Goricanec, Tanja;Stancar, Ziga;Kotnik, Domen;Snoj, Luka;Kromar, Marjan
Nuclear Engineering and Technology
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제53권11호
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pp.3528-3542
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2021
A detailed geometrical model of a Krško reactor core was developed using a Monte Carlo neutron transport code MCNP. The main goal of developing an MCNP core model is for it to be used in future research focused on ex-core calculations. A script called McCord was developed to generate MCNP input for an arbitrary fuel cycle configuration from the diffusion based core design package CORD-2, taking advantage of already available material and temperature data obtained in the nuclear core design process. The core model was used to calculate 3D power density profile inside the core. The applicability of the calculated power density distributions was tested by comparison to the CORD-2 calculations, which is regularly used for the nuclear core design calculation verification of the Krško core. For the hot zero power and hot full power states differences between MCNP and CORD-2 in the radial power density profile were <3%. When studying axial power density profiles the differences in axial offset were less than 2.3% for hot full power condition. To further confirm the applicability of the developed model, the measurements with in-core neutron detectors were compared to the calculations, where differences of 5% were observed.
M. Lovecky;J. Zavorka;J. Jirickova;Z. Ondracek;R. Skoda
Nuclear Engineering and Technology
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제55권6호
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pp.2288-2297
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2023
Current designs of both large reactor units and small modular reactors utilize a nuclear fuel with increasing enrichment. This increasing demand for better nuclear fuel utilization is a challenge for nuclear fuel handling facilities. The operation with higher enriched fuels leads to reduced reserves to legislative and safety criticality limits of spent fuel transport, storage and final disposal facilities. Design changes in these facilities are restricted due to a boron content in steel and aluminum alloys that are limited by rolling, extrusion, welding and other manufacturing processes. One possible solution for spent fuel pools and casks is the burnup credit method that allows decreasing very high safety margins associated with the fresh fuel assumption in spent fuel facilities. This solution can be supplemented or replaced by an alternative solution based on placing the neutron absorber material directly into the fuel assembly, where its efficiency is higher than between fuel assemblies. A neutron absorber permanently fixed in guide tubes decreases system reactivity more efficiently than absorber sheets between the fuel assemblies. The paper summarizes possibilities of fixed neutron absorbers for various nuclear fuel and fuel handling facilities. Moreover, an absorber material was optimized to propose alternative options to boron. Multiple effective absorbers that do not require steel or aluminum alloy compatibility are discussed because fixed absorbers are placed inside zirconium or steel cladding.
Griesheimer, David P.;Pavlou, Andrew T.;Thompson, Jason T.;Holmes, Jesse C.;Zerkle, Michael L.;Caro, Edmund;Joo, Hansem
Nuclear Engineering and Technology
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제49권6호
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pp.1199-1210
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2017
A new in-line method for sampling neutrons emitted in (${\alpha}$,n) reactions based on alpha particle source information has been developed for continuous-energy Monte Carlo simulations. The new method uses a continuous-slowing-down model coupled with (${\alpha}$,n) cross section data to precompute the expected neutron yield over the alpha particle lifetime. This eliminates the complexity and computational cost associated with explicit charged particle transport. When combined with an integrated alpha particle decay source sampling capability, the proposed method provides an efficient and accurate method for sampling (${\alpha}$,n) neutrons based solely on nuclide inventories in the problem, with no additional user input required. Results from several example calculations show that the proposed method reproduces the (${\alpha}$,n) neutron yields and energy spectra from reference experiments and calculations.
Carreno, A.;Vidal-Ferrandiz, A.;Ginestar, D.;Verdu, G.
Nuclear Engineering and Technology
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제53권12호
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pp.3861-3878
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2021
The steady-state simplified spherical harmonics equations (SPN equations) are a higher order approximation to the neutron transport equations than the neutron diffusion equation that also have reasonable computational demands. This work extends these results for the analysis of transients by comparing of two formulations of time-dependent SPN equations considering different treatments for the time derivatives of the field moments. The first is the full system of equations and the second is a diffusive approximation of these equations that neglects the time derivatives of the odd moments. The spatial discretization of these methodologies is made by using a high order finite element method. For the time discretization, a semi-implicit Euler method is used. Numerical results show that the diffusive formulation for the time-dependent simplified spherical harmonics equations does not present a relevant loss of accuracy while being more computationally efficient than the full system.
The operation of a nuclear power plant relies on precalculated nuclear design predictions based on core calculations of various reactor states. The fuel temperature is a crucial factor in determining the reactor fuel behavior, but assessing the temperature variation in a fuel pellet taking into account neutron transport is challenging. Detailed simulation of the temperature behavior within the fuel pellet can be obtained by coupling of Monte Carlo neutron transport codes with thermal-hydraulics solvers. However, this approach is not practical for standard nuclear design calculations, and computationally cheaper and faster methods must be used. In nuclear core simulators, a concept of a single "effective temperature" that yields the same neutron response as in the case of the actual temperature shape is mainly applied. This paper evaluates various fuel temperature models used in nuclear core simulation calculations, ultimately recommending a new effective temperature model that considers the burnup correction.
