Guenot-Delahaie, Isabelle;Sercombe, Jerome;Helfer, Thomas;Goldbronn, Patrick;Federici, Eric;Jolu, Thomas Le;Parrot, Aurore;Delafoy, Christine;Bernaudat, Christian
Nuclear Engineering and Technology
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v.50
no.2
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pp.268-279
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2018
The ALCYONE multidimensional fuel performance code codeveloped by the CEA, EDF, and AREVA NP within the PLEIADES software environment models the behavior of fuel rods during irradiation in commercial pressurized water reactors (PWRs), power ramps in experimental reactors, or accidental conditions such as loss of coolant accidents or reactivity-initiated accidents (RIAs). As regards the latter case of transient in particular, ALCYONE is intended to predictively simulate the response of a fuel rod by taking account of mechanisms in a way that models the physics as closely as possible, encompassing all possible stages of the transient as well as various fuel/cladding material types and irradiation conditions of interest. On the way to complying with these objectives, ALCYONE development and validation shall include tests on $PWR-UO_2$ fuel rods with advanced claddings such as M5(R) under "low pressure-low temperature" or "high pressure-high temperature" water coolant conditions. This article first presents ALCYONE V1.4 RIA-related features and modeling. It especially focuses on recent developments dedicated on the one hand to nonsteady water heat and mass transport and on the other hand to the modeling of grain boundary cracking-induced fission gas release and swelling. This article then compares some simulations of RIA transients performed on $UO_2$-M5(R) fuel rods in flowing sodium or stagnant water coolant conditions to the relevant experimental results gained from tests performed in either the French CABRI or the Japanese NSRR nuclear transient reactor facilities. It shows in particular to what extent ALCYONE-starting from base irradiation conditions it itself computes-is currently able to handle both the first stage of the transient, namely the pellet-cladding mechanical interaction phase, and the second stage of the transient, should a boiling crisis occur. Areas of improvement are finally discussed with a view to simulating and analyzing further tests to be performed under prototypical PWR conditions within the CABRI International Program. M5(R) is a trademark or a registered trademark of AREVA NP in the USA or other countries.
In this paper, three power ramp tests performed on high burn-up Re-crystallized Zircaloy2 - UO2 BWR fuel rods (56 to 63 MWd/kgU) within the SCIP project are simulated with METEOR and ALCYONE 3D. Two of the ramp tests are of staircase type up to Linear Heat Rates of 420 and 520 W/cm and with long holding periods. Failure of the 420 W/cm fuel rod was observed after 40 minutes. The third ramp test consisted of a more standard ramp test with a constant power rate of 80 W/cm/min up to 410 W/cm with a short holding time. The tests were first simulated with the METEOR 1D fuel rod code, which gave accurate results in terms of profilometry and fission gas releases. The behaviour of a fuel pellet fragment and of the cladding piece on top of it was then investigated with ALCYONE 3D. The size and the main characteristics of the ridges after base irradiation and power ramp testing were recovered. Finally, the failure criteria validated for PWR conditions and fuel rods with low-to-medium burn-ups were used to analyze the failure probability of the KKL rodlets during ramp testing.
In the core of the nuclear power plant of PWR, several cases of fuel failure by unknown causes have been experienced for various fuel types. From the common features of the failure pattern, failure lead time, flow conditions, and flow induced vibration characteristics in nuclear fuel bundles, it is deduced that the fretting wear failure of the fuel rod at the spacer grid position is due to the fluidelastic vibration. In the past, fluidelastic vibration was simulated by quasi -static semi-analytical model, so called the static model, which could not account for the interaction between the rods within a bundle. To overcome this defect and to provide for more flexibilities applicable to the fuel bundle, Tanaka's unsteady model was modified to accomodate the geometrical differences and governing parameter changes during the operations such as the number of rods, pitch to diameter ratio (P/D), spring force, damping coefficient, etc. The critical velocity was calculated by solving the governing equations with the MATLAB code. A comparison between the estimated critical velocity and the test result shows a good agreement. Finally, the level of decrease of the critical velocity due to the reduction in the spring force and reduced damping coefficient due to the radiation exposure is also estimated.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1995.05a
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pp.680-686
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1995
It has been known that water-side corrosion of fuel rods in nuclear reactor is accompanied with the loss of metallic wall thickness and pickup of hydrogen. This corrosion is one of the important limiting factors ill the operating life of fuel rods. In connection with the fuel cladding corrosion, a device to measure the water-side oxide layer thickness by means of the eddy-current method without destructing the fuel rod was developed by KAERI. The device was installed on the multi-function testing bench in the nondestructive test hot-cell and its calibration was carried out successfully for the standard rod attached with plastic thin films whose thicknesses are predetermined. It shows good precision within about 10% error. And a PWR fuel rod, one of the J-44 assembly discharged from Kori nuclear power plant Unit-2, has been selected for oxide layer thickness measurements. With the result of data analysis, it appeared that the oxide layer thicknesses of Zircaloy cladding vary with the length of the fuel rod, and their thicknesses were compared with those of the destructive test results to confirm the real thicknesses.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1999.10a
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pp.248.1-248
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1999
Preliminary analysis of in-reactor thermal performance of three MOX fuel rods, which are going to be irradiated in the Halden reactor beginning in the first Quarter of the year 2000 under the framework of the OECD Halden Reactor Programme, have been conducted by using the computer code COSMOS to ensure their safe operation. Parametric studies have been carried out to investigate the effect of uncertainties on in-reactor behavior by considering the four kinds of uncertainties; thermal conductivity, linear power, manufacturing parameters, and model constants. The analysis shows that, in the case of annular MOX -1 fuel, calculation results for thermal performance vary widely depending on the selection of model constants for fission gas release (FGR). On the contrary, the thermal performance of solid MOX - 3 fuel does not depend on the choice of FGR constants to a large extent as MOX-I, because the fuel temperature is very high in the MOX-3 irrespective of the choice of FGR constants and hence the capacity of grain boundaries to retain gas atoms is not large enough to accommodate the number of gas atoms reaching the grain boundaries. It is planned that when the data on microstructure and thermal conductivity for each type of MOX fuel are available, new analysis will be made using these information. In addition, FGR model constants will be derived from the measured fuel centerline temperature, rod internal pressure and other related data.
