Vincent Dupont;Victor Blanc;Thierry Beck;Marc Lainet;Pierre Sciora
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.3
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pp.973-979
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2024
In the framework of the Generation IV research and development project, in which the French Commission of Alternative and Atomic Energies (CEA) is involved, a main objective for the design of Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) is to meet the safety goals for severe accidents. Among the severe ones, the Unprotected Transient OverPower (UTOP) accidents can lead very quickly to a global melting of the core. UTOP accidents can be considered either as slow during a Control Rod Withdrawal (CRW) or as fast. The paper focuses on fast UTOP accidents, which occur in a few milliseconds, and three different scenarios are considered: rupture of the core support plate, uncontrolled passage of a gas bubble inside the core and core mechanical distortion such as a core flowering/compaction during an earthquake. Several levels and rates of reactivity insertions are also considered and the thermal-mechanical behavior of an ASTRID fuel pin from the ASTRID CFV core is simulated with the GERMINAL code. Two types of fuel pins are simulated, inner and outer core pins, and three different burn-up are considered. Moreover, the feedback from the CABRI programs on these type of transients is used in order to evaluate the failure mechanism in terms of kinetics of energy injection and fuel melting. The CABRI experiments complete the analysis made with GERMINAL calculations and have shown that three dominant mechanisms can be considered as responsible for pin failure or onset of pin degradation during ULOF/UTOP accident: molten cavity pressure loading, fuel-cladding mechanical interaction (FCMI) and fuel break-up. The study is one of the first step in fast UTOP accidents modelling with GERMINAL and it has shown that the code can already succeed in modelling these type of scenarios up to the sodium boiling point. The modeling of the radial propagation of the melting front, validated by comparison with CABRI tests, is already very efficient.
Interfacial stresses at two-material interfaces and initial displacement field over the entire domain are obtained by modifying the potential energy functional with a penalty function, which enforces continuity of the stresses at the interface of two materials. Based on the initial displacement field and interfacial stresses, a new methodology to generate a continuous stress field over the entire domain has been proposed by combining the modified projection method of stress-smoothing and Loubignac's iterative method of improving the displacement field. Stress analysis is carried out on two examples made of dissimilar materials : one is a two-material cantilever composed of highly dissimilar materials and the other is a zirconium-lined cladding tube made of slightly dissimilar materials. Results of the analysis show that the proposed method provides an improved continuous stress field over the entire domain, and accurately predicts the nodal stresses at the interface, while the conventional displacement-based finite element method produces significant stress discontinuities at the interface. In addition, the total strain energy evaluated from the improved continuous stress field converges to the exact value in a few iterations.
Seon Oh YU;Kyung Won LEE;Kyung Lok BAEK;Manwoong KIM
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.17
no.1
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pp.18-27
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2021
This study aims to develop an improved evaluation technology for assessing CANDU-6 safety. For this purpose, the multiple steam generator tube rupture (mSGTR) followed by an unmitigated station blackout (SBO) in a CANDU-6 plant was selected as a hypothetical event scenario and the analysis model to evaluate the plant responses was envisioned into the MARS-KS input model. The model includes logic models for controlling the pressure and inventory of the primary heat transport system (PHTS) decreasing due to the u-tubes' rupture, as well as the main features of PHTS with a simplified model for the horizontal fuel channels, the secondary heat transport system including the shell side of steam generators, feedwater and main steam line, and moderator system. A steady state condition was successfully achieved to confirm the stable convergence of the key parameters. Until the turbine trip, the fuel channels were adequately cooled by forced circulation of coolant and supply of main feedwater. However, due to the continuous reduction of PHTS pressure and inventory, the reactor and turbine were shut down and the thermal-hydraulic behaviors between intact and broken loops got asymmetric. Furthermore, as the conditions of low-flow coolant and high void fraction in the broken loop persisted, leading to degradation of decay heat removal, it was evaluated that the peak cladding temperature (PCT) exceeded the limit criteria for ensuring nuclear fuel integrity. This study is expected to provide the technical bases to the accident management strategy for transient conditions with multiple events.
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.
Noori-Kalkhoran, Omid;Shirani, Amir Saied;Ahangari, Rohollah
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.5
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pp.1140-1153
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2016
Since the inception of nuclear power as a commercial energy source, safety has been recognized as a prime consideration in the design, construction, operation, maintenance, and decommissioning of nuclear power plants. The release of radioactivity to the environment requires the failure of multiple safety systems and the breach of three physical barriers: fuel cladding, the reactor cooling system, and containment. In this study, nuclear reactor containment pressurization has been modeled in a large break-loss of coolant accident (LB-LOCA) by programming single-cell and multicell models in MATLAB. First, containment has been considered as a control volume (single-cell model). In addition, spray operation has been added to this model. In the second step, the single-cell model has been developed into a multicell model to consider the effects of the nodalization and spatial location of cells in the containment pressurization in comparison with the single-cell model. In the third step, the accident has been simulated using the CONTAIN 2.0 code. Finally, Bushehr nuclear power plant (BNPP) containment has been considered as a case study. The results of BNPP containment pressurization due to LB-LOCA have been compared between models, final safety analysis report, and CONTAIN code's results.
