Spent fuel behavior of dry storage was simulated in a continuous state from steady-state operation by modifying FRAPCON-4.0 to incorporate spent fuel-specific fuel behavior models. Spent fuel behavior of a typical PWR was compared with that of NuScale Power Module (NPMTM). Current PWR discharge burnup (60 MWd/kgU) gives a sufficient margin to the hoop stress limit of 90 MPa. Most hydrogen precipitation occurs in the first 50 years of dry storage, thereby no extra phenomenological safety factor is identified for extended dry storage up to 100 years. Regulation for spent fuel management can be significantly alleviated for LWR-based SMRs. Hydride embrittlement safety criterion is irrelevant to NuScale spent fuels; they have sufficiently lower plenum pressure and hydrogen contents compared to those of PWRs. Cladding creep out during dry storage reduces the subchannel area with burnup. The most deformed cladding outer diameter after 100 years of dry storage is found to be 9.64 mm for discharge burnup of 70 MWd/kgU. It may deteriorate heat transfer of dry storage by increasing flow resistance and decreasing the view factor of radiative heat transfer. Self-regulated by decreasing rod internal pressure with opening gap, cladding creep out closely reaches the saturated point after ~50 years of dry storage.
국산 핵연료에 사용되는 KOFA Zircaloy-4피복관의 조사성장 거동을 평가하고 제조 공정이 서로 다른 Siemens사 피복관의 조사성장거동과 비교하기 위하여 고리 2호기에 장전된 핵연료 피복관의 조사성장이 측정되었다. KOFA Zircaloy-4피복관은 최종 열처리시의 부분 재결정화로 인하여 fully annealed Zircaloy피복관고 Siemens사 피복관의 측정된 조사성장율이 차이는 제조공정의 차이에 기인한 피복관 집합도 계수의 차이로서 설명할 수 있었다. 고리 2호기 국산핵연료에서 측정된 자료를 이용하여 KOFA Zircaloy-4 피복관의 2단계 조사성장 모델이 유도되었는데 향후 측정자료가 많이 축적되면 유도된 모델의 정확성이 보다 명확하게 검증될 수 있을 것이다.
Fuel cladding tubes in nuclear fuel assembly are held up by supporting grids because the tubes are long and slender. Fluid flows of high-pressure and high-temperature in the tubes cause oscillating motions between tubes and supports. This is called as FIV (flow induced vibration), which causes fretting wear in contact parts of tube and support. The fretting wear of tube and support can threaten the safety of nuclear power plant. Therefore, a research about the fretting wear characteristics of tube-support is required. The fretting wear tests were performed with supporting grids and cladding tubes, especially after corrosion treatment on tubes, in water. The tests were done using various applied loads with fixed amplitude. From the results of fretting tests, the wear amounts of tube materials can be predictable by obtaining the wear coefficient using the work rate model. Due to stick phenomena the wear depth was changed as increasing load and temperature. The maximum wear depth was decreased as increasing the water temperatures. At high temperatures there are the regions of some severe adhesion due to stick phenomena.
Fuel cladding tubes in nuclear fuel assembly are held up by supporting grids because the tubes are long and slender. Fluid flows of high-pressure and high-temperature in the tubes cause oscillating motions between tubes and supports. This is called as FIV (flow induced vibration), which causes fretting wear in contact parts of tube and support. The fretting wear of tube and support can threaten the safety of nuclear power plant. Therefore, a research about the fretting wear characteristics of tube-support is required. The fretting wear tests were performed with supporting grids and cladding tubes, especially after corrosion treatment on tubes, in water. The tests were done using various applied loads with fixed amplitude. From the results of fretting tests, the wear amounts of tube materials can be predictable by obtaining the wear coefficient using the work rate model. Due to stick phenomena the wear depth was changed as increasing load and temperature. The maximum wear depth was decreased as increasing the water temperatures. At high temperatures there are the regions of some severe adhesion due to stick phenomena.
The accurate determination of the fuel-cladding gap conductance as functions of rod burnup and power level may be a key to the design and safety analysis of a reactor. The incorporation of a sophisticated gap conductance model into nuclear design code for computing thermal hydraulic feedback effect has not been implemented mainly because of computational inefficiency due to complicated behavior of gap conductance. To avoid the time-consuming iteration scheme, simplification of the gap conductance model is done for the current design model. The simplified model considers only the heat conductance contribution to the gap conductance. The simplification is made possible by direct consideration of the gas conductivity depending on the composition of constituent gases in the gap and the fuel-cladding gap size from computer simulation of representative power histories. The simplified gap conductance model is applied to the various fuel power histories and the predicted gap conductances are found to agree well with the results of the design model.
