasing high burnup and damaged fuels. More than 20% of fuels generated by PWRs comprise high burnup fuels. This study conducted a structural safety evaluation of the preliminary designs for a high burnup storage cask with 21 spent nuclear fuels and evaluated feasible loading conditions under normal, off-normal, and accident conditions. Two types of metal and concrete storage casks were used in the evaluation. Structural integrity was assessed by comparing load combinations and stress intensity limits under each condition. Evaluation results showed that the storage cask had secured structural integrity as it satisfied the stress intensity limit under normal, off-normal, and accident conditions. These results can be used as baseline data for the detailed design of high burnup storage casks.
The paper summarizes the irradiation test and post-irradiation examination (PIE) data for the U-Mo low-enriched fuel that was irradiated in the MIR reactor under the RERTR Program. The PIE data were analyzed for both full-size fuel rods and mini-rods with atomized powder dispersed in Al matrix as well as with additions of 2%, 5% and 13% of silicon in the matrix and ZrN protective coating on the fuel particles. The full-size fuel rods were irradiated up to an average burnup of ${\sim}60%^{235}U$; the mini-rods were irradiated to an average burnup of ${\sim}85%^{235}U$. The presented data show a significant increase of the void fraction in the U-Mo alloy as the U-235 burnup rises from ~ 40% up to ~ 85%. The effect of irradiation test conditions and U-235 burnup were analyzed with regard to the formation of an interaction layer between the matrix and fuel particles as well as generation of porosity in the U-Mo alloy. Shown here are changes in distribution of U fission products as the U-235 burnup increases from ~ 40% up to ~ 85%.
Kim, S.K.;Ko, W.I.;Kim, H.D.;Chung, Yang-Hon;Bang, Sung-Sig;Revankar, Shripad T.
Nuclear Engineering and Technology
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v.43
no.2
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pp.141-148
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2011
This paper presents the quantitative analysis results of research on the burnup effect on the nuclear fuel cycle cost of BeO-$UO_2$ fuel. As a result of this analysis, if the burnup is 60 MWD/kg, which is the limit under South Korean regulations, the nuclear fuel cycle cost is 4.47 mills/kWh at 4.8wt% of Be content for the BeO-$UO_2$ fuel. It is, however, reduced to 3.70 mills/kWh at 5.4wt% of Be content if the burnup is 75MWD/kg. Therefore, it seems very advantageous, in terms of the economic aspect, to develop BeO-$UO_2$ fuel, which does not have any technical problem with its safety and is a high burnup & long life cycle nuclear fuel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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