Korea expects a shortage in storage capacity for spent fuels at reactor sites. Therefore, a need for more metal and/or concrete casks for storage systems is anticipated for either the reactor site or away from the reactor for interim storage. For the purpose of interim storage and transportation, a dual purpose metal cask that can load 21 spent fuel assemblies is being developed by Korea Radioactive Waste Management Corporation (KRMC) in Korea. At first the gamma and neutron flux for the design basis fuel were determined assuming in-core environment (the temperature, pressure, etc. of the moderator, boron, cladding, $UO_2$ pellets) in which the design basis fuel is loaded, as input data. The evaluation simulated burnup up to 45,000 MWD/MTU and decay during ten years of cooling using the SAS2H/OGIGEN-S module of the SCALE5.1 system. The results from the source term evaluation were used as input data for the final shielding evaluation utilizing the MCNP Code, which yielded the effective dose rate. The design of the cask is based on the safety requirements for normal storage conditions under 10 CFR Part 72. A radiation shielding analysis of the metal storage cask optimized for loading 21 design basis fuels was performed for two cases; one for a single cask and the other for a $2{\times}10$ cask array. For the single cask, dose rates at the external surface of the metal cask, 1m and 2m away from the cask surface, were evaluated. For the $2{\times}10$ cask array, dose rates at the center point of the array and at the center of the casks' height were evaluated. The results of the shielding analysis for the single cask show that dose rates were considerably higher at the lower side (from the bottom of the cask to the bottom of the neutron shielding) of the cask, at over 2mSv/hr at the external surface of the cask. However, this is not considered to be a significant issue since additional shielding will be installed at the storage facility. The shielding analysis results for the $2{\times}10$ cask array showed exponential decrease with distance off the sources. The controlled area boundary was calculated to be approximately 280m from the array, with a dose rate of 25mrem/yr. Actual dose rates within the controlled area boundary will be lower than 25mrem/yr, due to the decay of radioactivity of spent fuel in storage.
Kim, Juseong;Kook, Donghak;Sim, Jeehyung;Kim, Yongsoo
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.11
no.4
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pp.333-349
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2013
As the capacity of spent nuclear fuel storage pool at reactor sites becomes saturated in ten years, long term dry storage strategy has been recently discussed as an alternative option in Korea. In this study, we reviewed safety-criteria-related research results on spent nuclear fuel performance and integrity under long-term dry storage and proposed the direction and the scope of future domestic research and development. Creep and hydride effect in relation to the embrittlement are known to be the major degradation mechanisms of the spent fuels during the long term dry storage. However, recent research results showed that hydride reorientation and hydride embrittlement are one of the most critical factors to the spent fuel integrity. Accordingly safety criteria of US and Japan for the storage system are basically founded on those mechanisms. However, in Korea, not only in-pile but out-of-pile experimental data have not been generated to understand fuel cladding degradation and to determine the criteria to ensure the safety. In addition, the transient behavior of the spent fuel during transportation also needs to be thoroughly examined. Therefore, various experimental research and development will be required to establish our own safety criteria for future long-term dry storage of domestic spent fuels.
Dehjourian, Mehdi;Sayareh, Reza;Rahgoshay, Mohammad;Jahanfarnia, Gholamreza;Shirani, Amir Saied
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.5
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pp.1174-1183
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2016
Hydrogen release during severe accidents poses a serious threat to containment integrity. Mitigating procedures are necessary to prevent global or local explosions, especially in large steel shell containments. The management of hydrogen safety and prevention of over-pressurization could be implemented through a hydrogen reduction system and spray system. During the course of the hypothetical large break loss-of-coolant accident in a nuclear power plant, hydrogen is generated by a reaction between steam and the fuel-cladding inside the reactor pressure vessel and also core concrete interaction after ejection of melt into the cavity. The MELCOR 1.8.6 was used to assess core degradation and containment behavior during the large break loss-of-coolant accident without the actuation of the safety injection system except for accumulators in Beznau nuclear power plant. Also, hydrogen distribution in containment and performance of hydrogen reduction system were investigated.
During the postulated severe accident of nuclear reactor, eutectic reaction leads to low-temperature melting of fuel cladding and early failure of core structure. In order to model eutectic melting with the moving particle semi-implicit (MPS) method, the eutectic reaction model is developed to simulate the eutectic reaction phenomenon. The coupling of mass diffusion and phase diagram is applied to calculate the eutectic reaction with the uniform temperature. A heat transfer formula is proposed based on the phase diagram to handle the heat release or absorption during the process of eutectic reaction, and it can combine with mass diffusion and phase diagram to describe the eutectic reaction with temperature variation. The heat transfer formula is verified by the one-dimensional melting simulations and the predicted interface position agrees well with the theoretical solution. In order to verify the eutectic reaction models, the eutectic reaction of uranium and iron in two semi-infinite domains is simulated, and the profile of solid thickness decrease over time follows the parabolic law. The modified MPS method is applied to calculate Transient Reactor Test Facility (TREAT) experiment, the penetration rate in the simulations are agreeable with the experiment results. In addition, a hypothetical case based on the TREAT experiment is also conducted to validate the eutectic reaction with temperature variation, the results present continuity with the simulations of TREAT experiment. Thus the improved method is proved to be capable of simulating the eutectic reaction in the severe accident.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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