Nondestructive evaluation methods play an important role in ensuring component integrity and safety in many industries. Operator fatigue can play a critical role in the reliability of such methods. This is important for inspecting high value assets or assets with a high consequence of failure, such as aerospace and nuclear components. Recent advances in convolution neural networks can support and automate these inspection efforts. This paper proposes using residual neural networks (ResNets) for real-time detection of corrosion, including iron oxide discoloration, pitting and stress corrosion cracking, in dry storage stainless steel canisters housing used nuclear fuel. The proposed approach crops nuclear canister images into smaller tiles, trains a ResNet on these tiles, and classifies images as corroded or intact using the per-image count of tiles predicted as corroded by the ResNet. The results demonstrate that such a deep learning approach allows to detect the locus of corrosion via smaller tiles, and at the same time to infer with high accuracy whether an image comes from a corroded canister. Thereby, the proposed approach holds promise to automate and speed up nuclear fuel canister inspections, to minimize inspection costs, and to partially replace human-conducted onsite inspections, thus reducing radiation doses to personnel.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.19
no.2
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pp.84-92
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2023
As temporary storage facilities for spent nuclear fuels in domestic nuclear power plants are expected to be saturated, external intermediate storage facilities would be required in the future. Spent nuclear fuels are stored in metal canisters and then placed in a dry environment within concrete or metal casing for operation. In the United States, the dry storage method for spent nuclear fuels has been operated for an extended period. Based on the corrosion experiences of dry storage canisters in chloride environments, numerous studies have been conducted to reduce corrosion in welds. With the construction of intermediate storage facilities in Korea for spent nuclear fuels expected near coastal areas adjacent to nuclear power plants, there is a need for research on the corrosion occurrence of welds and mitigation methods for canisters in chloride environments. In this paper, we measured and compared the residual stresses in the Heat-Affected Zones (HAZ) after electron beam welding (EBW) and gas tungsten arc welding (GTAW) processes for candidate materials such as 304L, 316L, and duplex stainless steel(DSS). We investigated the possibility of microstructure control through the application of surface modification processes using friction stir processing (FSP). Corrosion tests on each welded specimen revealed a higher corrosion rate in EBW welds compared to GTAW. Furthermore, it was confirmed that corrosion resistance improved due to phase refinement and redistribution of precipitates when FSP was applied.
Samuel Park;Nakkyu Chae;Pilhyeon Ju;Seungjin Seo;Richard I. Foster;Sungyeol Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3950-3960
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2024
As a solution to the problem of spent nuclear fuels (SNFs), the disposal of SNF has gained attention from nations using nuclear energy because of hazards posed to the ecosystem. Among many proposed solutions, the most promising method is to dispose of SNF in a deep geological repository (DGR) which utilizes the multi-barrier concept developed by Finland and Sweden. Here, a new fully-coupled Thermal-Hydraulic (TH) code HADES (High-level rAdionuclide Disposal Evaluation Simulator) is developed using the MOOSE framework. This new code suggests basic numerical tools, such as a non-linear solver and finite element discretization, to assess the safety performance of disposal systems. The new TH code considered various TH behavior using Richards' flow approach, assuming gas pressure is constant. The HADES showed promising results when it was compared to various TH codes validated from DECOVAELX-THMC projects. When the single-canister model was utilized to estimate the TH behavior of the Korean Reference disposal System, although it showed significant saturation reduction due to the evaporation of water, the temperature was maintained under the thermal criteria limit, which is 100 ℃. In addition, the new code estimated temperature and degree of saturation of the multi-canisters model, considering two or three canisters, it showed a slightly lower temperature, 5 ℃, than the single-canister model. From these results, the following are concluded: (1) the new TH code contribute to an additional integrity by estimating TH behavior of KRS; (2) however, due to limitations in single-canister simulation, it is recommended to use multi-canisters simulation to estimate TH behavior accurately. Therefore, this model is anticipated not only to help licensing applications and estimation of various multi-physics phenomena and multi-canister at the disposal site.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.16
no.4
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pp.455-472
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2018
It is important to study how to manage dry storage casks of spent nuclear fuels (SNF), because wet storage spaces for SNF will shortly be at full capacity in the Republic of Korea. The US has operated a dry storage cask system for several decades, and has carried out significant studies into how to successfully manage dry storage cask for SNF. This type of expertise and experience is currently lacking in the Republic of Korea. The degradation of dry casks is an important issue that must be considered. In particular, chloride-induced stress corrosion cracking (CISCC) is known to lead to the release of radioisotopes from canisters. The U.S. Department of Energy, U.S. Nuclear Regulatory Commission, and the Electric Power Research Institute have undertaken research into the CISCC mechanism. In addition, Sandia National Laboratories (SNL) has extensively researched CISCC and how to manage it in dry storage canisters. In this review paper, the probabilistic model proposed by the SNL is analyzed and, based on this model, US-based CISCC research is reviewed in detail. This paper will inform the management of dry cask storage of SNF from light water reactors in austenite stainless steel canisters in the Republic of Korea.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2003.11a
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pp.270-275
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2003
The heat transfer analysis was conducted for the conceptual design of high level waste canisters. The temperature distribution due to the heat generation from four PWR spent fuel bundles which were contained in a canister located in a borehole 500 m below the surface was obtained. NISA computer program based upon FEM was used for the numerical solution. The temperature distribution in the composite system of $\ulcorner$canister + buffer + tunnel + rock$\lrcorner$ due to heat generation from the spent fuel was obtained. In the case of 40m tunnel spacing and 6m borehole spacing the temperature showed the maximum value of $87.5^{\circ}C$around 15-16 years after disposal and decreased.
