The evolution of a high burnup structure (HBS) in a light water reactor (LWR) $UO_2$ fuel was simulated using the Potts model. A simulation system for the Potts model was defined as a two-dimensional triangular lattice, for which the stored energy was calculated from both the irradiation damage of the $UO_2$ matrix and the formation of a grain boundary in the newly recrystallized small HBS grains. In the simulation, the evolution probability of the HBS is calculated by the system energy difference between before and after the Monte Carlo simulation step. The simulated local threshold burnup for the HBS formation was 62 MWd/kgU, consistent with the observed threshold burnup range of 60-80 MWd/kgU. The simulation revealed that the HBS was heterogeneously nucleated on the intergranular bubbles in the proximity of the threshold burnup and then additionally on the intragranular bubbles for a burnup above 86 MWd/kgU. In addition, the simulation carried out under a condition of no bubbles indicated that the bubbles played an important role in lowering the threshold burnup for the HBS formation, thereby enabling the HBS to be observed in the burnup range of conventional high burnup fuels.
The temperature distribution in the pellet was obtained from beginning the general heat conduction equation. The thermal conductivity of pellet used the SIMFUEL data that made clear the effect of burnup on the thermal conductivity degradation. Since the pellet rim acts as the thermal barrier to heat flow. the pellet was subdivided into several rings in which the outer ring was adjusted to play almost the same role as the rim. The local burup in each ring except the outer ring was calculated from the power depression factor based on FASER results. whereas the rim burnup at the outer ring was achieved by the pellet averaged burnup based on the empirical relation. The rim changed to the equivalent Xe film so the predicted temperature shooed the thermal jump across the rim. The observed temperature profiles depended on linear heat generation rate. fuel burnup. and power depression factor. The thermal conductivity degradation modelling can be applied to the fuel performance code to high burnup fuel,
The effects of nuclear data uncertainties are studied on a typical PWR fuel assembly model in the framework of the OECD Nuclear Energy Agency UAM (Uncertainty Analysis in Modeling) expert working group. The "Fast Total Monte Carlo" method is applied on a model for the Monte Carlo transport and burnup code SERPENT. Uncertainties on $k_{\infty}$, reaction rates, two-group cross sections, inventory and local pin power density during burnup are obtained, due to transport cross sections for the actinides and fission products, fission yields and thermal scattering data.
Ha, Yeong-Keong;Kim, Jung-Suck;Jeon, Young-Shin;Han, Sun-Ho;Seo, Hang-Seok;Song, Kyu-Seok
Nuclear Engineering and Technology
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제42권1호
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pp.79-88
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2010
Spent $UO_2$ nuclear fuel discharged from a nuclear power plant (NPP) contains fission products, U, Pu, and other actinides. Due to neutron capture by $^{238}U$ in the rim region and a temperature gradient between the center and the rim of a fuel pellet, a considerable increase in the concentration of fission products, Pu, and other actinides are expected in the pellet periphery of high burnup fuel. The characterization of the radial profiles of the various isotopic concentrations is our main concern. For an analysis, spent nuclear fuels originating from the Yeonggwang-2 pressurized water reactor (PWR) were chosen as the test specimens. In this work, the distributions of some actinide isotopes were measured from center to rim of the spent fuel specimens by a radiation shielded laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer (LA-ICP-MS) system. Sampling was performed along the diameter of the specimen by reducing the sampling intervals from 500 ${\mu}m$ in the center to 100 ${\mu}m$ in the pellet periphery region. It was observed that the isotopic concentration ratios for minor actinides in the center of the specimen remain almost constant and increase near the pellet periphery due to the rim effect apart from the $^{236}U$ to $^{235}U$ ratio, which remains approximately constant. In addition, the distributions of local burnup were derived from the measured isotope ratios by applying the relationship between burnup and isotopic ratio for plutonium and minor actinides calculated by the ORIGEN2 code.
The U-Zr or U-TRU-Zr cylindrical metallic fuel slug used in fast reactors is known to swell significantly and to grow during irradiation. In neutronics simulations of metallic-fueled fast reactors, it is assumed that the slug has swollen and contacted cladding, and the bonding sodium has been removed from the fuel region. In this research, a realistic burnup-dependent fuel-swelling simulation was performed using Monte Carlo code McCARD for a single-batch compact sodium-cooled breed-and-burn reactor by considering the fuel-swelling behavior reported from the irradiation test results in EBR-II. The impacts of the realistic burnup-dependent fuel swelling are identified in terms of the reactor neutronics performance, such as core lifetime, conversion ratio, axial power distribution, and local burnup distributions. It was found that axial fuel growth significantly deteriorated the neutron economy of a breed-and-burn reactor and consequently impaired its neutronics performance. The bonding sodium also impaired neutron economy, because it stayed longer in the blanket region until the fuel slug reached 2% burnup.
