Luzzi, L.;Barani, T.;Boer, B.;Cognini, L.;Nevo, A. Del;Lainet, M.;Lemehov, S.;Magni, A.;Marelle, V.;Michel, B.;Pizzocri, D.;Schubert, A.;Uffelen, P. Van;Bertolus, M.
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.10
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pp.3367-3378
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2021
The design phase and safety assessment of Generation IV liquid metal-cooled fast reactors calls for the improvement of fuel pin performance codes, in particular the enhancement of their predictive capabilities towards uranium-plutonium mixed oxide fuels and stainless-steel cladding under irradiation in fast reactor environments. To this end, the current capabilities of fuel performance codes must be critically assessed against experimental data from available irradiation experiments. This work is devoted to the assessment of three European fuel performance codes, namely GERMINAL, MACROS and TRANSURANUS, against the irradiation of two fuel pins selected from the SUPERFACT-1 experimental campaign. The pins are characterized by a low enrichment (~ 2 wt.%) of minor actinides (neptunium and americium) in the fuel, and by plutonium content and cladding material in line with design choices envisaged for liquid metal-cooled Generation IV reactor fuels. The predictions of the codes are compared to several experimental measurements, allowing the identification of the current code capabilities in predicting fuel restructuring, cladding deformation, redistribution of actinides and volatile fission products. The integral assessment against experimental data is complemented by a code-to-code benchmark focused on the evolution of quantities of engineering interest over time. The benchmark analysis points out the differences in the code predictions of fuel central temperature, fuel-cladding gap width, cladding outer radius, pin internal pressure and fission gas release and suggests potential modelling development paths towards an improved description of the fuel pin behaviour in fast reactor irradiation conditions.
Jeon, Sang-Chae;Kim, Keon Sik;Kim, Dong-Joo;Kim, Dong Seok;Kim, Jong Hun;Yoon, Jihae;Yang, Jae Ho
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.17
no.1
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pp.37-46
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2019
As candidates for accident-tolerant fuels, ceramic microcell fuels, which are distinguished by their peculiar microstructures, are being developed; these fuels have $UO_2$ grains surrounded by cell walls. They contribute to nuclear fuel safety by retention of fission products within the $UO_2$ pellet, reducing rod pressure and incidence of SCC failure. Cesium, a hazardous fission product in terms of amount and radioactivity, can be captured by chemical reactions with ceramic cell materials. The capture-ability of cesium therefore depends on the thermodynamics of the capturing reaction. Conversely, compositional design of cell materials should be based on thermodynamic predictions. This study proposes thermodynamic calculations to evaluate the cesium capture-ability of three ceramic microcell compositions: Si-Ti-O, Si-Cr-O and Si-Al-O. Prior to the calculations, the chemical and physical states of the cesium and the cell materials were defined. Then, the reactivity was evaluated by calculating the cesium potential (${\Delta}G_{Cs}$) and oxygen potential (${\Delta}G_{O_2}$) under simulated LWR circumstances of normal operation. Based on the results, cesium capture is expected to be spontaneous in all cell compositions, providing a basis for the compositional design of ceramic microcell fuels as well as a facile way for evaluating cesium capture.
Lee, Hyeon-Geun;Kim, Daejong;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.51
no.5
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pp.418-423
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2014
Fully ceramic micro encapsulated (FCM) nuclear fuel is a concept recently proposed for enhancing the stability of nuclear fuel. FCM nuclear fuel consists of tristructural-isotropic (TRISO) fuel particles within a SiC matrix. Each TRISO fuel particle is composed of a $UO_2$ kernel and a PyC/SiC/PyC tri-layer which protects the kernel. The SiC ceramic matrix is created by sintering. In this FCM fuel concept, fission products are protected twice, by the TRISO coating layer and by the SiC ceramic. The SiC ceramic has proven attractive for fuel applications owing to its low neutron-absorption cross-section, excellent irradiation resistivity, and high thermal conductivity. In this study, a SiC-matrix composite containing TRISO particles was sintered by hot pressing with $Al_2O_3-Y_2O_3$ additive system. Various sintering conditions were investigated to obtain a relative density greater than 95%. The internal distribution of TRISO particles within the SiC-matrix composite was observed using an x-ray radiograph. The fracture of the TRISO particles was investigated by means of analysis of the cross-section of the SiC-matrix composite.
