In Pressurized Water Reactors, most of the failed fuel rods are often observed at the periphery of the fuel assembly, especially near the core baffle. The rod vibration-induced fretting wear is a significant failure mechanism strongly correlated with the coolant and support conditions. This paper presents a coupled vibration model of double-rod to predict the grid-to-rod fretting (GTRF) wear. A motion-dependent fluid force model is used to simulate the coolant cross flow, the gap constraints with asymmetric stiffness between spring and dimple on the vibration form, and the fretting wear are discussed. The results show the effect of the coupled vibration on the deterioration of wear, providing a sound theoretical explanation of some failure phenomena observed in the previous experiment. Exploratively, we analyze the impact of the baffle jet on the GTRF wear, which indicates that the high-velocity cross-flow will significantly affect the vibration forms while sharply changing the wear behavior.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2001.11a
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pp.245-251
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2001
A fretting wear tester is developed for experimental study on the fuel fretting problem of light water reactor. The feature of the developed tester is it can simulate the existence of gap between spring and fuel rod as well as different contacting force including the just-contact condition (0 N on the contact). Used are a servo-motor, an eccentric cylinder and lever mechanism for driving system. A spacer grid cell is constituted with four strap segments (each segment has a spring). This fretting wear tester can also be used as a fatigue tester of a spacer grid spring with the frequency of more than 10 Hz. It is required to simulate the frequency of the vibrating fuel rod due to flow-induced vibration in a reactor. In fretting wear test, up to two span-length of a fuel cladding tube can be accommodated. A specimen of cladding tube of one span-length is specially designed, which can be extended for two-span test. For .fatigue test, a device for clamping the spring fixture is installed additionally, Presently, the tester is designed for the condition of air environment and room temperature. The variation of the reciprocal distance is measured to check the stability of input force, which will be exerted to the cladding (for fretting wear. test) and the spring (for fatigue test) specimen.
A new type of a fretting wear tester has been designed and developed in order to simulate the actual vibration behavior of a nuclear fuel rod for springs/dimples in room temperature. When considering the actual contact condition between fuel rod and spring/dimple, if fretting wear progress due to the flow-induced vibration (FIV) under a specific normal load exerted on the fuel rod by the elastic deformation of the spring, the contacting force between the fuel rod and dimple that were located in the opposite side should be decreased. Consequently, the evaluation of developed spacer grids against fretting wear damage should be performed with the results of a cell unit experiments because the contacting force is one of the most important variables that influence to the fretting wear mechanism. Therefore, it is necessary to develop a new type of fretting test rig in order to simulate the actual contact condition. In this paper, the development procedure of a new fretting wear tester and its performance were discussed in detail.
In this study, fretting wear tests of nuclear fuel rods have been performed by using two kinds of spacer grid springs with a concave and a convex shape in room temperature dry and distilled water conditions. The objectives were to examine the variation of the wear mechanism with increasing fretting cycles and to evaluate the difference of the wear debris detachment behavior at each test environment. From the test results, the wear volume of each spring condition increased with increasing fretting cycles regardless of the test environments. However, the wear rate did not show a regular tendency and apparently changed with increasing fretting cycles. This is because the formation of the wear particle layer and/or the variation of the contact condition between the fuel rod and spring surfaces could affect a critical plastic deformation for detaching the wear debris. Based on the test results, the relationship between the wear behavior of each spring shape and test environment condition, and the variation of the surface characteristics are discussed in detail.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.7
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pp.843-850
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2010
A spacer grid assembly is one of the most important structural components of the nuclear fuel assembly of a Pressurized Water Reactor (PWR). A primary design requirement is that the fuel rod integrity be maintained by the spacer grid assembly during the operation of the reactor. In this study, we suggested a new spacer grid assembly having a fuel rod support, which is capable of sliding when the fuel rod vibrates due to flow-induced vibrations in the reactor. By adjusting the relative displacement between the fuel rod and its support, the proposed design will help in reducing fuel rod fretting damage.
