Forni, Massimo;Poggianti, Alessandro;Scipinotti, Riccardo;Dusi, Alberto;Manzoni, Elena
Nuclear Engineering and Technology
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v.46
no.5
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pp.595-604
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2014
SILER (Seismic-Initiated event risk mitigation in LEad-cooled Reactors) is a Collaborative Project, partially funded by the European Commission in the $7^{th}$ Framework Programme, aimed at studying the risk associated to seismic-initiated events in Generation IV Heavy Liquid Metal reactors, and developing adequate protection measures. The project started in October 2011, and will run for a duration of three years. The attention of SILER is focused on the evaluation of the effects of earthquakes, with particular regards to beyond-design seismic events, and to the identification of mitigation strategies, acting both on structures and components design. Special efforts are devoted to the development of seismic isolation devices and related interface components. Two reference designs, at the state of development available at the beginning of the project and coming from the $6^{th}$ Framework Programme, have been considered: ELSY (European Lead Fast Reactor) for the Lead Fast Reactors (LFR), and MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications) for the Accelerator-Driven Systems (ADS). This paper describes the main activities and results obtained so far, paying particular attention to the development of seismic isolators, and the interface components which must be installed between the isolated reactor building and the non-isolated parts of the plant, such as the pipe expansion joints and the joint-cover of the seismic gap.
An integrated R&D program is being conducted to study, qualify, and in some cases, develop materials with required properties for the reactor systems being developed as part the U.S. Department of Energy's Generation IV Reactor Program. The goal of the program is to ensure that the materials research and development (R&D) needed to support Gen IV applications will comprise a comprehensive and integrated effort to identify and provide the materials data and its interpretation needed for the design and construction of the selected advanced reactor concepts. The major materials issues for the five primary systems that have been considered within the U.S. Gen IV Reactor Program-very high temperature gas-cooled, supercritical water-cooled, gas-cooled fast spectrum, lead-cooled fast spectrum, and sodium-cooled fast spectrum reactors-are described along with the R&D that has been identified to address them.
Consideration is given to the possibility to use changes in buoyancy as a negative reactivity feedback mechanism during temperature transients in heavy liquid metal fast reactors. It is shown that by the proper use of heavy pellets in the fuel elements, fuel rods could be endowed with a passive self-ejection mechanism and then with a negative feedback. A first estimate of the feasibility of the mechanism is calculated by using a simplified geometry and model. If in addition, a neutron poison pellet is introduced at the bottom of the fuel, then when the fuel element is displaced upward by buoyancy force, the reactivity will be reduced not only by disassembly of the core but also by introducing the neutron poison from the bottom. The use of induced buoyancy opens up the possibility of introducing greater amounts of actinides into the core, as well as providing a palliative solution to the problem of positive coolant temperature reactivity coefficients that could be featured by the heavy liquid metal fast reactors.
A lumped kinetic modeling platform is developed to investigate the coupled nuclear/thermo-fluid features of the closed natural circulation loop in a low power lead cooled fast reactor. This coolant material serves a reliable choice with noticeable thermo-physical safety characteristics in terms of natural convection. Boussienesq approximation is resorted to appropriately reduce the governing partial differential equations (PDEs) for the fluid flow into a set of ordinary differential equations (ODEs). As a main contributing step, the coolant circulation speed is accordingly correlated to the loop operational power and temperature levels. Further temporal analysis and control synthesis activities may thus be carried out within a more consistent state space framework. Nyquist stability criterion is thereafter employed to carry out a sensitivity analysis for the system stability at various power and heat sink temperature levels and results confirm a widely stable natural circulation loop.
Jonathan Hawes;Jordan Knapp;Robert Burrows;Robert Montague;Jeff Arndt;Steve Walters
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.2
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pp.437-443
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2024
The development and testing of inspection equipment is necessary for the safe deployment of advanced nuclear reactors. One proposed advanced reactor design is Westinghouse's lead-cooled fast reactor (LFR). In this paper, the process of achieving adequate wetting for an ultrasonic under-lead viewing system is discussed and results presented. Such a device would be used for inspection in the molten lead core during reactor outages. Wider tests into the wetting of various materials in molten lead at microscale were performed using electron microscopy. The possible mechanisms and kinetics for materials wetting in lead, particularly stainless steel and nickel, are proposed and discussed.
