Jo, Tae-Sun;Lee, Seung-Ho;Kim, Gil-Su;Kim, Se-Hoon;Kim, Young-Do
Korean Journal of Materials Research
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v.17
no.5
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pp.268-272
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2007
Inconel 617 is a candidate tube material for high temperature gas-cooled reactors(HTGR). The microstructure and mechanical properties of Inconel 617 were studied after exposure at high temperature($1050^{\circ}C$). The dominant oxide layer was Cr-oxide. The internal oxide and Cr-depleted region were observed below the Cr-oxide layer. The depth of Cr-depleted zone and internal oxide increased with exposure time. The major phases of carbides are $M_{23}C_6\;and\;M_6C$. The composition of $M_{23}C_6\;and\;M_6C$ were determined to be Cr-rich and Mo-rich, respectively. $M_6C$ carbide is more stable than $M_{23}C_6$ at high temperature. From the results of high temperature compression test, there were no significant changes in hardness and yield strength upon increasing exposure time.
TRISO-coated particle fuel is widely used in high temperature gas cooled reactors and other advanced reactors. The performance of coated fuel particle is one of the fundamental bases of reactor safety. The failure probability of coated fuel particle should be evaluated and determined through suitable fuel performance models and methods during normal and accident condition. In order to better facilitate the design of coated particle fuel, a new TRISO fuel performance code named FRAT (Fission product Release Analysis Tool) was developed. FRAT is designed to calculate internal gas pressure, mechanical stress and failure probability of a coated fuel particle. In this paper, FRAT was introduced and benchmarked against IAEA CRP-6 benchmark cases for coated particle failure analysis. FRAT's results agree well with benchmark values, showing the correctness and satisfactory applicability. This work helps to provide a foundation for the credible application of FRAT.
A high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) is recognized as the best candidate reactor for next generation nuclear reactors. Helium is used to be the coolant in the core of the HTGR with temperature expected to exceed $900^{\circ}C$ at the core outlet. Several iron- and nickel-based superalloys, including Alloy 800H, Hastelloy X, and Alloy 617, are potential structural materials for intermediate heat exchanger (IHX) in an HTGR. Oxidation behaviors of three selected alloys (Hastelloy X, Alloy 800H, and Alloy 617) were investigated at four different temperatures from $650^{\circ}C$ to $950^{\circ}C$ under helium environments with various concentrations of $O_2$ and $H_2O$. Preliminary results showed that chromium oxide as the primary protective layer was observed on surfaces of the three tested alloys. Based on results of mass gain and SEM analyses, Hastelloy X alloy exhibited the best corrosion resistance in all corrosion tests. Further details on the oxidation mechanism of these alloys are presented in this study.
UO2 kernels, a key component of fuel elements for high temperature gas cooled reactors, have usually been prepared by sol-gel methods. Sol-gel processes have a number of advantages, such as simple processes and facilities, and higher sphericity and density. In this study, to produce 900 ㎛-sized UO2 particles using an external gelation process, contact length extension of the NH3 gas of the broth droplets pass and the improvement of the gelation device capable of spraying 14 M-NH4OH solution are used to form 3,000 ㎛-sized liquid droplets. To produce high-sphericity and high-density UO2 particles, HMTA, which promotes the gelation reaction in the uranium broth solution, is added to diffuse ammonium ions from the outside of the gelation solution during the aging process and generate ammonium ions from the inside of the ADU gel particles. Sufficient gelation inside of ADU gel particles is achieved, and the density of the UO2 spheres that undergo the subsequent treatment is 10.78 g/㎤; the sphericity is analyzed and found to be 0.948, indicating good experimental results.