The small modular sodium-cooled fast reactor (SMSFR) is an important component of Generation-IV reactors. The objective of this work is to improve the reactivity control in SMSFR by using innovative systems, including burnable poisons and optimized control rods. SMSFR with MOX fuel usually exhibits high burnup reactivity loss that leads to high excess reactivity and potential fuel melting in control rod withdrawal (CRW) accidents, which becomes an important constraint on the safety and economic efficiency of SMSFR. This work applies two types of burnable poisons in a SMSFR to reduce the excess reactivity. The first one homogenously loads minor actinides in the fuel. The second one combines absorber and moderators in specific assemblies. The influence of burnable poisons on the core characteristics is discussed and integrated into the analysis of CRW accidents. The results show that burnable poisons improve the safety performance of the core in a significant way. Burnable poisons also lessen the demand for the number, absorption ability, and insertion depth of control rods. Two optimized control rod designs with rare earth oxides (Eu2O3 and Gd2O3) and moderators are compared to the conventional design with natural boron carbide (B4C). The optimized designs show improved neutronic and safety performance.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.11a
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pp.97-102
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1996
A methodology for estimating the number of failed fuel rods bused on the primary coolant activity in operating PWRs has been developed. This method deals with both the diffusion and the kinetic models. In case of small or medium cladding failures, the diffusion model which can consider different sizes of failure is used, whereas for large cladding failures the kinetic model is used. From the kinetic model, the release-to-birth rate ratio (R/B) is represented as a linear function of the number of failed fuel rods. This has been done by expressing the escape rate coefficient in terms of the slope of log(R/B) versus $log\;{\lambda}$. The present method has been applied to the cases of 26 cycles of several nuclear power plants for which ultrasonic testings were performed. The results show that the present method gives better predictions than the existing computer codes such as IODYNE and CADE.
Supercritical water-cooled reactors (SCWRs) are recognized as a Generation IV reactor concept. The Super LWR is a pressure-vessel type thermal spectrum SCWR with downward-flow water rods and is currently under study at the University of Tokyo. This paper reviews Super LWR safety. The fundamental requirement for the Super LWR, which has a once-through coolant cycle, is the core coolant flow rate rather than the coolant inventory. Key safety characteristics of the Super LWR inhere in the design features and have been identified through a series of safety analyses. Although loss-of-flow is the most important abnormality, fuel rod heat-up is mitigated by the "heat sink" and "water source" effects of the water rods. Response of the reactor power against pressurization events is mild due to a small change in the average coolant density and flow stagnation of the once-through coolant cycle. These mild responses against transients and also reactivity feedbacks provide good inherent safety against anticipated-transient-without-scram (ATWS) events without alternative actions. Initiation of an automatic depressurization system provides effective heat removal from the fuel rods. An "in-vessel accumulator" effect of the reactor vessel top dome enhances the fuel rod cooling. This effect enlarges the safety margin for large LOCA.
Kim, Kyoung-Hong;Park, Nam-Gyu;Kim, Kyoung-Ju;Suh, Jung-Min
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2012.04a
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pp.911-916
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2012
It is important to identify dynamic characteristics of nuclear fuel components. Since the fuel always exposed to turbulent flow, the dynamic contact between grids and rods is one of the fuel failure modes. The dynamic behavior of grids in nuclear fuels is quite complex, since two pairs of spring support are placed in the limited space. The strap in a cell has single spring and double dimples and this paper focuses on investigation of the grid strap(Test Fuel Strap, TFS) vibration in one cell. To identify the grid strap vibration, modal analysis of the strap is performed using Finite Element Method (FEM). Modal testing on a $5{\times}5$ grid structure without rods is performed. The modal testing results are compared to analytic results. In addition, random test considering rod effect is performed about a $5{\times}5$ grid with rods under real contact condition in the air. Finally, the strap vibration of a $5{\times}5$ fuel bundle in INvestigation of Flow INduced vIbraTion(INFINIT) facility is measured in real fluid velocity condition without heating. It is shown that modal frequencies from the test are almost equal to those peak frequencies in the INFINIT test.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2003.11a
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pp.41-49
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2003
Tube oscillation behaviour is experimentally investigated for the study on the fuel rod fretting that is caused by the flow-induced vibration in nuclear reactor. The experiment was conducted in all at room temperature. The specimen of tube assembly was supported by plate springs which simulated the spacer grids and fuel rods of a fuel assembly. To investigate the influence of contact condition between the grids and rods, normal load of 10 and 5 N, gaps of 0.1 and 0.3 mm were applied. The range of the oscillation at the center of the fuel rod specimen was varied as 0.2, 0.3 and 0.4 mm to simulate the fuel rod vibration due to flow. Displacements near the contact were measured with four displacement sensors during the tube oscillation. As results, the shape of oscillation (phase) varied depending on the contact condition. The oscillation displacement increased considerably from the contact to gap condition. The displacement increased further as the gap size increased. It is regarded that the spring shape influences the tube oscillation behaviour. Simple calculation showed that the slip displacement was very small. Therefore, cumulative damage concept is necessary for the fuel rod wear. The mechanism of plowing is thought required to explain the severe wear in the case of gap existence.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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