Copper is used in various applications in environments favoring and enabling formation of biofilms by naturally occurring microbes. Copper is also the chosen corrosion barrier for nuclear waste in Finland. The copper canisters should have lifetimes of 100,000 years. Copper is commonly considered to be resistant to corrosion in oxygen-free water. This is an important argument for using copper as a corrosion protection in the planned canisters for spent nuclear-fuel encapsulation. However, microbial biofilm formation on metal surfaces can increase corrosion in various conditions and provide conditions where corrosion would not otherwise occur. Microbes can alter pH and redox potential, excrete corrosion-inducing metabolites, directly or indirectly reduce or oxidize the corrosion products, and form biofilms that create corrosive microenvironments. Microbial metabolites are known to initiate, facilitate, or accelerate general or localized corrosion, galvanic corrosion, and intergranular corrosion, as well as enable stress-corrosion cracking. Sulfate-reducing bacteria (SRB) are present in the repository environment. Sulfide is known to be a corrosive agent for copper. Here we show results from corrosion of copper in anoxic simulated ground water in the presence of SRB enriched from the planned disposal site.
Nondestructive inspection (NDI) is an integral part of structural integrity analyses of dry storage casks that house spent nuclear fuel. One significant concern for the structural integrity is stress corrosion cracking in the heat-affected zone of welds in the stainless steel canister that confines the spent fuel. In situ NDI methodology for detection of stress corrosion cracking is investigated, where the inspection uses a delivery robot because of the presence of the harsh environment and geometric constrains inside the cask protecting the canister. Shear horizontal (SH) guided waves that are sensitive to cracks oriented either perpendicular or parallel to the wave vector are used to locate welds and to detect cracks. SH waves are excited and received by electromagnetic acoustic transducers (EMATs) using noncontact ultrasonic transduction and pulse-echo mode. A laboratory-scale canister mock-up is fabricated and inspected using the proposed methodology to evaluate the ability of EMATs to excite and receive SH waves and to locate welds. The EMAT's capability to detect notches from various distances is evaluated on a plate containing 25%-through-thickness surface-breaking notches. Based on the results of the distances at which notch reflections are detectable, NDI coverage for spent nuclear fuel storage canisters is determined.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.1
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pp.1-8
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2023
The major concern in the deep geological disposal of spent nuclear fuels include sulfide-induced corrosion and stress corrosion cracking of copper canisters. Sulfur diffusion into copper canisters may induce copper embrittlement by causing Cu2S particle formation along grain boundaries; these sulfide particles can act as crack initiation sites and eventually cause embrittlement. To prevent the formation of Cu2S along grain boundaries and sulfur-induced copper embrittlement, copper alloys are designed in this study. Alloying elements that can act as chemical anchors to suppress sulfur diffusion and the formation of Cu2S along grain boundaries are investigated based on the understanding of the microscopic mechanism of sulfur diffusion and Cu2S precipitation along grain boundaries. Copper alloy ingots are experimentally manufactured to validate the alloying elements. Microstructural analysis using scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy demonstrates that Cu2S particles are not formed at grain boundaries but randomly distributed within grains in all the vacuum arc-melted Cu alloys (Cu-Si, Cu-Ag, and Cu-Zr). Further studies will be conducted to evaluate the mechanical and corrosion properties of the developed Cu alloys.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.4
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pp.503-516
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2023
A transfer cask serves as the container for transporting and handling canisters loaded with spent nuclear fuels from light water reactors. This study focuses on a cylindrical transfer cask, standing at 5,300 mm with an external diameter of 2,170 mm, featuring impact limiters on the top and bottom sides. The base of the cask body has an openable/closable lid for loading canisters with storage modules. The transfer cask houses a canister containing spent nuclear fuels from lightweight reactors, serving as the confinement boundary while the cask itself lacks the confinement structure. The objective of this study was to conduct a structural analysis evaluation of the transfer cask, currently under development in Korea, ensuring its safety. This evaluation encompasses analyses of loads under normal, off-normal, and accident conditions, adhering to NUREG-2215. Structural integrity was assessed by comparing combined results for each load against stress limits. The results confirm that the transfer cask meets stress limits across normal, off-normal, and accident conditions, establishing its structural safety.
Gha-Young Kim;Jeong-Hyun Woo;Junhyuk Jang;Yang-Il Jung;Young-Ho Lee
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.22
no.2
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pp.211-217
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2024
The growing significance of sustainable energy technologies underscores the need for safe and efficient management of spent nuclear fuels (SNFs), particularly via deep geological disposal (DGD). DGD involves the long-term isolation of SNFs from the biosphere to ensure public safety and environmental protection, necessitating materials with high corrosion resistance for DGD canisters. This study investigated the feasibility of a Cu-Ni film, fabricated via additive manufacturing (AM), as a corrosion-resistant layer for DGD canister applications. A wire-fed AM technique was used to deposit a millimeter-scale Cu-Ni film onto a carbon steel (CS) substrate. Electrochemical analyses were conducted using aerated groundwater from the KAERI underground research tunnel (KURT) as an electrolyte with an NaCl additive to characterize the oxic corrosion behavior of the Cu-Ni film. The results demonstrated that the AM-fabricated Cu-Ni film exhibited enhanced corrosion resistance (manifested as lower corrosion current density and formation of a dense passive layer) in an NaCl-supplemented groundwater solution. Extensive investigations are necessary to elucidate microstructural performance, mechanical properties, and corrosion resistance in the presence of various corroding agents to simplify the implementation of this technology for DGD canisters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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