The Advanced Power Reactor 1400 (APR1400) is an evolutionary advanced light water reactor (ALWR) based on the Optimized Power Reactor 1000 (OPR1000), which is in operation in Korea. The APR1400 incorporates a variety of engineering improvements and operational experience to enhance safety, economics, and reliability. The advanced design features and improvements of the APR1400 design include a pilot operated safety relief valve (POSRV), a four-train safety injection system with direct vessel injection (DVI), a fluidic device (FD) in the safety injection tank, an in-containment refueling water storage tank (IRWST), an external reactor vessel cooling system, and an integrated head assembly (IHA). Development of the APR1400 started in 1992 and continued for ten years. The APR1400 design received design certification from the Korean nuclear regulatory body in May of2002. Currently, two construction projects for the APR1400 are in progress in Korea.
As an in-vessel retention (IVR) design concept in coping with a severe accident in the nuclear power plant during which time a considerable amount of core material may melt, external cooling of the reactor vessel has been suggested to protect the lower head from overheating due to relocated material from the core. The efficiency of the ex-vessel management may be estimated by the thermal margin defined as the ratio of the critical heat flux (CHF)to the actual heat flux from the reactor vessel. Principal factors affecting the thermal margin calculation are the amount of heat to be transferred downward from the molten pool, variation of heat flux with the angular position, and the amount of removable heat by external cooling In this paper a thorough literature survey is made and relevant models and correlations are critically reviewed and applied in terms of their capabilities and uncertainties in estimating the thermal margin to potential failure of the vessel on account of the CHF Results of the thermal margin calculation are statistically treated and the associated uncertainties are quantitatively evaluated to shed light on the issues requiring further attention and study in the near term. Our results indicated a higher thermal margin at the bottom than at the top of the vessel accounting for the natural convection within the hemispherical molten debris pool in the lower plenum. The information obtained from this study will serve as the backbone in identifying the maximum heat removal capability and limitations of the IVR technology called the Cerium Attack Syndrome Immunization Structures (COASISO) being developed for next generation reactors.
In 2017, a decision was made to permanently shut down Kori Unit 1, and preparations began to be made for its decontamination and decommissioning. The dismantling of the biological shields concrete, reactor vessel (RV), and reactor vessel internals (RVI) is crucial to the nuclear decommissioning process. These components were radiologically activated by the neutron activation reaction occurring in the reactor during its operational period. Because of the radioactivity of the RV and RVI of Kori Unit 1, remotely controlled systems were developed for cutting within the cavity to reduce radiation exposure. Specialized equipment was developed for underwater cutting operations. This paper focuses on modeling related to RVI operations using the MAVRIC code and the dose calculation for a diver entering the cavity. The upper and lower parts of the RVI are classified as low-level radioactive waste, while the sides that came into contact with the fuel are classified as intermediate-level radioactive waste. Therefore, the modeling presented in this paper only considers the RVI sides because the upper and lower parts have a minimal impact on the radiation exposure. These research findings are anticipated to contribute to enhancing the efficiency and safety of nuclear reactor decommissioning operations.
The decrease in the fracture toughness of ferritic steels in a reactor pressure vessel is an important factor in determining the lifetime of a nuclear power plant. A surveillance program has been in place in Korea since 1979 to assess the structural integrity of RPV steels. In this work, the surveillance data were collected and analyzed statistically in order to derive the empirical relationship between the embrittlement and strengthening of irradiated reactor pressure vessel steels. There was a linear relationship between the yield strength change and the transition temperature shift change at 41 J due to irradiation. The proportional coefficient was about $0.5^{\circ}C$/MPa in the base metals (plate/forgings). The upper shelf energy decrease ratio was non-linearly proportional to the yield strength change, and most of the data lay along the trend curve of the US results. The transition regime temperature interval, ${\Delta}T_T$, was less than the US data. The overall change from irradiation was very similar to the US results. It is expected that the results of this study will be applied to basic research on the multiscale modeling of the irradiation embrittlement of RPV materials in Korea.
A comparative assessment study for a generation of the pressure-temperature (P-T) limit curve of a reactor vessel is performed in accordance with ASME code. Using cooling or heating rate and vessel material properties, stress distribution is obtained to calculate stress intensity factors, which are compared with the material fracture toughness to determine the relations between operating pressure and temperature during reactor cool-down and heat-up. P-T limit curves are analyzed with respect to defect orientation, clad thickness, toughness curve, cooling or heating rate and neutron fluence. The resulting P-T curves are compared each other.