Research reactors for radioisotope production, fuel and material testing and research activities are designed, constructed and operated based on the society's needs. In this study, neutronic and thermal hydraulic design of a high neutron flux research reactor core for radioisotope production is presented. Main parameters including core excess reactivity, reactivity variations, power and flux distribution during the cycle, axial and radial power peaking factors (PPF), Pu239 production and minimum DNBR are calculated by nuclear deterministic codes. Core calculations performed by deterministic codes are validated with Monte Carlo code. Comparison of the neutronic parameters obtained from deterministic and Monte Carlo codes indicates good agreement. Finally, subchannel analysis performed for the hot channel to evaluate the maximum fuel and clad temperatures. The results show that the average thermal neutron flux at the beginning of cycle (BOC) is 1.0811 × 1014 n/㎠-s and at the end of cycle (EOC) is 1.229 × 1014 n/㎠-s. Total Plutonium (Pu239) production at the EOC evaluated to be 0.9487 Kg with 83.64% grade when LEU (UO2 with 3.7% enrichment) used as fuel. This designed reactor which uses LEU fuel and has high neutron flux and low plutonium production could be used for peaceful nuclear activities based on nuclear non-proliferation treaty concepts.
Xiongjie Zhang;Bin Tang ;Geng Nian;Haitao Wang ;Lijiao Zhang ;Yan Zhang ;Rui Chen ;Zhifeng Liu ;Jinhui Qu
Nuclear Engineering and Technology
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제55권7호
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pp.2572-2577
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2023
A field determination method for small D-T neutron source yield based on the oxygen prompt gamma rays was established. A neutron-gamma transport equation of the determination device was developed. Two yield field determination devices with a thickness of 20 mm and 50 mm were made. The count rates of the oxygen prompt gamma rays were calculated using three energy spectra processing approaches, which were the characteristic peak of 6.13 MeV, the overlapping peak of 6.92 MeV and 7.12 MeV, and the total energy area. The R-square of the calibration curve is better than 94% and the maximum error of the yield test is 5.21%, demonstrating that it is feasible to measure the yield of D-T neutron source by oxygen prompt gamma rays. Additionally, the results meet the requirements for field determination of the conventional D-T neutron source yield.
This paper considers the concept of analog computing based on a cellular neural network (CNN) paradigm to simulate nuclear reactor dynamics using a time-dependent second order form of the neutron transport equation. Instead of solving nuclear reactor dynamic equations numerically, which is time-consuming and suffers from such weaknesses as vulnerability to transient phenomena, accumulation of round-off errors and floating-point overflows, use is made of a new method based on a cellular neural network. The state-of-the-art shows the CNN as being an alternative solution to the conventional numerical computation method. Indeed CNN is an analog computing paradigm that performs ultra-fast calculations and provides accurate results. In this study use is made of the CNN model to simulate the space-time response of scalar flux distribution in steady state and transient conditions. The CNN model also is used to simulate step perturbation in the core. The accuracy and capability of the CNN model are examined in 2D Cartesian geometry for two fixed source problems, a mini-BWR assembly, and a TWIGL Seed/Blanket problem. We also use the CNN model concurrently for a typical small PWR assembly to simulate the effect of temperature feedback, poisons, and control rods on the scalar flux distribution.
The optimal configuration of a transmutation reactor based on a low aspect ratio tokamak is determined using coupled analysis of tokamak systems and neutron transport. The inboard radial build of the reactor components is obtained from plasma physics and engineering constraints, while outboard radial builds are mainly determined by constraints on a neutron multiplication, a tritium-breeding ratio, and a power density. It is shown that a breeding blanket model has an impact on the radial build of a transmutation blanket. A burn cycle has to be determined to limit a fast neutron fluence of a plasma facing material below a radiation damage limit.
중성자 수송방정식으로 기술되는 중성자 거동을 중성자 확산방정식으로 계산하기 위해서는 수송경계조건에 대한 정확한 확산근사가 필요하다. 본 연구에서는 수송이론의 반사 및 진공경계조건에 대한 근사로 확산계산에서 광범위하게 사용되는 영중성자류, Marshak 및 Mark, 영중성자속, Albedo 조건 등에 대하여 수송이론의 확산근사 관점에서 유도 분석하여 각 조건의 수학적, 물리적 의미를 이해하고 서로의 상관관계를 보였다. 이러한 경계조건을 갖는 대상 문제를 서로 다른 확산경계조건을 사용하여 풀어 결과를 비교하였고 이들이 수송 경계조건을 비교적 정확히 기술함을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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