Numerous advanced reactor concepts have been proposed to replace light water reactors ever since their establishment as the dominant technology for nuclear energy production. While most designs seek to improve cost competitiveness and safety, the implausibility of doing so with affordable materials or existing nuclear fuel infrastructure reduces the possibility of near-term deployment, especially in developing countries. The organic nuclear concept, first explored in the 1950s, offers an attractive alternative to advanced reactor designs being considered. The advent of high temperature fluids, along with advances in hydrocracking and reforming technologies driven by the oil and gas industries, make the organic concept even more viable today. We present a simple, cost-effective, and safe small modular nuclear reactor for offshore underwater deployment. The core is moderated by graphite, zirconium hydride, and organic fluid while cooled by the organic fluid. The organic coolant enables operation near atmospheric pressure and use of plain carbon steel for the reactor tank and primary coolant piping system. The core is designed to mitigate the coolant degradation seen in early organic reactors. Overall, the design provides a power density of 40 kW/L, while reducing the reactor hull size by 40% compared with a pressurized water reactor while significantly reducing capital plant costs.
Kim, Ho Sik;NO, Hee Cheon;Jo, YuGwon;Wibisono, Andhika Feri;Park, Byung Ha;Choi, Jinyoung;Lee, Jeong Ik;Jeong, Yong Hoon;Cho, Nam Zin
Nuclear Engineering and Technology
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v.47
no.3
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pp.293-305
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2015
In this paper, we suggest the conceptual design of a water-cooled reactor system for a low-pressure inherent heat sink nuclear desalination plant (LIND) that applies the safety-related design concepts of high temperature gas-cooled reactors to a water-cooled reactor for inherent and passive safety features. Through a scoping analysis, we found that the current LIND design satisfied several essential thermal-hydraulic and neutronic design requirements. In a thermal-hydraulic analysis using an analytical method based on the Wooton-Epstein correlation, we checked the possibility of safely removing decay heat through the steel containment even if all the active safety systems failed. In a neutronic analysis using the Monte Carlo N-particle transport code, we estimated a cycle length of approximately 6 years under 200 $MW_{th}$ and 4.5% enrichment. The very long cycle length and simple safety features minimize the burdens from the operation, maintenance, and spent-fuel management, with a positive impact on the economic feasibility. Finally, because a nuclear reactor should not be directly coupled to a desalination system to prevent the leakage of radioactive material into the desalinated water, three types of intermediate systems were studied: a steam producing system, a hot water system, and an organic Rankine cycle system.
TRISO (Tri-Isotropic)-coated fuel particle is widely applied due to its higher stability at high temperature and its efficient retention capability for fission products in the HTGR (high temperature gas-cooled reactor), one of the highly efficient Generation IV reactors. The typical ball-type TRISO-coated fuel particle with a diameter of about 1 mm is composed of a nuclear fuel particle as a kernel and of outer coating layers. The coating layers consist of a buffer PyC, inner PyC, SiC, and outer PyC layer. In this study, a digital image processing algorithm is proposed to automatically measure the thickness of the coating layers. An FBP (filtered backprojection) algorithm was applied to reconstruct the CT image using virtual X-ray radiographic images for a simulated TRISO-coated fuel particle. The automatic measurement algorithm was developed to measure the coating thickness for the reconstructed image with noises. The boundary lines were automatically detected, then the coating thickness was circularly by the algorithm. The simulation result showed that the measurement error rate was less than 1.4%.
Alameri, Saeed A.;King, Jeffrey C.;Alkaabi, Ahmed K.;Addad, Yacine
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.2
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pp.248-257
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2020
This study presents an initial design for a novel system consisting in a coupled nuclear reactor and a phase change material-based thermal energy storage (TES) component, which acts as a buffer and regulator of heat transfer between the primary and secondary loops. The goal of this concept is to enhance the capacity factor of nuclear power plants (NPPs) in the case of high integration of renewable energy sources into the electric grid. Hence, this system could support in elevating the economics of NPPs in current competitive markets, especially with subsidized solar and wind energy sources, and relatively low oil and gas prices. Furthermore, utilizing a prismatic-core advanced high temperature reactor (PAHTR) cooled by a molten salt with a high melting point, have the potential in increasing the system efficiency due to its high operating temperature, and providing the baseline requirements for coupling other process heat applications. The present research studies the neutronics and thermal hydraulics (TH) of the PAHTR as well as TH calculations for the TES which consists of 300 blocks with a total heat storage capacity of 150 MWd. SERPENT Monte Carlo and MCNP5 codes carried out the neutronics analysis of the PAHTR which is sized to have a 5-year refueling cycle and rated power of 300 MWth. The PAHTR has 10 metric tons of heavy metal with 19.75 wt% enriched UO2 TRISO fuel, a hot clean excess reactivity and shutdown margin of $33.70 and -$115.68; respectively, negative temperature feedback coefficients, and an axial flux peaking factor of 1.68. Star-CCM + code predicted the correct convective heat transfer coefficient variations for both the reactor and the storage. TH analysis results show that the flow in the primary loop (in the reactor and TES) remains in the developing mixed convection regime while it reaches a fully developed flow in the secondary loop.