Accurate prediction of size, shape and velocity of a bubble rising through a liquid pool is very important for predicting the particulate removal efficiency in pool scrubbing, for designing engineering safety features to prepare for severe accidents in nuclear power plants, and for predicting the emission of fission products from MCCI (molten core-concrete interaction) process during severe accidents. In this review article, previous studies on the determination of the size, shape and rising velocity of a bubble in liquid are reviewed. Various theoretical and parameterization formulas calculating the bubble size, shape and velocity from physical properties of liquid and gas flowrate are compared. Recent studies tend to suggest simple parameterizations that can easily determine the bubble shape and rising velocity without iteration, whereas iteration has to be performed to determine the bubble shape and velocity in old theories. The recent parameterizations show good agreement with measured data obtained from experiments conducted using different liquid materials with very diverse physical properties, proving themselves to be very useful tools for researchers in related fields.
Park, Kwang-June;Ju, June-Sik;Kang, Hee-Young;Shin, Hee-Sung;Kim, Ho-Dong
Journal of Radiation Protection and Research
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v.34
no.1
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pp.9-14
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2009
High density polyethylene (HDPE) is degraded due to a radiation-induced oxidation when it is used as a neutron moderator in a neutron counter for a nuclear material accounting of spent fuels. The HDPE exposed to the gamma-ray emitted from the fission products in a spent nuclear fuel results in a radiation-induced degradation which changes its original molecular structure to others. So a neutron moderating power variation of HDPE, irradiated by a gamma radiation, was investigated in this work. Five HDPE moderator structures were exposed to the gamma radiation emitted from a $^{60}Co$ source to a level of $10^5-10^9$ rad to compare their post-irradiation properties. As a result of the neutron measurement test with 5 irradiated HDPE structures and a neutron measuring system, it was confirmed that the neutron moderating power for the $10^5$ rad irradiated HDPE moderator revealed the largest decrease when the un-irradiated pure one was used as a reference. It implies that a neutron moderating power variation of HDPE is not directly proportional to the integrated gamma dose rate. To clarify the cause of these changes, some techniques such as a FTIR, an element analysis and a densitometry were employed. As a result of these analyses, it was confirmed that the molecular structure of the gamma irradiated HDPEs had partially changed to others, and the contents of hydrogen and oxygen had varied during the process of a radiation-induced degradation. The mechanism of these changes cannot be explained in detail at present, and thus need further study.
Kim, Yeon-Ku;Kim, Weon-Ju;Yeo, SungHwan;Cho, Moon Sung
Journal of Powder Materials
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v.23
no.5
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pp.384-390
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2016
Tri-isotropic (TRISO) coatings on zirconia surrogate beads are deposited using a fluidized-bed vapor deposition (FB-CVD) method. The silicon carbide layer is particularly important among the coated layers because it acts as a miniature pressure vessel and a diffusion barrier to gaseous and metallic fission products in the TRISO-coated particles. In this study, we obtain a nearly stoichiometric composition in the SiC layer coated at $1400^{\circ}C$, $1500^{\circ}C$, and $1400^{\circ}C$ with 20 vol.% methyltrichlorosilane (MTS), However, the composition of the SiC layer coated at $1300-1350^{\circ}C$ shows a difference from the stoichiometric ratio (1:1). The density decreases remarkably with decreasing SiC deposition temperature because of the nanosized pores. The high density of the SiC layer (${\geq}3.19g/cm^2$) easily obtained at $1500^{\circ}C$ and $1400^{\circ}C$ with 20 vol.% MTS did not change at an annealing temperature of $1900^{\circ}C$, simulating the reactor operating temperature. The evaluation of the mechanical properties is limited because of the inaccurate values of hardness and Young's modulus measured by the nano-indentation method.
