The aim of this work is to prepare a neutron noise calculator based on the second order of average current nodal expansion method (ACNEM). Generally, nodal methods have the ability to fulfill the neutronic analysis with adequate precision using coarse meshes as large as a fuel assembly size. But, for the zeroth order of ACNEM, the accuracy of neutronic simulations may not be sufficient when coarse meshes are employed in the reactor core modeling. In this work, the capability of second order ACNEM is extended for solving the neutron diffusion equation in the frequency domain using coarse meshes. For this purpose, two problems are modeled and checked including a slab reactor and 2D BIBLIS PWR. For validating of results, a semi-analytical solution is utilized for 1D test case, and for 2D problem, the results of both forward and adjoint neutron noise calculations are exploited. Numerical results indicate that by increasing the order of method, the errors of frequency dependent coarse mesh solutions are considerably decreased in comparison to the reference. Accordingly, the accuracy of second order ACNEM can be acceptable for the neutron noise calculations by using coarse meshes in the nuclear reactor core.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.17
no.2
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pp.109-118
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2021
In the periodic surveillance material test for the spacer component of fuel channel assembly in CANDU, a microstructural characterization analysis is required in addition to the mechanical property evaluation test. In this study, detailed microstructure analysis and simple mechanical property evaluation of archive spacer parts were conducted to indirectly support the surveillance test and assist in the study of spacer material degradation. We investigated the microstructural characteristics of the spacer garter spring coil through comparative analysis with the plate material. The main microstructure characteristics of the garter spring coil X-750 are represented by the fine grain size distribution, the ordering phase distribution developed inside the matrix, the high dislocation density inside the grains, and the arrangement of coarse carbides. In addition, the yield strength of the garter spring coil X-750 was indirectly evaluated to be approximately 1 GPa. We also established an analytical method to elucidate the microstructural evolution of the radioactive spacer garter spring coil X-750 based on Canadian research experiences. Finally, we confirmed the measurement technique for helium bubble formation through TEM examination on the helium implanted X-750 material.
Qizheng Sun ;Wei Xiao;Xiangyue Li ;Han Yin;Tengfei Zhang ;Xiaojing Liu
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.6
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pp.2172-2194
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2023
A variational nodal method (VNM) with unstructured-mesh is presented for solving steady-state and dynamic neutron diffusion equations. Orthogonal polynomials are employed for spatial discretization, and the stiffness confinement method (SCM) is implemented for temporal discretization. Coordinate transformation relations are derived to map unstructured triangular nodes to a standard node. Methods for constructing triangular prism space trial functions and identifying unique nodes are elaborated. Additionally, the partitioned matrix (PM) and generalized partitioned matrix (GPM) methods are proposed to accelerate the within-group and power iterations. Neutron diffusion problems with different fuel assembly geometries validate the method. With less than 5 pcm eigenvalue (keff) error and 1% relative power error, the accuracy is comparable to reference methods. In addition, a test case based on the kilowatt heat pipe reactor, KRUSTY, is created, simulated, and evaluated to illustrate the method's precision and geometrical flexibility. The Dodds problem with a step transient perturbation proves that the SCM allows for sufficiently accurate power predictions even with a large time-step of approximately 0.1 s. In addition, combining the PM and GPM results in a speedup ratio of 2-3.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.19
no.2
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pp.109-116
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2023
This study presents a CRUD modelling to simulate the thermal resistance behavior of CRUD, deposited on the surface of a cladding tube of a fuel assembly. When heat produced from fuels transfers to a coolant through a cladding tube, the CRUD acting as an additional thermal resistance is expressed as two layers, i.e., a solid oxide layer and an imaginary fluid layer, which are added to the experimental tube's heat structure of the MARS-KS input data. The validation calculation for the experiments performed in UNIST-DISNY facility showed that the center and surface temperatures of the cladding tube increased as the porosity and the steam amount inside pores of the CRUD got higher. In addition, the temperature gradient in the imaginary fluid layer was calculated to be larger than that in the solid oxide part, indicating that the steam amount inside the layer acted more largely as thermal resistance. It was also evaluated through sensitivity calculations that the cladding tube temperature was more sensitive to the CRUD porosity and the steam amount in pores than to the inlet flow rate of the coolant.
Park, Younghyun;Yu, Jaecheul;Nguyen, Thi Hien;Lee, Taeho
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.38
no.12
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pp.635-640
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2016
Although microbial fuel cell (MFC) can produce electricity from organics in wastewater, nitrogen removal is required for application of process for wastewater treatment plant. This study developed flat-panel air-cathode MFCs (FA-MFCs) comprised of two large separator electrode assemblies (SEAs) and evaluate total nitrogen removal according to three inoculum sources and pre-nitrification acclimation. The nitrification efficiencies were >99% regardless of inoculum sources under the phase for pre-nitrification acclimation. The total nitrogen removal efficiencies of FA-MFCs without pre-nitrification acclimation were the highest at the low organic conditions (<300 mg-COD/L) under the phase for nitrification and denitrification. The increase of organic concentration influenced the total nitrogen removal efficiency, positively. The organics were removed >95% but were not used for heterotrophic denitrification totally. This study suggests that application of FA-MFC system for wastewater treatment can allow the simultaneous removal of organic and nitrogen compounds, although this affects the low electricity production.
Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, to test the durability of sPEEK MEA (Membrane and Electrode Assembly), ADT (Accelerated Degradation Test) of MEA degradation was done at the condition that membrane and electrode were degraded simultaneously. Before and after degradation, I-V polarization curve, hydrogen crossover, electrochemical surface area, membrane resistance and charge transfer resistance were measured. Although the permeability of hydrogen through sPEEK membrane was low, sPEEK membrane was weaker to radical evolved at low humidity and OCV condition than fluorinated membrane such as Nafion. Performance after MEA degradation for 144 hours and 271 hours were reduced by 15% and 65%, respectively. It was showed that the main cause of rapid decrease of performance after 144 hours was shorting due to Pt/C particles in the pinholes.