Thermal creep properties of the zirconium tube which was developed for high burnup application were evaluated. The creep test of cladding tubes after various final heat treatment was carried out by the internal pressurization method in the temperature range from $350^{\circ}C to 400^{\circ}C$ and from 100 to 150 MPa in the hoop stress. Creep tests were lasted up to 900days, which showed the steady-state secondary creep rate. The creep resistance of zirconium claddings was higher than that of Zircaloy-4. Factors that affect creep resistance, such as final annealing temperature, applied stress and alloying element were discussed. Tin as an alloying element was more effective than niobium due to solute hardening effect of tin. In case of advanced claddings, the optimization of final heat treatment temperature as well as alloying element causes a great influence on the improvement of creep resistance.
Currently, the interim storage pools of spent fuels in South Korea are expected to become saturated from 2024. It is required to prepare an operation plan of a domestic dry storage facility during a long-term period, with the researches on safety evaluation methods. This study modified the FRAPCON code to predict the spent fuel integrity evaluation such as the axial cladding temperature, the hoop stress and hydrogen distribution in dry storage. The cladding temperature in dry storage was calculated using the COBRA-SFS code with the burnup information which was calculated using the FRAPCON code. The hoop stress was calculated using the ideal gas equation with spent fuel information such as rod internal pressure. Numerical analysis method was used to calculate the degree of hydrogen diffusion according to the hydrogen concentration and temperature distribution during a dry storage period. Before 50 years of dry storage, the cladding temperature and hoop stress decreased rapidly. However, after 50 years, they decreased gradually and the cladding temperature was below 400 K. The initial temperature distribution and hydrogen concentration showed a parabolic line, but hydrogen was transferred by the hydrogen concentration and temperature gradient over time.
Kim, Hyun-Jung;Tahk, Young-Wook;Jun, Hyunwoo;Kong, Eui-Hyun;Oh, Jae-Yong;Yim, Jeong-Sik
Nuclear Engineering and Technology
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제53권3호
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pp.911-919
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2021
In this paper, the design stress intensity values for the plate-type fuel assembly for research reactor are presented. Through a tensile test, the material properties of the cladding (aluminum alloy 6061) and structural material (aluminum alloy 6061-T6), in this case the yield and ultimate tensile strengths, Young's modulus and the elongation, are measured with the temperatures. The empirical equations of the material properties with respect to the temperature are presented. The cladding undergoes several heat treatments and hardening processes during the fabrication process. Cladding strengths are reduced compared to those of the raw material during annealing. Up to a temperature of 150 ℃, the strengths of the cladding do not significantly decrease due to the dislocations generated from the cold work. However, over 150 ℃, the mechanical strengths begin to decrease, mainly due to recrystallization, dislocation recovery and precipitate growth. Taking into account the uncertainty of the 95% probability and 95% confidence level, the design stress intensities of the cladding and structural materials are established. The presented design stress intensity values become the basis of the stress design criteria for a safety analysis of plate-type fuels.
Delayed hydride cracking (DHC) was first observed in pressure tubes in Canadian CANDU reactors. In light water reactors, DHC was not observed until the late 1990s in high-burnup boiling water reactor (BWR) fuel cladding. In recent years, the focus on DHC has resurfaced in light of the increased interest in the cladding integrity during interim conditions. In principle, all spent fuel in the wet pools has sufficient hydrogen content for DHC to operate below $300^{\circ}C$. It is therefore of importance to establish the critical parameters for DHC to operate. This work studies the threshold stress intensity factor ($K_{IH}$) to initiate DHC as a function of temperature in Zry-4 for temperatures between $227^{\circ}C$ and $315^{\circ}C$. The experimental technique used in this study was the pin-loading testing technique. To determine the $K_{IH}$, an unloading method was used where the load was successively reduced in a stepwise manner until no cracking was observed during 24 hours. The results showed that there was moderate temperature behavior at lower temperatures. Around $300^{\circ}C$, there was a sharp increase in $K_{IH}$ indicating the upper temperature limit for DHC. The value for $K_{IH}$ at $227^{\circ}C$ was determined to be $2.6{\pm}0.3MPa$${\surd}$m.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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