A study has been done on the separation of iodide from spent pressurized water reactor (PWR) fuels and its quantitative determination using ion chromatography. Spent PWR fuels were dissolved with mixed acid of nitric and hydrochloric acids (80 : 20 molL%) which can oxidize iodide to iodate to prevent it from be vaporized. After reducing ${IO_3}^-$ to $I_2$ in 2.5 M $HNO_3$ with $NH_2OH{\cdot}HCl$, Iodine was selectively separated from actinides and all other fission products with carbontetrachloride and back-extracted with 0.1 M $NaHSO_3$. Recovered iodide was determined using the ion chromatograph of which the column was installed in a glove box for the analysis of radioactive materials. In practice, spent PWR fuel with 42,000~44,000 MWd/MtU was analyzed and its quantity was compared to that calculated by burnup code, ORIGEN2. The agreement was achieved with a deviation of -8.3~-0.5% from the ORIGEN 2 data, $324.5{\sim}343.6{\mu}g/g$.
Kim, Jung-Suk;Han, Sun-Ho;Suh, Moo-Yul;Joe, Kih-Soo;Eom, Tae-Yoon
Nuclear Engineering and Technology
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v.21
no.4
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pp.277-286
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1989
Destructive methods are used for the turnup determination of an irradiated PWR fuel. One of the methods includes U, Pu, Nd-148 and Nd-(145+146) determination by an isotope dilution mass spectrometry using triple spikes (U-233, Pu-242 and Nd-150). The method involves two sequential ion exchange resin separation procedures. Pu is eluted from the first anion exchange resin column (Dowex AG 1$\times$8) with 12 M HCl-0.1 M HI mixed solution, followed by U elution with 0.1 M HCl. Nd is isolated from other fission products on the second anion exchange resin column (Dowex AG 1$\times$4) with a nitric acid-methanol eluent. Each fraction is analysed by thermal ionization mass spectrometry. The difference between Nd-148 and Nd-(145+146) method is found with an average 2.07%. The results are compared with those by the heavy element method using U and Pu isotopes and by the destructive y-spectrometric measurement of Cs-137. The dependences of isotope composition of U and Pu on burn-up, and correlation between those isotopes are illustrated graphically.
Radioactive contamination has become an important environmental concern after the accident occurred in Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants. $^{134}Cs$ and $^{137}Cs$ are the major fission products and they are main problems in radioactive contamination. Huge amounts of Cs were released during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants accident and as a result of this incident, many researchers focused on the development of adsorbents for decontamination of radiotoxic cesium. This review will critically evaluate recent advances in the preparation of Prussian blue and its analogue compounds, which are promising materials for cesium removal. Furthermore, this review will discuss recent studies on the cesium adsorption using different types of clay and clay based adsorbents and summarize various types of newly developed Cs adsorbents reported in recent years.
Kim, Yeon-Ku;Kim, Weon-Ju;Yeo, SungHwan;Cho, Moon-Sung
Journal of Powder Materials
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v.21
no.6
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pp.434-440
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2014
Silicon carbide(SiC) layer is particularly important tri-isotropic (TRISO) coating layers because it acts as a miniature pressure vessel and a diffusion barrier to gaseous and metallic fission products in the TRISO coated particle. The high temperature deposition of SiC layer normally performed at $1500-1650^{\circ}C$ has a negative effect on the property of IPyC layer by increasing its anisotropy. To investigate the feasibility of lower temperature SiC deposition, the influence of deposition temperature on the property of SiC layer are examined in this study. While the SiC layer coated at $1500^{\circ}C$ obtains nearly stoichiometric composition, the composition of the SiC layer coated at $1300-1400^{\circ}C$ shows discrepancy from stoichiometric ratio(1:1). $3-7{\mu}m$ grain size of SiC layer coated at $1500^{\circ}C$ is decreased to sub-micrometer (< $1{\mu}m$) $-2{\mu}m$ grain size when coated at $1400^{\circ}C$, and further decreased to nano grain size when coated at $1300-1350^{\circ}C$. Moreover, the high density of SiC layer (${\geq}3.19g/cm^3$) which is easily obtained at $1500^{\circ}C$ coating is difficult to achieve at lower temperature owing to nano size pores. the density is remarkably decreased with decreasing SiC deposition temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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