The in-reactor fuel rod support conditions against the fretting wear-induced damage can be evaluated by residual spacer grid spring deflection or rod-to-grid gap. In order to evaluate the impact of fuel design parameters on the fretting wear-induced damage, a simulation methodology of the in-reactor fuel rod supporting conditions as a function of burnup has been developed and implemented in the GRIDFORCE program. The simulation methodology takes into account cladding creep rate, initial spring deflection, initial spring force, and spring force relaxation rate as the key fuel design parameters affecting the in-reactor fuel rod supporting conditions. Based on the parametric studies on these key parameters, it is found that the initial spring deflection, the spring force relaxation rate and cladding creepdown rate are in the order of the impact on the in-reactor fuel rod supporting conditions. Application of this simulation methodology to the fretting wear-induced failure experienced in a commercial plant indicates that this methodology can be utilized as an effective tool in evaluating the capability of newly developed cladding materials and/or new spacer grid designs against the fretting wear-induced damage.
Kim, Hyung-Kyu;Yoon, Kyung-Ho;Lee, Young-Ho;Ha, Jae-Wook;Kim, Seock-Sam
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2002.10b
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pp.195-196
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2002
Studied is fretting wear behaviour of transversely vibrating tube which is supported by springs and dimples. This simulates the fuel rod fretting due to flow-induced vibration in a nuclear reactor. The contact between spacer grid springs and fuel cladding tubes arc brought into focus in this paper. From the mechanical viewpoint, a concave contact shape of spring is considered to perform a wider distribution of the contact stress. Sliding/impacting experiments are conducted in air at room temperature with the conditions of positive contact force and gap existence to accommodate the mechanical condition between the fuel rod and the grid spring during reactor operation. It is found that wear region is separated and wear volume becomes larger as the supporting condition becomes poorer. Spring and dimple cause similar wear.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05c
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pp.21-26
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1996
Recently several PWR Nuclear Plant experienced fuel rod fretting wear failures due to Flow Induced Vibration. When such multi-span supported fuel assembly has vibration excitation, it is important to know how fretting wears are progress and when the fuel rods are start to failure. In this study, we estimate the amount of wear depth using Archard theory when the fuel rod starts to relative motion against spacer grid dimples.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.10
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pp.999-1008
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2007
The spacer grid set is a component in the nuclear fuel assembly. The set supports the fuel rods safely. Therefore, the spacer grid set should have sufficient strength for the external impact forces such as earthquake. The fretting wear occurs between the spring of the fuel rod and the spacer grid due to flow-induced vibration. Conceptual design of the spacer grid set is performed based on the Independence Axiom of axiomatic design. Two functional requirements are defined for the impact load and the fretting wear, and corresponding design parameters are selected. The overall flow of design is defined according to the application of axiomatic design. Design for the impact load is carried out by using nonlinear dynamic analysis to determine the length of the dimple. Topology optimization is carried out to determine a new configuration of the spring. The fretting wear is reduced by shape optimization using the homology theory. The deformation of a structure is called homologous if a given geometrical relationship holds before, during, and after the deformation. In the design to reduce the fretting wear, the deformed shape of the spring should be the same as that of the fuel rod. This condition is transformed to a function and considered as a constraint in the shape optimization process. The fretting wear is expected to be reduced due to the homology constraint. The objective function is minimizing the maximum stress to allow a slight plastic deformation. Shape optimization results are confirmed through nonlinear static analysis.
Park, Nam-Gyu;Kim, Jin-Seon;Kim, Joong-Jin;Kim, Jae-Ik
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.26
no.1
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pp.55-62
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2016
Nuclear fuels are always exposed to hot temperature and high speed coolant flow during the reactor operation. Thus the fuel rod accompanies small amplitude vibration due to the turbulent flow. The random vibration causes friction between the fuel rod and the grid structure which provides the lateral supports. The friction is critical to the fuel rod fretting wear, and it degrades fuel performance when a severe wear is developed. LuGre friction model is introduced in the paper, and the performance was evaluated comparing to the classical Coulomb model. It is shown that the developed friction force considering the Coulomb friction is not enough to stop or delay the motion while the stick-slip can be simulated using LuGre friction model. Numerical solutions of the two dimensional spacer grid cell model with the modern friction are also reviewed, and it is discussed that the new friction model simulates well the nonlinear mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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