This paper presents the research activities performed to date for the development of a supercritical pressure water-cooled reactor (SCWR) in Korea. The research areas include a conceptual design of an SCWR with an internal flow recirculation, a reactor core conceptual design, a heat transfer test with supercritical $CO_2$, an adaptation of an existing safety analysis code to the supercritical pressure condition, and an evaluation of candidate materials through a corrosion study. Methods to reduce the cladding temperature are introduced from two different perspectives, namely, thermal-hydraulics and core neutronics. Briefly described are the results of an experiment on the heat transfer at a supercritical pressure, an experiment that is essential for the analysis of the subchannels of fuel assemblies and the analysis of a system safety. An existing system code has been adapted to SCWR conditions, and the process of a first-hand validation is presented. Finally, the corrosion test results of the candidate materials for an SCWR are introduced.
Oxide-dispersion-strengthened (ODS) alloy has been developed to increase the mechanical strength of metallic materials; such an improvement can be realized by distributing fine oxide particles within the material matrix. In this study, the ODS layer was formed in the surface region of Zr-based alloy tubes by laser beam treatment. Two kinds of Zr-based alloys with different alloying elements and microstructures were used: KNF-M (recrystallized) and HANA-6 (partial recrystallized). To form the ODS layer, $Y_2O_3$-coated tubes were scanned by a laser beam, which induced penetration of $Y_2O_3$ particles into the substrates. The thickness of the ODS layer varied from 20 to $55{\mu}m$ depending on the laser beam conditions. A heat affected zone developed below the ODS layer; its thickness was larger in the KNF-M alloy than in the HANA-6 alloy. The ring tensile strengths of the KNF-M and HANA-6 alloy samples increased more than two times and 20-50%, respectively. This procedure was effective to increase the strength while maintaining the ductility in the case of the HANA-6 alloy samples; however, an abrupt brittle facture was observed in the KNF-M alloy samples. It is considered that the initial microstructure of the materials affects the formation of ODS and the mechanical behavior.
A new method for injecting cooling water into the Korean research reactor (KRR) in the event of beam tube rupture is proposed in this paper. Moreover, the research evaluates the risk to the reactor core in terms of core damage frequency (CDF). The proposed method maintains the cooling water in the chimney at a certain level in the tank to prevent nuclear fuel damage solely by gravitational coolant feeding from the emergency water supply system (EWSS). This technique does not require sump recirculation operations described in the current procedure for resolving beam tube accidents. The reduction in the risk to the core in the event of beam tube rupture that can be achieved by the proposed change in the cooling water injection design is quantified as follows. 1) The total CDF of the KRR for the proposed design change is approximately 4.17E-06/yr, which is 8.4% lower than the CDF of the current design (4.55E-06/yr). 2) The CDF for beam tube rupture is 7.10E-08/yr, which represents an 84.1% decrease compared with that of the current design (4.49E-07/yr). In addition to this quantitative reduction in risk, the modified cooling water injection design maintains a supply of pure coolant to the EWSS tank. This means that the reactor does not require decontamination after an accident. Thermal hydraulic analysis proves that the water level in the reactor pool does not cause damage to the nuclear fuel cladding after beam tube rupture. This is because the amount of water in the chimney can be regulated by the EWSS function. The EWSS supplies emergency water to the reactor core to compensate for the evaporation of coolant in the core, thus allowing water to cover the fuel assemblies in the reactor core over a sufficient amount of time.
The fretting wear behaviour of Zircaloy-4 tube used as the fuel rod cladding in PWR nuclear power plants has been investigated at the different test environment, in light water and in air as a function of slip amplitude, normal load, test duration and frequency. Zircaloy-4 tubes were used for both of oscillating and stationary specimens. A fretting wear tester was designed to be suitable for this fretting test. The wear volume and specific wear rate of Zircaloy-4 tube in water were greater than those in air under various slip amplitude. It was found that delaminate debris and surface cracks were observed at low slip amplitude and high load in water Experimental results showed that the light water accelerated the wear of Zircaloy-4 tube at low slip amplitude in fretting.
The fretting wear behaviour of Zircaloy-4 tube used as the fuel rod cladding in PWR nuclear power plants has been investigated at the different test environment, in light water and in air as a function of slip amplitude, normal load, test duration and frequency. Zircaloy-4 tubes were used for both of oscillating and stationary specimens. A fretting wear tester was designed to be suitable for this fretting test. The wear volume and specific wear rate of Zircaloy-4 tube in water was greater than those in air under various slip amplitude. Delaminates and surface cracks were observed at low slip amplitude and high load of fretting test in water, but the traces of adhesion and plowing were observed at and above 200 Um. The water accelerates the wear of Zircaloy-4 tube at lower slip amplitude in fretting.
