Tak, Nam-Il;Chun, Moon-Hyun;Ahn, Hee-Jin;Park, Jong-Kil;Rhee, In-Hyoung
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.05a
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pp.184-189
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1997
A prompt fission gas release model incorporating the resistance to gas flow in the gap was developed and the effects of gap resistance and failure location on prompt fission gas release from the cladding breach were assessed. The process of prompt fission gas release from the plenum and gap into the coolant was modeled in accordance with three major phenomena: (1) transient gas flow in the gap, (2) the growth of the fission gas bubble while it is still attached to the breach, and (3) the detachment of the fission gas bubble from the breach and mixing with the coolant. The cumulative mass release fraction by the present model was calculated for the case of Young-Gwang 3 & 4 nuclear fuel rod as a typical example. The results showed that the release behavior of prompt fission gas with time was different from the frictionless model which has frequently been used in a simplified approach, and that the location of cladding failure was another key factor for the prompt fission gas release process due to the resistance in the gap.
Kim, Yongsoo;Wonmok Jae;Saied, Usama-El;Donald R. Olander
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1995.05a
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pp.707-712
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1995
Grain boundary diffusion plays significant role in the fission gas release, which is one of the crucial processes dominating nuclear fuel performance. Gaseous fission products such as Xe and Kr generated inside fuel pellet have to diffuse in the lattice and in the grain boundary before they reach open space in the fuel rod. In the mean time, the grains in the fuel pellet grow and shrink according to grain growth kinetics, especially at elevated temperature at which nuclear reactors are operating. Thus the boundary movement ascribed to the grain growth greatly influences the fission gas release rate by lengthening or shortening the lattice diffusion distance, which is the rate limiting step. Sweeping fission gases by the moving boundary contributes to the increment of the fission gas release as well. Lattice and grain boundary diffusion processes in the fission gas release can be studied by 'tracer diffusion' technique, by which grain boundary diffusion can be estimated and used directly for low burn-up fission gas release analysis. However, even for tracer diffusion analysis, taking both the intragranular grain growth and the diffusion processes simultaneously into consideration is not easy. Only a few models accounting for the both processes are available and mostly handle them numerically. Numerical solutions are limited in the practical use. Here in this paper, an approximate analytical solution of the lattice and stationary grain boundary diffusion in a polycrystalline solid is developed for the tracer diffusion techniques. This short closed-form solution is compared to available exact and numerical solutions and turns out to be acceptably accurate. It can be applied to the theoretical modeling and the experimental analysis, especially PIE (post irradiation examination), of low burn up fission. gas release.
Zullo, G.;Pizzocri, D.;Magni, A.;Van Uffelen, P.;Schubert, A.;Luzzi, L.
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.8
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pp.2771-2782
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2022
When assessing the radiological consequences of postulated accident scenarios, it is of primary interest to determine the amount of radioactive fission gas accumulated in the fuel rod free volume. The state-of-the-art semi-empirical approach (ANS 5.4-2010) is reviewed and compared with a mechanistic approach to evaluate the release of radioactive fission gases. At the intra-granular level, the diffusion-decay equation is handled by a spectral diffusion algorithm. At the inter-granular level, a mechanistic description of the grain boundary is considered: bubble growth and coalescence are treated as interrelated phenomena, resulting in the grain-boundary venting as the onset for the release from the fuel pellets. The outcome is a kinetic description of the release of radioactive fission gases, of interest when assessing normal and off-normal conditions. We implement the model in SCIANTIX and reproduce the release of short-lived fission gases, during the CONTACT 1 experiments. The results show a satisfactory agreement with the measurement and with the state-of-the-art methodology, demonstrating the model soundness. A second work will follow, providing integral fuel rod analysis by coupling the code SCIANTIX with the thermo-mechanical code TRANSURANUS.
Grain boundary diffusion plays a significant role in fission gas release, which is one of the crucial processes dominating nuclear fuel performance. Gaseous fission produce such as Xe and Kr generated during nuclear fission have to diffuse in the grain lattice and the boundary inside fuel pellets before they reach the open spaces in a fuel rod. These processes can be studied by 'tracer diffusion' techniques, by which grain boundary diffusivity can be estimated and directly used for low burn-up fission gas release analysis. However, only a few models accounting for the both processes are available and mostly handle them numerically due to mathematical complexity. Also the numerical solution has limitations in a practical use. In this paper, an approximate analytical solution in case of stationary grain boundary in a polycrystalline solid is developed for the tracer diffusion techniques. This closed-form solution is compared to available exact and numerical solutions and it turns out that it makes computation not only greatly easier but also more accurate than previous models. It can be applied to theoretical modelings for low bum-up fission gas release phenomena and experimental analyses as well, especially for PIE (post irradiation examination).
During normal operation, some parts of the fission product in the defective fuel rods can release into the primary loops in PWR and the escape rate coefficients are widely used to assess quantitatively the release behaviors of fission products in the industry. The escape rate coefficients have been standardized and have been validated by some drilling experiments before the 1970s. In the paper, the model to determine the escape rate coefficients of fission products has been established and the typical escape rate coefficients of noble gas and iodine have been deduced based on the measured radiochemical data in one operating PWR. The result shows that the apparent escape rate coefficients vary with the release-to-birth and decay constants for different fission products of the same element. In addition, it is found that the escape rate coefficients from the defective rod with large defects are much higher than the standard escape rate coefficients, i.e., averagely 4.4 times and 1.8 times for noble gas and iodine respectively. The enhanced release of fission products from the severe secondary hydriding of several defective fuel rods in one cycle may lead to the potential risk of the temporary shutdown of the operating reactors.