In the late in-vessel phase of a nuclear reactor severe accident, the internal heat transfer and crust evolution during the debris bed melting process have important effects on the thermal load distribution along the vessel wall, and further affect the reactor pressure vessel (RPV) failure mode and the state of melt during leakage. This study coupled the phase change model and large eddy simulation to investigate the variations of the temperature, melt liquid fraction, crust and heat flux distributions during the debris bed melting process in the hypothetical severe accident of HPR1000. The results indicated that the heat flow towards the vessel wall and upper surface were similar at the beginning stage of debris melting, but the upward heat flow increased significantly as the development of the molten pool. The maximum heat flux towards the vessel wall reached 0.4 MW/m2. The thickness of lower crust decreased as the debris melting. It was much thicker at the bottom region with the azimuthal angle below 20° and decreased rapidly at the azimuthal angle around 20-50°. The maximum and minimum thicknesses were 2 and 90 mm, respectively. By contrast, the distribution of upper crust was uniform and reached stable state much earlier than the lower crust, with the thickness of about 10 mm. Moreover, the sensitivity analysis of initial condition indicated that as the decrease of time interval from reactor scram to debris bed dried-out, the maximum debris temperature and melt fraction became larger, the lower crust thickness became thinner, but the upper crust had no significant change. The sensitivity analysis of in-vessel retention (IVR) strategies indicated that the passive and active external reactor vessel cooling (ERVC) had little effect on the internal heat transfer and crust evolution. In the case not considering the internal reactor vessel cooling (IRVC), the upper crust was not obvious.
The structural integrity assessment of APR1400 (Advanced Power Reactor 1400) reactor vessel internals has been being performed referring the US Nuclear Regulatory Commission regulatory guide 1.20 comprehensive vibration assessment program prior to commercial operation. The program is composed of a hydraulic and structural analysis, a vibration measurement, and an inspection. This paper describes the hydraulic and structural analysis on the reactor vessel internals due to hydraulic loads caused by the turbulence of reactor coolant. Three-dimensional models were built for the hydraulic and structural analysis and then hydraulic loads and structural responses were predicted for five analysis cases with CFX and ANSYS respectively. The structural responses show that the APR1400 reactor vessel internals have sufficient structural integrity in comparison with the acceptance criteria.
This paper provides a simple method by which to estimate the cross-section stress profiles for nozzles designed according to ASME Code Section III. Further, this method validates the effectiveness of earlier work performed by the authors on standard nozzles. The method requires only the geometric information of the pressure vessel and the attached nozzle. A PWR direct vessel injection nozzle, a PWR outlet nozzle, a PWR inlet nozzle and a BWR recirculation outlet nozzle are selected based on their corresponding specific designs, e.g., a varying nozzle radius, a varying nozzle thickness and an outlet nozzle boss. A cross-section stress profile comparison shows that the estimates are in good agreement with the finite element analysis results. Differences in stress intensity factors calculated in accordance with ASME BPVC Section XI Appendix G are discussed. In addition, a change in the dimensions of an alternate nozzle design relative to the standard values is discussed, focusing on the stress concentration factors of the nozzle inside corner.
A safety assessment of reactor vessel lower head integrity under in-vessel vapor explosion loads has been performed. The core melt relocation parameters were chosen within the ranges of physically realizable bounds. The premixing and explosion calculations were performed using TRACER-II code. Using the calculated explosion pressures imposed on the lower head inner wall, strain calculations were peformed using ANSYS code. Then, the calculated strain results and the established failure criteria were used in determining the failure probability of the lower head, In the explosion analyses, it is shown that the explosion impulses are not altered significantly by the uncertain parameters of triggering location and time, fuel and vapor volume fractions in uniform premixture bounding calculations. Strain analyses show that the vapor explosion-induced lower head failure is not possible under the present framework of assessment. The result of static analysis using the conservative explosion-end pressure of 50 MPa also supports the conclusion. It is recommended, however, that an assessment of fracture mechanics for preexisting cracks be also considered to obtain a more concrete conclusion.
국내에서 개발 중인 차세대 혁신형 안전경수로인 iPOWER는 피동용융노심냉각계통의 도입을 통해 중대사고시 노심용융물을 원자로 하부에서 장기간 냉각하고 안정화시키고자 한다. 아직 피동용융노심냉각계통의 최종 설계개념이 확정되기 전이나, 원자로용기 외벽냉각을 통한 노심용융물의 노내 억류 역시 주요 중대사고 대처 전략의 하나로 검토되고 있다. 본 연구에서는 국내에서 개발된 열수력 계통해석코드인 MARS-KS를 이용하여 원자로용기와 단열체 사이에서 형성되는 2상 자연순환 유동을 모의하였다. 냉각수의 유로를 일차원으로 모델링하고, 노심용융물의 열부하에 따른 경계조건을 정의하여 자연순환 유량을 계산하였다. 또한 냉각수의 온도 및 수위, 원자로용기 하반구 주변 기포율 및 외벽에서의 열전달모드 등 주요 열수력 변수의 과도거동을 평가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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