In order to evaluate the start-up behavior and to identify, through abnormal operation occurrences, the transient behaviors of the Sulfur Iodine(SI) process, which is a nuclear hydrogen process that is coupled to a Very High Temperature Gas Cooled Reactor (VHTR) through an Intermediate Heat Exchanger (IHX), a dynamic simulation of the process is necessary. Perturbation of the flow rate or temperature in the inlet streams may result in various transient states. An understanding of the dynamic behavior due to these factors is able to support the conceptual design of the secondary helium loop system associated with a hydrogen production plant. Based on the mass and energy balance sheets of an electrodialysis-embedded SI process equivalent to a 200 $MW_{th}$ VHTR and a considerable thermal pathway between the SI process and the VHTR system, a dynamic simulation of the SI process was carried out for a sulfuric acid decomposition process (Second Section) that is composed of a sulfuric acid vaporizer, a sulfuric acid decomposer, and a sulfur trioxide decomposer. The dynamic behaviors of these integrated reactors according to several anticipated scenarios are evaluated and the dominant and mild factors are observed. As for the results of the simulation, all the reactors in the sulfuric acid decomposition process approach a steady state at the same time. Temperature control of the inlet helium is strictly required rather than the flow rate control of the inlet helium to keep the steady state condition in the Second Section. On the other hand, it was revealed that the changes of the inlet helium operation conditions make a great impact on the performances of $SO_3$ and $H_2SO_4$ decomposers, but no effect on the performance of the $H_2SO_4$ vaporizer.
Tomasz Kwiatkowski;Michal Jedrzejczyk;Afaque Shams
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.4
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pp.1310-1319
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2024
The reactor cavity cooling system (RCCS) is a passive reactor safety system commonly present in the designs of High-Temperature Gas-cooled Reactors (HTGR) that removes heat from the reactor pressure vessel by means of natural convection and radiation. It is one of the factors responsible for ensuring that the reactor does not melt down under any plausible accident scenario. For the simulation of accident scenarios, which are transient phenomena unfolding over a span of up to several days, intermediate fidelity methods and system codes must be employed to limit the models' execution time. These models can quantify radiation heat transfer well, but heat transfer caused by natural convection must be quantified with the use of correlations for the heat transfer coefficient. It is difficult to obtain reliable correlations for HTGR RCCS heat transfer coefficients experimentally due to such a system's size. They could, however, be obtained from high-fidelity steady-state simulations of RCCSs. The Rayleigh number in RCCSs is too high for using a Direct Numerical Simulation (DNS) technique; thus, a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach must be employed. There are many RANS models, each performing best under different geometry and fluid flow conditions. To find the most suitable one for simulating an RCCS, the RANS models need to be validated. This work benchmarks various RANS models against three experiments performed on the HTTR RCCS Mockup by the Japanese Atomic Energy Agency (JAEA) in 1993. This facility is a 1/6 scale model of a vessel cooling system (VCS) for the High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR), which is operated by JAEA. Multiple RANS models were evaluated on a simplified 2d-axisymmetric geometry. They were found to reproduce the experimental temperature profiles with errors of up to 22% for the lowest temperature benchmark and 15% for the higher temperature benchmarks. The results highlight that the pragmatic turbulence models need to be validated for high Rayleigh natural convection-driven flows and improved accordingly, more publicly available experimental data of RCCS resembling experiments is needed and indicate that a 2d-axisymmetric geometry approximation is likely insufficient to capture all the relevant phenomena in RCCS simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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