In severe loss of coolant accidents (LOCA), similar to those experienced at Fukushima Daiichi and Three Mile Island Unit 1, the zirconiumalloy fuel claddingmaterials are rapidlyheateddue to nuclear decay heating and rapid exothermic oxidation of zirconium with steam. This heating causes the cladding to rapidly react with steam, lose strength, burst or collapse, and generate large quantities of hydrogen gas. Although maintaining core cooling remains the highest priority in accident management, an accident tolerant fuel (ATF) design may extend coping and recovery time for operators to restore emergency power, and cooling, and achieve safe shutdown. An ATF is required to possess high resistance to steam oxidation to reduce hydrogen generation and sufficient mechanical strength to maintain fuel rod integrity and core coolability. The initiative undertaken by Electric Power Research Institute (EPRI) is to demonstrate the feasibility of developing an ATF cladding with capability to maintain its integrity in $1,200-1,500^{\circ}C$ steam for at least 24 hours. This ATF cladding utilizes thin-walled Mo-alloys coated with oxidation-resistant surface layers. The basic design consists of a thin-walled Mo alloy structural tube with a metallurgically bonded, oxidation-resistant outer layer. Two options are being investigated: a commercially available iron, chromium, and aluminum alloy with excellent high temperature oxidation resistance, and a Zr alloy with demonstratedcorrosionresistance.Asthese composite claddings will incorporate either no Zr, or thin Zr outer layers, hydrogen generation under severe LOCA conditions will be greatly reduced. Key technical challenges and uncertainties specific to Moalloy fuel cladding include: economic core design, industrial scale fabricability, radiation embrittlement, and corrosion and oxidation resistance during normal operation, transients, and severe accidents. Progress in each aspect has been made and key results are discussed in this document. In addition to assisting plants in meeting Light Water Reactor (LWR) challenges, accident-tolerant Mo-based cladding technologies are expected to be applicable for use in high-temperature helium and molten salt reactor designs, as well as nonnuclear high temperature applications.
Magnusson, Per;Alvarez-Holston, Anna-Maria;Ammon, Katja;Ledergerber, Guido;Nilsson, Marcus;Schrire, David;Nissen, Klaus;Wright, Jonathan
Nuclear Engineering and Technology
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v.50
no.2
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pp.246-252
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2018
A series of simulated reactivity-initiated accident (RIA) tests on irradiated fully recrystallized boiling water reactor Zircaloy-2 cladding has been performed by means of the expansion-due-to-compression (EDC) test method. The EDC method reproduces fuel pellet-clad mechanical interaction (PCMI) conditions for the cladding during RIA transients with respect to temperature and loading rates by out-of-pile mechanical testing. The tested materials had a large variation in burnup and hydrogen content (up to 907 wppm). The results of the EDC tests showed variation in the PCMI resistance of claddings with similar burnup and hydrogen content, making it difficult to clearly identify ductile-to-brittle transition temperatures. The EDC-tested samples of the present and previous work were investigated by light optical and scanning electron microscopy to study the influence of factors such as azimuthal variation of the Zr-hydrides and the presence of hydride rims and radially oriented hydrides. Two main characteristics were identified in samples with low ductility with respect to hydrogen content and test temperature: hydride rims and radial hydrides at the cladding outer surface. Crack propagation and failure modes were also studied, showing two general modes of crack propagation depending on distribution and amount of radially oriented hydrides. It was concluded that the PCMI resistance of irradiated cladding under normal conditions with homogenously distributed circumferential hydrides is high, with good margin to the RIA failure limits. To further improve safety, focus should be on conditions causing nonfavorable hydride distribution, such as hydride reorientation and formation of hydride blisters at the cladding outer surface.
Kim, Daejong;Lee, Jisu;Chun, Young Bum;Lee, Hyeon-Geun;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Composites Research
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v.35
no.3
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pp.161-174
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2022
SiC fiber-reinforced SiC matrix composite is a promising accident-tolerant fuel cladding material to improve the safety of light water nuclear reactors. Compared to the current zirconium alloy fuel cladding as well as metallic accident-tolerant fuel cladding, SiC composite fuel cladding has exceptional accident-tolerance such as excellent structural integrity and extremely low corrosion rate during severe accident of light water nuclear reactors, which reduces reactor core temperature and delays core degradation processes. In this paper, we introduce the concept, technical issues, and properties of SiC composite accident-tolerant fuel cladding during operation and accident scenarios of light water nuclear reactors.
Three-dimensional structures of a vortical flow field and heat transfer characteristics in a partially blocked 7-pin fuel assembly mock-up of sodium-cooled fast reactor have been investigated through a numerical analysis using a commercial computational fluid dynamics code, ANSYS CFX. The simulation with the SST turbulence model agrees well with the experimental data of outlet and cladding wall temperatures. From the analysis on the limiting streamline at the wall, multi-scale vortexes developed in axial direction were found around the blockage. The vortex core has a high cladding wall temperature, and the attachment line has a low cladding wall temperature. The small-scale vortex structures significantly enhance the convective heat transfer because it increases the turbulent mixing and the turbulence kinetic energy. The large-scale vortex structures supply thermal energy near the heated cladding wall surface. It is expected that control of the vortex structures in the fuel assembly plays a significant role in the convective heat transfer enhancement. Furthermore, the blockage plate and grid spacer increase the pressure drop to about 36% compared to the bare case.