In the core of the WWR-K reactor, a long-term irradiation of tristructural isotopic (TRISO)-coated fuel particles (CFPs) with a UO2 kernel was carried out under high-temperature gas-cooled reactor (HTGR)-like operating conditions. The temperature of this TRISO fuel during irradiation varied in the range of 950-1100 ℃. A fission per initial metal atom (FIMA) of uranium burnup of 9.9% was reached. The release of gaseous fission products was measured in-pile. The release-to-birth ratio (R/B) for the fission product isotopes was calculated. Aspects of fuel safety while achieving deep fuel burnup are important and relevant, including maintaining the integrity of the fuel coatings. The main mechanisms of fuel failure are kernel migration, silicon carbide corrosion by palladium, and gas pressure increase inside the CFP. The formation of gaseous fission products and carbon monoxide leads to an increase in the internal pressure in the CFP, which is a dominant failure mechanism of the coatings under this level of burnup. Irradiated fuel compacts were subjected to electric dissociation to isolate the CFPs from the fuel compacts. In addition, nondestructive methods, such as X-ray radiography and gamma spectrometry, were used. The predicted R/B ratio was evaluated using the fission gas release model developed in the high-temperature test reactor (HTTR) project. In the model, both the through-coatings of failed CFPs and as-fabricated uranium contamination were assumed to be sources of the fission gas. The obtained R/B ratio for gaseous fission products allows the finalization and validation of the model for the release of fission products from the CFPs and fuel compacts. The success of the integrity of TRISO fuel irradiated at approximately 9.9% FIMA was demonstrated. A low fuel failure fraction and R/B ratios indicated good performance and reliability of the studied TRISO fuel.
G. Zullo;D. Pizzocri;A. Magni;P. Van Uffelen;A. Schubert;L. Luzzi
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.12
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pp.4460-4473
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2022
The behaviour of the fission gas plays an important role in the fuel rod performance. In a previous work, we presented a physics-based model describing intra- and inter-granular behaviour of radioactive fission gas. The model was implemented in SCIANTIX, a mesoscale module for fission gas behaviour, and assessed against the CONTACT 1 irradiation experiment. In this work, we present the multi-scale coupling between the TRANSURANUS fuel performance code and SCIANTIX, used as mechanistic module for stable and radioactive fission gas behaviour. We exploit the coupled code version to reproduce two integral irradiation experiments involving standard fuel rod segments in steady-state operation (CONTACT 1) and during successive power transients (HATAC C2). The simulation results demonstrate the predictive capabilities of the code coupling and contribute to the integral validation of the models implemented in SCIANTIX.
Threshold porosity above which fission gas release channels would be formed in the rim egion of high burnup UO$_2$ fuel was estimated by the Monte Carlo method and Hoshen-Kopelman algorithm. With the assumption that both rim pore and rim grain can be represented by cube, pore distribution in the rim was simulated 3-dimensionally by the Monte Carlo method according to porosity and pore size distribution. Then, using the Hoshen-Kopelman algorithm, the fraction of open rim pores interlinked to the outer surface of a fuel pellet was derived as a function of rim porosity. The simulation showed that porosity of 24-25% is the threshold above which the number of rim pores forming release channels increases very rapidly. On the other hand, channels would not be formed if the porosity is less than about 23.5%. This is consistent with the observation that, for porosity less than 23.5%, almost no fission gas is released in the rim. However, once the rim porosity reaches beyond 25%, extensive open paths would be developed and considerable fission gas release would start in the rim.
One of the major phenomena occurring in defective fuel rods is the oxidation of UO$_2$ fuel pellets from UO$_2$ to UO$_{2+}$x/ by the oxygen Produced from the dissociation of the steam in the Pellet-to-clad gap, which leads to the enhancement of fission gas release. In this paper, the oxidation kinetics of defective fuel rods was analyzed on the basis of operating conditions of the reactor and defective fuel rod itself. Oxidation kinetics of the fuel pellet was determined under the assumption that the gap is filled with the saturated steam of 150 atm and an enhancement factor for fission gas release was introduced to take into account the effect of fuel oxidation on fission gas release. Comparison with experimental data shows that the enhancement factor predicts well the increased fission gas release due to the oxidation of UO$_2$fuel pellets.
The paper briefs a fuel performance code, COSMOS, which can be utilized for an analysis of the thermal behavior and fission gas release of fuel, up to a high burnup. Of particular concern are the models for the fuel thermal conductivity, the fission gas release, and the cladding corrosion and creep in $UO_2$ fuel. In addition, the code was developed so as to consider the inhomogeneity of MOX fuel, which requires restructuring the thermal conductivity and fission gas release models. These improvements enhanced COSMOS's precision for predicting the in-pile behavior of MOX fuel. The COSMOS code also extends its applicability to the instrumented fuel test in a research reactor. The various in-pile test results were analyzed and compared with the code's prediction. The database consists of the $UO_2$ irradiation test up to an ultra-high burnup, power ramp test of MOX fuel, and instrumented MOX fuel test in a research reactor after base irradiation in a commercial reactor. The comparisons demonstrated that the COSMOS code predicted the in-pile behaviors well, such as the fuel temperature, rod internal pressure, fission gas release, and cladding properties of MOX and $UO_2$ fuel. This sufficient accuracy reveals that the COSMOS can be utilized by both fuel vendors for fuel design, and license organizations for an understanding of fuel in-pile behaviors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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