Ha, Yeong-Keong;Han, Sun-Ho;Kim, Hyun-Gyum;Kim, Won-Ho;Jee, Kwang-Yong
Nuclear Engineering and Technology
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제40권4호
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pp.311-318
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2008
In modem power reactors, nuclear fuels have recently reached 55,000 MWd/MtU from the initial average burnup of 35,000 MWd/MtU to reduce the fuel cycle cost and waste volume. At such high burnups, a fuel pellet produces fission products proportional to the burnup and creates a typical high burnup structure around the periphery region of the pellet, producing the so called 'rim effect'. This rim region of a highly burnt fuel is known to be ca. $200\;{\mu}m$ in width and is known to affect the fuel integrity. To characterize the local burnup in the rim region, solid sampling in the micro meter region by laser ablation is needed so that the distribution of isotopes can be determined by ICP-MS. For this procedure, special radiation shielding is required for personnel safety. In this study, we installed a radiation shielded laser ablation ICP-MS system, and a performance test of the developed system was conducted to evaluate the safe operation of instruments.
A complete solution for a soluble-boron-free (SBF) small modular reactor (SMR) is pursued with a new burnable absorber concept, namely centrally-shielded burnable absorber (CSBA). Neutronic flexibility of the CSBA design has been discussed with fuel assembly (FA) analyses. Major design parameters and goals of the SBF SMR are discussed in view of the reactor core design and three CSBA designs are introduced to achieve both a very low burnup reactivity swing (BRS) and minimal residual reactivity of the CSBA. It is demonstrated that the core achieves a long cycle length (~37 months) and high burnup (~30 GWd/tU), while the BRS is only about 1100 pcm and the radial power distribution is rather flat. This research also introduces a supplementary reactivity control mechanism using stainless steel as mechanical shim (MS) rod to obtain the criticality during normal operation. A further analysis is performed to investigate the local power peaking of the CSBA-loaded FA at MS-rodded condition. Moreover, a simple $B_4C$-based control rod arrangement is proposed to assure a sufficient shutdown margin even at the cold-zero-power condition. All calculations in this neutronic-thermal hydraulic coupled investigation of the 3D SBF SMR core are completed by a two-step Monte Carlo-diffusion hybrid methodology.
조사후 핵연료 가열(PIA장비)를 이용한 고연소도 UO2 사용후 핵연료의 산화 및 가열후 미세조직의 변화를 관찰하였다. 울진 2호기에서 한국원자력연구소 조사후시험시설로 이송된 국산 경수로용 고연소도 사용후 핵연료는 봉평균 연소도가 57,000 MWd/tU-rod avg.이였다. 본 시험에 사용된 시편은 국부연소도 65,000 MWd/tU UO2 소결체의 고형체 200 mg을 사용하였다. 본 시편을 사용후 핵 연료 가열(PIA) 시험장비를 이용하여 핫셀 내에서 3시간의 산화시험과 연속적으로 $1,400^{\circ}C$ 까지 가열하였다. 결정립경계까지의 산화를 위하여 $500^{\circ}C$에서 헬륨 50 ml, 표준공기 100 ml를 흔합한 산화분위기로 3시간을 유지하였다. 핵분열기체 방출거동을 알기위해 시험 전과정중에 85Kr의 방출량을 베타 측정기와 감마 측정기를 이용하여 실시간으로 측정 하였다. 가열시험이 종료된 후 전자주사현미경을 이용하여 미세구조의 변화를 관찰하였다. 시험결과 가열하는 동안 핵분열생성물은 UO2기지의 결정립경계와 표면으로 이동된 것을 관찰하였다. 이 시편은 환원과정을 통하여 재구조화 되었고, $5\~10\;{\mu}m$ 정도의 결정립크기를 가진 것으로 나타났다.
저누출 장전 모형은 새 연료를 안에서부터 넣는 in-out 형태를 취하여 격납 용기의 fluence를 줄이고 중성자 경제성을 높이고자 하는 것으로, 이 경우에는 노심내의 전체적인 중성자 경제성은 좋아지지만 노심 중앙부에서의 새연료의 과다 반응도 때문에 안전성 여유를 줄이게 되므로 많은 수의 가연성 독붕봉을 사용하여 첨두 인자를 조절해야만 한다. 본 논문에서는 가연성 독붕봉 연소에 따른 출력 변화를 섭동으로 취급하며, 이를 출력감도 계수(Power Sensitivity Coefficient)로 표시한다. 최적화된 가연성 독붕봉의 분포를 구하기 인하여 알고 있는 주기말상태로부터, 노심 내의 출력과 과다 반응도를 제어하면서 주기초로 추적해 나가는 역연소법(Reverse Depletion Method)의 도입에 대한 타당성을 출력 민감도 계수개념과 선형 계획법을 이용하여 원자력 7호기 제1주기에 응용하여 검증했으며, 가연성 독붕봉의 추정량과 실제량과의 차이는 최대 4.5%의 오차를 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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