Bubbles are generated by the boiling of the cooling water when an accident occurs in the reactor and then in order to measure the void fraction, the Optical Fiber Probe(OFP) and optical camera are used in thermal hydraulic safety research. However, such an optical method is not suitable for measuring the void fraction in a $17{\times}17$ array of fuel rods due to the geometrical limitations. This study was conducted as a preliminary study using x-ray system and various phantoms before applying to rod bundles. Through radiographic and tomographic experiments, the tube voltage of the x-ray generator was 130 kVp and the tube current was 1 mA. In addition, it is possible to measure the hole of 1mm in size visually through the bubble resolution phantom, and it is confirmed that the contrast is relatively decreased in the inside of the freon in the case of the contrast evaluation using the road phantom. However, we could obtain good image without distortion when reconstructing the image. Bubble generation phantom experiments were used to confirm the flow direction of the bubbles and to acquire tomography images. The image J tool was used to measure the void fraction of 18 % for a single tomography image. This study has carried out previous researches for the measurement of the bubble rate around the nuclear fuel and could be used as a basic research for continuous research.
The purpose of this paper is to improve the performance of Polymer electrolyte fuel cell(PEMFC) by studying the channel dimension of bipolar plates using commercial CFD program 'Fluent'. Simulations are done ranging from 0.5 to 3.0mm for different size in order to find the channel size which shoves the highst hydrogen consumption. The results showed that the smaller channel width, land width, channel depth, the higher hydrogen consumption in anode. When channel width is increased, the pressure drop in channel is decreased because total channel length Is decreased, and when land width is increased, the net hydrogen consumption is decreased because hydrogen is diffused under the land width. It is also found that the influence of hydrogen consumption is larger at different channel width than it at different land width. The change of hydrogen consumption with different channel depth isn't as large as it with different channel width, but channel depth has to be small as can as it does because it has influence on the volume of bipolar plates. however the hydrogen utilization among the channel sizes more than 1.0mm which can be machined in reality is the most at channel width 1.0, land width 1.0, channel depth 0.5mm and considered as optimum channel size. The fuel cell combined with 2cm${\times}$2cm diagonal or serpentine type flow field and MEA(Membrane Electrode Assembly) is tested using 100W PEMFC test station to confirm that the channel size studied in simulation. The results showed that diagonal and serpentine flow field have similarly high OCV and current density of diagonal (low field is higher($2-40mA/m^2$) than that of serpentine flow field under 0.6 voltage, but the current density of serpentine type has higher performance($5-10mA/m^2$) than that of diagonal flow field under 0.7-0.8 voltage.
In this manuscript, in order to reduce methanol permeability and, at the same time, to increase proton conductivity THS-PSA containing silica compound, responsible for methanol permeability reduction, and sulfonic acid, responsible for proton conductivity enhancement, was applied onto PVA/PSSA-MA membranes. And in order to improve durability, the resulting membranes, PVA/PSSAMA/THS-PSA, were exposed to 500ppm F2 gas at varying reaction times. The surface-fluorinated membranes were characterized through the measurement of contact angles, thermo-gravimetric analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy to observe the physico-chemical changes. For the evaluation of the electro-chemical changes in the resulting membranes, its water contents, ion exchange capacity, proton conductivity, and methanol permeability were measured and then compared with the commercial membrane, Nafion 115. Finally, the membran electrode assembly(MEA) was prepared and the cell voltage against the current density was measured. As fluorination time increased, the contents of F2 increased up to maximum 4.3% and to depth of 50 nm. At 60 min of fluorination, the proton conductivity was 0.036 S/cm, larger than Nafion 115 at 0.024 S/cm, and the methanol permeability was $9.26E-08cm^2/s$, less than Nafion 115 at $1.17E-06cm^2/s$.
In recent days, fuel cell has received attention from the world as an alternative power source to hydrocarbon used in automobile engines. With the industrial advances of fuel cell, There have been a lot of researches actively conducted to find a way of generating hydrogen. Among many hydrogen production methods, Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC) is not only a basic way but also environment-friendly method to produce hydrogen gas. Solid Oxide Electrolysis Cell has lower electrical energy demands and high thermal efficiency since it is possible to operate under high temperature and high pressure conditions. For these reasons, experimental researches as well as studies on numerical modeling for Solid Oxide Electrolysis Cell have been under way. However, studies on numerical modeling are relatively less enough than experimental accomplishments and have limited performance prediction, which mostly is considered as a result from inadequate effects of electrochemical properties by temperature and pressure. In this study, various experimental studies of commercial Membrane Electrode Assembly (MEA) composed of Ni-YSZ (40wt%, Ni-60 wt% YSZ)/8-YSZ (TOSOH, TZ8Y)/LSM (La0.9Sr0.1MnO3) was utilized for improving effectiveness of SOEC model. After numerically analyzing effects of electrochemical properties according to operating temperature, causing the largest deviation between experiments and simulation are that Charge Transfer Coefficient (CTC), exchange current density, diffusion coefficient, electrical conductivity in SOEC. Analyzing temperature effect on parameter used in overpotential model is conducted for modeling of SOEC. cross-validation method is adopted for application of various MEA and evaluating feasibility of model. As a result, the study confirm that the numerical model of SOEC based on structured process of effectiveness evaluation makes performance prediction better.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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