Small Modular Reactors (SMRs) are attracting wide attention due to their outstanding performance, extensive studies have been carried out for lead-based fast reactors (LFRs) that cooled with Lead or Lead-bismuth (LBE), and small modular natural circulation LFR is one of the promising candidates for SMRs and LFRs development. One of the challenges for the design small modular natural circulation LFR is to master the natural circulation thermal-hydraulic performance in the reactor primary circuit, while the natural circulation characteristics is a coupled thermal-hydraulic problem of the core thermal power, the primary loop layout and the operating state of secondary cooling system etc. Thus, accurate predicting the natural circulation LFRs thermal-hydraulic features are highly required for conducting reactor operating condition evaluate and Thermal hydraulic design optimization. In this study, a thermal-hydraulic analysis code is developed for small modular natural circulation LFRs, which is based on several mathematical models for natural circulation originally. A small modular natural circulation LBE cooled fast reactor named URANUS developed by Korea is chosen to assess the code's capability. Comparisons are performed to demonstrate the accuracy of the code by the calculation results of MARS, and the key thermal-hydraulic parameters agree fairly well with the MARS ones. As a typical application case, steady-state analyses were conducted to have an assessment of thermal-hydraulic behavior under nominal condition, and several parameters affecting natural circulation were evaluated. What's more, two characteristics parameters that used to analyze natural circulation LFRs natural circulation capacity were established. The analyses show that the core thermal power, thermal center difference and flow resistance is the main factors affecting the reactor natural circulation. Improving the core thermal power, increasing the thermal center difference and decreasing the flow resistance can significantly increase the reactor mass flow rate. Characteristics parameters can be used to quickly evaluate the natural circulation capacity of natural circulation LFR under normal operating conditions.
Baoquan Xue;Jibo Tan;Xinqiang Wu;Ziyu Zhang;Xiang Wang
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.5
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pp.1887-1894
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2024
Fatigue strength of the structural materials of lead-cooled fast reactors (LFRs) and accelerator-driven systems (ADS) may be degraded in liquid metal (Lead or lead-bismuth eutectic (LBE)) environments. The fatigue crack growth (FCG) data of structural materials in liquid LBE are necessary for damage tolerance design, safety assessment and life management of key equipment. A novel monitoring system for fatigue crack length was designed on the compliance method and the monitor technology of crack opening displacement (COD) of CT specimens by the linear variable differential transformers (LVDT) system. It can be used to predict the crack length by monitoring the COD of CT specimens in harsh high-temperature liquid LBE using a LVDT system. The prediction accuracy of this system was verified by FCG experiments in room temperature air and liquid LBE at 150, 250 and 350 ℃. The first results obtained in the FCG test for T91 steel in liquid LBE at 350 ℃ are presented.
Shirvan, Koroush;Ballinger, Ronald;Buongiorno, Jacopo;Forsberg, Charles;Kazimi, Mujid;Todreas, Neil
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.6
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pp.1303-1314
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2016
This work examines the most viable nuclear technology options for future underwater designs that would meet high safety standards as well as good economic potential, for construction in the 2030-2040 timeframe. The top five concepts selected from a survey of 13 nuclear technologies were compared to a small modular pressurized water reactor (PWR) designed with a conventional layout. In order of smallest to largest primary system size where the reactor and all safety systems are contained, the top five designs were: (1) a lead-bismuth fast reactor based on the Russian SVBR-100; (2) a novel organic cooled reactor; (3) an innovative superheated water reactor; (4) a boiling water reactor based on Toshiba's LSBWR; and (5) an integral PWR featuring compact steam generators. A similar study on potential attractive power cycles was also performed. A condensing and recompression supercritical $CO_2$ cycle and a compact steam Rankine cycle were designed. It was found that the hull size required by the reactor, safety systems and power cycle can be significantly reduced (50-80%) with the top five designs compared to the conventional PWR. Based on the qualitative economic consideration, the organic cooled reactor and boiling water reactor designs are expected to be the most cost effective options.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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