The fretting wear behavior of the contact between Zircaloy-4 tube and Inconel 600, which are used as the fuel rod cladding and grid, respectively, in PWR nuclear power plants was investigated in air. In the study, number of cycles, slip amplitude and normal load were selected as the main factors of fretting wear. The results indicated that wear increased with load, slip amplitude and number of cycles but was affected mainly by the slip amplitude. SEM micrographs revealed the characteristics of fretting wear features on the surface of the specimens such as stick, partial slip and gross slip which depended on the slip amplitude. It was found that fretting wear was caused by the crack generation along the stick-slip boundaries due to the accumulation of plastic flow at small slip amplitudes and by abrasive wear in the entire contact area at high slip amplitudes.
A study on microstructures of welds for Zircaloy-4 sheath end closure by the resistance upset welding methods was carried out. Two upset welding process variations such as magnetic farce and multi-impulse resistance welding were used. Grain size and microhardness across welds were analysed in terms of welding parameters. Magnetic farce resistance weld with one cycle of unbalanced mode has smaller upset length and $\alpha-grain$ size in heat affected zone than those of multi-impulse resistance weld because of lower heat input and shorter welding time. Heat affected zone formed by two upset resistance welding variations revealed fine Widmanstatten structure or martensitic ${\alpha}'$ structure due to the high heating rate and foster cooling rate. Magnetic force resistance welds showed recrystallized grains before grain growth, whereas multi-impulse resistance welds showed full grain growth.
CRUD specimens, scraped from twice-burned fuel cladding in the Korean Nuclear Power Plant, were analyzed using Shielded-EPMA. The principal elements of the CRUD were identified as Ni and Fe, at an approximate ratio of 1.3 Ni/Fe. To investigate the morphology and composition of the pure metallic materials in the CRUD, coolant impurities must be removed. This can be accomplished by increasing the EPMA current to an abnormally high intensity until the impurities are melted. Normally, EPMA applications are performed at conditions of 20 kV voltage and 20 nA current. But in our study, the applied current was increased up to 1200 nA, over time increments ranging from 5 to 30 seconds. This technique was performed by opening an adjustable aperture for the gun alignment. Results showed impurities contained in the CRUD material disappeared and pure metal materials, e.g., Ni and Fe, remained. This method presents an innovative way to analyze CRUD.
Park, Sang Yoon;Kim, Jun Hwan;Choi, Byung Kwon;Jeong, Yong Hwan
Corrosion Science and Technology
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제6권4호
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pp.170-176
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2007
Iodine-induced stress corrosion cracking (ISCC) properties and the associated ISCC process of Zircaloy-4 and an Nb-containing advanced nuclear fuel cladding were evaluated. An internal pressurization test with a pre-cracked specimen was performed with a stress-relieved (SR) or recrystallized (RX) microstructure at $350^{\circ}C$, in an iodine environment. The results showed that the $K_{ISCC}$ of the SR and RX Zircaloy-4 claddings were 3.3 and 4.8MPa\;m^{0.5}, respectively. And the crack propagation rate of the RX Zircaloy-4 was 10 times lower than that of the SR one. The chemical effect of iodine on the crack propagation rate was very high, which was increased $10^4$ times by iodine addition. Main factor affecting on the micro-crack nucleation was a pitting formation and its agglomeration along the grain boundary. However, this pitting formation on the grain-boundary was suppressed in the case of an Nb addition, which resulted in an increase of the ISCC resistance when compared to Zircaloy-4. Crack initiation and propagation mechanisms of fuel claddings were proposed by a grain boundary pitting model and a pitting assisted slip cleavage model and they showed reasonable results.
During fuel irradiation tests, all parts of cylindrical structure with multiple holes act as heat sources due to fussion heal and ${\gamma}-flux$. The high temperature is especially generated over $2500^{\circ}C$ in the center of pellet. Due to the high temperature, many problems occur, such as melting of pellet and declining of heat transfer between cladding and coolant. [n this study, it is attempted 10 minimize the temperature of pellet using optimization method about geometric variables. For thermal and optimization analysis or structure. the finite element method code. ANSYS 5.7 is used. In this procedure. subproblem approximation method is used to the optimization methods. Through the optimum design process, the temperature of sealed basket type is reduced from $2537^{\circ}C$ to $2181^{\circ}C$ and the temperature of open basket type is reduced from $2560^{\circ}C$ to $2106^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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