Computational models for analyzing the in-reactor behavior of metallic fuel pins under transient conditions in liquid-metal reactors are developed and implemented in the TRAMAC (TRAnsient thermo-Mechanical Analysis Code) for a metal fuel rod under transient operation conditions. Not only the basic models for a fuel rod performance but also some sub-models used for transient condition are installed in TRAMAC. Among the models, a fission gas release model, which takes the multi-bubble size distribution into account to characterize the lenticular bubble shape and the saturation condition on the grain boundary and the cladding deformation model have been developed based mainly on the existing models in the MAC-SIS code. Finally, cladding strains are calculated from the amount of thermal creep, irradiation creep, and irradiation swelling. The cladding strain model in TRAMAC predicts well the absolute magnitudes and gen-eral trends of their predictions compared with those of experimental data. TRAMAC results for the FH-1,2,6 pins are more conservative than experimental data and relatively reasonable than those of FPIN2 code. From the calculation results of TRAMAC, it is apparent that the code is capable of predicting fission gas release, and cladding deformation for LMR metal fuel finder transient operation conditions. The results show that in general, the predictions of TRAMAC agree well with the available irradiation data.
Lee Dong Uk;Lee Byoung Oon;Kim Young Gyun;Lee Ki Bog;Jang Jin Wook
Nuclear Engineering and Technology
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v.35
no.4
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pp.356-368
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2003
Material properties such as coolant specific heat, film heat transfer coefficient, cladding thermal conductivity, surface diffusion coefficient of the multi-bubble are improved in MACSIS-Mod1. The axial power and flux profile module was also incorporated with irradiation history. The performance and feasibility of the updated driver fuel pin have been analyzed for nominal parameters based on the conceptual design for the KALIMER breakeven core by MACSIS-MOD1 code. The fuel slug centerline temperature takes the maximum at 700mm from the bottom of the slug in spite of the nearly symmetric axial power distribution. The cladding mid-wall and coolant temperatures take the maximum at the top of the pin. Temperature of the fuel slug surface over the entire irradiation life is much lower than the fuel-clad eutectic reaction temperature. The fission gas release of the driver fuel pin at the end of life is predicted to be $68.61\%$ and plenum pressure is too low to cause cladding yielding. The probability that the fuel pin would fail is estimated to be much less than that allowed in the design criteria. The maximum radial deformation of the fuel pin is $1.93\%$, satisfying the preliminary design criterion ($3\%$) for fuel pin deformation. Therefore the conceptual design parameters of the driver fuel pin for the KALIMER breakeven core are expected to satisfy the preliminary criteria on temperature, fluence limit, deformation limit etc.
Nuclear fuel cladding used in a nuclear power plant must possess superior oxidation resistance in the coolant atmosphere of high temperature/high pressure. However, as was the case for the critical LOCA (loss-of-coolant accident) accident that took place in the Fukushima disaster, there is a risk of hydrogen explosion when the nuclear fuel cladding and steam reacts dramatically to cause a rapid high-temperature oxidation accompanied by generation of a huge amount of hydrogen. Hence, an active search is ongoing for an alternative material to be used for manufacturing of nuclear fuel cladding. Studies are currently aimed at improving the safety of this cladding. In particular, ceramic-based nuclear fuel cladding, such as SiC, is receiving much attention due to the excellent radiation resistance, high strength, chemical durability against oxidation and corrosion, and excellent thermal conduction of ceramics. In the present study, cladding with $SiC_f/SiC$ protective films was fabricated using a process that forms a matrix phase by polymer impregnation of polycarbosilane (PCS) after filament-winding the SiC fiber onto an existing Zry-4 cladding tube. It is analyzed the oxidation and microstructure of the metal cladding with $SiC_f/SiC$ composite protective films using a drop tube furnace for thermal shock test.
To investigate allowable peak cladding temperature and hoop stress for maintenance of cladding integrity during interim-dry storage and subsequent transport, zirconium alloy cladding tubes were hydrogen-charged to generate 250 ppm and 500 ppm hydrogen contents, simulating spent nuclear fuel degradation. The hydrogen-charged specimens were heated to four peak temperatures of $250^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $350^{\circ}C$, and $400^{\circ}C$, and then cooled to room temperature at cooling rates of $0.3^{\circ}C/min$ under three tensile hoop stresses of 80 MPa, 100 MPa, and 120 MPa. The cool-down specimens showed that high peak heat-up temperature led to lower hydrogen content and that larger tensile hoop stress generated larger radial hydride fraction and consequently lower plastic elongation. Based on these out-of-pile cladding tube test results only, it may be said that peak cladding temperature should be limited to a level < $250^{\circ}C$, regardless of the cladding hoop stress, to ensure cladding integrity during interim-dry storage and subsequent transport.
To establish the exclusive role of hydrogen on burst behaviour of Zircaloy-4 during loss-of-coolant accident transients, an extensive single-rod burst tests were conducted on both unirradiated as-received and hydrogenated Zircaloy-4 cladding tubes at different heating rates and internal overpressures. The visual observations of cladding tubes during bursting as well as post-burst are presented in detail to understand the effect of hydrogen concentration, heating rate, and internal pressure. Impact of hydrogen on burst parameters-burst stress, burst strain, burst temperature-during loss-of-coolant accident transients are compared and discussed. Rupture at multiple locations for hydrogenated cladding at lower internal pressure and higher heating rate is reported for the very first time. A novel burst criterion accounting hydrogen concentration in nuclear fuel cladding is proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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